Early-life vancomycin and meropenem treatment exert distinct effects on microbiota-gut-brain axis signalling in zebrafish larvae

मानव शरीर कोई एकाकी द्वीप नहीं है; यह एक हलचल भरा पारिस्थितिकी तंत्र है। हमारे पाचन तंत्र के भीतर खरबों सूक्ष्म जीव, जिनमें अधिकतर बैक्टीरिया होते हैं, रहते हैं, जो एक ऐसा समुदाय बनाते हैं जो भोजन पचाने में हमारी मदद करने से कहीं अधिक कार्य करता है। ये सूक्ष्मजीव हमारे मस्तिष्क के साथ निरंतर संवाद करते हैं, रासायनिक संकेत भेजते हैं जो हमारे मूड, हमारे तनाव के स्तर और यहाँ तक कि हमारे व्यवहार को भी प्रभावित करते हैं। वैज्ञानिक इसे 'माइक्रोबायोटा-गट-ब्रेन एक्सिस' (microbiota-gut-brain axis) कहते हैं। हालाँकि हम जानते हैं कि यह संबंध मौजूद है, लेकिन ये दोनों प्रणालियाँ किस सटीक भाषा में बात करती हैं, यह एक रहस्य बना हुआ है। हम जानते हैं कि जब आंत के बैक्टीरिया का संतुलन बिगड़ता है, तो मस्तिष्क अक्सर प्रतिक्रिया देता है, लेकिन हम पूरी तरह से नहीं समझते कि विभिन्न प्रकार के व्यवधान कैसे अलग-अलग परिणामों की ओर ले जाते हैं। क्या बैक्टीरिया के एक विशिष्ट समूह को खत्म करने से एक अलग तरह की समस्या होती है, बजाय इसके कि बैक्टीरिया की एक विस्तृत श्रेणी को खत्म किया जाए? इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जिससे वे इन अंतःक्रियाओं को वास्तविक समय में, एक जीवित प्रणाली में होते हुए देख सकें जो अध्ययन के लिए पर्याप्त सरल हो लेकिन महत्व के मामले में पर्याप्त जटिल हो।

इन प्रश्नों की खोज के लिए, वैज्ञानिकों की एक टीम ने जेब्राफिश (zebrafish) की ओर रुख किया, जो एक छोटा, पारदर्शी मीठे पानी का मछली है और विकास के अध्ययन के लिए एक मानक मॉडल बन गई है। अपने शुरुआती दिनों में, ये मछली के लार्वा इतने स्पष्ट होते हैं कि शोधकर्ता बिना उन्हें काटे उनके आंतरिक अंगों और यहाँ तक कि उनके मस्तिष्क की गतिविधि को भी देख सकते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इस चरण में उनकी प्रतिरक्षा प्रणाली पूरी तरह से विकसित नहीं होती है, जिससे वैज्ञानिकों को एक जटिल प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के हस्तक्षेप के बिना मेजबान और उनके सूक्ष्मजीवों के बीच के कच्चे संबंध का अध्ययन करने की अनुमति मिलती है। शोधकर्ताओं ने मछली के जीवन के एक महत्वपूर्ण समय पर ध्यान केंद्रित किया: मछली के जीवन के पहले पांच दिन। वे देखना चाहते थे कि जब एंटीबायोटिक्स द्वारा, जो मनुष्यों में बैक्टीरिया को मारने के लिए उपयोग की जाने वाली शक्तिशाली दवाएं हैं, मछली के आंत के बैक्टीरिया के नाजुक समुदाय को बाधित किया जाता है, तो क्या होता है। विशेष रूप से, उन्होंने दो बहुत अलग दवाओं का परीक्षण किया: वैनकोमाइसिन (vancomycin), जो बैक्टीरिया के एक विशिष्ट समूह को लक्षित करती है, और मेरोपेनम (meropenem), जो बैक्टीरिया के एक विस्तृत प्रकार पर हमला करने वाली एक ब्रॉड-स्पेक्ट्रम दवा है। इन दोनों दवाओं के प्रभावों की तुलना करके, अकेले और संयोजन में, टीम यह उजागर करने की आशा करती थी कि सूक्ष्मजीव संबंधी व्यवधान की विशिष्ट प्रकृति विकसित होते मस्तिष्क और व्यवहार को कैसे आकार देती है।

शोधकर्ताओं ने मछली के लार्वा को उनके पानी में इन एंटीबायोटिक्स के संपर्क में रखकर शुरुआत की। फिर उन्होंने देखा कि मछली के भीतर बैक्टीरिया कैसे बदले। जैसा कि अपेक्षित था, दवाओं ने सूक्ष्मजीव समुदाय को बदल दिया, लेकिन उन्होंने इसे अलग तरीके से किया। ब्रॉड-स्पेक्ट्रम दवा, मेरोपेनम ने, बैक्टीरिया की आबादी में एक बड़ा फेरबदल किया, प्रमुख प्रकारों को मिटा दिया और नए, पहले दुर्लभ समूहों को उनकी जगह लेने दी। अधिक लक्षित दवा, वैनकोमाइसिन ने, बहुत कम बदलाव किए, केवल कुछ विशिष्ट प्रकार के बैक्टीरिया को प्रभावित किया जबकि शेष समुदाय को काफी हद तक बरकरार रखा। इसने पुष्टि की कि दोनों दवाओं ने दो बहुत अलग सूक्ष्मजीव वातावरण बनाए, भले ही दोनों को एंटीबायोटिक उपचार के रूप में वर्गीकृत किया गया था।

इसके बाद, टीम ने मछली के व्यवहार का अवलोकन किया। उन्होंने लार्वा को एक टैंक में रखा जो आधा प्रकाश और आधा अंधेरा था, जो चिंता को मापने के लिए बनाया गया एक सेटअप था। स्वस्थ मछलियाँ आमतौर पर अंधेरे में सुरक्षित महसूस करती हैं और जब लाइटें बंद हो जाती हैं तो टैंक के केंद्र में तैरना पसंद करती हैं। हालाँकि, एंटीबायोटिक्स से उपचारित मछलियों ने अलग व्यवहार किया। उपचारित मछलियों के तीनों समूह—जिनका वैनकोमाइसिन से उपचार किया गया था, जिनका मेरोपेनम से उपचार किया गया था, और जिनका दोनों से उपचार किया गया था—ने बढ़ी हुई चिंता के लक्षण दिखाए। वे उपचारित मछलियों की तुलना में अंधेरे चरण के दौरान टैंक के केंद्र में तैरने के लिए कम इच्छुक थे। इससे पता चला कि केवल आंत का बाधित होना, चाहे वह किसी भी तरह से बाधित हुआ हो, मछलियों को अधिक चिंतित बनाता है। फिर भी, एक सूक्ष्म अंतर था: दोनों दवाओं के संयोजन से उपचारित मछलियों ने परीक्षण की शुरुआत में गति का एक थोड़ा अलग पैटर्न दिखाया, जिससे पता चलता है कि एंटीबायोटिक्स का विशिष्ट मिश्रण इस बात को प्रभावित कर सकता है कि मछलियाँ नए वातावरण में कैसे प्रतिक्रिया देती हैं।

वैज्ञानिकों ने मछली के अंदर देखा कि क्या हो रहा है। उन्होंने सेरोटोनिन (serotonin) के स्तर को मापा, जो मस्तिष्क में एक प्रमुख रसायन है जो मूड और चिंता को नियंत्रित करता है। उन्होंने पाया कि मछली में सेरोटोनिन बनाने की क्षमता सभी उपचारित समूहों में कम हो गई थी, क्योंकि इसे बनाने के लिए जिम्मेदार जीन कम हो गए थे। हालाँकि, मस्तिष्क में सेरोटोनिन की वास्तविक मात्रा नाटकीय रूप से नहीं बदली, सिवाय एक समूह के। मेरोपेनम से अकेले उपचारित मछलियों में अन्य समूहों की तुलना में सेरोटोनिन का स्तर अधिक था, जो एक ऐसा निष्कर्ष था जो अन्य दवाओं के साथ देखे गए पैटर्न से मेल नहीं खाता था। यह इंगित करता था कि जबकि दवाओं ने सेरोटोनिन बनाने वाली मशीनरी को दबा दिया था, मेरोपेनम समूह के पास एक अनूठा रासायनिक वातावरण था जिसने दमन के बावजूद स्तरों को बढ़ने दिया।

मछली के मस्तिष्क से परे, शोधकर्ताओं ने मछली के पूरे शरीर के रासायनिक सूप का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि एंटीबायोटिक्स ने चयापचय (metabolism) में व्यापक परिवर्तन किए थे, जो वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा शरीर भोजन को ऊर्जा और निर्माण खंडों में बदलता है। कुछ परिवर्तन सभी समूहों के लिए समान थे, जैसे कि लाइसिन (lysine) में गिरावट, जो एक आवश्यक पोषक तत्व है जिसे मछली स्वयं नहीं बना सकती और उसे अपने आहार या अपने सूक्ष्मजीवों से प्राप्त करना चाहिए। इस गिरावट ने सुझाव दिया कि एंटीबायोटिक्स ने एक महत्वपूर्ण आपूर्ति श्रृंखला को काट दिया था। अन्य परिवर्तन उपयोग की गई दवा के प्रकार के विशिष्ट थे। मेरोपेनम से उपचारित मछलियों में उनके शरीर में कई न्यूरोट्रांसमीटर में उछाल आया, जिसमें ग्लूटामेट (glutamate) और गाबा (GABA) शामिल हैं, जो तंत्रिका कोशिकाओं के बीच संकेत भेजने में शामिल हैं। इसके विपरीत, वैनकोमाइसिन से उपचारित मछलियों में पॉलीअमाइन्स (polyamines) नामक अणुओं के एक समूह में विशिष्ट गिरावट देखी गई, जो कोशिका वृद्धि और विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं। दोनों दवाओं के संयोजन ने एक और अनूठा रासायनिक हस्ताक्षर बनाया, जिससे मस्तिष्क में NAD+ नामक एक प्रमुख ऊर्जा अणु का स्तर कम हो गया, जो मस्तिष्क कोशिकाओं के कार्य करने के तरीके को प्रभावित कर सकता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि विकसित होते मस्तिष्क पर एंटीबायोटिक्स का प्रभाव केवल इस बात का मामला नहीं है कि आंत के बैक्टीरिया को कितना बाधित किया गया है, बल्कि यह है कि उन्हें कैसे बाधित किया गया है। सूक्ष्मजीव समुदाय में एक व्यापक, व्यापक परिवर्तन, सूक्ष्म और लक्षित परिवर्तन की तुलना में अलग रासायनिक और व्यवहारिक परिणाम लेकर आता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उपचार के बाद बचा हुआ बैक्टीरिया का विशिष्ट मिश्रण मस्तिष्क को भेजे जाने वाले रासायनिक संकेतों को निर्धारित करता है, जो चिंता के स्तर से लेकर आवश्यक पोषक तत्वों की उपलब्धता तक सब कुछ प्रभावित करता है। ये निष्कर्ष इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि गट माइक्रोबायोम मस्तिष्क के विकास में एक गतिशील भागीदार है, और विभिन्न उपकरणों के साथ इसे बाधित करने से अलग-अलग परिणाम हो सकते हैं। हालाँकि यह अध्ययन मछलियों पर किया गया था, लेकिन यह हमारे आंतरिक सूक्ष्मजीवों और हमारे मन के बीच के जटिल संवाद की एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करता है, जो यह सुझाव देता है कि चिकित्सा हस्तक्षेप की विशिष्ट प्रकृति मस्तिष्क के विकास और कार्य करने के तरीके पर लंबे समय तक प्रभाव डाल सकती है।