Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
यह अध्ययन यह प्रकट करने के लिए कि एक्टिविन (Activin) और बीएमपी4 (BMP4) सिग्नलिंग पाथवे की खुराक और उनके समयबद्ध एकीकरण (temporal integration) कैसे मेसोडर्मल पैटर्निंग और कोशिका नियति निर्णयों को नियंत्रित करते हैं, माउस भ्रूण स्टेम कोशिकाओं से हेमोजेनिक एंडोथेलियल कोशिकाओं के उत्पादन को अनुकूलित करने हेतु sci-Plex सिंगल-सेल ट्रांसक्रिप्टोमिक्स का उपयोग करता है।
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प्रत्येक विकसित होते भ्रूण के भीतर, कोशिकाओं के बीच एक शांत, सटीक संवाद होता है, जो यह तय करता है कि कौन सी कोशिका मांसपेशी बनेगी, कौन सी हड्डी बनेगी, और कौन सी वह रक्त बनेगी जो जीवन को बनाए रखती है। यह संवाद रासायनिक संकेतों के माध्यम से संचालित होता है, जो निर्देशों की तरह कार्य करते हैं, जो एक कोशिका को बताती है कि उसे कहाँ जाना है और क्या बनना है। जीवन के बहुत शुरुआती चरणों में, स्टेम सेल्स (stem cells) नामक कोशिकाओं का एक विशिष्ट समूह को मेसोडर्म (mesoderm) नामक ऊतक में बदलना चाहिए, जो अंततः हृदय और रक्त प्रणाली को जन्म देता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि इन रासायनिक संकेतों की सांद्रता (concentration) मायने रखती है; एक संकेत की बहुत अधिक मात्रा कोशिका को हृदय कोशिका बनने की ओर धकेल सकती है, जबकि एक अलग मात्रा उसे रक्त बनने की ओर धकेल सकती है। हालाँकि, यह समझना कि ये संकेत वास्तव में कैसे मिश्रित और समय के साथ बदलते हैं ताकि एक स्वस्थ वयस्क के लिए आवश्यक विशिष्ट रक्त बनाने वाली कोशिकाओं का निर्माण हो सके, एक बड़ी चुनौती रही है। प्रयोगशाला की डिश में इन रक्त कोशिकाओं को बनाना कठिन साबित हुआ है क्योंकि यह प्रक्रिया बहुत जटिल है, और शोधकर्ता जीवित भ्रूण के भीतर पाई जाने वाली सटीक स्थितियों की नकल करने के लिए संघर्ष करते रहे हैं।
फ्रेड हच कैंसर सेंटर और यूनिवर्सिटी ऑफ वॉशिंगटन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रक्रिया को वास्तविक समय में देखने के लिए एक शक्तिशाली नए उपकरण का उपयोग करके एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने माउस एम्ब्रियोनिक स्टेम सेल्स (mouse embryonic stem cells) के साथ काम किया, जो शरीर के किसी भी प्रकार की कोशिका में बदलने में सक्षम हैं। एक समय में एक रासायनिक स्थिति का परीक्षण करने के बजाय, उन्होंने sci-Plex नामक एक विधि का उपयोग किया, जो उन्हें हजारों कोशिकाओं को दो प्रमुख रासायनिक संकेतों के कई विभिन्न संयोजनों के संपर्क में एक साथ लाने की अनुमति देता है। इन संकेतों को एक्टिविन (Activin) और BMP4 के रूप में जाना जाता है। इन दोनों संकेतों की विभिन्न शक्तियों को स्टेम सेल्स पर लागू करके, शोधकर्ता देख सके कि कोशिकाएं हर संभावित मिश्रण के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती हैं, और उन्होंने व्यक्तिगत कोशिकाओं के स्तर पर उनके परिवर्तनों को ट्रैक किया। इस दृष्टिकोण ने उन्हें न केवल अंतिम परिणाम, बल्कि इस पूरी यात्रा को देखने की अनुमति दी कि कैसे एक स्टेम सेल संकेतों की सटीक मात्रा और समय के आधार पर अपने भाग्य का निर्णय लेता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इन रासायनिक संकेतों का समय और शक्ति अत्यंत महत्वपूर्ण है। उन्होंने पाया कि एक्टिविन और BMP4 के स्तरों को समायोजित करके, वे स्टेम सेल्स को विशिष्ट प्रकार के ऊतकों में बदलने के लिए निर्देशित कर सकते हैं जो एक जीवित माउस भ्रूण में होने वाली घटनाओं की नकल करते हैं। जब कोशिकाएं उच्च स्तर के एक्टिविन और मध्यम मात्रा में BMP4 के संपर्क में आईं, तो उनके 'लेटरल प्लेट मेसोडर्म' (lateral plate mesoderm) नामक ऊतक बनने की संभावना सबसे अधिक थी। यह ऊतक एक महत्वपूर्ण पड़ाव है क्योंकि इसमें हेमोजेनिक एंडोथेलियम (hemogenic endothelium) के अग्रदूत (precursors) होते हैं, जो विशेष रक्त वाहिका कोशिकाएं हैं जिनमें रक्त कोशिकाओं में बदलने की अनूठी क्षमता होती है। अध्ययन ने दिखाया कि संकेतों का यह विशिष्ट संयोजन, जो विकास के सही क्षण में लागू किया गया था, इन आशाजनक अग्रदूत कोशिकाओं की उच्चतम संख्या उत्पन्न करता है।
आगे की जांच से पता चला कि डिश में उत्पन्न कोशिकाएं प्रकृति में पाए जाने वाले दो अलग-अलग प्रकार के रक्त बनाने वाले कोशिकाओं के समान थीं: वे जो विकास के शुरुआती चरण में योक सैक (yolk sac) में दिखाई देते हैं और वे जो भ्रूण के भीतर बनते हैं, जो वयस्कों में पाए जाने वाले लंबे समय तक चलने वाले रक्त स्टेम सेल्स के अग्रदूत होते हैं। शोधकर्ता कोशिकाओं की सतह पर विशिष्ट मार्करों को देखकर इन दो प्रकारों के बीच अंतर करने में सक्षम थे। उन्होंने पाया कि योक सैक प्रकार की कोशिकाओं में LYVE1 नामक प्रोटीन व्यक्त होता है, जबकि भ्रूण के भीतर के प्रकार की कोशिकाओं में यह नहीं होता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि 'भ्रूण के भीतर के प्रकार' वाली कोशिकाएं ही अंततः हेमेटोपोएटिक स्टेम सेल्स (hematopoietic stem cells) के निर्माण की ओर ले जाती हैं, जो रक्त पुनर्जनन के लिए स्वर्ण मानक (gold standard) हैं। टीम ने यह भी परीक्षण किया कि क्या रेटिनोइक एसिड (retinoic acid) नामक पदार्थ जोड़ने से कोशिकाओं को अधिक परिपक्व, 'भ्रूण के भीतर के प्रकार' की ओर स्थानांतरित करने में मदद मिल सकती है। उन्होंने पाया कि इस पदार्थ को जोड़ने से वास्तव में योक सैक जैसे कोशिकाओं की संख्या कम हुई और भ्रूण के भीतर के प्रकार की कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि हुई, जो इस प्रक्रिया को और अधिक परिष्कृत करने का एक तरीका सुझाता है।
इन सफलताओं के बावजूद, शोधकर्ता इस बात पर ध्यान देने में सावधानी बरतते थे कि उन्होंने अभी तक पूरी तरह से कार्यात्मक, लंबे समय तक चलने वाले रक्त स्टेम सेल्स नहीं बनाए हैं जिन्हें एक माउस में प्रत्यारोपित किया जा सके और वे अनिश्चित काल तक जीवित रह सकें। हालांकि उन्होंने प्रारंभिक अग्रदूतों को सफलतापूर्वक उत्पन्न किया और उन्हें बनाने के लिए स्थितियों में सुधार किया, लेकिन इन अग्रदूतों को प्रकृति में पाए जाने वाले मजबूत, स्व-नवीनीकरण करने वाले स्टेम सेल्स में बदलने का अंतिम चरण अभी भी एक बाधा बना हुआ है। अध्ययन ने रेखांकित किया कि कुछ जीन, जो जीवित भ्रूण में इस अंतिम परिवर्तन के लिए आवश्यक माने जाते हैं, डिश में उगाई गई कोशिकाओं में या तो अनुपस्थित थे या बहुत कम थे। यह सुझाव देता है कि प्रयोगशाला का वातावरण अभी भी कुछ प्रमुख सामग्रियों या समय के संकेतों की कमी रखता है जो प्राकृतिक सेटिंग में मौजूद होते हैं।
इस कार्य का मूल्य उस मानचित्र (map) में निहित है जो यह प्रदान करता है। sci-Plex पद्धति का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत मार्गदर्शिका बनाई जो ठीक से दिखाती है कि रासायनिक संकेतों की विभिन्न खुराक कोशिका के निर्णयों को कैसे प्रभावित करती है। यह मानचित्र वैज्ञानिकों को उन सूक्ष्म अंतरों को देखने की अनुमति देता है जो उन कोशिकाओं के बीच होते हैं जो दिखने में समान हैं लेकिन जिनके भाग्य अलग-अलग हैं। यह पुष्टि करता है कि डिश में रक्त स्टेम कोशिकाओं को बनाने का मार्ग कोई एकल सीधी रेखा नहीं है, बल्कि एक जटिल परिदृश्य है जहाँ संकेतों का समय और शक्ति परिणाम निर्धारित करती है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने प्रत्यारोपण योग्य रक्त स्टेम कोशिकाओं को उगाने की समस्या को हल कर दिया है, बल्कि यह एक स्पष्ट, डेटा-आधारित रोडमैप प्रदान करता है कि इस लक्ष्य के करीब कैसे पहुँचा जाए। सही अग्रदूत कोशिकाओं के निर्माण के अनुकूल सटीक स्थितियों को समझकर, भविष्य का अनुसंधान उन लापता हिस्सों को भरने पर ध्यान केंद्रित कर सकता है जो अंततः क्लिनिकल उपयोग के लिए वास्तव में तैयार रक्त स्टेम सेल्स बनाने के लिए आवश्यक हैं।
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