APOE 4/4 promotes dysfunctional and inflammatory phenotypes concomitant with impaired maturation of hiPSC-derived astrocytes

अल्जाइमर रोग एक प्रगतिशील स्थिति है जो धीरे-धीरे स्मृति और सोचने की क्षमता को नष्ट कर देती है, जिससे लाखों लोग और उनके परिवार उत्तरों की तलाश में भटकते रहते हैं। हालांकि बुढ़ापा इस बीमारी के विकसित होने का सबसे बड़ा जोखिम कारक है, लेकिन आनुवंशिकी (जेनेटिक्स) भी एक शक्तिशाली भूमिका निभाती है। वैज्ञानिकों द्वारा खोजे गए विभिन्न आनुवंशिक सुरागों में, APOE नामक एक विशिष्ट जीन सबसे महत्वपूर्ण बनकर उभरा है। यह जीन एक ऐसे प्रोटीन को बनाने के निर्देश देता है जो मस्तिष्क में वसा और कोलेस्ट्रॉल को ले जाने में मदद करता है, जो कुछ हद तक आवश्यक पोषक तत्वों के लिए एक वितरण ट्रक (डिलीवरी ट्रक) की तरह कार्य करता है। अधिकांश लोग इस जीन के एक सामान्य संस्करण को वहन करते हैं, लेकिन कुछ लोग 'एप्सिलॉन 4 एलील' (epsilon 4 allele) के रूप में जाने जाने वाले वेरिएंट को वहन करते हैं। इस वेरिएंट की दो प्रतियां होने से अल्जाइमर विकसित होने का जोखिम नाटकीय रूप से बढ़ जाता है, यहाँ तक कि कुछ शोधकर्ता इसे बीमारी का एक अलग आनुवंशिक रूप मानते हैं।

वर्षों से, वैज्ञानिक जानते थे कि एप्सिलॉन 4 वेरिएंट खतरनाक है, लेकिन वे यह समझने में संघर्ष कर रहे थे कि यह वास्तव में नुकसान कैसे पहुँचाता है। मस्तिष्क एस्ट्रोसाइट्स (astrocytes) नामक सहायता कोशिकाओं से भरा होता है, जो न्यूरॉन्स (मस्तिष्क की संचार कोशिकाओं) के लिए देखभाल करने वालों के रूप में कार्य करते हैं। ये एस्ट्रोसाइट्स APOE प्रोटीन का उत्पादन करते हैं, और यह स्पष्ट नहीं था कि क्या खतरनाक एप्सिलॉन 4 संस्करण केवल अपना काम सही ढंग से करने में विफल रहा है या यह सक्रिय रूप से चीजों को बदतर बना रहा है। इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक नियंत्रित सेटिंग में इन कोशिकाओं के विकास और कार्य को देखने के तरीके की आवश्यकता थी, जो जीवित मानव शरीर के जटिल चरों (variables) से मुक्त हो।

स्पेन के इंस्टिट्यूटो काजल (Instituto Cajal) के वैज्ञानिकों की एक टीम ने प्रयोगशाला में मानव मस्तिष्क कोशिकाओं को उगाकर इस प्रश्न का उत्तर देने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। उन्होंने अल्जाइमर के रोगियों और स्वस्थ व्यक्तियों की त्वचा कोशिकाओं से शुरुआत की, और उन्हें वापस एक आदिम अवस्था में बदल दिया जहाँ वे किसी भी प्रकार की कोशिका बन सकती थीं। वहां से, उन्होंने इन कोशिकाओं को एस्ट्रोसाइट्स के रूप में परिपक्व होने के लिए निर्देशित किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष पूरी तरह से आनुवंशिक कोड के कारण हैं न कि लोगों के बीच अन्य अंतरों के कारण, उन्होंने "आइसोजेनिक" (isogenic) लाइनें बनाने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक का उपयोग किया। इसका अर्थ यह है कि उन्होंने कोशिकाओं का एक ही सेट लिया और जीन को संपादित करके चार अलग-अलग संस्करण बनाए: एक जिसमें सुरक्षात्मक एप्सिलॉन 2 वेरिएंट था, एक जिसमें सामान्य एप्सिलॉन 3 था, एक जिसमें जोखिम भरा एप्सिलॉन 4 था, और एक जहाँ APOE जीन को पूरी तरह से हटा दिया गया था। इसने उन्हें केवल APOE प्रोटीन के लिए विशिष्ट आनुवंशिक निर्देश को बदलकर, कोशिकाओं की आमने-सामने तुलना करने की अनुमति दी।

शोधकर्ताओं ने पाया कि एप्सिलॉन 4 एलील की दो प्रतियों की उपस्थिति ने इन मस्तिष्क सहायता कोशिकाओं के बढ़ने और व्यवहार करने के तरीके को मौलिक रूप से बदल दिया। बीमारी के कोई लक्षण प्रकट होने से पहले ही, एप्सिलॉन 4/4 वाला एस्ट्रोसाइट्स अलग दिख रहे थे। वे अपने समकक्षों की तुलना में छोटे और अधिक सघन थे। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि वे पूरी तरह से परिपक्व होने में विफल रहे। जबकि स्वस्थ एस्ट्रोसाइट्स और अन्य आनुवंशिक वेरिएंट वाले एस्ट्रोसाइट्स ने विशिष्ट मार्कर विकसित किए जो संकेत देते हैं कि वे काम करने के लिए तैयार हैं, एप्सिलॉन 4/4 कोशिकाओं में उन प्रोटीनों में भारी गिरावट देखी गई जो आमतौर पर उनकी परिपक्वता का संकेत देते हैं। यह सुझाव देता है कि जोखिम भरा जीन वेरिएंट शुरुआत से ही इन कोशिकाओं के सामान्य विकास में बाधा डालता है, जिससे उन्हें अपनी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने से रोक दिया जाता है।

अपनी दिखावट से परे, एप्सिलॉन 4/4 एस्ट्रोसाइट्स रासायनिक रूप से भी असंतुलित थे। एक स्वस्थ मस्तिष्क में, एस्ट्रोसाइट्स एक सफाई दल (cleanup crew) के रूप में कार्य करते हैं, जो अतिरिक्त ग्लूटामेट (glutamate) को हटाते हैं, जो एक रासायनिक संकेत है जिसका उपयोग न्यूरॉन्स आपस में बात करने के लिए करते हैं। यदि बहुत अधिक ग्लूटामेट शेष रहता है, तो यह विषाक्त हो सकता है और न्यूरॉन्स को नुकसान पहुँचा सकता है। अध्ययन में पाया गया कि एप्सिलॉन 4/4 एस्ट्रोसाइट्स इस सफाई कार्य में बहुत कम कुशल थे, जिससे वातावरण में अधिक ग्लूटामेट रह गया। साथ ही, ये कोशिकाएं निरंतर निम्न-स्तरीय अलार्म की स्थिति में थीं। उन्होंने IL-6 नामक एक रासायनिक संदेशवाहक का उच्च स्तर जारी किया, जो सूजन (inflammation) का संकेत देता है, भले ही कोई बाहरी खतरा मौजूद न हो। यह सुझाव देता है कि एप्सिलसन 4/4 कोशिकाएं सूजन के लिए तैयार (primed) हैं, जो बीमारी शुरू होने से पहले ही न्यूरॉन्स के लिए एक प्रतिकूल वातावरण बना देती हैं।

जब शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं को सूजन संबंधी ट्रिगर्स या अमाइलॉइड-बीटा (amyloid-beta), जो अल्जाइमर से जुड़ा एक विषाक्त प्रोटीन अंश है, के साथ चुनौती दी, तो कोशिकाओं ने ऐसे तरीकों से प्रतिक्रिया की जिससे समस्या की विशिष्ट प्रकृति का पता चला। सूजन के संपर्क में आने पर एप्सिलॉन 4/4 एस्ट्रोसाइट्स अधिक जटिल शाखाएं विकसित करते हैं, जो सक्रियता का संकेत है, लेकिन उन्होंने अमाइलॉइड-बीटा के प्रति समान प्रतिक्रिया नहीं दिखाई। महत्वपूर्ण रूप से, जब शोधकर्ताओं ने उन कोशिकाओं को देखा जिनमें जीन को पूरी तरह से हटा दिया गया था, तो उन्होंने पाया कि इनमें से कई नकारात्मक लक्षण गायब हो गए थे। बिना जीन वाली कोशिकाओं में वही कम आकार या अत्यधिक सूजन नहीं देखी गई। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है: यह सिद्ध करता है कि एप्सिलॉन 4 वेरिएंट केवल एक अच्छा काम करने में विफल नहीं हो रहा है; यह सक्रिय रूप से कुछ हानिकारक कर रहा है। प्रोटीन स्वयं इन परिवर्तनों को संचालित कर रहा है, जो एक कमी के बजाय विषाक्तता के स्रोत के रूप में कार्य कर रहा है।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि ये कोशिकाएं अमाइलॉइड-बीटा को कैसे संभालती हैं। बिना जीन वाली कोशिकाओं की तुलना में एप्सिलॉन 4/4 एस्ट्रोसाइट्स इस विषाक्त प्रोटीन को ग्रहण करने और बनाए रखने की अधिक संभावना रखते थे। हालांकि प्रत्येक कोशिका के भीतर प्रोटीन की मात्रा सभी समूहों में समान थी, लेकिन तथ्य यह है कि अधिक एप्सिलॉन 4/4 कोशिकाएं इसे थामे हुए थीं, यह दर्शाता है कि इन अंशों को संसाधित करने या हटाने में समस्या है। इसके अलावा, इन कोशिकाओं ने अपनी आंतरिक मशीनरी, विशेष रूप से कोशिका के उस भाग में तनाव के लक्षण दिखाए जो प्रोटीन को मोड़ने और पैकेज करने के लिए जिम्मेदार है। यह आंतरिक तनाव, ग्लूटामेट को साफ करने की अक्षमता और निरंतर सूजन संबंधी संकेतों के उत्सर्जन के साथ मिलकर, एक ऐसी सहायता कोशिका की तस्वीर पेश करता है जो मस्तिष्क के नाजुक संतुलन को बनाए रखने के लिए संघर्ष कर रही है।

ये निष्कर्ष अल्जाइमर की शुरुआत के बारे में समझ को बदलते हैं। एप्सिलॉन 4 जीन को एक निष्क्रिय जोखिम कारक के रूप में देखने के बजाय, जो केवल मस्तिष्क की रक्षा करने में विफल रहता है, साक्ष्य इसे एक सक्रिय व्यवधानक (disruptor) के रूप में देखते हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि यह एस्ट्रोसाइट्स के विकास को हाईजैक कर लेता है, उन्हें एक अपरिपक्व, तनावग्रस्त और सूजन वाली अवस्था में रखता है। एक विषाक्त वातावरण बनाकर और कचरे को साफ करने में विफल रहकर, ये कोशिकाएं उस न्यूरोनल क्षति की नींव रख सकती हैं जो इस बीमारी को परिभाषित करती है। शोध बताता है कि अल्जाइमर का मार्ग इन सहायता कोशिकाओं के जीवन में बहुत पहले शुरू हो सकता है, स्मृति हानि स्पष्ट होने से बहुत पहले। हालांकि यह अध्ययन एक डिश (dish) में किया गया था न कि जीवित मनुष्य में, आनुवंशिक रूप से मेल खाने वाली कोशिकाओं का उपयोग इस विशिष्ट जीन वेरिएंट द्वारा किए गए नुकसान की एक स्पष्ट और प्रत्यक्ष झलक प्रदान करता है। यह कार्य इंगित करता है कि भविष्य के उपचारों को न केवल अल्जाइमर के विषाक्त प्रोटीनों को साफ करने पर, बल्कि एप्सिलॉन 4 जीन ले जाने वाले एस्ट्रोसाइट्स के मौलिक डिसफंक्शन (dysfunction) को ठीक करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता हो सकती है।