Multicellular Co-development Promotes Maturation of Human Stem Cell-Derived Neural Networks
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक वंश-अप्रतिबंधित विभेदन (LUD) दृष्टिकोण, जो मानव तंत्रिका स्टेम कोशिकाओं से न्यूरॉन्स और ग्लिया को सह-विकसित होने की अनुमति देता है, पारंपरिक वंश-निर्देशित विधियों की तुलना में तंत्रिका नेटवर्क के संरचनात्मक, आणविक और कार्यात्मक परिपक्वता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जिससे मस्तिष्क के विकास और रोग के अध्ययन के लिए एक अधिक शारीरिक रूप से प्रासंगिक इन विट्रो मॉडल निर्मित होता है।
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मानव मस्तिष्क अलग-थलग पड़े हिस्सों का संग्रह नहीं है जो शांति से काम करते हैं; यह एक हलचल भरे शहर की तरह है जहाँ विभिन्न प्रकार के श्रमिकों को मिलकर बुनियादी ढांचे का निर्माण और रखरखाव करना होता है। विकसित होते मस्तिष्क में, न्यूरॉन्स, जो विद्युत संकेतों को ले जाते हैं, अकेले परिपक्व नहीं होते हैं। वे एस्ट्रोसाइट्स (astrocytes) के साथ बढ़ते हैं, जो न्यूरॉन्स को सहारा देते हैं और उन्हें नियंत्रित करते हैं, और ओलिगोडेंड्रोसाइट्स (oligodendrocytes) के साथ, जो उनके बीच के संबंधों को इन्सुलेट (विद्युत-रोधी) करते हैं। दशकों से, प्रयोगशाला की डिश में मानव मस्तिष्क का अध्ययन करने की कोशिश कर रहे वैज्ञानिक एक दुविधा का सामना कर रहे थे। न्यूरॉन्स कैसे काम करते हैं, इसकी स्पष्ट झलक पाने के लिए, वे अक्सर उन्हें अलग करके उगाते थे, जिससे वे उन सहायक कोशिकाओं से अलग हो जाते थे जो स्वाभाविक रूप से उनके चारों ओर होती हैं। हालांकि इस दृष्टिकोण ने प्रयोगों को नियंत्रित करना आसान बना दिया, लेकिन इसने संभवतः न्यूरॉन्स को विकास की एक रुकी हुई अवस्था में छोड़ दिया, जिससे वे उस पूर्ण परिपक्वता तक पहुँचने में विफल रहे जो वे एक जीवित शरीर में प्राप्त करते। प्रश्न यह बना हुआ था कि क्या इन विभिन्न कोशिका प्रकारों को एक साथ बढ़ने के लिए मजबूर करना, जो विकसित होते मस्तिष्क के प्राकृतिक वातावरण की नकल करता है, उन्हें मानव स्वास्थ्य और रोग के अध्ययन के लिए अधिक यथार्थवादी मॉडल बनाने में मदद करेगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया जिससे प्रयोगशाला में मानव मस्तिष्क कोशिकाओं को उगाया जा सके। स्टेम कोशिकाओं को केवल न्यूरॉन्स या केवल सहायक कोशिकाओं बनने के एक एकल पथ पर निर्देशित करने के बजाय, उन्होंने कोशिकाओं को अपना भाग्य स्वयं चुनने दिया। उन्होंने मानव तंत्रिका स्टेम कोशिकाओं (neural stem cells) को एक सरल, सीरम-मुक्त वातावरण में रखा और एक विशिष्ट ग्रोथ फैक्टर जोड़ा जो कई अलग-अलग मस्तिष्क कोशिका प्रकारों के अस्तित्व को सहारा देता है। उन्होंने कोशिकाओं को कुछ भी विशिष्ट बनने के लिए मजबूर नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने न्यूरॉन्स, एस्ट्रोसाइट्स और इन्सुलेट करने वाली कोशिकाओं के अग्रदूतों को एक ही शुरुआती बिंदु से एक साथ उभरने दिया। इस पद्धति ने, जिसे शोधकर्ता 'वंश-अप्रतिबंधित विभेदन' (lineage-unrestricted differentiation) कहते हैं, विभिन्न कोशिका प्रकारों को बढ़ते समय एक-दूसरे को प्रभावित करने और आपस में संवाद करने की अनुमति दी, ठीक वैसे ही जैसे वे मानव विकास के दौरान करते हैं।
परिणामों ने दिखाया कि इस दृष्टिकोण ने कोशिकाओं का एक बहुत अधिक मजबूत और परिपक्व नेटवर्क बनाया। जब शोधकर्ताओं ने इन मिश्रित संस्कृतियों (mixed cultures) की तुलना अकेले न्यूरॉन्स उगाने की पारंपरिक विधि से की, तो उन्होंने पाया कि मिश्रित संस्कृतियों ने अधिक मजबूत और संगठित संबंध विकसित किए। वे संरचनाएं जहाँ न्यूरॉन्स एक-दूसरे से बात करते हैं, जिन्हें सिनैप्स (synapses) कहा जाता है, मिश्रित संस्कृतियों में बड़ी और बेहतर व्यवस्थित थीं। इसके अलावा, इन नेटवर्कों की विद्युत गतिविधि अधिक शक्तिशाली थी और लंबे समय तक बनी रही। पारंपरिक संस्कृतियों में जहाँ न्यूरॉन्स अकेले उगाए गए थे, वहां विद्युत गतिविधि जल्दी शुरू हुई लेकिन जल्दी ही फीकी पड़ गई। मिश्रित संस्कृतियों में, गतिविधि शुरू होने में थोड़ा अधिक समय लगा, लेकिन यह मजबूत हुई और साठ दिनों तक स्थिर रही, जो एक अधिक लचीली और कार्यात्मक प्रणाली का सुझाव देती है।
यह समझने के लिए कि प्रयोगशाला में उगाई गई ये कोशिकाएं वास्तविक मानव ऊतक के कितने करीब थीं, शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं के भीतर के आनुवंशिक निर्देशों का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि मिश्रित संस्कृति में विकसित न्यूरॉन्स मानव भ्रूण कॉर्टेक्स (fetal cortex)—जो जटिल विचार के लिए जिम्मेदार मस्तिष्क की बाहरी परत है—के न्यूरॉन्स के साथ लगभग सभी सक्रिय जीन साझा करते हैं। सहायक कोशिकाएं, या एस्ट्रोसाइट्स, भी विकसित होते मानव मस्तिष्क के अपने समकक्षों के साथ एक मजबूत आनुवंशिक समानता प्रदर्शित करती हैं, विशेष रूप से उन सहायक कोशिकाओं की तुलना में जिन्हें पशु सीरम वाले मानक प्रयोगशाला स्थितियों में उगाया गया था। मिश्रित संस्कृति में सहायक कोशिकाएं एक स्वस्थ, विकासात्मक अवस्था में दिखाई दीं, न कि तनावग्रस्त या प्रतिक्रियाशील अवस्था में, जैसा कि अक्सर अलगाव में उगाई जाने वाली कोशिकाओं में देखा जाता है।
अध्ययन ने यह भी परीक्षण किया कि ये कोशिकाएं तनाव के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती हैं। जब शोधकर्ताओं ने संस्कृतियों को ग्लूटामेट (glutamate) के उच्च स्तर के संपर्क में रखा, जो अत्यधिक मात्रा में मस्तिष्क कोशिकाओं के लिए विषाक्त हो सकता है, तो मिश्रित संस्कृतियां केवल न्यूरॉन वाली संस्कृतियों की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन कर गईं। मिश्रित संस्कृतियों में कोशिका मृत्यु कम देखी गई और रासायनिक तनाव के प्रति अधिक नियंत्रित प्रतिक्रिया दिखाई दी। सहायक कोशिकाओं की उपस्थिति ने न्यूरॉन्स को तनाव प्रबंधित करने में मदद की, जिससे कोशिकाओं के भीतर कैल्शियम के उछाल को कम किया गया और उन्हें क्षति से बचाया गया। यह सुझाव देता है कि कोशिकाएं किस वातावरण में बढ़ती हैं, यह उनके चुनौतियों का सामना करने के तरीके में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, एक ऐसा कारक जिसे अक्सर कोशिकाओं के अकेले अध्ययन के दौरान अनदेखा कर दिया जाता है।
ये निष्कर्ष बताते हैं कि प्रयोगशाला की डिश में मानव मस्तिष्क के सटीक मॉडल बनाने का मार्ग विशिष्ट कोशिका प्रकारों को अलग करने के बारे में नहीं है, बल्कि उस जटिल वातावरण को फिर से बनाने के बारे में है जिसमें वे स्वाभाविक रूप से विकसित होते हैं। विभिन्न मस्तिष्क वंशों (cell lineages) को एक साथ बढ़ने की अनुमति देकर, शोधकर्ता ऐसी संस्कृतियां उत्पन्न करने में सक्षम हुए जो संरचनात्मक, आनुवंशिक और कार्यात्मक रूप से विकसित मानव मस्तिष्क के अधिक करीब थीं। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों के लिए एक सरल, अधिक सुलभ मंच प्रदान करता है जिससे वे यह अध्ययन कर सकें कि मस्तिष्क कैसे बनता है, यह चोट के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है, और बीमारियां इन नाजुक अंतःक्रियाओं को कैसे बाधित कर सकती हैं। यह इस बात पर प्रकाश डालता है कि स्टेम कोशिकाओं की परिपक्व, कार्यात्मक मस्तिष्क ऊतक बनने की क्षमता न केवल स्वयं कोशिकाओं पर, बल्कि उनके बढ़ने के दौरान उनके साथ रहने वाली कंपनी पर भी निर्भर करती है।
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