Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

टेंडन (tendons) मजबूत, रस्सी जैसे ऊतक होते हैं जो मांसपेशियों को हड्डी से जोड़ते हैं, जिससे हम शक्ति और सटीकता के साथ चल पाते हैं। इन ऊतकों के भीतर, टेंडन फाइब्रोब्लास्ट (tendon fibroblasts) नामक विशेष कोशिकाएं एक निर्माण दल की तरह कार्य करती हैं, जो लगातार बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (extracellular matrix) का निर्माण और मरम्मत करती रहती हैं। यह मैट्रिक्स प्रोटीन, मुख्य रूप से कोलेजन का एक जटिल ढांचा है, जो टेंडन को उसकी संरचना और बल सहने की क्षमता प्रदान करता है। इन कोशिकाओं के लिए अपना काम सही ढंग से करने के लिए, उन्हें अपने आस-पास के भौतिक वातावरण को महसूस करने में सक्षम होना चाहिए। वे उस सामग्री की कठोरता (stiffness) को महसूस करती हैं जिसमें वे अंतर्निहित होती हैं और उसके अनुसार अपने व्यवहार को समायोजित करती हैं। यदि वातावरण बहुत नरम या बहुत कठोर है, या यदि कोशिकाएं इस तरह फंसी हुई हैं कि वे हिलने-डुलने में असमर्थ हैं, तो निर्माण कार्य गलत हो सकता है, जिससे चोट या खराब उपचार हो सकता है। यह समझना कि ये कोशिकाएं वास्तव में अपने भौतिक परिवेश की व्याख्या कैसे करती हैं, टेंडन की चोटों के लिए बेहतर उपचार विकसित करने और क्षतिग्रस्त ऊतक की मरम्मत में मदद करने वाली कृत्रिम सामग्री डिजाइन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि सतह की कठोरता कोशिकाओं के व्यवहार को कैसे प्रभावित करती है, लेकिन नियम बदल जाते हैं यदि कोशिकाएं एक सपाट सतह पर बैठी हों या एक त्रि-आयामी (three-dimensional) जेल के भीतर तैर रही हों। एक सपाट, द्वि-आयामी (two-dimensional) दुनिया में, कोशिकाएं आमतौर पर अधिक फैलती हैं और कठोर सतह पर रखे जाने पर अधिक सक्रिय हो जाती हैं। हालांकि, जब कोशिकाएं एक त्रि-आयामी जेल के भीतर फंसी होती हैं, तो नियम अक्सर उलट जाते हैं: एक कठोर जेल वास्तव में कोशिका को सिकोड़ सकता है, जिससे उसके लिए फैलना और अपना काम करना कठिन हो जाता है। पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय और मिशिगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि ये विभिन्न नियम टेंडन फाइब्रोब्लास्ट पर कैसे लागू होते हैं और विशेष रूप से वे नए बनाए गए मैट्रिक्स को कैसे प्रभावित करते हैं। टीम जानना चाहती थी कि क्या वातावरण की विमा (dimensionality)—सपाट बनाम त्रि-आयामी—टेंडन कोशिकाओं के कठोरता के प्रति प्रतिक्रिया करने और उनके नए मैट्रिक्स जमा करने के तरीके को बदल देती है।

इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने हयालूरोनिक एसिड (hyaluronic acid) से बने एक विशेष प्रकार के जेल का उपयोग किया, जो एक प्राकृतिक पदार्थ है जो शरीर में पाया जाता है, जिसे उन्होंने अपनी कठोरता को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए संशोधित किया था। उन्होंने चूहे की पूंछ के टेंडन से प्राप्त टेंडन फाइब्रोब्लास्ट को उगाया और उन्हें दो अलग-अलग सेटअप में रखा। पहले सेटअप में, कोशिकाओं को 10 और 25 किलोपास्कल (kilopascals) कठोरता स्तरों वाले सपाट जेलों के ऊपर बोया गया था। दूसरे सेटअप में, कोशिकाओं को 5, 10 और 50 किलोपास्कल कठोरता स्तरों वाले त्रि-आयामी जेलों के भीतर समाविष्ट (encapsulated) किया गया था। यह देखने के लिए कि कोशिकाएं वास्तव में नया पदार्थ क्या बना रही हैं, वैज्ञानिकों ने एक चतुर लेबलिंग तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने कोशिकाओं को एक शर्करा अणु खिलाया जिसे कोशिकाओं ने अपने नव-निर्मित प्रोटीन में शामिल कर लिया। बाद में, उन्होंने एक चमकने वाले टैग (glowing tag) को जोड़ा जो विशेष रूप से इस शर्करा से जुड़ जाता था, जिससे उन्हें कोशिकाओं के चारों ओर जमा किए जा रहे ताज़ा, नवजात मैट्रिक्स को देखने की अनुमति मिली।

सपाट, द्वि-आयामी कल्चर में, परिणाम अपेक्षित पैटर्न के अनुरूप थे। जब कोशिकाएं कठोर जेल पर थीं, तो वे अधिक फैली हुई थीं, जिससे वे अधिक चपटी और बड़ी हो गईं। इस फैलाव के साथ कोशिका के आंतरिक संकेतों में परिवर्तन देखा गया, विशेष रूप से YAP नामक प्रोटीन का कोशिका के केंद्रक (nucleus) में जाना, जो विकास और मैट्रिक्स उत्पादन के लिए एक स्विच के रूप में कार्य करता है। इसके परिणामस्वरूप, 25-किलोपास्कल वाले कठोर जेल पर मौजूद कोशिकाओं ने 10-किलोपास्कल वाले नरम जेल की तुलना में काफी अधिक नया मैट्रिक्स जमा किया। शोधकर्ताओं ने देखा कि नया मैट्रिक्स कोशिका के पास छोटे बिंदुओं के रूप में शुरू हुआ और अंततः निरंतर, रेशेदार नेटवर्क में विकसित हुआ, जो एक ऐसी प्रक्रिया थी जो कठोरता के बावजूद समय के साथ होती रही, हालांकि कठोर सतह पर कुल मात्रा अधिक थी।

त्रि-आयामी जेलों के भीतर कोशिकाओं को रखने पर कहानी पूरी तरह से बदल गई। यहाँ, कठोरता और कोशिका व्यवहार के बीच संबंध उल्टा हो गया। कोमल जेलों (5 और 10 किलोपास्कल) में मौजूद कोशिकाएं, सबसे कठोर 50-किलोपास्कल जेल की तुलना में थोड़ा अधिक फैलने में सक्षम थीं और उनके केंद्रक में YAP प्रोटीन का उच्च स्तर दिखाई दिया। कठोर 3D जेल के भीतर कोशिकाएं छोटी और गोल बनी रहीं, जो सामग्री के कड़े नेटवर्क द्वारा फंसी हुई थीं। फलस्वरूप, कठोर 3D जेल में उनके द्वारा जमा किया गया नया मैट्रिक्स, कोमल जेलों की तुलना में कम था। दिलचस्प बात यह है कि 10-किलोपास्कल वाले जेल की कोशिकाओं ने सबसे अधिक नया मैट्रिक्स बनाया, यहाँ तक कि 5-किलोपास्कल वाले जेल की तुलना में भी अधिक, जो यह सुझाव देता है कि त्रि-आयामी संरचनाओं में मैट्रिक्स उत्पादन के लिए एक इष्टतम (optimal) कठोरता होती है जो सपाट कल्चर में देखे गए रुझान से भिन्न है।

शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि कोशिकाएं क्या बनाने की योजना बना रही हैं, उनके भीतर के आनुवंशिक निर्देशों का भी अवलोकन किया। उन्होंने पाया कि कोमल 3D जेलों में मौजूद कोशिकाओं ने स्वस्थ टेंडन निर्माण से जुड़े जीन, जैसे कि कोलेजन टाइप I और टेनसिन सी (tenascin C) के लिए जीन चालू कर दिए। इसके विपरीत, कठोर 50-किलोपास्कल जेल वाली कोशिकाओं ने इन टेंडन-विशिष्ट जीनों को कम कर दिया और इसके बजाय एक अलग, कम टेंडन-समान अवस्था के लक्षण दिखाए। उन्होंने उस विशिष्ट कोलेजन का कम उत्पादन किया जो टेंडन कोशिकाओं के पेरिसेल्यूलर (pericellular) वातावरण का निर्माण करता है, और उस अलग प्रकार के कोलेजन का अधिक उत्पादन किया जो आमतौर पर बेसमेंट मेम्ब्रेन में पाया जाता है। आनुवंशिक प्रोग्रामिंग में इस बदलाव ने पुष्टि की कि कठोर जेल के भौतिक अवरोध ने मौलिक रूप से कोशिका की पहचान और एक टेंडन निर्माता के रूप रूप में उसकी क्षमता को बदल दिया था।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि वातावरण की विमा (dimensionality) एक महत्वपूर्ण कारक है कि कैसे टेंडन कोशिकाएं अपने परिवेश को महसूस करती हैं और उस पर प्रतिक्रिया करती हैं। जबकि एक कठोर सतह सपाट कल्चर में मैट्रिक्स उत्पादन को प्रोत्साहित करती है, एक कठोर त्रि-आयामी जेल इसे शारीरिक रूप से प्रतिबंधित करके और इसके आनुवंशिक कार्यक्रम को बदलकर इसे दबा सकता है। यह निष्कर्ष बताता है कि केवल किसी सामग्री को कठोर बनाना हमेशा ऊतक मरम्मत को प्रोत्साहित करने का उत्तर नहीं है। इसके बजाय, टेंडन उपचार के लिए बायोमटेरियल्स (biomaterials) के डिजाइन को ऊतक की त्रि-आयामी प्रकृति को ध्यान में रखना चाहिए, यह सुनिश्चित करते हुए कि सामग्री इतनी नरम हो कि कोशिकाएं फैल सकें और अपने टेंडन-बनाने वाले जीनों को सक्रिय कर सकें, फिर भी इतनी संरचित हो कि एक मजबूत नए मैट्रिक्स के निर्माण का समर्थन कर सके। इन जटिल अंतःक्रियाओं का मानचित्रण करके, शोधकर्ताओं ने ऐसे कृत्रिम वातावरण बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है जो शरीर के प्राकृतिक मरम्मत तंत्र को प्रभावी ढंग से सहारा दे सकें।