Growing Macroscopic Functional Human Tissues on 3D Printed Peptide Hydrogels
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 3D-प्रिंटेड पेप्टाइड हाइड्रोजेल सेंटीमीटर-स्केल मानव हृदय और तंत्रिका ऊतकों, जिनमें दिशात्मक रूप से पक्षपाती हिप्पोकैम्पल सर्किट शामिल हैं, के विकास और कार्यात्मक संगठन को निर्देशित करने के लिए मैक्रोस्कोपिक फ्रेमवर्क के रूप में कार्य करते हैं, जबकि उनकी अंतर्निहित स्व-संगठित क्षमता को भी संरक्षित रखते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मानव अंग केवल कोशिकाओं के थैले मात्र नहीं हैं; वे जटिल, त्रि-आयामी शहर हैं जहाँ विशिष्ट पड़ोसों को पूरे तंत्र को जीवित रखने के लिए आपस में जुड़ना और संवाद करना आवश्यक होता है। प्रयोगशाला सेटिंग में, वैज्ञानिक लंबे समय से मानव कोशिकाओं के ऐसे समूहों को उगाने में सक्षम रहे हैं जो इन अंगों की नकल करते हैं, जिन्हें ऑर्गेनोइड्स (organoids) कहा जाता है। ये सूक्ष्म संरचनाएं उल्लेखनीय हैं क्योंकि वे स्वयं को व्यवस्थित करने में सक्षम हैं, जिससे वे एक विकसित होते भ्रूण की तरह परतें और पैटर्न बनाती हैं। हालाँकि, इन स्व-व्यवस्थित पिंडों के बड़े होने की एक महत्वपूर्ण सीमा है। जैसे-जैसे वे विस्तार करते हैं, केंद्र में स्थित कोशिकाओं को अक्सर ऑक्सीजन और पोषक तत्वों की कमी हो जाती है, जिससे उनकी मृत्यु और पतन हो जाता है। इस आकार संबंधी बाधा ने यह अध्ययन करना कठिन बना दिया है कि कैसे एक अंग के विभिन्न भाग लंबी दूरी तक एक-दूसरे से संवाद करते हैं, या मानव शरीर के समान बड़े ऊतक मॉडल बनाना कठिन हो गया है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नई रणनीति की ओर रुख किया है जो स्व-संगठन की शक्ति को 3D प्रिंटिंग की सटीकता के साथ जोड़ती है। कोशिकाओं को एक कठोर आकार में जबरन ढालने के बजाय, वे एक अस्थायी, सहायक कंकाल बना रहे हैं जिसके चारों ओर कोशिकाएं बढ़ सकें और उसके माध्यम से विकसित हो सकें। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को ऊतक की समग्र वास्तुकला को निर्देशित करने की अनुमति देता है, बिना कोशिकाओं की स्वाभाविक रूप से व्यवस्थित होने की क्षमता को बाधित किए। एक ऐसा ढांचा बनाकर जो आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत और कोशिकाओं के फलने-फूलने के लिए पर्याप्त कोमल हो, वैज्ञानिक अब ऐसे मानव ऊतक उगाने में सक्षम हैं जो न केवल कार्यात्मक हैं, बल्कि एक सूक्ष्म डिश और एक स्थूल अंग के बीच के अंतर को पाटने के लिए पर्याप्त बड़े भी हैं।
एक शोध दल ने एक कस्टम-निर्मित स्कैफोल्ड (scaffold) पर कार्यात्मक मानव हृदय और मस्तिष्क ऊतक उगाकर इसे सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है। उन्होंने पेप्टाइड्स नामक सूक्ष्म प्रोटीन श्रृंखलाओं से बने एक विशेष प्रकार के जेल का उपयोग किया। ये श्रृंखलाएं स्वाभाविक रूप से मुड़ती और एक साथ जुड़ती हैं जिससे एक जाल बनता है जो एक नरम जेली जैसा महसूस होता है लेकिन अपना आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत होता है। शोधकर्ताओं ने इस जेल को जटिल, त्रि-आयामी संरचनाओं में उगाने के लिए एक विधि विकसित की जो 3D प्रिंटिंग के समान है, लेकिन इसमें एक मोड़ है: जेल को एक सहायक स्नान (supportive bath) में निकाला जाता है जो इसके सख्त होने तक इसे अपनी जगह पर बनाए रखता है। इसने उन्हें सटीक आकृतियों वाले स्कैफोल्ड बनाने की अनुमति दी, जिसमें घुमावदार पुल और स्तरित ग्रिड शामिल हैं, जिसकी रिज़ॉल्यूशन इतनी सूक्ष्म थी कि वह व्यक्तिगत कोशिकाओं को निर्देशित कर सके।
इस प्रणाली का पहला परीक्षण मानव हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाओं के साथ किया गया। प्रकृति में, हृदय की कोशिकाओं को प्रभावी ढंग से रक्त पंप करने के लिए एक ही ताल में धड़कने के लिए एक विशिष्ट दिशा में संरेखित होना पड़ता है। जब शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं को अपने प्रिंटेड पेप्टाइड स्कैफोल्ड पर रखा, तो कोशिकाओं ने तुरंत जेल के रेशों की दिशा को महसूस किया और उसी के अनुसार संरेखित हो गईं। कुछ ही दिनों के भीतर, कोशिकाएं एक समन्वित लय में एक साथ धड़कने लगीं, जो एक ऐसी उपलब्धि है जो सपाट प्लास्टिक सतहों पर उगाई गई कोशिकाओं के साथ शायद ही कभी होती है। शोधकर्ता ऊतक के माध्यम से यात्रा करने वाले विद्युत संकेतों को भी रिकॉर्ड कर सके, जिससे पुष्टि हुई कि प्रिंटेड ढांचे ने सफलतापूर्वक कोशिकाओं को एक कार्यात्मक, धड़कते हुए हृदय की मांसपेशियों में निर्देशित किया था जो एक एकल इकाई के रूप में खिंच और सिकुड़ सकती थी।
टीम ने इसी पद्धति को मस्तिष्क पर लागू किया, जो कि और भी जटिल कार्य है क्योंकि मस्तिष्क की कोशिकाओं को लंबी दूरी तक विशाल नेटवर्क बनाने की आवश्यकता होती है। उन्होंने पहले प्रिंटेड स्कैफोल्ड पर तंत्रिका ऊतक (neural tissue) के बड़े, सपाट बिस्तरों को उगाया। पारंपरिक ऑर्गेनोइड्स के विपरीत, जो गोल गेंदों के रूप में बढ़ते हैं और अंततः ऑक्सीजन की कमी के कारण बीच में मर जाते हैं, ये स्कैफोल्ड-समर्थित ऊतक चौड़ी, पतली चादरों के रूप में बढ़े। इस आकार ने यह सुनिश्चित किया कि प्रत्येक कोशिका तक पोषक तत्व पहुँच सकें, जिससे ऊतक को एक छोटे प्रिमेट, जैसे कि मार्मोसेट (marmoset) के मस्तिष्क के आकार तक बढ़ने में मदद मिली, बिना केंद्रीय कोशिकाओं के मरे। परिणामी ऊतक में न्यूरॉन्स और सहायक कोशिकाओं का एक स्वस्थ मिश्रण था, जिसने महीनों तक अपनी संरचना और स्वास्थ्य बनाए रखा।
सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि तब आई जब शोधकर्ताओं ने इन प्रिंटेड जेलों का उपयोग मस्तिष्क के दो अलग-अलग हिस्सों को जोड़ने के लिए किया: डेंटेट गाइरस (dentate gyrus) और CA3 क्षेत्र, जो हिप्पोकैम्पस के महत्वपूर्ण घटक हैं, जो स्मृति के लिए जिम्मेदार क्षेत्र है। उन्होंने दो छोटे मस्तिष्क ऊतनों को रखने के लिए दो पॉकेट वाला एक कस्टम स्कैफोल्ड बनाया, जो जेल के एक संकीले पुल द्वारा जुड़े हुए थे। कई हफ्तों के दौरान, एक गेंद से न्यूरॉन्स ने दूसरी गेंद तक पहुँचने के लिए पुल के पार लंबी, पतली प्रक्षेपों (projections) जिन्हें एक्सोन (axons) कहा जाता है, विकसित कीं। ये संबंध यादृच्छिक नहीं थे; उन्होंने एक घना नेटवर्क बनाया जिससे दोनों क्षेत्र संवाद कर सके।
जब शोधकर्ताओं ने इन कनेक्शनों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि संकेत सही दिशा में यात्रा कर रहे थे, जो मानव मस्तिष्क में सूचना के प्राकृतिक प्रवाह की नकल करते हैं। डेंटेट गाइरस से भेजे गए संकेतों ने सफलतापूर्वक CA3 क्षेत्र में प्रतिक्रियाएँ उत्पन्न कीं, लेकिन विपरीत दिशा से भेजे गए संकेतों ने वैसा प्रभाव उत्पन्न नहीं किया। यह दिशात्मक संचार एक स्वस्थ, क्रियाशील मस्तिष्क सर्किट की विशेषता है। प्रयोग ने सिद्ध किया कि प्रिंटेड स्कैफोल्ड ने केवल ऊतकों को अपनी जगह पर नहीं थामे रखा; बल्कि इसने लंबी दूरी के कनेक्शनों के विकास को सक्रिय रूप से निर्देशित किया और स्मृति प्रसंस्करण के लिए आवश्यक जटिल, एक-तरफा संचार का समर्थन भी किया।
यह कार्य सुझाव देता है कि लैब में मानव ऊतकों को उगाने का भविष्य कोशिकाओं को अप्राकृतिक आकृतियों में मजबूर करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, एक सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए, स्थूल ढांचे को प्रदान करके, वैज्ञानिक ऊतकों को उनकी पूर्ण क्षमता तक बढ़ने दे सकते हैं, जिससे उनकी स्व-संगठन की स्वाभाविक क्षमता सुरक्षित रहती है और उन भौतिक सीमाओं को पार किया जा सकता है जिन्होंने पहले उन्हें छोटा रखने में बाधा डाली थी। विशिष्ट वास्तुकला के साथ सेंटीमीटर-स्केल के कार्यात्मक मानव ऊतकों को उगाने की क्षमता जटिल मस्तिष्क रोगों के अध्ययन और नए उपचारों के परीक्षण के द्वार खोलती है, जो पहले असंभव था, जिससे मानव जीव विज्ञान का अध्ययन जीवित शरीर की वास्तविकता के एक कदम और करीब आ गया है।
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