PCA3 Responsive Molecular Imaging Enables Spatial Visualization of Prostate Cancer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि CaS-DNA, जो एक RNA-अनुक्रियात्मक मॉलिक्यूलर बीकन है, अंतर्जात (endogenous) PCA3 अभिव्यक्ति को उच्च विशिष्टता और प्रीक्लिनिकल मॉडल एवं मानव ऊतक दोनों में ट्यूमर भार के साथ उच्च सहसंबंध के साथ निकट-अवरक्त (near-infrared) प्रतिदीप्ति (fluorescence) में परिवर्तित करके प्रोस्टेट कैंसर के स्थानिक दृश्यता (spatial visualization) को सक्षम बनाता है।
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कल्पना कीजिए कि एक सर्जन एक मरीज के ऊपर खड़ा है, जो प्रोस्टेट से कैंसरयुक्त ट्यूमर को निकालने की कोशिश कर रहा है। लक्ष्य कैंसर की हर एक कोशिका को बाहर निकालना है, जबकि स्वस्थ ऊतकों को अछूता छोड़ देना है, लेकिन मानवीय आँखें दोनों के बीच की अदृश्य सीमा को नहीं देख सकतीं। कई मामलों में, सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे कैंसर कोशिकाएं स्वस्थ कोशिकाओं के समान ही दिखती हैं, और वे अक्सर ऊतकों के किनारों (मार्जिन्स) में छिपी रहती हैं। इसे हल करने के लिए, डॉक्टर लंबे समय से ऐसी इमेजिंग तकनीकों पर भरोसा करते आए हैं जो एक टॉर्च की तरह काम करती हैं, जो ट्यूमर को रोशन कर देती है ताकि सर्जन देख सके कि कहाँ कट लगाना है। हालाँकि, वर्तमान टॉर्चों की सीमाएँ हैं: वे अक्सर गलती से स्वस्थ ऊतकों पर भी चमक जाती हैं, या वे सतह के उन निशानों (मार्कर) पर निर्भर करती हैं जिन्हें कुछ ट्यूमर पहनते ही नहीं हैं। क्या होगा यदि, सतह के किसी टैग को खोजने के बजाय, सर्जन एक ऐसे प्रोब का उपयोग कर सके जो केवल तभी चमकता है जब उसे कैंसर कोशिका के भीतर गहराई में छिपे एक विशिष्ट आनुवंशिक संदेश का पता चलता है?
यह वह चुनौती है जिसे यूनिवर्सिटी हॉस्पिटल RWTH Aachen और फौरडनसेंट्रम जुलिच (Forschungszentrum Jülich) के शोधकर्ताओं ने हल करने का प्रयास किया। उन्होंने एक नए प्रकार का आणविक इमेजिंग टूल विकसित किया है जिसे कोशिकाओं के भीतर एक विशिष्ट आनुवंशिक फुसफुसाहट को सुनकर प्रोस्टेट कैंसर खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस टूल को CaS-DNA कहा जाता है, जो डीएनए का एक छोटा, इंजीनियर किया गया स्ट्रैंड है जो एक आणविक स्विच की तरह कार्य करता है। इसे PCA3 को पहचानने के लिए बनाया गया है, जो एक लंबा आनुवंशिक पदार्थ है जो प्रोस्टेट कैंसर कोशिकाओं द्वारा बड़ी मात्रा में उत्पादित किया जाता है लेकिन स्वस्थ कोशिकाओं में बहुत कम मौजूद होता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या वे इस आंतरिक आनुवंशिक संकेत को एक दृश्य प्रकाश में बदल सकते हैं जिसे सर्जन ऑपरेशन के दौरान देख सके, जिससे सर्जन को उच्च सटीकता के साथ कैंसर और स्वस्थ ऊतक के बीच अंतर करने का तरीका मिल सके।
टीम ने सबसे पहले CaS-DNA प्रोब को इस तरह डिजाइन करना शुरू किया कि वह अपने लक्ष्य को मिलने तक शांत रहे। अपनी विश्राम अवस्था में, प्रोब एक तंग लूप (लूप) में मुड़ा हुआ होता है, जिसके एक सिरे पर एक प्रकाश-उत्सर्जक रसायन और दूसरे सिरे पर एक प्रकाश-शमन (क्वेंचिंग) रसायन लगा होता है। ये दोनों रसायन इतने करीब होते हैं कि प्रकाश पूरी तरह से दब जाता है, जिससे प्रोब अदृश्य रहता है। डीएनए का लूप इस तरह आकार में है कि वह PCA3 आनुवंशिक संदेश के साथ बिल्कुल सटीक रूप से फिट हो सके, ठीक वैसे ही जैसे एक चाबी एक विशिष्ट ताले में फिट होती है। जब प्रोब कोशिका में प्रवेश करता है और PCA3 संदेश का सामना करता है, तो यह उससे जुड़ जाता है। यह बंधन डीएनए को खोलने के लिए मजबूर करता है, जिससे प्रकाश-उत्सर्जक रसायन, प्रकाश-शमन रसायन से दूर खिंच जाता है। अलग होने के बाद, प्रकाश-उत्सर्जक रसायन, जिसे इंडोसाइनिन ग्रीन (indocyanine green) के रूप में जाना जाता है, एक निकट-अवरक्त (नियर-इन्फ्रारेड) संकेत के साथ चमकने लगता है जिसे विशेष कैमरों द्वारा पकड़ा जा सकता है।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह तंत्र काम करता है, शोधकर्ताओं ने पहले एक सरल प्रयोगशाला सेटिंग में इसका परीक्षण किया। उन्होंने CaS-DNA प्रोब को विशिष्ट आनुवंशिक लक्ष्य के साथ मिलाया और देखा कि क्या हुआ। प्रोब ने लक्ष्य के साथ तेजी से बंधन बनाया, और कुछ ही मिनटों में प्रकाश चालू हो गया। महत्वपूर्ण रूप से, जब उन्होंने प्रोब को एक स्कैम्बल (बदले हुए), गैर-मिलान वाले आनुवंशिक अनुक्रम के साथ मिलाया, तो कुछ नहीं हुआ; प्रकाश बंद ही रहा। इससे सिद्ध हुआ कि प्रोब केवल किसी भी आनुवंशिक पदार्थ के प्रति प्रतिक्रिया नहीं कर रहा था, बल्कि यह विशेष रूप से PCA3 संदेश को खोजने के लिए ट्यून किया गया था। उन्होंने यह भी जांचा कि विभिन्न तापमानों के तहत प्रोब कितना स्थिर है और पाया कि यह विभिन्न स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में कार्यात्मक बना रहा, जिससे पता चलता है कि यह मानव शरीर के भीतर के वातावरण में जीवित रह सकता है।
इसके बाद, शोधकर्ताओं ने जीवित कोशिकाओं में जाकर देखा कि क्या प्रोब स्वस्थ कोशिकाओं के बीच कैंसर कोशिकाओं को ढूंढ सकता है। उन्होंने एक डिश में प्रोस्टेट कैंसर कोशिकाएं उगाईं और उनकी तुलना स्वस्थ प्रोस्टेट कोशिकाओं और बोन (हड्डी) कोशिकाओं से की। कैंसर कोशिकाएं, जो स्वाभाविक रूप से PCA3 संदेश का उच्च स्तर उत्पन्न करती हैं, प्रोब के उपचार के बाद चमक उठीं। स्वस्थ कोशिकाएं, जो बहुत कम या कोई PCA3 नहीं बनाती हैं, अंधेरे में रहीं। प्रकाश की चमक सीधे तौर पर उस मात्रा से मेल खाती थी जो कोशिकाएं PCA3 का उत्पादन कर रही थीं। उन प्रयोगों में जहाँ कैंसर कोशिकाएं और स्वस्थ कोशिकाएं अगल-बगल उगाई गई थीं, प्रोब ने सफलतापूर्वक केवल कैंसर कोशिकाओं को उजागर किया, और स्वस्थ पड़ोसियों को अंधेरे में छोड़ दिया। इसने प्रदर्शित किया कि प्रोब पूरी तरह से उनके आंतरिक आनुवंशिक गतिविधि के आधार पर दोनों प्रकार के ऊतकों के बीच अंतर कर सकता है, न कि सतह की विशेषताओं पर निर्भर करता है जो अनुपलब्ध या असंगत हो सकती हैं।
यह एक जीवित जीव में कैसे काम करता है, यह देखने के लिए टीम ने जेब्राफिश लार्वा (zebrafish larvae) का उपयोग किया, जो जैविक प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक सामान्य मॉडल है। उन्होंने लार्वा में कैंसर कोशिकाएं इंजेक्ट कीं और फिर CaS-DNA प्रोब पेश किया। एक घंटे की अवधि में, प्रोब मछली के माध्यम से यात्रा करता है और विशेष रूप से उन क्षेत्रों में चमक उठता है जहाँ कैंसर कोशिकाओं ने अपनी पकड़ बनाई थी। मछली के स्वस्थ हिस्से अंधेरे में रहे। इसने पुष्टि की कि प्रोब जटिल, जीवित प्रणाली के भीतर भी अपने लक्ष्य को खोज सकता है और अपने प्रकाश संकेत को सक्रिय कर सकता है, बिना आसपास के स्वस्थ ऊतकों द्वारा ट्रिगर हुए।
हालाँकि, सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण वास्तविक मानव ऊतकों के साथ लिया गया। शोधकर्ताओं ने प्रोस्टेट ऊतक के नमूने प्राप्त किए जो मरीजों से सर्जरी के माध्यम से निकाले गए थे। उन्होंने इन ऊतकों को स्लाइस में काटा और उन पर CaS-DNA प्रोब का उपचार किया। प्रोब को काम करने का समय देने के बाद, उन्होंने चमकने वाले क्षेत्रों की तुलना उन मानक चिकित्सा मानचित्रों से की जहाँ कैंसर का स्थान दर्शाया गया था, जिन्हें रोगविज्ञानी (पैथोलॉजिस्ट) द्वारा पारंपरिक रंगों के साथ ऊतक को रंगने के बाद बनाया गया था। प्रोब से निकलने वाली चमक कैंसर वाले क्षेत्रों से उच्च स्तर की सटीकता के साथ मेल खाती थी। वास्तव में, प्रोब ने ट्यूमर क्षेत्र के समान ही हिस्से को कवर किया जितना कि एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला नैदानिक मानक, जो PSMA नामक एक अलग प्रोटीन को लक्षित करता है। यह एक प्रमुख खोज थी क्योंकि इसने दिखाया कि कोशिका के अंदर एक आनुवंशिक संदेश को देखना, सतह के प्रोटीन को देखने जितना ही प्रभावी हो सकता है, यहाँ तक कि एक वास्तविक मानव ट्यूमर के जटिल वातावरण में भी।
इस मिलान के विवरण को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली तकनीक called 'स्पेशियल ट्रांसक्रिप्टोमिक्स' (spatial transcriptomics) का उपयोग किया, जो यह मानचित्रित करती है कि ऊतक के प्रत्येक छोटे स्थान में कौन से जीन सक्रिय हैं। उन्होंने पाया कि जहाँ CaS-DNA प्रोब चमका, वे क्षेत्र कैंसर से जुड़े जीन के सबसे अधिक सक्रिय होने वाले स्थानों से मेल खाते थे। उन क्षेत्रों में जहाँ कैंसर कोशिकाएं स्वस्थ कोशिकाओं के साथ मिली हुई थीं, वहां प्रकाश की चमक भिन्न थी। प्रोब उन क्षेत्रों में कम चमक रहा था जहाँ कैंसर कोशिकाएं कम थीं, जिससे पता चलता है कि प्रकाश की तीव्रता सर्जन को न केवल यह बता सकती है कि कैंसर कहाँ है, बल्कि यह भी कि वहाँ कितना कैंसर है। यह स्तर का विवरण है जिसे कई वर्तमान इमेजिंग उपकरण प्रदान करने में संघर्ष करते हैं।
अध्ययन ने इस नए दृष्टिकोण की सीमाओं को भी देखा। हालांकि प्रोब ऊतक के केंद्र में अच्छी तरह से काम करता था, लेकिन कुछ मामलों में यह ऊतक के स्लाइस के बिल्कुल किनारों पर थोड़ा चमक उठा। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि ऊतक के किनारे अधिक नाजुक होते हैं और प्रोब कैंसर के बजाय वहां के वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया कर सकता है। उन्होंने यह भी देखा कि प्रोब ने हर नमूने में हर एक कैंसर कोशिका को रोशन नहीं किया, जो यह सुझाव देता है कि प्रोब को हर कोशिका तक पहुँचाना एक ऐसी चुनौती है जिसे अभी भी हल करने की आवश्यकता है। इन बाधाओं के बावजूद, परिणामों ने दिखाया कि प्रोभ अधिकांश मामलों में विश्वसनीय रूप से कैंसर को खोज सकता है।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह विधि प्रोस्टेट कैंसर को देखने का एक नया तरीका प्रदान करती है। एक विशिष्ट आनुवंशिक संदेश को दृश्य प्रकाश में बदलकर, उन्होंने एक ऐसा टूल बनाया है जो स्वयं कैंसर कोशिकाओं के लिए अत्यधिक विशिष्ट है। यह दृष्टिकोण इस बात पर निर्भर नहीं करता कि कैंसर कोशिकाओं में एक विशिष्ट सतह प्रोटीन होना चाहिए, जो कुछ वर्तमान उपचारों के लिए एक सीमा है। इसके बजाय, यह कोशिका की अपनी आंतरिक मशीनरी का उपयोग करके अपनी उपस्थिति का संकेत देता है। प्रोब में उपयोग किया जाने वाला प्रकाश एक ऐसा रसायन है जो पहले से ही मनुष्यों के उपयोग के लिए स्वीकृत है, जिसका अर्थ है कि इसे अपेक्षाकृत जल्दी से ऑपरेटिंग रूम में उपयोग के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। यदि इस तकनीक को यह सुनिश्चित करने के लिए परिष्कृत किया जा सकता है कि प्रोब हर कोशिका तक पहुँचे और सर्जरी के दौरान स्थिर रहे, तो यह सर्जनों को ट्यूमर का बहुत स्पष्ट दृश्य दे सकता है, जिससे उन्हें सारा कैंसर निकालने और जितना संभव हो सके उतना स्वस्थ ऊतक बचाने में मदद मिल सकती है। यह कार्य कोशिका के बाहरी हिस्से को देखने के बजाय उसके भीतर क्या हो रहा है, उसे सुनने की ओर एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो पुरुषों में सबसे आम कैंसरों में से एक के लिए एक नए प्रकार की स्पष्टता प्रदान करता है।
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