Protrusion-tip antibody placement on a DNA origami nanoparticle enhances endothelial ICAM-1 targeting through glycocalyx: a single-donor microphysiological pilot study

मानव शरीर के भीतर, प्रत्येक रक्त वाहिका की परत एक चिकनी, नग्न दीवार नहीं होती है। यह शर्करा-प्रोटीन श्रृंखलाओं से बनी एक मोटी, जेल जैसी परत से ढकी होती है, जिसे ग्लाइकोकैलिक्स (glycocalyx) के रूप में जाना जाता है। इस परत को एक घने, सुरक्षात्मक जंगल के रूप में समझें जो सीधे कोशिकाओं की सतह पर उगता है। यह जंगल स्वास्थ्य के लिए महत्वपूर्ण है; यह रक्त प्रवाह को नियंत्रित करने में मदद करता है और रक्त वाहिकाओं की दीवारों को हर गुजरते कण के प्रति प्रतिक्रिया करने से रोकता है। हालाँकि, वैज्ञानिकों के लिए, जो रक्त की दीवार तक दवा या नैदानिक उपकरण पहुँचाने की कोशिश कर रहे हैं, यह जंगल एक दुर्जेज बाधा है। पारंपरिक सूक्ष्म कण, चाहे वे कितने भी छोटे या रासायनिक रूप से अनुकूलित क्यों न हों, अक्सर इस शर्करा के जंगल की बाहरी शाखाओं में फंस जाते हैं। वे कोशिका की सतह के नीचे स्थित विशिष्ट रिसेप्टर्स तक नहीं पहुँच पाते, जो सूजन के इलाज या बीमारी का जल्दी पता लगाने के लिए लक्षित होते हैं।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डीएनए ओरिगामी (DNA origami) नामक एक अद्वितीय प्रकार की सूक्ष्म संरचना की ओर रुख किया है। जिस तरह कागज को जटिल आकृतियों में मोड़ा जा सकता है, उसी तरह डीएनए के लंबे धागों को सटीक, कठोर संरचनाओं में मोड़ने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। इन संरचनाओं को विशिष्ट आकृतियों के साथ डिजाइन करके, वैज्ञानिक अणुओं को ठीक वहीं रख सकते हैं जहाँ उनकी आवश्यकता होती है। एक हालिया पायलट अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: यदि किसी नैनोकण से एक लंबी, सख्त भुजा बाहर निकली हुई हो, तो क्या उस भुजा के बिल्कुल सिरे पर एक लक्ष्य अणु (targeting molecule) रखने से वह शर्करा के जंगल के माध्यम से बेहतर तरीके से पहुँच पाएगा, बजाय इसके कि वही अणु कण के मुख्य शरीर पर सीधे लगा हो?

एक एकल डोनर की कोशिकाओं के साथ काम करते हुए टीम ने, 'L' के आकार का एक सूक्ष्म मंच बनाया। 'L' के आधार को एक सपाट मंच बनाया गया, और उससे एक एकल, कठोर भुजा निकल रही थी जो डीएनए के गुच्छों से बनी थी। उन्होंने इस उपकरण के दो संस्करण बनाए। पहले संस्करण में, उन्होंने एक एंटीबॉडी—जो ICAM-1 नामक एक विशिष्ट मार्कर को खोजती है—को लंबी भुजा के बिल्कुल सिरे पर लगाया। दूसरे संस्करण में, जो एक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य करता था, उन्होंने बिल्कुल वही एंटीबॉडी 'L' के सपाट आधार पर लगाई। दोनों उपकरणों को एक सुरक्षात्मक परत से ढका गया था ताकि वे गलत चीजों से न चिपकें, और दोनों को एक चमकते हुए डाई (dye) से भरा गया था ताकि शोधकर्ता उन्हें ट्रैक कर सकें।

इन उपकरणों को एक सूक्ष्म मानव रक्त वाहिका के प्रयोगशाला मॉडल में पेश किया गया, जो जीवित कोशिकाओं से ढकी हुई थी। शोधकर्ताओं ने विभिन्न स्थितियों के तहत उपकरणों का परीक्षण किया। कुछ मामलों में, उन्होंने कोशिकाओं को एक शांत, स्वस्थ अवस्था में छोड़ दिया। अन्य मामलों में, उन्होंने कोशिकाओं को एक रासायनिक संकेत के साथ उपचारित किया जो प्रारंभिक चरण की सूजन (inflammation) की नकल करता है, जिससे शर्करा का जंगल थोड़ा पतला हो जाता है और लक्षित मार्कर अधिक प्रचुर मात्रा में हो जाते हैं। रक्त वाहिका के मॉडल को रक्त के प्राकृतिक प्रवाह का अनुकरण करने के लिए गतिमान रखा गया था, और शोधकर्ताओं ने देखा कि उपकरण के दो अलग-अलग संस्करण कोशिका की सतह पर लक्षित मार्करों को कितनी अच्छी तरह पकड़ पाते हैं।

परिणामों ने लंबी भुजा वाले डिज़ाइन के लिए स्पष्ट लाभ दिखाया। जब कोशिकाएं एक पूर्ण शर्करा जंगल के साथ स्वस्थ, आधारभूत अवस्था में थीं, तब भुजा के सिरे पर एंटीबॉडी वाले उपकरण ने सपाट आधार पर एंटीबॉडी वाले उपकरण की तुलना में लगभग पांच गुना अधिक बार लक्षित मार्करों को पाया। यहाँ तक कि कोशिकाओं की प्रारंभिक सूजन की स्थिति में भी, जहाँ शर्करा का जंगल थोड़ा पतला था, सिरे पर रखे गए एंटीबॉडी ने आधार पर रखे गए एंटीबॉडी की तुलना में लगभग दोगुना बेहतर प्रदर्शन किया। यह अंतर केवल इस बारे में नहीं था कि वे कोशिकाओं से कितना चिपके, बल्कि यह गति का भी मामला था। सिरे पर रखे गए उपकरण ने अपने लक्ष्य तक तेजी से पहुँच बनाई, जबकि आधार पर रखे गए उपकरण को समान स्तर का बंधन प्राप्त करने में बहुत अधिक समय लगा, जिससे पता चलता है कि वह बाधा को धकेलने के लिए संघर्ष कर रहा था।

शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह प्रभाव तब भी हुआ जब दोनों उपकरणों का कुल आकार समान था और वे समान मात्रा में एंटीबॉडी ले जा रहे थे। एकमात्र अंतर यह था कि एंटीबॉडी कहाँ स्थित थी। इससे पता चलता है कि कठोर भुजा एक पुल के रूप में कार्य करती है, जिससे एंटीबॉडी शर्करा के जंगल की बाहरी परतों से आगे निकलकर सीधे कोशिका की सतह को छू पाती है, जबकि सपाट आधार वाली एंटीबॉडी बाहरी शाखाओं में फंसी रह जाती है। यह अध्ययन एक एकल डोनर की कोशिकाओं का उपयोग करके किया गया एक पायलट प्रयोग था, इसलिए निष्कर्ष सभी मनुष्यों के लिए एक अंतिम निष्कर्ष के बजाय एक मजबूत प्रारंभिक प्रमाण (proof of concept) हैं। हालाँकि, डेटा स्पष्ट रूप से इंगत करता है कि नैनोकण का आकार और उसके लक्ष्यीकरण उपकरणों का सटीक स्थान महत्वपूर्ण कारक हैं। एक नैनोकण के शरीर से लक्ष्य अणु को एक कठोर उभार के अंत में स्थानांतरित करके, वैज्ञानिक रक्त वाहिकाओं की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली को दरकिनार करने का एक तरीका खोज सकते हैं, जिससे उन स्थानों तक दवा और निदान पहुँचाने का एक नया मार्ग खुल सकता है जो पहले पहुँच से बाहर थे।