Custom Probe-Based Spatial Transcriptomics Enables Microbiome Detection in FFPE Colorectal Cancer Tissue

प्रत्येक ट्यूमर के भीतर एक छिपी हुई दुनिया होती है। वर्षों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि बैक्टीरिया मानव कैंसर के भीतर रहते हैं, न कि केवल आकस्मिक यात्रियों के रूप में, बल्कि सक्रिय प्रतिभागियों के रूप में जो यह प्रभावित कर सकते हैं कि बीमारी कैसे बढ़ती है, प्रतिरक्षा प्रणाली कैसे प्रतिक्रिया करती है, और यहाँ तक कि रोगी उपचार के प्रति कितनी अच्छी तरह प्रतिक्रिया करता है। ये सूक्ष्म समुदाय बिखरे हुए नहीं होते; वे ऊतकों के भीतर विशिष्ट पड़ोस बनाते हैं, और मानव कोशिकाओं के साथ जटिल तरीकों से अंतःक्रिया करते हैं। इन अंतःक्रियाओं को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को यह देखने की आवश्यकता है कि बैक्टीरिया मानव कोशिकाओं के सापेक्ष कहाँ स्थित हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मानचित्र जो घरों और उनके भीतर रहने वाले लोगों दोनों को दिखाता है। लंबे समय तक, इस तरह का विस्तृत मानचित्रण केवल ताजे ऊतक नमूनों (fresh tissue samples) के साथ ही संभव था, जो दुर्लभ हैं और एकत्र करने में कठिन होते हैं। हालाँकि, चिकित्सा अभिलेखों का विशाल बहुमत उस ऊतक से बना होता है जिसे मोम के ब्लॉकों (wax blocks) में संरक्षित किया गया है, एक ऐसी विधि जो दशकों से मानक रही है लेकिन पहले इस तरह के उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले बैक्टीरियल जासूसी कार्य के लिए बहुत अधिक खराब (degraded) मानी जाती थी।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस अंतर को पाट दिया है, इन संरक्षित ऊतक नमとなるों के भीतर बैक्टीरिया का मानचित्र बनाने का एक नया तरीका विकसित किया है। मानव जीन को पढ़ने के लिए डिज़ाइन की गई एक तकनीक को अनुकूलित करके, उन्होंने एक कस्टम सेट आणविक उपकरणों (molecular tools) का निर्माण किया जो विशिष्ट प्रकार के बैक्टीरिया को भी खोज और स्थान दे सकते हैं। उन्होंने इस दृष्टिकोण का परीक्षण कोलोरेक्टल कैंसर के नमूनों पर किया, जो एक ऐसी बीमारी है जहाँ बैक्टीरिया और ट्यूमर के बीच का संबंध विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। उनका कार्य यह सिद्ध करता है कि पुराने, संग्रहीत चिकित्सा नमूनों में सूक्ष्मजीवों की स्थानिक व्यवस्था (spatial arrangement) को देखना संभव है, बिना मानव आनुवंशिक कोड को पढ़ने की अपनी क्षमता खोए। यह दशकों से संग्रहीत रोगी नमूनों का अध्ययन करने का द्वार खोलता है ताकि यह समझा जा सके कि बैक्टीरिया उन तरीकों से कैसे प्रभावित करते हैं जो पहले अदृश्य थे।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले नए सेट आणविक जांच (molecular probes) को डिजाइन किया, जो अनिवार्य रूप से छोटे, कस्टम-मेड टैग हैं जो विशिष्ट आनुवंशिक अनुक्रमों से चिपक जाते हैं। इस मामले में, उन्होंने बैक्टीरिया के आनुवंशिक कोड को लक्षित किया, विशेष रूप से 16S rRNA नामक अणु के परिवर्तनशील क्षेत्रों को, जो विभिन्न बैक्टीरियल समूहों के लिए एक अद्वितीय पहचानकर्ता के रूप में कार्य करता है। उन्होंने इन प्रोब्स को विज़ियम साइटोअसिस्ट (Visium CytAssist) नामक एक आधुनिक इमेजिंग प्लेटफॉर्म के साथ काम करने के लिए बनाया, जो ऊतकों के पतले स्लाइस से आनुवंशिक जानकारी कैप्चर करता है जबकि उनके मूल आकार और स्थान को बरकरार रखता है। चुनौती यह थी कि इन बैक्टीरियल प्रोब्स को मानव जीन को पढ़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक प्रोब्स के साथ कैसे काम कराया जाए, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि दोनों प्रणालियाँ एक-दूसरे में हस्तक्षेप न करें। उन्होंने इन प्रोब्स के 195 जोड़ों का एक पूल बनाया, जो कोलोरेक्टल कैंसर के लिए प्रासंगिक ज्ञात 15 विभिन्न समूहों के बैक्टीरिया को लक्षित करते हैं, और उन्हें मानक परीक्षण किट में मिला दिया।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह नई विधि काम करती है, टीम ने कोलोरेक्टल ऊतक के छह नमूनों पर इसे लागू किया जो मोम के ब्लॉकों में संरक्षित थे। इनमें से तीन नमूने ट्यूमर के थे, और तीन स्वस्थ ऊतक थे जो उन्हीं रोगियों के पास से लिए गए थे जहाँ ट्यूमर था। इस प्रक्रिया में ऊतक को काटना, उसे कस्टम प्रोब मिश्रण के साथ उपचारित करना और फिर एक मशीन का उपयोग करके आनुवंशिक संकेतों को पढ़ना शामिल था। परिणाम तत्काल और स्पष्ट थे: सिस्टम ने एक ही ऊतक खंड में मानव जीन और बैक्टीरियल संकेतों दोनों को सफलतापूर्वक पता लगा लिया। महत्वपूर्ण रूप से, बैक्टीरियल प्रोब्स की उपस्थिति ने मानव जीन को पढ़ने में कोई बाधा नहीं डाली। जब शोधकर्ताओं ने मानव आनुवंशिक डेटा का विश्लेषण किया, तो कोशिकाएं अपेक्षित पैटर्न में व्यवस्थित हुईं, जिसमें कोलन की परत, मांसपेशियों की परत और प्रतिरक्षा कोशिकाओं के लिए विशिष्ट समूह थे, जैसा कि वे ताजे ऊतक में होते हैं। इसने पुष्टि की कि नया तरीका उपयोग के लिए सुरक्षित था और इसने संरक्षित नमूनों में संग्रहीत नाजुक जानकारी को नुकसान नहीं पहुँचाया।

सबसे रोमांचक खोज तब हुई जब शोधकर्ताओं ने देखा कि बैक्टीरिया कहाँ स्थित थे। स्वस्थ ऊतक नमूनों में, बैक्टीरियल संकेत मुख्य रूप से कोलन के अंदरूनी हिस्से की सतह पर पाए गए, जो इस बात से मेल खाता है कि बैक्टीरिया स्वस्थ आंत में स्वाभाविक रूप से कैसे रहते हैं। हालाँकि, ट्यूमर के नमूनों ने एक अधिक जटिल कहानी सुनाई। अधिकांश ट्यूमर नमूनों में, बैक्टीरिया छोटे, केंद्रित समूहों में पाए गए। लेकिन एक विशिष्ट ट्यूमर का नमूना नाटकीय रूप से अलग खड़ा हुआ। इसमें अन्य नमनों की तुलना में बहुत अधिक बैक्टीरियल सिग्नल था, और ये बैक्टीरिया केवल सतह पर नहीं थे; वे ट्यूमर ऊतक के भीतर गहराई तक धंसे हुए थे।

जब शोधकर्ताओं ने करीब से देखा कि ट्यूमर में किस प्रकार के बैक्टीरिया थे, तो उन्हें दो मुख्य समूह मिले: एक Porphyromonas नामक वंश (genus) से संबंधित और दूसरा Bacteroides-Phocaeia से संबंधित। हालांकि दोनों समूह पूरे ट्यूमर में मौजूद थे, लेकिन वे ऊतक में गहराई तक जाने के दौरान अलग-अलग पथों का अनुसरण करते थे। एक समूह दूसरे की तुलना में अलग दिशा या अलग दर से ट्यूमर में प्रवेश करता हुआ प्रतीत हुआ। यह सुझाव देता है कि विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया अनूठे तरीकों से ट्यूमर में घुसपैठ कर रहे हैं, जो संभावित रूप से उनके आसपास की मानव कोशिकाओं के साथ अलग तरह से अंतःक्रिया करते हैं। एक ही नमूने में इन विशिष्ट पैटर्न को देखने की क्षमता पुराने तरीकों में नहीं थी, क्योंकि वे सभी बैक्टीरिया को एक साथ मिला देते थे, जिससे इस जानकारी का नुकसान हो जाता था कि प्रत्येक प्रकार का बैक्टीरिया वास्तव में कहाँ रह रहा था।

यह अध्ययन इस दावे के साथ नहीं आया है कि बैक्टीरिया कैंसर का कारण कैसे बनते हैं, और न ही यह सिद्ध करता है कि ये विशिष्ट बैक्टीरिया ही बीमारी के एकमात्र चालक हैं। इसके बजाय, यह एक नई क्षमता स्थापित करता है। यह दिखाता है कि वैज्ञानिक अब दुनिया भर के अस्पतालों से संरक्षित ऊतक नमनों के विशाल अभिलेखों को ले सकते हैं और उनमें उच्च सटीकता के साथ बैक्टीरियल समुदायों का मानचित्रण शुरू कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि चूंकि उनकी विधि विशिष्ट प्रोब्स का उपयोग करती है, इसलिए वे केवल उन्हीं बैक्टीरिया को खोज सकते हैं जिनके लिए उन्होंने प्रोब्स डिजाइन किए हैं, जिसका अर्थ है कि वे इस विशिष्ट सेटअप के साथ पूरी तरह से नए, अज्ञात प्रजातियों की खोज नहीं कर सकते। हालाँकि, भविष्य में अधिक प्रोब्स के साथ इस प्रणाली को विस्तारित करने के लिए यह पर्याप्त लचीली है।

निष्कर्षों ने सूक्ष्मजीवों की स्थानिक व्यवस्था (spatial arrangement) को देखने के महत्व पर भी प्रकाश डाला है। तथ्य यह है कि विभिन्न बैक्टीरिया ने एक ही ट्यूमर के भीतर अलग-अलग वितरण पैटर्न दिखाया, यह सुझाव देता है कि उनका स्थान मायने रखता है। कुछ सतह पर छिपे हो सकते हैं, जबकि अन्य सक्रिय रूप से कैंसर के केंद्र में घुसपैठ कर रहे हैं। चिकित्सा नमूने के सबसे सामान्य प्रकार से इतनी विस्तृत जानकारी प्राप्त करना पहले असंभव था। यह सिद्ध करके कि यह तकनीक फॉर्मलिन-फिक्स्ड, पैराफिन-एम्बेडेड (formalin-fixed, paraffin-embedded) ऊतक पर काम करती है, शोधकर्ताओं ने एक सामान्य ढांचा प्रदान किया जिसे अन्य बीमारियों और संरक्षित नमूनों के अन्य प्रकारों पर लागू किया जा सकता है। यह वैज्ञानिकों के देखने के तरीके को बदल देता है, जिससे वे चिकित्सा इतिहास की ओर वापस देख सकते हैं, जिससे वे हमारे शरीर के भीतर रहने वाली अदृश्य सूक्ष्म दुनिया और यह हमारे स्वास्थ्य को कैसे आकार देती है, इसके बारे में नए प्रश्न पूछ सकते हैं।