Evaluation of Densified Collagen Tubes as an Interposition Graft in Abdominal Aorta

मानव शरीर पाइपों का एक नेटवर्क है, जो जीवन रक्षक रक्त को हर कोने तक ले जाता है। जब एओर्टा (aorta) जैसा कोई प्रमुख पाइप क्षतिग्रस्त या अवरुद्ध हो जाता है, तो सर्जनों को अक्सर एक नए ट्यूब के साथ एक हिस्से को बदलने की आवश्यकता होती है। दशकों से, सबसे अच्छे विकल्प सिंथेटिक सामग्रियां रहे हैं, जैसे कि एक्सपेंडेड पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन या बुना हुआ पॉलिएस्टर। हालांकि ये कृत्रिम ग्राफ्ट दबाव में रक्त को थाम सकते हैं, लेकिन वे कठोर होते हैं और जीवित ऊतकों की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। वे अक्सर समय के साथ विफल हो जाते हैं क्योंकि शरीर उन्हें पुनर्गठित नहीं कर पाता है, और वे अक्सर रक्त के थक्के जमाकर प्रवाह को रोक देते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक बेहतर विकल्प की खोज की है: एक ऐसा ग्राफ्ट जो प्राकृतिक जैविक सामग्रियों से बना हो जिसे शरीर स्वीकार कर सके, मरम्मत कर सके और अंततः इसे अपने स्वयं के हिस्से के रूप में एकीकृत कर सके। चुनौती इन जैविक ट्यूबों को धड़कन के बल को झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत बनाने में है ताकि वे ढह न जाएं, फिर भी धमनी के साथ हिलने के लिए पर्याप्त लचीले हों, और साथ ही यह सुनिश्चित करने में है कि अंदर रक्त चिपके नहीं और खतरनाक थक्के न बनें।

कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कोलेजन (collagen) से संवहनी ग्राफ्ट (vascular grafts) बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो मानव त्वचा और संयोजी ऊतक में पाया जाने वाला मुख्य संरचनात्मक प्रोटीन है। एक प्रीप्रिंट के रूप में प्रकाशित एक अध्ययन में, टीम ने प्रदर्शित किया कि वे एक नरम, जेली जैसे कोलेजन जेल को एक मजबूत, खोखली ट्यूब में बदल सकते हैं जो चूहों के पेट के एओर्टा के एक हिस्से को बदलने में सक्षम है। उन्होंने इन ट्यूबों के दो अलग-अलग संस्करणों का परीक्षण किया। पहला एक मोटी दीवार वाला ट्यूब था जिसे मजबूत बनाने के लिए रासायनिक रूप से उपचारित किया गया था। जबकि इस संस्करण ने अंदर की सतह पर नए ऊतक को बढ़ने दिया, लेकिन यह प्राकृतिक धमनी की तुलना में बहुत सख्त होने के कारण अंततः विफल हो गया, जिससे कुछ महीनों के बाद रक्त के थक्के जम गए और वाहिका अवरुद्ध हो गई। दूसरा संस्करण एक बड़ी सफलता थी: एक बहुत ही पतला, बिना उपचार वाला ट्यूब जो प्राकृतिक धमनी के लचीलेपन से मेल खाता था। मिश्रण में हयालूरोनिक एसिड (hyaluronic acid) नामक एक सामान्य पदार्थ को जोड़कर, टीम ने कोलेजन फाइबर को अधिक मजबूती से पैक किया, जिससे एक ऐसी ट्यूब बनी जो मजबूत और लचीली दोनों थी। ये पतली दीवारों वाले ट्यूब 17 सप्ताह तक खुले और कार्यात्मक रहे, जिससे शरीर को एक नई आंतरिक परत उगाने और ग्राफ्ट को आसपास के ऊतकों के साथ एकीकृत करने में मदद मिली।

इन ट्यूबों को बनाने की यात्रा एक सरल अवलोकन से शुरू हुई: कोलेजन जेल स्वाभाविक रूप से रक्त वाहिका के रूप में कार्य करने के लिए बहुत कमजोर होता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने 'डेंसिफिकेशन' (densification) नामक प्रक्रिया का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक स्पंज पानी में भीगा हुआ है; यदि आप पानी निचोड़ देते हैं, तो स्पंज बहुत घना और मजबूत हो जाता है। शोधकर्ताओं ने इस सिद्धांत को कोलेजन जेल पर लागू किया, लेकिन पानी को हाथों से निचोड़ने के बजाय, उन्होंने नियंत्रित तरीके से जेल से पानी निकालने के लिए गुरुत्वाकर्षण और एक विशेष कीप (funnel) का उपयोग किया। जैसे ही पानी बाहर निकला, कोलेजन फाइबर आपस में खिंच गए और संरेखित हो गए, जिससे एक नरम जेल एक घने, टिकाऊ पदार्थ में बदल गया। प्रयोगों के पहले सेट के लिए, उन्होंने एक मोटी दीवार वाली ट्यूब बनाई जिसे आसानी से मानव आकार तक बढ़ाया जा सकता था। इसके बाद उन्होंने इन ट्यूबों को जेनिपिन (genipin) नामक एक प्राकृतिक डाई के साथ रासायनिक रूप से क्रॉसलिंक किया ताकि उन्हें स्थिर किया जा सके और रक्त के संपर्क में आने पर उन्हें फूलने से रोका जा सके। उन्होंने सतह पर हेपरिन (heparin) का भी लेप लगाया, जो एक सामान्य रक्त-पतला करने वाली दवा है, ताकि थक्के बनने से रोका जा सके।

जब इन मोटी दीवारों वाले, रासायनिक रूप से उपचारित ट्यूबों को चूहों के पेट के एओर्टा में प्रत्यारोपित किया गया, तो परिणाम मिले-जुले रहे। पहले दस हफ्तों के लिए, ग्राफ्ट ने अच्छा काम किया। रक्त उनके माध्यम से प्रवाहित हुआ, और शरीर ने एक नई आंतरिक परत बनाना शुरू कर दिया, जिसे नियोइंटिमा (neointima) कहा जाता है, जो चिकनी मांसपेशी कोशिकाओं और एंडोथेलियल कोशिकाओं की एक परत से बनी होती है। यह नई परत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह रक्त वाहिका की प्राकृतिक सतह की नकल करती है। हालांकि, जैसे-जैसे समय बीता, मोटी दीवार की सीमाएं स्पष्ट हो गईं। ग्राफ्ट प्राकृतिक चूहे के एओर्टा की तुलना में काफी सख्त था। कठोरता के इस अंतर ने उस बिंदु पर एक बेमेल स्थिति पैदा की जहां ग्राफ्ट प्राकृतिक धमनी से मिलता है, जिससे रक्त के प्रवाह में व्यवधान उत्पन्न हुआ। 26 सप्ताह तक, इस व्यवधान के कारण व्यापक थक्के जम गए, जिससे वाहिका अवरुद्ध हो गई। थक्के प्राकृतिक धमनी से शुरू होकर ग्राफ्ट में फैल गए, जिससे पता चला कि यांत्रिक बेमेल ही विफलता का प्राथमिक कारण था। रासायनिक उपचार ने, जिसने ट्यूब को मजबूत बनाया, शरीर की अपनी कोशिकाओं को ग्राफ्ट की दीवार में बढ़ने से भी रोक दिया, जिससे यह एक बाहरी वस्तु बन गया जिसे शरीर पूरी तरह से एकीकृत नहीं कर सका।

मोटाई और रासायनिक उपचार ही समस्याएँ थीं, इसे पहचानते हुए, शोधकर्ताओं ने एक दूसरा, अधिक परिष्कृत दृष्टिकोण विकसित किया। वे एक ऐसा ट्यूब चाहते थे जो प्राकृतिक धमनी की दीवार की तरह पतला हो, लगभग 100 माइक्रोमीटर मोटा, और जिसे रासायनिक क्रॉसलिंकिंग की आवश्यकता न हो। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने फनल डेंसिफिकेशन प्रक्रिया में संशोधन किया। जेल को एक संकीर्ण अंतराल से बहने देने के बजाय, उन्होंने जेल के ऊपरी और निचले हिस्से को एक धातु की जाली और छिद्रित झिल्ली (porous membranes) के साथ सुरक्षित किया। जैसे ही नीचे से पानी निकाला गया, जेल को अंदर की ओर घना होने के लिए मजबूर किया गया, जिससे बिना एयर ड्राइंग या रासायनिक स्टेबलाइजर्स के एक बहुत ही पतला, उच्च-घनत्व वाला ट्यूब तैयार हुआ। ट्यूब को और भी पतला और मजबूत बनाने के लिए, उन्होंने डेंसिफिकेशन से पहले कोलेजन मिश्रण में हयालूरोनिक एसिड जोड़ा, जो शरीर में स्वाभाविक रूप से पाया जाने वाला पदार्थ है। इस जुड़ाव ने कोलेजन फाइबर को अधिक प्रभावी ढंग से बंडल करने में मदद की, जिससे जेल कम आयतन में दब सका। परिणाम स्वरूप एक पतली दीवार वाली ट्यूब मिली जिसका कोलेजन घनत्व बिना संशोधित संस्करण की तुलना में लगभग 50 प्रतिशत अधिक था, फिर भी यह लचीली थी और इसे रासायनिक क्रॉसलिंकिंग की आवश्यकता नहीं थी।

इसके बाद टीम ने इन पतली दीवारों वाले ट्यूबों का चूहों में परीक्षण किया। चूंकि ट्यूब बहुत पतले और लचीले थे, इसलिए वे हर धड़कन के साथ फैलने और सिकुड़ने की प्राकृतिक धमनी की क्षमता से मेल खाते थे। यांत्रिक गुणों का यह करीबी मिलान सुनिश्चित करता था कि कनेक्शन बिंदुओं पर कोई अचानक बदलाव न हो, जिससे रक्त सुचारू रूप से प्रवाहित हो सके। शोधकर्ताओं ने इन ट्यूबों की सतह को डिपायरिडामोल (dipyridamole) नामक एक अलग एंटी-क्लॉटिंग एजेंट से उपचारित किया, जो हेपरिन की तुलना में बहने (wash away) की संभावना कम रखता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। 17 सप्ताह की अवधि में, ग्राफ्ट खुले और कार्यात्मक रहे। मोटी दीवार वाले संस्करण के विपरीत, शरीर पतली दीवार वाले ग्राफ्ट की दीवार में कोशिकाएं विकसित करने में सक्षम रहा। एक नई आंतरिक परत बनी, जिसमें एंडोथेलियल कोशिकाओं की एक परत और उसके नीचे चिकनी मांसपेशी कोशिकाएं शामिल थीं, जिससे कृत्रिम ट्यूब प्रभावी रूप से जीवित ऊतक में बदल गई। बाहरी सतह ने एक नया संयोजी ऊतक भी विकसित किया, जिसे नियो-एडवेंटिटिया (neo-adventitia) कहा जाता है, जिसने ग्राफ्ट को उसकी जगह पर बनाए रखने में मदद की।

एक सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्ष यह था कि हयालूरोनिक एसिड के जुड़ने से ट्यूब केवल पतला ही नहीं हुआ; बल्कि इसने सतह को रक्त के थक्के जमने के प्रति कम संवेदनशील भी बना दिया। बिना किसी रासायनिक कोटिंग के भी, हयालूरोनिक एसिड-संशोधित कोलेजन ने सादे कोलेजन की तुलना में थक्के जमने का काफी बेहतर प्रतिरोध दिखाया। यह सुझाव देता है कि सूक्ष्म स्तर पर कोलेजन फाइबर कैसे व्यवस्थित हैं, यह इस बात में बड़ी भूमिका निभाता है कि रक्त सतह के साथ कैसे क्रिया करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि हयालूरोनिक एसिड द्वारा निर्मित बंडल फाइबर संरचना ने प्लेटलेट्स के चिपकने और सक्रिय होने की क्षमता को कम कर दिया, जिससे थक्के जमने के खिलाफ एक अंतर्निहित सुरक्षा मिली जिसने सतह के उपचार के पूरक के रूप में कार्य किया। यह दोहरा दृष्टिकोण—सामग्री की आंतरिक संरचना में सुधार करना और सतह का उपचार करना—केवल सतह उपचारों पर निर्भर रहने की तुलना में अधिक प्रभावी साबित हुआ।

अध्ययन ने प्राकृतिक वाहिका के साथ ग्राफ्ट के यांत्रिक गुणों को मिलाने के महत्व पर भी प्रकाश डाला। मोटे दीवार वाले ग्राफ्ट की विफलता ताकत की कमी या सतह को ठीक करने में असमर्थता के कारण नहीं थी, बल्कि इसलिए थी क्योंकि वह बहुत कठोर था। कठोरता ने रक्त के प्रवाह में व्यवधान पैदा किया जिसे शरीर दूर नहीं कर सका, जिससे थक्के जमने की स्थिति पैदा हुई। इसके विपरीत, पतली दीवार वाले ग्राफ्ट ने, जो प्राकृतिक धमनी के साथ तालमेल बिठाकर चला, शरीर को सामग्री को सफलतापूर्वक ठीक करने और एकीकृत करने में मदद की। यह निष्कर्ष बताता है कि छोटे व्यास की रक्त वाहिकाओं के लिए, लचीलापन और अनुपालन (compliance) मजबूती जितने ही महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि पतली दीवार वाली विधि वर्तमान में मानव आकार की वाहिकाओं के लिए बड़े पैमाने पर बनाना कठिन है, लेकिन पहली प्रयोग श्रृंखला के लिए उपयोग की जाने वाली मोटी दीवार वाली विधि को बड़े पैमाने पर बनाया जा सकता है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, मोटी दीवार वाली तकनीक का उपयोग बड़ी वाहिकाओं के लिए किया जा सकता है जहाँ कठोरता का अंतर कम महत्वपूर्ण है, जबकि पतली दीवार वाली तकनीक को छोटी, अधिक नाजुक धमनियों के लिए परिष्कृत किया जा सकता है।

आगे का रास्ता इन ग्राफ्ट्स को बड़े जानवरों में परीक्षण करने की ओर जाता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या परिणाम मानव शरीर विज्ञान के अधिक करीब वाले तंत्र में भी समान रहते हैं। शोधकर्ता आश्वस्त हैं कि जो सिद्धांत उन्होंने खोजे हैं—विशेष रूप से यांत्रिक अनुकूलता और कोलेजन संरचना को विनियमित करने के लाभ—वे भविष्य के संवहनी ग्राफ्ट के विकास का मार्गदर्शन करेंगे। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने छोटे व्यास की संवहनी ग्राफ्ट की समस्या को पूरी तरह से हल कर दिया है, क्योंकि पांच में से एक पतली दीवार वाले ग्राफ्ट अंततः एक सर्जिकल समस्या के कारण विफल हो गया था, न कि सामग्री की खामी के कारण। हालांकि, तथ्य यह है कि पांच में से चार पतली दीवार वाले ग्राफ्ट 17 सप्ताह तक खुले और कार्यात्मक रहे, जिसमें पूर्ण एकीकरण और नए ऊतक वृद्धि देखी गई, भविष्य के अनुसंधान के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक साधारण, प्राकृतिक सामग्री से संवहनी ग्राफ्ट बनाना संभव है जिसे शरीर स्वीकार कर सके और पुनर्गठित कर सके, जो वर्तमान में उपलब्ध सिंथेटिक विकल्पों के लिए एक आशाजनक विकल्प पेश करता है। यह देखते हुए कि सामग्री यांत्रिक और जैविक दोनों स्तरों पर शरीर के साथ कैसे बातचीत करती है, टीम ने एक ऐसे भविष्य के करीब कदम बढ़ाया है जहाँ क्षतिग्रस्त रक्त वाहिकाओं को जीवित, सांस लेते ऊतकों से बदला जा सकेगा।