Biomimetic scaffolds mimic human subretinal debris for preclinical testing of prosthetic vision
यह अध्ययन फोटोवोल्टिक सरणियों (photovoltaic arrays) पर नैनोप्रिंटेड 3D बायोमिमेटिक स्कैफोल्ड्स प्रस्तुत करता है ताकि भौगोलिक शोष (geographic atrophy) में पाए जाने वाले सबरेटिनल मलबे के अंतराल (subretinal debris gap) की सटीक नकल की जा सके, जिससे इम्प्लांट और लक्षित न्यूरॉन्स के बीच की दूरी को नियंत्रित करके सबरेटिनल प्रोस्थेसिस के अधिक सटीक प्रीक्लिनिकल मूल्यांकन को सक्षम बनाया जा सके।
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लाखों लोगों के लिए, उम्र से संबंधित मैकुलर डिजनरेशन (age-related macular degeneration) नामक स्थिति के कारण दुनिया धीरे-धीरे अंधेरे में डूब रही है। इसके सबसे गंभीर रूप में, आँख के बिल्कुल पीछे स्थित प्रकाश-संवेदनशील कोशिकाएं, जिन्हें फोटोरेसेप्टर्स (photoreceptors) कहा जाता है, बस खत्म हो जाती हैं। हालांकि वे कोशिकाएं जो इन फोटोरेसेप्टर्स से संकेत प्राप्त करती हैं, अक्सर जीवित रहती हैं, लेकिन संपर्क टूट जाता है, जिससे मस्तिष्क बिना किसी दृश्य इनपुट के रह जाता है। दृष्टि को बहाल करने के लिए, वैज्ञानिक छोटे इलेक्ट्रॉनिक इम्प्लांट विकसित कर रहे हैं जो रेटिना के नीचे स्थित होते हैं। ये उपकरण कृत्रिम आँखों के रूप में कार्य करते हैं, जो प्रकाश को विद्युत स्पंदों (electrical pulses) में परिवर्तित करते हैं जो जीवित तंत्रिका कोशिकाओं को उत्तेजित करते हैं, इस उम्मीद में कि मस्तिष्क को फिर से देखने के लिए प्रेरित किया जा सके। हालांकि, इन उपकरणों के परीक्षण में एक बड़ी बाधा है। मानव रोगियों में, मृत फोटोरेसेप्टर्स और जीवित तंत्रिकाओं के बीच अक्सर कोशिकीय मलबे और स्कार टिश्यू (scar tissue) की एक परत बनी रहती है। यह परत एक कुशन (cushion) की तरह कार्य करती है, जो इम्प्लांट को लक्षित कोशिकाओं से दूर धकेल देती है। परीक्षण के लिए उपयोग किए जाने वाले जानवरों में, जैसे कि चूहों में, यह कुशन मौजूद नहीं होता; इम्प्लांट सीधे तंत्रिकाओं के संपर्क में रहता है। यह अंतर यह जानने में कठिनाई पैदा करता है कि क्या एक नया इम्प्लांट मानव आँख में अच्छी तरह काम करेगा या नहीं, जहाँ दूरी अधिक होती है और विद्युत संकेतों को सामग्री की उस अतिरिक्त परत के माध्यम से यात्रा करनी पड़ती है।
स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ सेंट्रल फ्लोरिडा के शोधकर्ताओं ने इस परीक्षण समस्या का समाधान विकसित किया है: एक सूक्ष्म, त्रि-आयामी स्कैफोल्ड (scaffold) जो मानव स्थिति की नकल करता है। उन्होंने एक सूक्ष्म, छिद्रयुक्त जाल (mesh) बनाया जिसे सीधे इम्प्लांट की सतह पर प्रिंट किया जा सकता है। यह जाल जीवित तंत्रिका कोशिकाओं को उपकरण से एक विशिष्ट दूरी पर रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ठीक वैसे ही जैसे मानव आँख में मलबे की परत करती है, जबकि यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश इम्प्लांट तक पहुँच सके और बिजली तंत्रिकाओं तक प्रवाहित हो सके। टीम ने इन स्कैफोल्ड्स का चूहों में परीक्षण किया, जिसमें उन्होंने जाल के छेदों के आकार को समायोजित करके सही संतुलन खोजा। उन्होंने पाया कि 3 माइक्रोमीटर का अंतराल आदर्श था। यह आकार इतना छोटा था कि तंत्रिका कोशिकाओं को इम्प्लांट के भीतर नीचे की ओर जाने से रोक सके, जिससे परीक्षण खराब हो जाता, लेकिन इतना बड़ा था कि आवश्यक जैविक तरल पदार्थ और विद्युत धाराएं स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सकें।
जब इन स्कैफोल्ड्स को प्रत्यारोपित किया गया, तो उन्होंने उपकरण और रेटिना के बीच एक स्थिर, नियंत्रित स्थान बनाया। समय के साथ, स्कैफोल्ड के भीतर का खाली स्थान स्वाभाविक रूप से आँख के जैविक पदार्थों से भर गया, जो मानव रोगियों में पाए जाने वाले ऊतकों के विद्युत गुणों से मेल खाने के लिए पर्याप्त घना हो गया। यह संक्रमण अत्यंत महत्वपूर्ण था। शुरुआत में, स्थान तरल पदार्थ से भरा था, जो बिजली का बहुत आसानी से संचालन करता है और दृश्य संकेत को धुंधला कर देता है। जैसे-जैसे स्थान ऊतक जैसे पदार्थ से भरा, विद्युत संकेत की स्पष्टता में सुधार हुआ, और चूहों की बारीक पैटर्न देखने की क्षमता और भी तेज हो गई। शोधकर्ताओं ने पाया कि तंत्रिकाओं को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक विद्युत सीमा (electrical thresholds) ठीक उसी तरह बदलती है जैसे प्राकृतिक मानव आँख में दूरी बढ़ने पर होती है। इसका अर्थ है कि स्कैफोल्ड ने सफलतापूर्वक एक रोगग्रस्त मानव आँख के चुनौतीपूर्ण वातावरण को चूहे के मॉडल के भीतर पुन: निर्मित किया।
अध्ययन ने नए और अधिक उन्नत इम्प्लांट्स से जुड़ी एक विशिष्ट समस्या को भी संबोधित किया जो रेटिना में गहराई तक पहुँचने के लिए सूक्ष्म स्तंभों (pillars) का उपयोग करते हैं। बिना किसी बाधा के, चूहों की तंत्रिका कोशिकाएं इन स्तंभों के चारों ओर नीचे की ओर बढ़ती हैं, जिससे वे इच्छित सीमा से अधिक उपकरण के करीब आ जाती हैं। यह प्रवास (migration) यह बदल देता है कि बिजली कोशिकाओं तक कैसे पहुँचती है, जिससे परीक्षण के परिणाम अविश्वसनीय हो जाते हैं। नए स्कैफोल्ड्स ने एक बाड़ (fence) के रूप में कार्य किया, जिससे तंत्रिका कोशिकाएं उन स्तंभों के शीर्ष पर बनी रहीं जहाँ शोधकर्ता उन्हें रखना चाहते थे। इस प्रवास को रोककर, टीम ने यह सुनिश्चित किया कि इलेक्ट्रोड और लक्षित कोशिका के बीच की दूरी स्थिर और अनुमानित बनी रहे। इसने उन्हें यह सटीक रूप से मापने की अनुमति दी कि इम्प्लांट के पिक्सल का आकार और तंत्रिकाओं तक की दूरी दृष्टि की गुणवत्ता को कैसे प्रभावित करती है।
परिणाम बताते हैं कि यह बायोमिमेटिक (biomimetic) स्कैफोल्ड दृष्टि-पुनर्स्थापित करने वाले अगले पीढ़ी के उपकरणों के परीक्षण के लिए एक बहुत अधिक सटीक तरीका प्रदान करता है। मानव रोगियों में पाए जाने वाले भौतिक अलगाव और विद्युत प्रतिरोध को पुनरुत्पादित करके, यह मॉडल पशु अध्ययनों और नैदानिक वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि स्कैफोल्ड ने न तो उस प्रकाश को रोका जो इम्प्लांट को शक्ति देने के लिए आवश्यक है, और न ही इसने बिजली के प्रवाह में हस्तक्षेप किया। इसके बजाय, इसने एक वास्तविक वातावरण बनाया जहाँ इम्प्लांट के प्रदर्शन का निष्पक्ष रूप से मूल्यांकन किया जा सके। यह कार्य प्रीक्लिनिकल परीक्षण के लिए एक नया मानक स्थापित करता है, यह सुनिश्चित करता है कि लैब में विकसित उपकरण मानव आँख के जटिल, मलबे से भरे वातावरण के लिए वास्तव में तैयार हैं।
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