3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 3D ट्यूमर स्फेरॉइड मॉडल *Clostridium sporogenes* जैसे अवायवीय (anaerobic) बैक्टीरिया के उपनिवेशण (colonization), एंटीबायोटिक संवेदनशीलता और चिकित्सीय प्रभावकारिता को मान्य करने के लिए इन विवो (in vivo) नेक्रोटिक वातावरण की प्रभावी ढंग से नकल करते हैं, जो इन विट्रो (in vitro) और इन विवो कैंसर अनुसंधान के बीच एक महत्वपूर्ण मध्यवर्ती चरण के रूप में कार्य करता है।
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शरीर के सबसे जिद्दी ट्यूमर के भीतर, अक्सर एक अजीब और खतरनाक परिदृश्य बन जाता है। जैसे-जैसे कैंसर कोशिकाएं बेतहाशा गति से बढ़ती हैं, वे अपनी रक्त आपूर्ति से अधिक बड़ी हो जाती हैं, जिससे गहरे भुखमरी वाले क्षेत्र बन जाते हैं जहाँ ऑक्सीजन नहीं पहुँच पाता। ये क्षेत्र मर जाते हैं, जो मृत ऊतकों (नेक्रोटिक टिश्यू) में बदल जाते हैं, जो एक आक्रामक बीमारी का लक्षण है और आमतौर पर रोगी के लिए खराब भविष्य का संकेत देता है। फिर भी, यह मृत क्षेत्र एक अनूठा रहस्य समेटे हुए है: यह कुछ विशेष प्रकार के बैक्टीरिया के लिए एकमात्र स्थान है, जो ऑक्सीजन के बिना जीवित नहीं रह सकते, पनप सकते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये अवायवीय (एनारोबिक) बैक्टीरिया स्वाभाविक रूप से इन मरते हुए ट्यूमर के केंद्रों की तलाश करते हैं और वहां बस जाते हैं। इस खोज ने इन सूक्ष्म आक्रमणकारियों को सहयोगियों में बदलने के दशकों लंबे प्रयास को जन्म दिया है, जिसमें उन्हें दवाओं को पहुँचाने या प्रतिरक्षा प्रणाली को अंदर से कैंसर पर हमला करने के लिए प्रेरित करने हेतु इंजीनियर किया जाता है।
हालाँकि, इन जीवित दवाओं का मनुष्यों पर परीक्षण करने से पहले, शोधकर्ताओं को यह सिद्ध करना होगा कि वे सुरक्षित और प्रभावी रूप से काम करती हैं। कोशिकाओं की सपाट परतों का उपयोग करके किए गए पारंपरिक लैब परीक्षण, एक ट्यूमर के मृत, ऑक्सीजन-रहित केंद्र को पुन: उत्पन्न करने में विफल रहते हैं, जिससे यह देखना असंभव हो जाता है कि क्या बैक्टीरिया वास्तव में अपने लक्ष्य तक पहुँच पाएंगे। इसके विपरीत, सीधे जानवरों में परीक्षण करने से गंभीर नैतिक चिंताएँ पैदा होती हैं और अक्सर कई अलग-अलग बैक्टीरियल स्ट्रेन की तेजी से स्क्रीनिंग करने के लिए यह बहुत जटिल होता है। इस अंतर को पाटने के लिए, मैस्ट्रिच यूनिवर्सिटी (Maastricht University) के शोधकर्ताओं ने एक नया, त्रि-आयामी (थ्री-डायमेंशनल) मॉडल विकसित किया है जो ट्यूमर के भीतर की वास्तविक स्थितियों की नकल करता है, जिससे वे यह देख सकते हैं कि ये बैक्टीरिया मानव शरीर के समान वातावरण में कैसे व्यवहार करते हैं।
शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग स्रोतों से कैंसर कोशिकाओं के छोटे, गोलाकार समूहों को उगाकर शुरुआत की: दो प्रकार के माउस कैंसर और एक प्रकार का मानव कोलन कैंसर। उन्होंने इन समूहों को तब तक बढ़ने दिया जब तक कि उनमें वास्तविक ट्यूमर की तरह अपने आंतरिक मृत क्षेत्र विकसित नहीं हो गए। एक बार जब ये नेक्रोटिक कोर बन गए, तो टीम ने क्लोस्ट्रिडियम स्पोरोजेन्स (Clostridium sporogenes) के बीजाणुओं (स्पोर्स) को पेश किया, जो एक गैर-हानिकारक बैक्टीरिया है जो मनुष्यों के लिए सुरक्षित है लेकिन ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण में रहना पसंद करता है। उन्होंने देखा कि बैक्टीरिया सफलतापूर्वक अपने बीजाणुओं से फूट पड़े और कोशिका के गोलों के गहरे केंद्रों में चले गए। माउस कैंसर मॉडल में, बैक्टीरिया इतनी तेजी से बढ़े कि अंततः पूरे ट्यूमर बॉल के बिखर जाने का कारण बने, जबकि मानव कैंसर मॉडल में, बैक्टीरिया स्थिर रहे और वहीं टिके रहे, जो जीवित जीवों में होने वाली घटनाओं को दर्शाता है।
इन मॉडलों में बैक्टीरिया के सफलतापूर्वक बस जाने के बाद, टीम सुरक्षा की ओर बढ़ी। बैक्टीरिया को दवा के रूप में उपयोग करने के साथ एक प्रमुख चिंता यह है कि यदि वे समस्या पैदा करें या उपचार समाप्त करने की आवश्यकता हो, तो उन्हें कैसे रोका जाए। शोधकर्ताओं ने कई सामान्य एंटीबायोटिक्स का परीक्षण किया यह देखने के लिए कि कौन से दवाएं ट्यूमर बॉल्स के भीतर से बैक्टीरिया को साफ कर सकती हैं। उन्होंने पाया कि कुछ दवाएं, जैसे टाइगेसाइक्लिन (tigecycline), केवल बैक्टीरिया की वृद्धि को रोकती थीं; एक बार जब दवा का प्रभाव कम हुआ, तो बैक्टीरिया फिर से बढ़ने लगे। हालाँकि, अन्य एंटीबायोटिक्स, विशेष रूप से ऑगमेंटिन (augmentin) और वानकोमाइसिन (vancomycin) ने वास्तविक हत्यारों के रूप में कार्य किया, जिसने बैक्टीरिया की आबादी को पूरी तरह से खत्म कर दिया और ट्यूमर बॉल्स को बरकरार और संक्रमण मुक्त छोड़ दिया। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सिद्ध करता है कि यह मॉडल उन दवाओं के बीच अंतर कर सकता है जो केवल बैक्टीरिया को धीमा करती हैं और उन दवाओं के बीच जो उन्हें पूरी तरह से समाप्त कर सकती हैं।
अंत में, टीम ने 'क्लोस्ट्रिडियम-निर्देशित एंजाइमेटिक प्रोड्रग थेरेपी' (Clostridium-Directed Enzymatic Prodrug Therapy) नामक एक विशिष्ट कैंसर चिकित्सा का परीक्षण किया। इस दृष्टिकोण में, बैक्टीरिया को एक विशेष उपकरण ले जाने के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित किया जाता है जो एक हानिरहित दवा को जहर में बदल देता है, लेकिन केवल ट्यूमर के भीतर जहाँ बैक्टीरिया रहते हैं। शोधकर्ताओं ने इन इंजीनियर किए गए बैक्टीरिया और हानिरहित दवा को अपने ट्यूमर मॉडल में डाला। माउस कैंसर मॉडल में, इस संयोजन के कारण ट्यूमर बॉल्स में केवल बैक्टीरिया या दवा के अकेले उपयोग की तुलना में काफी अधिक सिकुड़न देखी गई। मानव कैंसर मॉडल ने विकास अवरोध (ग्रोथ इनहिबिशन) का एक समान रुझान दिखाया, हालांकि प्रभाव कम स्पष्ट था। ये परिणाम वही थे जो वैज्ञानिकों ने पहले जीवित जानवरों में देखे थे, जिससे पुष्टि हुई कि यह सरल, त्रि-आयामी कोशिका समूह सटीक रूप से भविष्यवाणी कर सकता है कि एक जटिल बैक्टीरियल थेरेपी जीवित शरीर में कैसा प्रदर्शन करेगी।
एक ऐसा सिस्टम बनाकर जो ट्यूमर के मृत, ऑक्सीजन-रहित हृदय को कैप्चर करता है, शोधकर्ताओं ने कैंसर के उपचार के भविष्य के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है। यह मॉडल वैज्ञानिकों को दर्जनों बैक्टीरियल स्ट्रेन और ड्रग संयोजनों की तेजी से और नैतिक रूप से स्क्रीनिंग करने की अनुमति देता है, जिससे उन विकल्पों को छाँटा जा सके जो काम नहीं करेंगे, इससे पहले कि वे किसी जानवर या व्यक्ति पर परीक्षण करें। यह इन जीवित दवाओं को परिष्कृत करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि जब वे अंततः क्लिनिक तक पहुँचें, तो वे सुरक्षित, प्रभावी और कैंसर के सबसे खतरनाक हिस्सों को लक्षित करने के लिए तैयार हों।
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