Complementary 2D and 3D cultures deriving from a single human cortical differentiation process recapitulate in vitro neurodevelopmental and neurogenerative features of juvenile Huntington’s Disease

कल्पना कीजिए कि आप एक हम्सटर के मस्तिष्क का अध्ययन करके मानव मस्तिष्क के काम करने के तरीके को समझने की कोशिश कर रहे हैं। यह एक ट्राइसाइकिल का अध्ययन करके फरारी चलाना सीखने जैसा है; बुनियादी सिद्धांत तो वही हैं, लेकिन विवरण बिल्कुल अलग हैं। दशकों से, वैज्ञानिक मानव मस्तिष्क की बीमारियों का अध्ययन करने के लिए संघर्ष कर रहे थे क्योंकि वे प्रयोगशाला में मानव मस्तिष्क की कोशिकाओं को आसानी से विकसित नहीं कर पा रहे थे। यहीं पर "इंड्यूस्ड प्लुरिपोटेंट स्टेम सेल" (iPSC) का प्रवेश होता है। इन्हें जैविक "रीसेट बटन" के रूप में सोचें। वैज्ञानिक एक व्यक्ति की सामान्य त्वचा कोशिका ले सकते हैं, रीसेट बटन दबा सकते हैं, और उसे वापस एक खाली-स्लेट वाले मास्टर सेल में बदल सकते हैं जो शरीर में कुछ भी बन सकता है, जिसमें मस्तिष्क की कोशिका भी शामिल है।

एक बार जब आपके पास ये मास्टर कोशिकाएं हो जाती हैं, तो चुनौती उन्हें मस्तिष्क की एक विशिष्ट प्रकार की कोशिका में बदलने की होती है, जैसे कि सेरेब्रल कॉर्टेक्स (झुर्रीदार बाहरी परत जो सोचने और महसूस करने के लिए जिम्मेदार है) में होती हैं। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों के पास ऐसा करने के दो मुख्य तरीके थे। पहला था "फ्लैट" (समतल) तरीका: कोशिकाओं को एक डिश पर एक ही परत में उगाना, जैसे पिज्जा का आटा। यह देखना और मापना आसान है, लेकिन इसमें वास्तविक मस्तिष्क जैसी 3D जटिलता की कमी है। दूसरा था "3D" तरीका: कोशिकाओं को छोटे, तैरते हुए "ब्रेन बॉल्स" या ऑर्गेनोइड्स में उगाना। ये बहुत अधिक यथार्थवादी हैं, जिनमें परतें और संरचनाएं होती हैं, लेकिन इन्हें नियंत्रित करना कठिन है, इन्हें देखना कठिन है, और इन्हें घुमाने और स्वस्थ रखने के लिए अक्सर महंगे, फैंसी उपकरणों की आवश्यकता होती है। बड़ा सवाल यह था: क्या हम एक ही सेल बैच से बिना किसी अत्यधिक जटिल लैब सेटअप के, दोनों दुनियाओं का सबसे अच्छा हिस्सा प्राप्त कर सकते हैं?

यह शोध पत्र कहता है, "हाँ, हम कर सकते हैं।" शोधकर्ताओं ने एक ही बैच की स्टेम कोशिकाओं को एक साथ फ्लैट ब्रेन सेल्स और 3D ब्रेन बॉल्स दोनों में बदलने के लिए एक चतुर, एकीकृत रेसिपी विकसित की है। उन्होंने इस रेसिपी का परीक्षण स्वस्थ लोगों और जुवेनाइल हंटिंगटन रोग (jHD) के एक मरीज की कोशिकाओं पर किया, जो एक गंभीर आनुवंशिक स्थिति है जिसके कारण जीवन के शुरुआती चरणों में मस्तिष्क खराब होने लगता है। अपने नए तरीके का उपयोग करके, वे दोनों मॉडल (फ्लैट और 3D) में बीमारी के विकसित होने की प्रक्रिया को देख पाने में सक्षम रहे। उन्होंने पाया कि बीमारी वाली कोशिकाओं में स्पष्ट समस्या के संकेत दिखे: वे सही ढंग से व्यवस्थित नहीं हुईं, वे स्वस्थ कोशिकाओं जितनी बड़ी नहीं हो सकीं, और वे तेजी से मरने लगीं। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि 3D "ब्रेन बॉल्स" ने वही विद्युत गड़बड़ी और जहरीले प्रोटीन के गुच्छे दिखाए जो वास्तविक बीमारी में देखे जाते हैं, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह सरल विधि मस्तिष्क के विकास और उसके बिगड़ने के अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

"वन-साइज़-फिट्स-ऑल" ब्रेन रेसिपी की कहानी

लंबे समय तक, प्रयोगशाला में मानव मस्तिष्क कोशिकाओं को बनाना एक "चुनें अपना रोमांच" (choose your own adventure) जैसी कहानी रही है जहाँ रास्ते बहुत जल्दी अलग हो जाते हैं। यदि आप फ्लैट कोशिकाएं चाहते थे, तो आपको निर्देशों का एक सेट पालन करना पड़ता था। यदि आप 3D ब्रेन बॉल्स चाहते थे, तो आपको पूरी तरह से अलग, अक्सर अधिक जटिल निर्देशों का पालन करना पड़ता था। इसका मतलब यह था कि यदि कोई वैज्ञानिक दोनों की तुलना करना चाहता था, तो वे अक्सर सेब और संतरे की तुलना कर रहे होते थे क्योंकि कोशिकाएं अलग-अलग बैचों से आती थीं या पहले दिन से ही उनके साथ अलग व्यवहार किया जाता था।

इस शोध पत्र के पीछे की टीम ने एक पुल बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने एक एकल, सुव्यवस्थित प्रक्रिया बनाई जो स्टेम कोशिकाओं से शुरू होती है और केवल आवश्यकता पड़ने पर ही विभाजित होती है। कल्पना कीजिए कि एक नदी एक घाटी से बह रही है। यात्रा के पहले भाग के लिए, पानी एक साथ बहता है। फिर, नदी एक मोड़ पर पहुँचती है। एक तरफ, पानी को एक सपाट, चौड़े चैनल में निर्देशित किया जाता है (2D कल्चर)। दूसरी ओर, पानी को गहरे, गोल कुंडों में घूमने और जमा होने दिया जाता है (3D ऑर्गेनोइड्स)। जादू यह है कि दोनों चैनल बिल्कुल एक ही स्रोत से, एक ही समय में, बिल्कुल एक ही प्रारंभिक चरणों का उपयोग करके आते हैं।

इस रेसिपी में कुछ प्रमुख चरण शामिल हैं। सबसे पहले, स्टेम कोशिकाओं को "एम्ब्रॉयड बॉडीज" (embryoid bodies) बनाने के लिए प्रेरित किया जाता है, जो छोटे गुच्छे होते हैं जो एक शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य करते हैं। फिर, इन गुच्छों को एक "न्यूरल एपिथेलियम" (neural epithelium) बनाने के लिए चपटा किया जाता है, जो कोशिकाओं की एक शीट है जो एक न्यूरल ट्यूब की तरह दिखती है। इस शीट से, वैज्ञानिक सावधानीपूर्वक "रोजेट्स" (फूल जैसी संरचनाएं) को अलग करते हैं और उन्हें 3D "न्यूरल स्फेयर्स" बनने के लिए हवा में तैरने देते हैं। यहीं पर विभाजन होता है: कुछ स्फेयर्स को अलग किया जाता है और 2D न्यूरॉन्स बनने के लिए एक फ्लैट डिश से चिपका दिया जाता है, जबकि अन्य को 3D ऑर्गेनोइड्स बनने के लिए तैरने और बढ़ने के लिए छोड़ दिया जाता है। सबसे अच्छी बात? उन्हें यह काम करने के लिए किसी फैंसी स्पिनिंग मशीन या महंगे जेल की आवश्यकता नहीं थी। यह एक सरल, कम लागत वाला तरीका था जिसे कोई भी मानक लैब के साथ कर सकता था।

हंटिंगटन टेस्ट: क्रिया में बीमारी को देखना

यह देखने के लिए कि उनकी नई रेसिपी वास्तव में काम करती है या नहीं, वैज्ञानिकों को एक वास्तविक परीक्षण की आवश्यकता थी। उन्होंने जुवेनाइल हंटिंगटन रोग (jHD) को चुना, जो एक आनुवंशिक विकार है जहाँ एक व्यक्ति के डीएनए में एक विशिष्ट उत्परिवर्तन (85 CAG रिपीट्स) होता है जो मस्तिष्क की कोशिकाओं को सामान्य से बहुत पहले असामान्य बना देता है और उन्हें नष्ट कर देता है। उन्होंने jHD के एक मरीज और दो स्वस्थ दाताओं से स्टेम कोशिकाएं लीं और उन्हें अपनी नई रेसिपी के माध्यम से चलाया।

परिणाम चौंकाने वाले थे। जब उन्होंने स्वस्थ कोशिकाओं को देखा, तो दोनों संस्करण (फ्लैट और 3D) खूबसूरती से विकसित हुए, उन्होंने खुद को व्यवस्थित परतों में व्यवस्थित किया और एक विकसित होते मस्तिष्क के सभी सही संकेत दिखाए। लेकिन जब उन्होंने jHD कोशिकाओं को देखा, तो कहानी अलग थी। बीमारी वाली कोशिकाओं ने शुरुआत से ही स्पष्ट समस्याओं के संकेत दिखाए।

शुरुआती चरणों में, jHD कोशिकाओं को स्वस्थ कोशिकाओं की तरह सुंदर, फूल जैसी संरचनाएं (रोजेट्स) बनाने में संघर्ष करना पड़ा। ऐसा लग रहा था जैसे jHD कोशिकाएं एक घर बनाने की कोशिश कर रही थीं लेकिन इस बात पर सहमत नहीं हो पा रही थीं कि दीवारें कहाँ रखनी हैं। जैसे-जैसे कोशिकाएं पुरानी हुईं, अंतर और भी स्पष्ट हो गया। स्वस्थ 3D ब्रेन बॉल्स बढ़ते रहे और मजबूत होते रहे, जो 80वें दिन तक लगभग 0.7 mm² के आकार तक पहुँच गए। हालाँकि, jHD ब्रेन बॉल्स ने एक बाधा का सामना किया; वे कुछ समय तक बढ़े लेकिन फिर रुक गए, छोटे रहे और कभी भी अपने स्वस्थ समकक्षों के आकार तक नहीं पहुँच सके।

वैज्ञानिकों ने कोशिकाओं के "पहचान पत्रों" (identity cards)—विशिष्ट मार्करों को भी देखा जो बताते हैं कि आप किस प्रकार की मस्तिष्क कोशिका हैं। स्वस्थ मस्तिष्क में, कोशिकाएं विशिष्ट परतों में व्यवस्थित होती हैं, जैसे किसी गगनचुंबी इमारत की मंजिलें। हालाँकि, jHD कोशिकाएं भ्रमित हो गईं। उन्होंने ऊपरी मंजिलों की बहुत अधिक कोशिकाएं बनाईं और निचली मंजलों के लिए पर्याप्त कोशिकाएं नहीं बनाईं। इस गड़बड़ी का मतलब था कि मस्तिष्क के "गगनचुंबी इमारत" की संरचना सही नहीं थी। 3D ऑर्गेनोइड्स में, यह स्वस्थ मॉडलों में देखी गई व्यवस्थित परतों की पूर्ण कमी के रूप में दिखाई दिया।

"स्मोकिंग गन": गुच्छे और विद्युत गड़बड़ी

शायद सबसे रोमांचक खोज यह थी कि 3D ब्रेन बॉल्स न केवल बीमार दिख रहे थे, बल्कि वे बीमार व्यवहार भी कर रहे थे। वैज्ञानिकों ने पाया कि jHD ऑर्गेनोइड्स "एग्रीगेट्स" (aggregates)—म्यूटेंट हंटिंगटन नामक एक जहरीले प्रोटीन के गुच्छों से भरे हुए थे। ये गुच्छे हंटिंगटन रोग की पहचान हैं, लेकिन इन्हें लैब मॉडल में देखना बहुत कठिन होता है। इन 3D बॉल्स में इतनी जल्दी (45वें दिन के आसपास ही) इन्हें पाना एक बड़ी बात थी। इसने सुझाव दिया कि यह मॉडल बीमारी के वास्तविक स्वरूप को पकड़ रहा है, न कि केवल उसकी छाया को।

इसके अलावा, jHD कोशिकाएं स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना में तेजी से मर रही थीं। जब वैज्ञानिकों ने कोशिका मृत्यु के संकेतों की जांच की, तो उन्होंने jHD कल्चर में "आत्महत्या" के संकेतों की बहुत अधिक संख्या पाई। लेकिन कहानी केवल मरने वाली कोशिकाओं तक ही सीमित नहीं थी; यह इस बारे में भी थी कि कोशिकाएं आपस में कैसे बात करती हैं। एक उच्च-तकनीकी इलेक्ट्रोड ग्रिड का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने मस्तिष्क कोशिकाओं की विद्युत बातचीत (electrical chatter) को सुना। स्वस्थ कोशिकाएं सिंक्रोनाइज्ड बर्स्ट (एक साथ होने वाले झटकों) में फायर कर रही थीं, जैसे एक अच्छी तरह से प्रशिक्षित ऑर्केस्ट्रा। हालाँकि, jHD कोशिकाएं तालमेल से बाहर थीं। वे कमजोर संकेत दे रही थीं और उनके बर्स्ट में समन्वय की कमी थी। यह बताता है कि कोशिकाओं के मरने से पहले ही, मस्तिष्क का संचार नेटवर्क टूट चुका होता है।

यह क्यों मायने रखता है

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने हंटिंगटन रोग का इलाज खोज लिया है या कोई नई दवा भी नहीं खोजी है। इसके बजाय, यह समस्या को देखने का एक नया, बेहतर तरीका प्रदान करता है। यह दिखाकर कि एक ही सरल रेसिपी दोनों फ्लैट और 3D मस्तिष्क मॉडल बना सकती है जो बीमारी की सटीक नकल करते हैं, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिकों को एक शक्तिशाली नया उपकरण दिया है।

इस दृष्टिकोण की सुंदरता इसकी सरलता और निरंतरता में है। चूंकि दोनों मॉडल एक ही स्रोत से आते हैं, इसलिए वैज्ञानिक अब सीधे तुलना कर सकते हैं बिना इस चिंता के कि अंतर केवल इस कारण से है कि कोशिकाओं को कैसे उगाया गया था। 3D मॉडल बीमारी की जटिल, वास्तविक दुनिया की समस्याओं (जैसे प्रोटीन के गुच्छे और विद्युत गड़बड़ी) को दिखाते हैं, जबकि 2D मॉडल हजारों संभावित दवाओं का तेजी से परीक्षण करने का एक आसान तरीका प्रदान करते हैं।

संक्षेप में, यह अध्ययन बताता है कि अब हम मानव मस्तिष्क मॉडल विकसित कर सकते हैं जो न केवल अधिक यथार्थवादी हैं बल्कि अधिक विश्वसनीय भी हैं। जुवेनाइल हंटिंगटन जैसे रोग के लिए, जहाँ मस्तिष्क जीवन के शुरुआती चरणों में विफल होने लगता है, एक ऐसा मॉडल होना जो उन शुरुआती विकासात्मक गलतियों को पकड़ सके, एक महत्वपूर्ण कदम है। यह पहले धुंध से ढके क्षेत्र का एक स्पष्ट मानचित्र प्राप्त करने जैसा है, जिससे शोधकर्ता अधिक आत्मविश्वास के साथ बेहतर उपचारों की दिशा में आगे बढ़ सकते हैं।