Single molecule detection of Tau seeds in extracellular vesicles from Alzheimer's disease brains

अल्जाइमर रोग एक ऐसी स्थिति है जिसमें मस्तिष्क धीरे-धीरे अपनी कार्य करने की क्षमता खो देता है, जिससे याददाश्त कम होना और भ्रम की स्थिति पैदा होती है। इस गिरावट के केंद्र में दो प्रकार के विकृत प्रोटीन हैं जो मस्तिष्क की कोशिकाओं के भीतर और बाहर आपस में गुच्छे बना लेते हैं। इनमें से एक, जिसे 'टाऊ' (Tau) कहा जाता है, आमतौर पर एक न्यूरॉन की आंतरिक संरचना को बनाए रखने में मदद करता है। हालाँकि, अल्जाइमर में, टाऊ रासायनिक रूप से परिवर्तित हो जाता है, जिससे यह मुड़कर टेढ़े-मेढ़े आकार ले लेता है और आपस में चिपक जाता है। ये गुच्छे, जिन्हें 'बीज' (seeds) कहा जाता है, एक मस्तिष्क कोशिका से दूसरी कोशिका में फैल सकते हैं, जो एक टेम्पलेट की तरह कार्य करते हैं जो स्वस्थ टाऊ को भी इस गंदगी में शामिल होने के लिए मजबूर कर देते हैं। यह प्रसार मस्तिष्क में एक अनुमानित पथ का अनुसरण करता है, जो रोग की गंभीरता के साथ मेल खाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये बीज कोशिकाओं के आसपास मौजूद तरल पदार्थ में स्वतंत्र रूप से यात्रा करते हैं। हालाँकि, हाल के वर्षों में, एक अलग सिद्धांत ने लोकप्रियता हासिल की है: ये बीज 'एक्स्ट्रासेलुलर वेसिकल्स' (extracellular vesicles) नामक सूक्ष्म, बुलबुले जैसी थैलियों के भीतर सवारी कर रहे हो सकते हैं। ये वेसिकल्स स्वाभाविक रूप से कोशिकाओं द्वारा एक-दूसरे के साथ संवाद करने के लिए छोड़े जाते हैं, जो प्रोटीन और अन्य अणुओं के रूप में संदेश ले जाते हैं। यदि रोग पैदा करने वाले ये टाऊ बीज वास्तव में इन सुरक्षात्मक बुलबुलों के अंदर छिपे हुए हैं, तो यह स्पष्ट करेगा कि वे कोशिकाओं के बीच की यात्रा के दौरान कैसे जीवित रहते हैं और वे नुकसान फैलाने में इतने प्रभावी क्यों हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, फ्रांस की एक शोध टीम ने उन लोगों के मस्तिष्क ऊतकों पर ध्यान केंद्रित किया जिनकी अल्जाइमर रोग के कारण मृत्यु हो गई थी। उनका लक्ष्य इन सूक्ष्म वेसिकल्स को खोजना था और यह देखना था कि क्या वे खतरनाक टाऊ बीजों को ले जा रहे हैं। चुनौती बहुत बड़ी थी। ये वेसिकल्स अविश्वसनीय रूप से छोटे होते हैं, जिनका व्यास 35 से 250 नैनोमीटर के बीच होता है, जो मानक सूक्ष्मदर्शी (microscopes) से स्पष्ट रूप से देखने के लिए बहुत छोटा है। इसके अलावा, प्रत्येक वेसिकल के भीतर टाऊ बीजों की संख्या बहुत कम होती है, जिससे उन्हें अन्य प्रोटीनों के शोर के बीच पहचानना कठिन हो जाता है। शोधकर्ताओं को एक ऐसी विधि की आवश्यकता थी जो न केवल इन सूक्ष्म बुलबुलों को देख सके बल्कि उनके भीतर के व्यक्तिगत अणुओं को अत्यधिक सटीकता के साथ गिन भी सके।

टीम ने उन्नत अल्जाइमर वाले रोगियों के मस्तिष्क ऊतकों और समान आयु वर्ग के उन व्यक्तियों के ऊतकों से, जिन्हें डिमेंशिया नहीं था, इन वेसिकल्स को सावधानीपूर्वक निकालने से शुरुआत की। उन्होंने मस्तिष्क के ऊतकों को बिना नाजुक वेसिकल्स को नुकसान पहुँचाए तोड़ने के लिए एंजाइमों का उपयोग करने वाली एक सौम्य प्रक्रिया का उपयोग किया, फिर मिश्रण को छानकर इन सूक्ष्म बुलबुलों को अलग किया। जो कुछ भी उन्होंने एकत्र किया था, उसकी पुष्टि करने के लिए, उन्होंने पहले इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके नमूनों का निरीक्षण किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो अत्यधिक आवर्धित (magnified) चित्र बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करती है। इससे पता चला कि वेसिकल्स बरकरार, गोल या कप के आकार की संरचनाएं थे, जिनका औसत आकार लगभग 55 से 60 नैनोमीटर था। उन्होंने इन वेसिकल्स की सतह पर मौजूद विशिष्ट मार्करों की जांच करने के लिए एक जैव रासायनिक परीक्षण का भी उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि उन्होंने सही सामग्री को सफलतापूर्वक अलग कर लिया है।

असली सफलता तब आई जब शोधकर्ताओं ने 'सिंगल मॉलिक्यूल लोकलाइजेशन माइक्रोस्कोपी' (single molecule localization microscopy) नामक एक परिष्कृत इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। यह विधि नमूने के हजारों त्वरित स्नैपशॉट लेने का काम करती है, जो उस क्षण को पकड़ती है जब व्यक्तिगत फ्लोरोसेंट अणु प्रोटीन से जुड़कर चमकते हैं और फिर धुंधले हो जाते हैं। प्रत्येक प्रकाश की चमक के सटीक स्थान को निर्धारित करके, कंप्यूटर एक सुपर-शार्प छवि बना सकता है जो सामान्य प्रकाश की तुलना में कहीं अधिक रिज़ॉल्यूशन के साथ वेसिकल्स की संरचना और उनके भीतर के प्रोटीनों को प्रकट करती है। टीम ने एक साथ दो अलग-अलग चीजों को ट्रैक करने के लिए दो अलग-अलग रंगों की रोशनी का उपयोग किया: एक रंग वेसिकल के बाहरी आवरण को चिह्नित करने के लिए, और दूसरा रोगजनक टाऊ बीजों की खोज करने के लिए।

जब उन्होंने स्वस्थ मस्तिष्क के वेसिकल्स को देखा, तो उन्हें रोग पैदा करने वाले टाऊ के बहुत कम संकेत मिले। हालाँकि, अल्जाइमर वाले मस्तिष्कों से प्राप्त परिणाम चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक महत्वपूर्ण संख्या में वेसिकल्स में रोगजनक टाऊ प्रोटीन के गुच्छे मौजूद थे। बीमारी वाले रोगियों के नमों में, वेसिकल्स के इन बीजों को ले जाने की संभावना बहुत अधिक थी, और जब वे ऐसा करते थे, तो वे नियंत्रण नमों की तुलना में अधिक मात्रा में इन्हें ले जाते थे। प्रयोगशाला में वेसिकल्स को धीरे से खोलकर, टीम ने पुष्टि की कि टाऊ केवल बाहर चिपका हुआ नहीं था, बल्कि वास्तव में बुलबुले के भीतर, उसके लुमेन (lumen) के अंदर सुरक्षित रूप से फंसा हुआ था। इसने प्रत्यक्ष दृश्य प्रमाण प्रदान किया कि ये सूक्ष्म वाहक वास्तव में रोग पैदा करने वाली सामग्री का परिवहन कर रहे हैं।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि कौन से आकार के वेसिकल्स सबसे अधिक नुकसान पहुँचाते हैं। हालांकि सभी आकार के वेसिकल्स में कुछ टाऊ पाया गया, लेकिन शोधकर्ताओं ने नोट किया कि लगभग 100 नैनोमीटर व्यास वाले वेसिकल्स का एक विशिष्ट समूह था, जो अल्जाइमर के नमों में रोगजनक प्रोटीन से विशेष रूप से भरा हुआ प्रतीत होता था। यह सुझाव देता है कि सभी वेसिकल्स रोग के प्रसार में समान भूमिका नहीं निभाते हैं; एक विशिष्ट उप-जनसंख्या (subpopulation) टाऊ बीजों के वाहक के रूप में प्राथमिक वाहन हो सकती है। शोधकर्ता एक साथ हजारों वेसिकल्स को गिनने में सक्षम थे, जिससे उन्हें एक ऐसा सांख्यिकीय दृष्टिकोण मिला जो पहले असंभव था। उन्होंने पाया कि जबकि स्वस्थ और रोगग्रस्त मस्तिष्क के बीच वेसिकल्स की कुल संख्या समान थी, उनके भीतर का कार्गो (सामग्री) नाटकीय रूप से भिन्न था।

यह कार्य केवल यह पुष्टि नहीं करता है कि वेसिकल्स टाऊ को ले जाते हैं; यह सबसे मौलिक स्तर पर रोग का अध्ययन करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदर्शित करता है। इस उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग का उपयोग करके, शोधकर्ता वेसिकल्स के भीतर टाऊ प्रोटीन के आकार और व्यवस्था को देख सके, उन्हें छोटे, गोलाकार गुच्छों के रूप में देख सके। विवरण का यह स्तर वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि कोशिका से कोशिका तक यात्रा करते समय रोग का सटीक रूप क्या होता है। निष्कर्ष बताते हैं कि वेसिकल्स केवल निष्क्रिय कंटेनर नहीं हैं बल्कि अल्जाइमर के प्रसार में सक्रिय भागीदार हैं। हालांकि यह अध्ययन उन रोगियों के मस्तिष्क ऊतकों पर किया गया था जिनकी मृत्यु हो चुकी थी, इन विशिष्ट, रोग-वाहक वेसिकल्स का पता लगाने की क्षमता नए रास्ते खोलती है। यदि वैज्ञानिक रक्त या स्पाइनल फ्लूइड में इन विशिष्ट वेसिकल्स की पहचान करना सीख जाते हैं, तो यह रोग के बहुत पहले, शायद लक्षण दिखने से पहले ही निदान करने के नए तरीके विकसित कर सकता है। फिलहाल, यह शोध एक स्पष्ट प्रदर्शन है कि अल्जाइमर के बीज वास्तव में इन सूक्ष्म बुलबुलों के भीतर यात्रा कर रहे हैं, और अब हमारे पास उन्हें स्पष्ट रूप से देखने के उपकरण मौजूद हैं।