Identification and experimental validation of biomarkers associated with lipotoxicity in chronic obstructive pulmonary disease through transcriptomic and single-cell RNA sequencing analysis

क्रोनिक ऑब्सट्रक्टिव पल्मोनरी डिजीज (COPD), जिसे आमतौर पर COPD के रूप में जाना जाता है, एक दीर्घकालिक स्थिति है जो सांस लेने में कठिनाई पैदा करती है। यह वायुमार्गों और फेफड़ों की छोटी वायु थैलियों को नुकसान पहुँचाती है, जो अक्सर धूम्रपान या हानिकारक हवा के संपर्क में आने के कारण होती है। हालांकि डॉक्टर लक्षणों का इलाज कर सकते हैं, लेकिन इस बीमारी को स्वयं बदला नहीं जा सकता है, और इसे और अधिक बिगड़ने से रोकने के नए तरीके खोजना चिकित्सा विज्ञान के लिए एक बड़ी चुनौती बनी हुई है। बढ़ती रुचि का एक क्षेत्र यह है कि शरीर वसा (fat) को कैसे संभालता है। जिस तरह बहुत अधिक चीनी शरीर को नुकसान पहुँचा सकती है, उसी तरह वसा के भंडारण और उपयोग में असंतुलन से 'लिपोटॉक्सिसिटी' (lipotoxicity) नामक स्थिति पैदा हो सकती है। यह स्थिति तब होती है जब वसा उन जगहों पर जमा होने लगती है जहाँ उसे नहीं होना चाहिए, जिससे सूजन (inflammation) और कोशिकाओं को नुकसान पहुँचता है। शोधकर्ताओं ने लंबे समय से संदेह जताया है कि वसा से संबंधित यह क्षति फेफड़ों की बीमारियों में एक छिपी हुई भूमिका निभाती है, लेकिन COPD में लिपोटॉक्सिसिटी से जुड़े जीन की सटीक भागीदारी अभी भी स्पष्ट नहीं है।

शानक्सी बेथ्यून अस्पताल और शानक्सी मेडिकल यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों की एक टीम ने COPD से पीड़ित लोगों के फेफड़ों के भीतर वसा विषाक्तता (fat toxicity) के आनुवंशिक पदचिह्नों (genetic fingerprints) की तलाश करके इस पहेली को सुलझाने का निर्णय लिया। उन्होंने सार्वजनिक डेटाबेस से विशाल मात्रा में आनुवंशिक डेटा एकत्र करना शुरू किया, जिसमें स्वस्थ व्यक्तियों के फेफड़ों के ऊतकों और रक्त की तुलना बीमारी से ग्रस्त व्यक्तियों के साथ की गई। उन्होंने विशेष रूप से उन जीनों की एक सूची पर ध्यान केंद्रित किया जो वसा विषाक्तता में शामिल होने के लिए जाने जाते हैं। इन जीनों को COPD रोगियों में अलग व्यवहार करने वाले जीनों के साथ क्रॉस-रेफरेंस करके, शोधकर्ताओं ने हजारों संभावनाओं को केवल अट्ठाइस जीनों के एक छोटे समूह तक सीमित कर दिया जो सबसे अधिक प्रासंगिक लग रहे थे।

इन अट्ठाइस जीनों में से सबसे महत्वपूर्ण खिलाड़ियों को खोजने के लिए, टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया जो पैटर्न को पहचानने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। इन उपकरणों ने उन्हें दो विशिष्ट जीन पहचानने में मदद की जो बीमारी के सबसे विश्वसनीय संकेतक के रूप में उभरे। एक जीन, जिसे APRT कहा जाता है, पाया गया कि वह स्वस्थ लोगों की तुलना में COPD के रोगियों में काफी कम सक्रिय था। दूसरा जीन, जिसे S100A8 के रूप में जाना जाता है, बहुत अधिक सक्रिय था। यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल कंप्यूटर डेटा का कोई संयोग नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने उन्हें वास्तविक दुनिया के परिवेश में परखा। उन्होंने अपने अस्पताल के दस रोगियों से रक्त के नमूने एकत्र किए—पाँच COPD के साथ और पाँच बिना COPD के—और इन जीनों के स्तर को सीधे मापा। परिणामों ने कंप्यूटर की भविष्यवाणियों की पुष्टि की, जिसमें दिखाया गया कि APR में APRT की अभिव्यक्ति (expression) कम थी जबकि S100A8 की अभिव्यक्ति काफी अधिक थी।

शोधकर्ताओं ने इन दो जीनों का उपयोग एक प्रेडिक्टिव मॉडल (भविसीय मॉडल) बनाने के लिए किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो व्यक्ति के आनुवंशिक प्रोफाइल के आधार पर बीमारी के जोखिम का अनुमान लगा सकता है। जब उन्होंने इस मॉडल का परीक्षण किया, तो यह स्वस्थ व्यक्तियों और COPD वाले व्यक्तियों के बीच अंतर करने में अत्यधिक सटीक साबित हुआ। केवल निदान से परे, अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि ये जीन वास्तव में शरीर के भीतर क्या कर रहे हैं। विश्लेषण से पता चला कि दोनों जीन 'फोकल एडहेसन' (focal adhesion) नामक एक विशिष्ट जैविक मार्ग से निकटता से जुड़े हैं, जो कोशिकाओं को उनके परिवेश से चिपकने और एक-दूसरे के साथ संवाद करने में मदद करता है। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये जीन न्यूट्रोफिल (neutrophils) के व्यवहार से मजबूती से जुड़े हुए हैं, जो एक प्रकार की श्वेत रक्त कोशिका है जो संक्रमण या चोट के स्थानों पर तेजी से पहुँचती है। COPD के रोगियों में, ये कोशिकाएं अक्सर अधिक संख्या में पाई जाती हैं, और अध्ययन ने सुझाव दिया कि S100A8 का उच्च स्तर इनके संचय को बढ़ावा दे सकता है, जबकि APRT का निम्न स्तर इसे रोकने में विफल हो सकता है।

यह समझने के लिए कि फेफड़ों में कौन सी कोशिकाएं इस प्रक्रिया को संचालित कर रही हैं, टीम ने 'सिंगल-सेल आरएनए सीक्वेंसिंग' (single-cell RNA sequencing) नामक एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन तकनीक का उपयोग किया। यह विधि वैज्ञानिकों को पूरे ऊतक के औसत के बजाय व्यक्तिगत कोशिकाओं के आनुवंशिक गतिविधि को देखने की अनुमति देती है। इस विस्तृत दृश्य ने खुलासा किया कि मैक्रोफेज (macrophages), जो फेफड़ों में सफाई करने वाले और रक्षक के रूप में कार्य करने वाली एक प्रकार की प्रतिरक्षा कोशिका है, वे प्राथमिक स्थान थे जहाँ ये आनुवंशिक परिवर्तन हो रहे थे। शोधकर्ताओं ने ट्रैक किया कि ये मैक्रोफेज समय के साथ कैसे बदलते हैं और पाया कि जैसे-जैसे कोशिकाएं परिपक्व होती हैं, इन दो प्रमुख जीनों के स्तर एक विशिष्ट पैटर्न में उतार-चढ़ाव करते हैं। यह सुझाव देता है कि वसा विषाक्तता की प्रक्रिया एक स्थिर घटना नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रक्रिया है, जो रोगग्रस्त फेफड़ों में प्रतिरक्षा कोशिकाओं के बदलने के साथ विकसित होती है।

अध्ययन ने संभावित उपचारों की ओर भी दृष्टि डाली। इन दो जीनों के आनुवंशिक लक्ष्यों का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने मौजूदा दवाओं के साथ संभावित अंतःक्रियाओं (interactions) की भविष्यवाणी की जो उन्हें प्रभावित कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, उन्होंने पाया कि कुछ दवाएं संभावित रूप से S100A8 जीन को लक्षित कर सकती हैं, जबकि अन्य APRT को प्रभावित कर सकती हैं। हालांकि इन दवाओं का इस विशिष्ट अध्ययन में परीक्षण नहीं किया गया था, लेकिन इन लक्ष्यों की पहचान भविष्य के उपचारों के लिए एक नया द्वार खोलती है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि APRT और S100A8 न केवल बीमारी के मार्कर हैं, बल्कि वे इस भूमिका में भी योगदान देते हैं कि कैसे वसा विषाक्तता फेफड़ों को नुकसान पहुँचाती है, हालांकि सटीक क्रिया विधि (mechanism of action) को भविष्य के प्रयोगात्मक अध्ययनों के माध्यम से सत्यापित और स्पष्ट करने की आवश्यकता है। इस तंत्र को समझकर, डॉक्टर एक दिन ऐसे उपचार विकसित करने में सक्षम हो सकते हैं जो विशेष रूप से वसा के संचय के हानिकारक प्रभावों को रोक सकें, जिससे उस बीमारी के प्रबंधन के लिए एक अधिक लक्षित दृष्टिकोण की आशा मिलती है जिसका वर्तमान में कोई इलाज नहीं है।