Resolving the immune response across clonal cancer evolution in situ with Atera whole transcriptome profiling

कैंसर कोशिकाओं का एक एकल, एकसमान समूह नहीं है। यह एक जीवित, परिवर्तनशील परिदृश्य है जहाँ अलग-अलग समूहों की कोशिकाएं, जिनमें से प्रत्येक का अपना अनूठा आनुवंशिक इतिहास होता है, एक साथ बढ़ती हैं। ये समूह, जिन्हें क्लोन कहा जाता है, ट्यूमर के भीतर स्थान और संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा करते हुए समय के साथ विकसित होते हैं। यह समझने के लिए कि एक ट्यूमर कैसे बढ़ता है और शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली उससे लड़ने की कोशिश कैसे करती है, वैज्ञानिकों को इस परिदृश्य को उच्च परिभाषा (हाई डेफिनेशन) में देखने की आवश्यकता होती है। वर्षों तक, शोधकर्ता व्यक्तिगत कोशिकाओं के भीतर के जीन देख सकते थे, लेकिन वे ऊतक (टिश्यू) में उन कोशिकाओं के स्थान का मानचित्र खो देते थे। वैकल्पिक रूप से, वे ऊतक की संरचना देख सकते थे, लेकिन उन्हें ऊतक के भीतर की कोशिकाओं के आनुवंशिक विवरणों का अनुमान लगाना पड़ता था। लक्ष्य लंबे समय से इन दोनों दृश्यों को संयोजित करने का रहा है: यह देखना कि कौन सी कोशिकाएं पड़ोसी हैं, उनकी आनुवंशिक संरचना क्या है, और वे कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, वह भी एक ही ऊतक के टुकड़े के भीतर।

स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी का एक नया अध्ययन एटेरा (Atera) नामक एक अत्याधुनिक तकनीक का परीक्षण करके इस लक्ष्य की ओर एक शक्तिशाली कदम प्रदान करता है। यह उपकरण वैज्ञानिकों को हजारों व्यक्तिगत कोशिकाओं की पूरी आनुवंशिक निर्देश पुस्तिका को पढ़ने की अनुमति देता है, जबकि उन्हें ऊतक के नमूने के भीतर उनके मूल स्थान पर ही बनाए रखता है। शोधकर्ताओं ने इस तकनीक को डक्टल कार्सिनोमा इन सीटू (ductal carcinoma in situ) से प्रभावित मानव स्तन ऊतक पर लागू किया, जो स्तन कैंसर का एक प्रारंभिक रूप है जहाँ असामान्य कोशिकाएं दूध की नलिकाओं (मिल्क डक्ट्स) के भीतर सीमित रहती हैं। उन्होंने एटेरा की तुलना दो मौजूदा तकनीकों से की जो केवल जीनों की एक छोटी, पूर्व-चयनित सूची को देखती हैं। परिणामों ने दिखाया कि एटेरा कहीं अधिक विस्तार देख सकता था, जिससे दुर्लभ कोशिका प्रकार और सूक्ष्म आनुवंशिक परिवर्तन सामने आए जिन्हें अन्य उपकरणों ने मिस कर दिया था। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने इस उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृश्य का उपयोग करके कैंसर कोशिकाओं के वंशावली वृक्ष (फैमिली ट्री) का मानचित्र तैयार किया और यह ट्रैक किया कि कैंसर के विकसित होने के साथ प्रतिरक्षा प्रणाली की प्रतिक्रिया कैसे बदली।

शोधकर्ताओं ने डक्टल कार्सिनोमा इन सीटू वाले रोगियों के ऊतक नमूनों का विश्लेषण करके शुरुआत की। उन्होंने ऊतक को स्कैन करने के लिए तीन अलग-अलग विधियों का उपयोग किया: दो स्थापित उपकरण जो जीनों के एक सीमित सेट पर ध्यान केंद्रित करते हैं, और नई एटेरा प्रणाली, जो कोशिका के लगभग हर जीन को पढ़ती है। उनके द्वारा देखे जा सकने वाले अंतर में स्पष्ट अंतर था। जहाँ पुराने उपकरणों ने प्रति कोशिका कुछ हजार आनुवंशिक संदेशों का पता लगाया, वहीं एटेरा ने लगभग अट्ठाईस गुना अधिक पाया। विवरण में इस भारी वृद्धि का अर्थ था कि एटेरा उन विशिष्ट प्रकार की कोशिकाओं की पहचान कर सकता था जिन्हें अन्य विधियाँ सरल रूप से नहीं पहचान पाती थीं। उदाहरण के लिए, इसने डेंड्रिटिक कोशिकाओं (dendritic cells) के रूप में जानी जाने वाली दुर्लभ प्रतिरक्षा कोशिकाओं को खोजा, जो शरीर की रक्षा प्रणाली के लिए प्रहरी के रूप में कार्य करती हैं। पुराने उपकरणों के डेटा में, ये दुर्लभ कोशिकाएं अदृश्य थीं, और कई प्रतिरक्षा कोशिकाओं को एक सामान्य श्रेणी से आगे वर्गीकृत नहीं किया जा सका था। हालाँकि, एटेरा उन्हें सटीक समूहों में वर्गीकृत कर सकता था, जिससे पहले की समझ की तुलना में बहुत अधिक समृद्ध और जटिल प्रतिरक्षा वातावरण का पता चला।

कोशिका प्रकारों के इस विस्तृत मानचित्र के साथ, टीम ने अपना ध्यान स्वयं कैंसर कोशिकाओं की ओर केंद्रित किया। वे जानना चाहते थे कि क्या कैंसर कोशिकाओं के विभिन्न समूह आनुवंशिक रूप से भिन्न हैं और वे कैसे संबंधित हैं। क्योंकि एटेरा प्रणाली बहुत सारे जीन पढ़ती है, यह विशिष्ट गुणसूत्रों (क्रोमोसोम) की प्रतियों की संख्या में सूक्ष्म परिवर्तनों, जिन्हें कॉपी नंबर वेरिएशन्स (copy number variations) कहा जाता है, का पता लगा सकती है। ये परिवर्तन आनुवंशिक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करते हैं। इन फिंगरप्रिंट्स को देखकर, शोधकर्ता कैंसर कोशिकाओं को चार अलग-अलग क्लोनों में विभाजित कर सके, जिनमें से प्रत्येक का अपना अनूठा आनुवंशिक हस्ताक्षर है। इसके बाद उन्होंने ट्यूमर के विकासवादी इतिहास का पुनर्निर्माण किया, जिससे पता चला कि कैसे एक एकल मूल कैंसर कोशिका से ये विभिन्न शाखाएं उत्पन्न हुईं। एक शाखा, जो जल्दी दिखाई दी, में विशिष्ट सेट के आनुवंशिक परिवर्तन थे, जबकि बाद की शाखाओं ने गुणसूत्र 11 पर आनुवंशिक सामग्री के बड़े लाभ जैसे अतिरिक्त परिवर्तन प्राप्त किए। इसने वैज्ञानिकों को कैंसर का एक फैमिली ट्री बनाने की अनुमति दी, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि ट्यूमर एक ही ऊतक नमूने के भीतर कैसे बढ़ा और विविध हुआ।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष वास्तविक हैं न कि केवल तकनीक का कोई प्रभाव (आर्टिफैक्ट), शोधकर्ताओं ने एक कठोर जांच की। उन्होंने उसी ऊतक ब्लॉक के भौतिक खंड लिए जिसका उपयोग एटेरा स्कैन के लिए किया गया था और ट्यूमर डक्ट्स के सोलह छोटे क्षेत्रों को सावधानीपूर्वक काटकर निकाला। फिर उन्होंने इन क्षेत्रों से सीधे डीएनए का अनुक्रम (सीक्वेंसिंग) किया, जो एक ऐसी विधि है जो एक निश्चित 'ग्राउंड ट्रुथ' प्रदान करती है। उनके द्वारा डीएनए में पाए गए आनुवंशिक परिवर्तन एटेरा प्रणाली द्वारा अनुमानित पैटर्न के साथ अत्यधिक सुसंगत थे, जिसमें ट्रांसक्रिप्टोम से अनुमानित समान सेट के परिवर्तन शामिल थे। इसने पुष्टि की कि नई तकनीक बिना ऊतक को नष्ट किए या उसका स्थानिक संदर्भ खोए, ट्यूमर के विकासवादी इतिहास को सटीक रूप से पुनर्गठित कर सकती है। यह पहली बार था जब सिंगल-सेल स्पेशियल टूल से प्राप्त इतना विस्तृत कॉपी-नंबर मैप सीधे डीएनए सीक्वेंसिंग के विरुद्ध मान्य किया गया था।

पहेली का अंतिम हिस्सा यह देखना था कि प्रतिरक्षा प्रणाली इन विकसित होते कैंसर क्लोनों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न कैंसर क्लोनों के सापेक्ष प्रतिरक्षा कोशिकाओं के स्थान का मानचित्रण किया। उन्होंने पाया कि ट्यूमर में प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया एकसमान नहीं थी। जैसे-जैसे कैंसर क्लोन विकसित हुए और अधिक उन्नत हुए, उनके आसपास का प्रतिरक्षा वातावरण बदल गया। विशेष रूप से, पहले के क्लोनों की तुलना में बाद के, अधिक विकसित क्लोनों के डक्ट्स के आसपास का इम्यून नीश (immune niche) का अंश बढ़ गया। यह सुझाव देता है कि जैसे-जैसे ट्यूमर बढ़ता और बदलता है, वह सक्रिय रूप से अपने स्थानीय वातावरण को नया आकार देता है, संभावित रूप से अपने आस-पास की प्रतिरक्षा कोशिकाओं को भर्ती या परिवर्तित करता है। अध्ययन ने दिखाया कि इन अंतःक्रियाओं को वास्तविक स्थान में ट्रैक किया जा सकता था, जिससे पता चला कि प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया गतिशील है और कैंसर कोशिकाओं के विशिष्ट आनुवंशिक चरण से निकटता से जुड़ी हुई है।

यह कार्य कैंसर का उसके प्राकृतिक वातावरण में अध्ययन करने के लिए एक नया मानक स्थापित करता है। व्यक्तिगत कोशिकाओं के पूर्ण आनुवंशिक कोड को पढ़ने की क्षमता को उनके स्थान को देखने की शक्ति के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अब कैंसर के विकास के नाटक को उच्च परिभाषा में देख सकते हैं। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि ट्यूमर के फैमिली ट्री का पुनर्निर्माण करना और साथ ही यह देखना संभव है कि शरीर की रक्षा प्रणाली उस पेड़ की प्रत्येक शाखा के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। हालाँकि ये निष्कर्ष स्तन कैंसर के एक ही प्रकार से आए हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण ट्यूमर की आनुवंशिकी और प्रतिरक्षा प्रणाली के बीच जटिल परस्पर क्रिया को समझने के लिए एक मान्य ढांचा प्रदान करता है। विवरण का यह स्तर अंततः शोधकर्ताओं को यह समझने में मदद कर सकता है कि क्यों कुछ ट्यूमर उपचार के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं जबकि अन्य नहीं, उन विशिष्ट आनुवंशिक और प्रतिरक्षा परिदृश्यों को उजागर करके जो उन्हें परिभाषित करते हैं।