Recapitulating SARS-CoV-2 Infection in a Human Lung Organoid-on-a-Chip at the Air-Liquid Interface
यह अध्ययन एक मानव फेफड़े के ऑर्गनॉइड-ऑन-ए-चिप मॉडल को प्रस्तुत करता है जो मूल वायुमार्ग की जटिलता को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है और कई वायरल वेरिएंट्स में संरक्षित SARS-CoV-2-प्रेरित उपकला पुनर्निर्माण (एपिथेलियल रिमॉडलिंग) और संवहनी एंजियोजेनिक प्रतिक्रियाओं को प्रकट करता है, जो श्वसन रोग अनुसंधान के लिए एक शारीरिक रूप से प्रासंगिक मंच प्रदान करता है।
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मानव फेफड़े जैविक इंजीनियरिंग का एक चमत्कार हैं, जो नली और थैलियों के एक विशाल नेटवर्क के रूप में होते हैं, जिन्हें हर सांस के साथ ऑक्सीजन को कार्बन डाइऑक्साइड से बदलने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अध्ययन करने के लिए कि निमोनिया या वायरल संक्रमण जैसी बीमारियां इस प्रणाली पर कैसे हमला करती हैं, वैज्ञानिक लंबे समय से दो मुख्य उपकरणों पर निर्भर रहे हैं: एक डिश में कोशिकाओं की सपाट परतों को उगाना या जानवरों का उपयोग करना। सपाट परतें सरल हैं लेकिन वे वास्तविक ऊतक की जटिल त्रि-आयामी संरचना को नहीं दर्शा पातीं, जबकि पशु मॉडल अक्सर इस बात में विफल रहते हैं कि मानव कोशिकाएं रोगजनकों (pathogens) के प्रति विशिष्ट रूप से कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। दशकों से, शोधकर्ता एक मध्य मार्ग की तलाश कर रहे थे: एक ऐसा मॉडल जो टेस्ट ट्यूब में मानव फेफड़ों की जटिल वास्तुकला और व्यवहार को पकड़ सके। हाल ही में, तकनीक की एक नई पीढ़ी उभरी है, जो "चिप्स" नामक सूक्ष्म, तरल से भरे उपकरणों को जीवित कोशिकाओं के समूहों के साथ जोड़ती है, जो लघु अंगों (organoids) के रूप में विकसित होते हैं। इन प्रणालियों का लक्ष्य फेफड़ों के अद्वितीय वातावरण को फिर से बनाना है, जहाँ हवा कोशिकाओं की सतह को छूती है जबकि रक्त उनके ठीक नीचे बहता है, जो यह समझने के लिए एक महत्वपूर्ण सेटअप है कि श्वसन वायरस शरीर में कैसे आक्रमण करते हैं और नुकसान पहुँचाते हैं।
हाल ही में एक अध्ययन में, दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह देखने के लिए कि कोविड-19 का वायरस मानव फेफड़ों के ऊतकों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, ऐसा एक सिस्टम बनाया। उन्होंने एक "लंग ऑर्गेनॉइड-ऑन-अ-चिप" बनाया, जो एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस है जिसमें मानव वायुमार्ग कोशिकाओं की एक पतली परत ऊपर और रक्त वाहिका कोशिकाओं की एक परत नीचे रखी गई है। इस मॉडल को यथासंभव यथार्थवादी बनाने के लिए, उन्होंने वायुमार्ग कोशिकाओं को 'एयर-लिक्विड इंटरफेस' पर उगाया, जिसका अर्थ है कि कोशिकाओं का ऊपरी हिस्सा हवा के संपर्क में था जबकि निचला हिस्सा तरल में डूबा हुआ था, जो मानव फेफड़े के भीतर की प्राकृतिक स्थिति की नकल करता है। उन्होंने पूरे सिस्टम की प्रतिक्रिया देखने के लिए इसमें प्रतिरक्षा कोशिकाओं (immune cells) को भी शामिल किया। इसके बाद शोधकर्ताओं ने अपने चिप के वायु स्थान (air space) में सार्स-कोव-2 (SARS-CoV-2) वायरस के चार अलग-अलग संस्करणों—मूल स्ट्रेन और डेल्टा, ओमिक्रॉन BA.1 और ओमिक्रॉन XBB.1 के रूप में ज्ञात तीन बाद के वेरिएंट—को पेश किया। संक्रमण के बाद हजारों व्यक्तिगत कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि का विश्लेषण करके, उन्होंने मानचित्रित किया कि वायरस ने फेफड़ों के ऊतकों के व्यवहार को ठीक कैसे बदला।
परिणामों ने सभी चार वायरस वेरिएंट के बीच क्षति और रक्षा के एक सुसंगत पैटर्न का खुलासा किया। जब वायरस सिस्टम में प्रवेश करता है, तो यह वायुमार्ग कोशिकाओं की संरचना में एक नाटकीय बदलाव का कारण बनता है। वे कोशिकाएं जो बलगम और मलबे को फेफड़ों से बाहर निकालने के लिए जिम्मेदार होती हैं, जिन्हें सिलियेटेड कोशिकाएं (ciliated cells) कहा जाता है, काफी हद तक गायब हो जाती हैं। उनके स्थान पर, बेसल कोशिकाओं (basal cells) की संख्या, जो ऊतक के पुनर्निर्माण में सक्षम स्टेम कोशिकाओं के रूप में कार्य करती हैं, काफी बढ़ जाती है। यह सुझाव देता है कि वायरस फेफड़ों की सुरक्षात्मक परत को नुकसान पहुँचाता है, जिससे शेष कोशिकाएं मरम्मत मोड में स्विच करने के लिए मजबूर होती हैं। साथ ही, संक्रमित कोशिकाएं वायरस की उपस्थिति के प्रति एक मंद प्रतिक्रिया दिखाती हैं। सामान्यतः, जब कोई कोशिका किसी आक्रमणकारी का पता लगाती है, तो वह प्रतिरक्षा प्रणाली को एकजुट करने के लिए इंटरफेरॉन संकेतों को जारी करके अलार्म बजाती है। इस मॉडल में, वह अलार्म सिस्टम उम्मीद से काफी शांत था, जो वायरस की शरीर की प्रारंभिक रक्षा प्रणालियों से छिपने की ज्ञात क्षमता के अनुरूप एक खोज है।
संक्रमण ने वायुमार्ग के नीचे स्थित रक्त वाहिकाओं की रेखांकित करने वाली कोशिकाओं में भी परिवर्तन को प्रेरित किया। ये कोशिकाएं नई रक्त वाहिकाओं के विकास की तैयारी के संकेत देने लगीं, जिसे एंजियोजेनेसिस (angiogenesis) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने उन कोशिकाओं में वृद्धि देखी जो बढ़ती वाहिकाओं के अग्रणी सिरों (leading tips) की तरह दिखती हैं और उन विशिष्ट रासायनिक संकेतों में वृद्धि देखी जो इस विकास को प्रोत्साहित करते हैं। दिलचस्प बात यह है कि यह प्रतिक्रिया सामान्य रासायनिक संदेशवाहक VEGF पर निर्भर नहीं थी, बल्कि इसके बजाय संकेतों के एक अलग सेट का उपयोग करती थी, जिसमें ANGPT2 नामक प्रोटीन शामिल है। यह विशिष्ट संवहनी परिवर्तन (vascular change) गंभीर कोविड-19 वाले रोगियों के फेफड़ों में देखी गई चीजों की नकल करता है, जहाँ रक्त वाहिकाएं रिसाव वाली और अव्यवस्थित हो जाती हैं। अध्ययन में यह भी नोट किया गया कि प्रतिरक्षा कोशिकाओं, विशेष रूप से मैक्रोफेज (macrophages) की उपस्थिति, वायरस को सिस्टम में अधिक प्रभावी ढंग से प्रवेश करने में मदद करती प्रतीत होती है, जो संक्रमण में सहायता करने के लिए वायरस और प्रतिरक्षा प्रणाली के बीच एक जटिल अंतःक्रिया की ओर इशारा करती है।
हालाँकि यह अध्ययन इस तथ्य से सीमित था कि इसमें प्रत्येक स्थिति के लिए केवल एक ही नमूना उपयोग किया गया था, लेकिन देखे गए पैटर्न वास्तविक रोगियों में बीमारी के बारे में ज्ञात तथ्यों के साथ आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत थे। शोधकर्ताओं को यह नहीं मिला कि चारों वायरस वेरिएंट ने ऊतकों को कैसे प्रभावित किया, इसके बीच कोई बड़ा अंतर था; इसके बजाय, उन सभी ने समान मूल परिवर्तनों को उत्पन्न किया: सुरक्षात्मक सिलियेटेड कोशिकाओं की हानि, एक मंद प्रतिरक्षा अलार्म, वायुमार्ग में मरम्मत की स्थिति की ओर बदलाव, और रक्त वाहिकाओं का पुनर्गठन। यह निरंतरता यह सुझाव देती है कि 'लंग ऑर्गेनॉइड-ऑन-अ-चिप' सार्स-कोव-2 संक्रमण की मौलिक यांत्रिकी का अध्ययन करने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण है। मानव फेफड़ों के संक्रमण के उच्च-रिज़ॉल्यूशन विवरणों को कैप्चर करके, यह प्लेटफॉर्म पशु मॉडलों पर निर्भर किए बिना संभावित उपचारों का परीक्षण करने और बीमारी को समझने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में मानव फेफड़ों के संक्रमण की आवश्यक विशेषताओं को फिर से बनाना संभव है, जो श्वसन रोग को संचालित करने वाली जैविक घटनाओं की एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करता है।
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