Establishment of a human pluripotent stem cell-derived sensory neuron model for diabetic peripheral neuropathy and pharmacological evaluation

लाखों मधुमेह (डायबिटीज) से पीड़ित लोगों के लिए, हाथों और पैरों की नसों में एक शांत और दर्दनाक जटिलता घर कर सकती है। यह स्थिति, जिसे डायबिटिक पेरिफेरल न्यूरोपैथी के रूप में जाना जाता है, संवेदनशीलता की कमी के साथ शुरू होती है, जिसे अक्सर एक मोज़े या दस्ताने की तरह अंगों में ऊपर चढ़ती हुई सुन्नता के रूप में वर्णित किया जाता है। समय के साथ, क्षति गहरी होती जाती है, जिससे त्वचा से मस्तिष्क तक संकेत ले जाने वाले लंबे, पतले रेशे बाहर से भीतर की ओर मुरझाकर मरने लगते हैं। हालांकि डॉक्टर दर्द का प्रबंधन कर सकते हैं, लेकिन वर्तमान में ऐसा कोई उपचार नहीं है जो इस तंत्रिका क्षय (नर्व डिजनरेशन) को रोक सके या उलट सके। इस तरह के इलाज की खोज इसलिए रुकी हुई है क्योंकि वैज्ञानिकों के पास प्रयोगशाला में मानव तंत्रिका कोशिकाओं (ह्यूमन नर्व सेल्स) का अध्ययन करने का एक विश्वसनीय तरीका नहीं था। चूहे या कृंतक (रैट) के भीतर की कोशिकाएं एक इंसान की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करती हैं, और मानव रोगियों से सीधे तंत्रिका ऊतक (नर्व टिश्यू) लेना अक्सर असंभव होता है। एक मानव मॉडल के बिना जो बीमारी की सटीक नकल करता हो, नए ड्रग्स का परीक्षण करना उस जटिल इंजन को ठीक करने की कोशिश करने जैसा है जिसे आपने कभी देखा ही नहीं।

बीजिंग शुनयी डिस्ट्रिक्ट अस्पताल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब वह गायब इंजन बना लिया है। उन्होंने मानव स्टेम कोशिकाओं का उपयोग करके एक प्रयोगशाला मॉडल बनाया जो परिपक्व संवेदी न्यूरॉन्स (सेंसरी न्यूरॉन्स) में विकसित होते हैं, जो कि डायबिटिक न्यूरोपैथी में क्षतिग्रस्त होने वाले विशिष्ट प्रकार के तंत्रिका कोशिका हैं। इन मानव कोशिकाओं को मधुमेह में पाए जाने वाले उच्च शर्करा स्तर और ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस के संपर्क में लाकर, वैज्ञानिक वास्तविक समय में तंत्रिका क्षति को देखने में सक्षम हुए। उनके कार्य ने पुष्टि की कि यह क्षति कोशिका के ऊर्जा तंत्र पर चीनी के विषाक्त प्रभावों के कारण होती है, न कि केवल उच्च तरल स्तरों के भौतिक दबाव के कारण। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने दिखाया कि यह मॉडल भविष्यवाणी कर सकता है कि क्या कोई दवा नसों की रक्षा करेगी। जब उन्होंने तीन मौजूदा दवाओं का परीक्षण किया, तो कोशिकाएं जीवित रहीं, और नसों की लंबी, नाजुक शाखाएं बरकरार रहीं, जो वास्तव में क्षति की मरम्मत कर सकने वाले उपचार खोजने की दिशा में एक नया मार्ग प्रदान करती हैं।

इस नए मॉडल के काम करने के तरीके को समझने के लिए, पहले कोशिकाओं के स्रोत को देखना होगा। शोधकर्ताओं ने मानव प्लुरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं से शुरुआत की, जो एक विशेष प्रकार की कोशिकाएं हैं जो शरीर के किसी भी ऊतक में बदल सकती हैं। रासायनिक संकेतों के एक सावधानीपूर्वक समयबद्ध क्रम का उपयोग करके, उन्होंने इन स्टेम कोशिकाओं को संवेदी न्यूरॉन्स बनने के लिए निर्देशित किया। इस प्रक्रिया में पैंतीस दिन लगे। परिणामी कोशिकाएं विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं का मिश्रण नहीं थीं; वे संवेदी न्यूरॉन्स की एक शुद्ध आबादी थीं, जिसकी पुष्टि उन विशिष्ट मार्करों की उपस्थिति से की गई जो उन्हें पहचानते हैं और मोटर न्यूरॉन्स के मार्करों की अनुपस्थिति से की गई। यह शुद्धता आवश्यक थी, क्योंकि इसने सुनिश्चित किया कि बाद में देखी गई कोई भी क्षति विशेष रूप से रोग में शामिल संवेदी नसों में हो रही है, न कि अन्य कोशिका प्रकारों के कारण भ्रमित हो रही है।

इन मानव संवेदी न्यूरॉन्स की एक विश्वसनीय आपूर्ति के साथ, टीम ने एक डिश में डायबिटिक न्यूरोपैथी की स्थितियों को पुन: उत्पन्न करने का प्रयास किया। वे जानते थे कि इस स्थिति वाले रोगी क्रोनिक उच्च रक्त शर्करा से पीड़ित होते हैं, जो अंततः रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज नामक हानिकारक अणुओं के संचय की ओर ले जाता है जो कोशिका के पावर प्लांट यानी माइटोकॉन्ड्रिया को नुकसान पहुंचाते हैं। इसे दोहराने के लिए, उन्होंने पहले बीस-चार घंटों के लिए कोशिकाओं को ग्लूकोज की उच्च सांद्रता के संपर्क में रखा। फिर उन्होंने तीव्र ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस को ट्रिगर करने के लिए हाइड्रोजन पेरोक्साइड का एक विस्फोट जोड़ा, जो शरीर में होने वाले अचानक स्पाइक्स (उतार-चढ़ाव) की नकल करता है। उनके डिजाइन का एक महत्वपूर्ण चरण पिछले अध्ययनों के एक सामान्य भ्रम को दूर करना था: वे जानना चाहते थे कि क्या क्षति स्वयं चीनी के कारण हुई या केवल इस तथ्य के कारण कि उच्च चीनी डिश में तरल को गाढ़ा और अधिक दबावयुक्त बनाती है। इसे टेस्ट करने के लिए, उन्होंने नियंत्रण समूह (कंट्रोल ग्रुप) में मैनिटोल नामक पदार्थ मिलाया ताकि बिना चीनी के समान भौतिक दबाव बनाया जा सके। चीनी वाले समूह की कोशिकाएं महत्वपूर्ण क्षति झेल गईं, जबकि केवल दबाव वाले समूह की कोशिकाएं स्वस्थ रहीं। इससे सिद्ध हुआ कि चोट ग्लूकोज की मेटाबॉलिक विषाक्तता (मेटाबॉलिक टॉक्सिसिटी) द्वारा संचालित थी, न कि भौतिक दबाव द्वारा।

एक बार जब इंजरी मॉडल स्थापित हो गया, तो शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण किया कि क्या यह उन दवाओं की पहचान कर सकता है जो नसों की रक्षा कर सकती हैं। उन्होंने तीन यौगिकों (कंपाउंड्स) को चुना जो तनाव को कम करने या कोशिका स्वास्थ्य में सुधार करने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं: एन-एसिटाइलसिस्टीन (N-acetylcysteine), मिनोसाइक्लिन (minocycline), और मेटफॉर्मिन (metformin)। कोशिकाओं को नुकसानदेह स्ट्रेस के संपर्क में लाने से पहले, उन्होंने इन दवाओं में से एक के साथ कोशिकाओं को दो घंटे की बढ़त दी। परिणाम स्पष्ट थे। बिना उपचार वाली कोशिकाएं, स्ट्रेस से अभिभूत होकर, नुकसानदेह अणुओं के बड़े उछाल और माइटोकॉन्ड्रियल फंक्शन के पतन को दिखाती हैं। इसके विपरीत, दवाओं से उपचारित कोशिकाएं अपने आंतरिक संतुलन को बनाए रखती हैं। नुकसानदेह अणुओं को नियंत्रण में रखा गया, और ऊर्जा पैदा करने वाले माइटोकॉन्ड्रिया स्थिर रहे। तीनों दवाओं ने कोशिकाओं की तत्काल मृत्यु को सफलतापूर्वक रोका, जिसमें एन-एसिटाइलसिस्टीन ने कोशिका के आंतरिक वातावरण को बहाल करने में सबसे मजबूत प्रभाव दिखाया।

हालाँकि, डायबिटिक न्यूरोपैथी के लिए एक मॉडल का असली परीक्षण यह नहीं है कि क्या वह कुछ घंटों के लिए एक कोशिका को जीवित रख सकता है, बल्कि यह है कि क्या वह तंत्रिका की लंबी शाखाओं की धीमी, प्रगतिशील मृत्यु को रोक सकता है। रोगियों में, यह बीमारी एक "डाइंग-बैक" (dyck-back) पैटर्न द्वारा लक्षित होती है जहाँ नसों के दूर के सिरे पहले टूट जाते हैं। यह देखने के लिए कि क्या उनका मॉडल इसे पकड़ सकता है, शोधकर्ताओं ने प्रयोग को इक्कीस दिनों तक चलने दिया। उस समूह में जिसे कोई दवा उपचार नहीं मिला था, तंत्रिका तंतुओं का नेटवर्क खंडित होने लगा और गायब होने लगा, जिसने तीन सप्ताह में अपनी संरचना का लगभग सत्तर प्रतिशत हिस्सा खो दिया। इसने मानव रोगियों में देखे जाने वाले क्षय की नकल की। लेकिन उन समूहों में जहाँ कोशिकाओं को प्रारंभिक दवा उपचार मिला था, तंत्रिका नेटवर्क मजबूत और जुड़े हुए रहे। दवाओं ने न केवल कोशिकाओं को जीवित रखा; उन्होंने नसों की जटिल वास्तुकला को संरक्षित किया, जिससे उस दीर्घकालिक क्षय को रोका जा सका जो इस बीमारी को परिभाषित करता है।

यह अध्ययन मानव जीव विज्ञान की भाषा बोलने वाले एक उपकरण प्रदान करके डायबिटिक न्यूरोपैथी के खिलाफ लड़ाई में एक महत्वपूर्ण कदम है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि वे शुद्ध मानव संवेदी न्यूरॉन्स उगा सकते हैं, उन्हें मधुमेह के विशिष्ट मेटाबॉलिक स्ट्रेस के संपर्क में ला सकते हैं, और परिणामी क्षति को उच्च सटीकता के साथ देख सकते हैं। यह सिद्ध करके कि क्षति मेटाबॉलिक है न कि भौतिक, और यह दिखाकर कि मॉडल तत्काल सेलुलर बचाव और दीर्घकालिक संरचनात्मक सुरक्षा दोनों का पता लगा सकता है, उन्होंने एक ऐसा प्लेटफॉर्म तैयार किया है जो उपयोग के लिए तैयार है। यह प्रणाली वैज्ञानिकों को एक ऐसे स्तर के विश्वास के साथ संभावित उपचारों की स्क्रीनिंग करने की अनुमति देती है जो पहले असंभव था, जो प्रयोगशाला प्रयोगों और मानव रोग की जटिल वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है। यह कार्य सुझाव देता है कि सही उपकरणों के साथ, तंत्रिका क्षति को रोकने या उलटने वाले उपचारों की खोज अब केवल एक उम्मीद नहीं है, बल्कि मानव जीव विज्ञान पर आधारित एक ठोस संभावना है।