An integration-free CRISPR platform for genetic dissection of respiratory virus host dependencies in human nasal epithelium
यह अध्ययन मानव नासिका बेसल कोशिकाओं (nasal basal cells) को आनुवंशिक रूप से इंजीनियर करने के लिए एक इंटीग्रेशन-मुक्त CRISPR/Cas9 वर्कफ़्लो स्थापित करता है ताकि जीन-संपादित एयर-लिक्विड इंटरफेस कल्चर बनाए जा सकें, जिनका उपयोग एक शारीरिक रूप से प्रासंगिक मॉडल में SARS-CoV-2 और hCoV-NL63 संक्रमण के लिए महत्वपूर्ण होस्ट कारकों के रूप में ACE2 और TMPRSS2 को मान्य करने के लिए किया गया था।
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श्वसन संबंधी बीमारी का कारण बनने वाले वायरस, सामान्य जुकाम से लेकर गंभीर महामारी तक, अपनी यात्रा नाक की परत पर उतरने से शुरू करते हैं। ऊतक की यह पतली परत, जिसे नासिका उपकला (nasal epithelium) के रूप में जाना जाता है, शरीर की रक्षा की पहली पंक्ति के रूप में कार्य करती है, जो कई अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं से मिलकर बना एक जटिल अवरोध है। यह समझने के लिए कि ये वायरस इस अवरोध को कैसे तोड़ते हैं, वैज्ञानिकों को उन विशिष्ट उपकरणों का अध्ययन करने की आवश्यकता है जिनका उपयोग वायरस कोशिका में प्रवेश करने के लिए करता है। दशकों तक, शोधकर्ता यह परीक्षण करने के लिए कि किसी व्यक्ति को संक्रमित करने के लिए वायरस को किन मानव प्रोटीनों की आवश्यकता हो सकती है, डिश में उगाए गए सरल, एकल-परत सेल कल्चर पर निर्भर रहे हैं। हालाँकि, ये कृत्रिम कोशिकाएं अक्सर जीवित मानव नाक में पाए जाने वाले वास्तविक, बहु-परतीय ऊतक की तरह व्यवहार नहीं करती हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने हाल ही में बेहतर मॉडल विकसित किए हैं जो वास्तविक नासिका अस्तर की संरचना की नकल करते हैं, इन वास्तविक मॉडलों को आनुवंशिक रूप से संशोधित करना कठिन रहा है। इन वास्तविक मॉडलों में विशिष्ट मानव जीन को आसानी से चालू या बंद करने की क्षमता के बिना, यह साबित करना कठिन रहा है कि वायरस संक्रमण शुरू करने के लिए मानव शरीर के किन हिस्सों का अपहरण करता है।
सिंगापुर के ड्यूक-एनएस (Duke-NUS) मेडिकल स्कूल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन वास्तविक नासिका कोशिकाओं के जीन को संपादित करने की एक नई विधि बनाकर इस समस्या को हल कर लिया है। उन्होंने स्टेम कोशिकाओं में विशिष्ट जीन को काटने के लिए एक सटीक आणविक उपकरण, जिसे सीआरआईएसपीआर (CRISPR) के रूप में जाना जाता है, का उपयोग करने का एक तरीका विकसित किया है जो नासिका अस्तर के रूप में विकसित होती हैं। पिछले तरीकों के विपरीत, जिनमें कोशिकाओं में विदेशी आनुवंशिक सामग्री डालने की आवश्यकता होती थी, जिससे अनपेक्षित परिवर्तन हो सकते थे, यह नया दृष्टिकोण "इंटीग्रेशन-फ्री" (integration-free) है, जिसका अर्थ है कि यह संपादन उपकरण का कोई स्थायी निशान पीछे नहीं छोड़ता है। वैज्ञानिकों ने पहले एक दाता से स्वस्थ नासिका कोशिकाएं उगाईं, फिर विशिष्ट जीन को काटने के लिए संपादन उपकरण और एक चमकने वाले मार्कर के अस्थायी मिश्रण का उपयोग किया। इसके बाद उन्होंने उन कोशिकाओं को छाँटा जिन्होंने सफलतापूर्वक संपादन उपकरण प्राप्त कर लिया था, उन्हें विस्तारित किया, और उन्हें एक पूर्ण, वास्तविक नासिका ऊतक परत के रूप में परिपक्व होने दिया। इस प्रक्रिया ने उन्हें एक ऐसा ऊतक मॉडल बनाने की अनुमति दी जहाँ विशिष्ट मानव जीन अनुपस्थित थे, जिससे वे देख सके कि जब वायरस उस विशिष्ट उपकरण के बिना नाक को संक्रमित करने की कोशिश करता है तो वास्तव में क्या होता है।
इस नए प्लेटफॉर्म का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि दो अलग-अलग कोरोना वायरस, जो कोविड-19 का कारण बनते हैं और एक अन्य सामान्य जुकाम का वायरस, मानव नाक को कैसे संक्रमित करते हैं। उन्होंने पहले ACE2 नामक प्रोटीन के जीन को हटाया, जो इन वायरसों के कोशिका में प्रवेश करने के लिए मुख्य दरवाजे के रूप में कार्य करता है। जब उन्होंने संपादित ऊतक को संक्रमित किया, तो वायरस अंदर नहीं जा सके, जिससे यह पुष्टि हुई कि दोनों वायरसों के मानव नाक को संक्रमित करने के लिए ACE2 अत्यंत आवश्यक है। इसके बाद, उन्होंने दूसरे प्रोटीन, TMPRSS2 की जांच की, जो एक चाबी की तरह कार्य करता है जो वायरस के सतह पर पहुँचने के बाद दरवाजे को खोल देती है। पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि कोशिकाओं के प्रकार के आधार पर वायरस विभिन्न चाबियों का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन इस नए शोध ने दिखाया कि वास्तविक नासिका ऊतक में, वायरस लगभग पूरी तरह से TMPRSS2 पर निर्भर करता है। जब शोधकर्ताओं ने TMPRSS2 के जीन को हटाया, तो वायरस ऊतक को संक्रमित करने में असमर्थ रहे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह विशिष्ट प्रोटीन वह महत्वपूर्ण चाबी है जिसकी वायरस को मानव नासिका कोशिकाओं में प्रवेश करने के लिए आवश्यकता होती है।
अध्ययन ने वायरस द्वारा उपयोग किए जाने वाले अन्य संभावित मार्गों को भी खारिज कर दिया। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या वायरस आंतरिक कोशिकीय मशीनरी से जुड़े एक अलग मार्ग के माध्यम से कोशिका में प्रवेश कर सकते हैं, लेकिन पाया कि इस मार्ग को रोकने का संक्रमण पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा। इसने पुष्टि की कि मानव नाक में, वायरस इन वैकल्पिक प्रवेश विधियों का उपयोग नहीं करता है। निष्कर्ष विभिन्न दाताओं में सुसंगत थे, जो यह दर्शाते हैं कि इन दो प्रोटीनों पर निर्भरता मनुष्यों को संक्रमित करने के लिए इन वायरसों की एक मौलिक विशेषता है। यह प्रदर्शित करके कि ये वायरस नाक में प्रवेश करने के लिए विशिष्ट मानव प्रोटीनों पर निर्भर हैं, यह अध्ययन भविष्य के चिकित्सा उपचारों के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करता है। यदि वैज्ञानिक इन दोनों—दरवाजे या चाबी—को रोकने वाले दवाएं विकसित कर सकें, तो वे वायरस को शरीर के अंदर जाने से पहले ही रोक सकते हैं। वास्तविक नासिका ऊतक को संपादित करने की यह नई विधि कई अन्य वायरसों के परीक्षण और यह समझने के लिए कि वे हमें ठीक कैसे संक्रमित करते हैं, एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करते हुए, भविष्य के श्वसन खतरों के लिए तैयार रहने का मार्ग खोलती है।
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