Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि थर्मोप्लास्टिक पॉलीयुरेथेन, चिटोसन और पॉलीपाइरोल से निर्मित बायोडिग्रेडेबल, इलेक्ट्रोकंडक्टिव स्कैफोल्ड्स अनुकूलित भौतिक-रासायनिक, यांत्रिक और जैविक गुण प्रदर्शित करते हैं जो कार्डिएक टिश्यू इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए कोशिका आसंजन, वृद्धि और एंजियोजेनेसिस को प्रभावी ढंग से समर्थन देते हैं।
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जब हृदय को एक बड़े हमले (मासिव अटैक) का सामना करना पड़ता है, तो एक रुकावट रक्त की आपूर्ति को काट देती है, जिससे मांसपेशियों का एक हिस्सा मृत हो जाता है और खुद को ठीक करने में असमर्थ हो जाता है। टूटी हुई हड्डी के विपरीत जो वापस जुड़ जाती है, हृदय की मांसपेशियों में पुनर्जीवित होने की बहुत सीमित क्षमता होती है। एक बार जब कोशिकाएं मर जाती हैं, तो वे खत्म हो जाती हैं, और उनकी जगह सख्त स्कार टिश्यू (घाव के निशान वाला ऊतक) ले लेता है जो रक्त पंप नहीं कर सकता। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक 'टिश्यू इंजीनियरिंग' नामक एक विधि की खोज कर रहे हैं, जिसका लक्ष्य अस्थायी, कृत्रिम संरचनाएं बनाना है जो नए हृदय कोशिकाओं को सहारा दे सकें और उन्हें बढ़ने के लिए प्रोत्साहित कर सकें। ये संरचनाएं, जिन्हें स्कैफोल्ड (scaffolds) कहा जाता है, को केवल कोशिकाओं को अपनी जगह पर थामे रखने के लिए ही नहीं होना चाहिए; उन्हें हृदय के प्राकृतिक वातावरण की नकल करनी चाहिए, जो कोमल, लचीला और लगातार लय बनाए रखने के लिए विद्युत संकेत भेजता रहता है। चुनौती एक ऐसी सामग्री बनाने की है जो धड़कते हुए हृदय के शारीरिक तनाव को झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, शरीर द्वारा स्वीकार किए जाने के लिए पर्याप्त सुरक्षित हो, और उन महत्वपूर्ण विद्युत आवेगों को ले जाने के लिए पर्याप्त सुचालक हो।
एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक कार्यात्मक शीट में तीन अलग-अलग सामग्रियों को मिलाकर ऐसा ही एक स्कैफोल्ड बनाने का प्रयास किया। उन्होंने एक सिंथेटिक प्लास्टिक जिसे लचीलेपन के लिए जाना जाता है, शेलफिश में पाए जाने वाले एक प्राकृतिक चीनी-आधारित पॉलीमर, और एक विशेष प्रकार के प्लास्टिक को मिलाया जो बिजली का संचालन कर सकता है। सिंथेटिक प्लास्टिक, थर्मोप्लास्टिक पॉलीयुरेथेन, आवश्यक खिंचाव और स्थायित्व प्रदान करता है। प्राकृतिक पॉलीमर, चिटोसन (chitosan), एक ऐसी सतह प्रदान करता है जिसे जीवित कोशिकाएं पहचानती हैं और जिससे वे चिपकना पसंद करती हैं। विद्युत चालकता की समस्या को हल करने के लिए, टीम ने पॉलीपिर्रोल (polypyrrole) जोड़ा, एक ऐसी सामग्री जो बिजली को बहने देती है, बिल्कुल एक तार की तरह, लेकिन एक ऐसे रूप में जिसे अन्य नरम सामग्रियों के साथ मिलाया जा सके। उन्होंने इसमें दो सामान्य एडिटिव्स, सोडियम एल्जिनेट और कैल्शियम ग्लूकोनेट भी शामिल किए, ताकि मिश्रण को अपना आकार बनाए रखने और शरीर के साथ बेहतर तालमेल बिठाने में मदद मिल सके। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह विशिष्ट संयोजन एक स्थिर, छिद्रयुक्त संरचना बना सकता है जो हृदय कोशिकाओं के विकास का समर्थन करे और बिजली का संचालन भी करे।
शोधकर्ताओं ने इन घटकों को विभिन्न विलायकों (solvents) में घोलकर और विभिन्न अनुपातों में मिलाकर एक आदर्श संतुलन खोजने की प्रक्रिया शुरू की। उन्होंने पाया कि अन्य सामग्रियों के बिना केवल प्लास्टिक और प्राकृतिक पॉलीमर को मिलाने से एक ऐसी शीट प्राप्त होती थी जो बहुत घनी थी और उसमें उन सूक्ष्म छिद्रों या पोर्स (pores) की कमी थी जिनकी कोशिकाओं को सांस लेने और हिलने-डुलने के लिए आवश्यकता होती है। हालांकि, जब उन्होंने एडिटिव्स और चालक सामग्री को पेश किया, तो मिश्रण बदल गया। एडिटिव्स ने एक स्पंज जैसी संरचना बनाने में मदद की जिसमें आपस में जुड़े हुए छिद्र थे, जो कोशिकाओं के प्रवेश के लिए आवश्यक है। जैसे-जैसे उन्होंने चालक पॉलीपिर्रोल की मात्रा बढ़ाई, छिद्र छोटे होते गए और सामग्री की सतह खुरदरी हो गई। यह खुरदरापन वास्तव में फायदेमंद है, क्योंकि यह कोशिकाओं को पकड़ बनाने के लिए अधिक सतह क्षेत्र प्रदान करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक बनावट वाली सतह चिकनी सतह की तुलना में बेहतर पकड़ प्रदान करती है।
महत्वपूर्ण रूप से, चालक सामग्री के जुड़ाव ने स्कैफोल्ड के विद्युत गुणों को बदल दिया। प्लास्टिक और प्राकृतिक पॉलीमर के मूल मिश्रण में बिजली का संचालन बिल्कुल नहीं होता था। लेकिन जैसे ही पॉलीपिर्रोल जोड़ा गया, शीट बिजली प्रवाहित करने में सक्षम हो गई। उन्होंने जितना अधिक पॉलीपिर्रोल जोड़ा, शीट उतनी ही बेहतर तरीके से बिजली का संचालन करने लगी। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि हृदय कोशिकाएं लयबद्ध होकर धड़कने के लिए विद्युत संकेतों पर निर्भर करती हैं; एक स्कैफोल्ड जो बिजली का संचालन नहीं कर सकता, वह हृदय की प्राकृतिक लय को बनाए रखने में विफल रहेगा। टीम ने यह भी परीक्षण किया कि यह सामग्री पानी के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है। जबकि मूल मिश्रण पानी को रोकता था, चालक सामग्री के जुड़ने से सतह अधिक जल-अनुकूल (water-friendly) हो गई, जो आम तौर पर कोशिकाओं को आसानी से जुड़ने और फैलने में मदद करती है।
यह देखने के लिए कि क्या ये नई सामग्रियां प्रयोगशाला सेटिंग में जीवित हृदय कोशिकाओं और रक्त वाहिका कोशिकाओं के लिए सुरक्षित और प्रभावी हैं, शोधकर्ताओं ने उनका परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि कोशिकाएं न केवल स्कैफोल्ड पर जीवित रहीं बल्कि अच्छी तरह से विकसित भी हुईं और सतह से मजबूती से जुड़ी रहीं। हृदय कोशिकाओं ने अपने विशिष्ट आकार को बनाए रखा और संकुचन के लिए आवश्यक आंतरिक संरचनाओं को विकसित करने के संकेत भी देने लगे। अध्ययन ने यह भी देखा कि समय के साथ स्कैफोल्ड्स कैसे टूटते या विघटित होते हैं। सामग्रियों को बायोडिग्रेडेबल (जैव-अपघटनीय) बनाया गया था, जिसका अर्थ है कि वे नए ऊतकों के बनने के साथ धीरे-धीरे घुल जाएंगे। परिणामों ने दिखाया कि चालक सामग्री वाले स्कैफोल्ड्स मूल मिश्रण की तुलना में थोड़े तेजी से टूटते हैं, जिसका कारण संभवतः उनका अधिक पानी सोखना है। यह सुझाव देता है कि वे नए हृदय ऊतक के विकास की दर के साथ मेल खाते हुए गायब हो सकते हैं।
केवल हृदय कोशिकाओं का समर्थन करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या स्कैफोल्ड्स नई रक्त वाहिकाओं के विकास को प्रोत्साहित कर सकते हैं, जिसे एंजियोजेनेसिस (angiogenesis) कहा जाता है। रक्त वाहिकाओं की ताज़ा आपूर्ति के बिना, नया हृदय ऊतक जीवित नहीं रह सकता। चिकन भ्रूणों (chicken embryos) से जुड़े एक जैविक मॉडल का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि चालक सामग्री और कैल्शियम एडिटिव वाले स्कैफोल्ड्स ने मूल मिश्रण की तुलना में नई रक्त वाहिकाओं के विकास को अधिक प्रभावी ढंग से बढ़ावा दिया। यह इंगित करता है कि सामग्रियों का विशिष्ट संयोजन न केवल सीधे हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाओं का समर्थन करता है, बल्कि उन्हें पोषण देने के लिए आवश्यक संवहनी नेटवर्क (vascular network) बनाने में भी मदद करता है। अध्ययन में यह भी नोट किया गया कि स्कैफोल्ड्स में कुछ बैक्टीरिया के विकास को रोकने की कुछ क्षमता दिखाई दी, जो प्रत्यारोपण के बाद संक्रमण को रोकने में सहायक एक सकारात्मक प्रभाव हो सकता है।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि उनके स्कैफोल्ड का सबसे आशाजनक संस्करण वह था जिसमें चालक सामग्री की एक विशिष्ट, मध्यम मात्रा थी। इस संस्करण ने सबसे अच्छा संतुलन प्रदान किया: यह आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत, हृदय के साथ चलने के लिए पर्याप्त लचीला, विद्युत संकेतों को ले जाने के लिए पर्याप्त चालक और कोशिकाओं को बढ़ने के लिए पर्याप्त छिद्रयुक्त था। हालांकि इस अध्ययन में जीवित मानव या पशु हृदय के भीतर सामग्री का परीक्षण नहीं किया गया था, लेकिन प्रयोगशाला के परिणाम बताते हैं कि सामग्रियों का यह संयोजन हृदय ऊतक इंजीनियरिंग के लिए एक अनुकूल वातावरण बनाता है, जो क्षतिग्रस्त हृदय की मांसपेशियों की मरम्मत के लिए एक संभावित मार्ग प्रदान करता है, जो वर्तमान में स्वयं को ठीक करने के प्राकृतिक तरीके से वंचित है। सिंथेटिक प्लास्टिक, प्राकृतिक पॉलीमर और चालक सामग्री के मिश्रण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने एक ऐसा मंच तैयार किया है जो हृदय ऊतक इंजीनियरिंग की कई जटिल आवश्यकताओं को पूरा करता है।
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