Transient Vascular Cell Integration and Intrinsic Media-Stimulated Endothelial Activation Reveal Diabetic Retinopathy Signatures in Human Retinal Organoids
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मानव रेटिनल ऑर्गेनोइड्स में संवहनी कोशिकाओं (vascular cells) को एकीकृत करना रेटिनल संरचना को संरक्षित करता है और साथ ही एक अंतर्निहित, उच्च-ग्लूकोज जैसी सूजन संबंधी एंडोथेलियल सक्रियता को प्रकट करता है जो डायबिटिक रेटिनोपैथी के हस्ताक्षरों को आंशिक रूप से पुनरुत्पादित करती है, जिससे रेटिनल रोग के अध्ययन के लिए संवहनी और इम्यूनोकंपिटेंट मॉडल के निर्माण को बढ़ावा मिलता है।
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मानव आँख पीछे स्थित रेटिना नामक ऊतक की एक नाजुक परत पर निर्भर करती है जो प्रकाश को उन छवियों में बदल देती है जिन्हें हम देखते हैं। यह ऊतक केवल एक निष्क्रिय स्क्रीन नहीं है; यह न्यूरॉन्स का एक जटिल, जीवित नेटवर्क है जिसे रक्त वाहिकाओं के एक घने जाल द्वारा पहुँचाए जाने वाले ऑक्सीजन और पोषक तत्वों की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता होती है। इस संवहनी (वैस्कुलर) सहायता के बिना, रेटिना के केंद्र में कोशिकाएं मरने लगती हैं, जिससे डायबिटिक रेटिनोपैथी जैसी स्थितियों में अंधापन हो जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक स्टेम कोशिकाओं का उपयोग करके प्रयोगशाला में मानव रेटिना के लघु संस्करण उगाने का प्रयास कर रहे हैं। ये नन्हे, स्व-संगठित संरचनाएं, जिन्हें ऑर्गेनॉइड कहा जाता है, आंख के विकास का अध्ययन करने के लिए अमूल्य रही हैं। हालांकि, एक बड़ी सीमा बनी हुई है: ये लैब में उगाए गए रेटिना काफी हद तक अवास्कुलर (रक्त वाहिकाओं रहित) रहते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें उन्हें लंबे समय तक बनाए रखने के लिए आवश्यक रक्त वाहिकाएं नहीं होती हैं। फलस्वरूप, वे अक्सर पूरी तरह से परिपक्व होने में विफल रहते हैं या उन बीमारियों का मॉडल बनाने में असमर्थ होते हैं जहाँ रक्त वाहिका की विफलता ही मूल कारण होती है।
शोधकर्ताओं ने इन आंखों में रक्त वाहिकाओं को जोड़कर इसे हल करने की लंबे समय से कोशिश की है, लेकिन रेटिना की जटिल, स्तरित संरचना को नष्ट किए बिना ऐसा करना कठिन साबित हुआ है। दोनों प्रकार के ऊतकों को बस आपस में मिला देने से अक्सर एक अव्यवस्थित ढेर बन जाता है जहाँ न्यूरॉन्स की नाजुक परतें ढह जाती हैं। इसके अलावा, यह स्पष्ट नहीं था कि रेटिना को सहारा देने के लिए आवश्यक रक्त वाहिकाओं और प्रतिरक्षा कोशिकाओं को बाहर से जोड़ा जाना चाहिए, या क्या रेटिनल ऊतक में सही परिस्थितियों में इन सहायक कोशिकाओं को उत्पन्न करने की अंतर्निहित क्षमता होती है। आंखों की बीमारियों, विशेष रूप से मधुमेह जैसी स्थितियों के सटीक मॉडल बनाने के लिए इस अंतर को समझना महत्वपूर्ण है, जहाँ उच्च रक्त शर्करा आंख की सूक्ष्म वाहिकाओं को नुकसान पहुँचाती है, जिससे सूजन और दृष्टि हानि होती है।
न्यूकैसल यूनिवर्सिटी और सहयोगी संस्थानों के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने सफलतापूर्वक मानव रेटिनल ऑर्गेनॉइड विकसित किए जिनमें रक्त वाहिका कोशिकाएं और प्रतिरक्षा कोशिकाएं शामिल थीं, लेकिन इसमें एक महत्वपूर्ण मोड़ था: एकीकरण अस्थायी था, और जोड़ने का समय (टाइमिंग) महत्वपूर्ण था। इन संवहनी कोशिकाओं को विकास के एक विशिष्ट प्रारंभिक चरण में पेश करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि ऑर्गेनॉइड अपनी उचित स्तरित संरचना बनाए रख सकते थे और यहाँ तक कि प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया भी कर सकते थे, बिल्कुल एक स्वस्थ मानव रेटिना की तरह। शायद इससे भी अधिक आश्चर्यजनक रूप से, उन्होंने पाया कि जब उन्होंने बिना किसी बाहरी वाहिकाओं को जोड़े, एक पोषक तत्वों से भरपूर, रक्त-वाहिका-बढ़ावा देने वाले वातावरण में अपने रेटिनल ऑर्गेनॉइड उगाए, तो ऑर्गेनॉइड्स ने स्वाभाविक रूप से अपनी आंतरिक, सूजन वाली रक्त-वाहिका जैसी कोशिकाएं उत्पन्न कीं। इन स्व-निर्मित कोशिकाओं ने आनुवंशिक संकेत प्रदर्शित किए जो मानव आंखों में डायबिटिक रेटिनोपैथी से काफी मिलते-जुलते थे, जो बिना किसी डिश में चीनी के स्तर में हेरफेर किए इस बीमारी का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
शोधकर्ताओं ने मानव स्टेम कोशिकाओं से "वैस्कुलर ऑर्गेनॉइड्स" बनाकर शुरुआत की। ये मानव स्टेम कोशिकाओं से बने छोटे, त्रि-आयामी ऊतक के गोले हैं जो स्वाभाविक रूप से रक्त वाहिका कोशिकाओं, सहायक कोशिकाओं और प्रतिरक्षा कोशिकाओं के मिश्रण के रूप में विकसित होते हैं। फिर उन्होंने विकसित हो रहे रेटिनल ऑर्गेनॉइड्स के साथ इन वैस्कुलर ऑर्गेनॉइड्स को मिलाने की दो अलग-अलग रणनीतियों का परीक्षण किया। पहले दृष्टिकोण में, उन्होंने दो पूरी तरह से बने ऑर्गेनॉइड्स को आपस में जोड़ने की कोशिश की, लेकिन इसके परिणामस्वरूप कुछ हफ्तों के बाद रेटिना की संगठित परतों का नुकसान हुआ। दूसरा दृष्टिकोण कहीं अधिक सफल रहा। टीम ने वैस्कुलर ऑर्गेनॉइड्स को व्यक्तिगत कोशिकाओं में विभाजित किया और उन्हें विकसित हो रहे रेटिनल ऊतक की एक सपाट शीट पर छिड़क दिया, इससे पहले कि वह ऊतक एक 3D गोले के रूप में मुड़ता। उन्होंने यह दो अलग-अलग समय पर किया: जब संवहनी कोशिकाएं युवा थीं (दिन 12) और जब वे अधिक परिपक्व थीं (दिन 30)।
परिणामों ने दिखाया कि इस परिचय का समय ही सब कुछ था। जब शोधकर्ताओं ने युवा, दिन-12 की संवहनी कोशिकाओं को जोड़ा, तो ऑर्गेनॉइड्स ने कुछ संरचना विकसित की, लेकिन एकीकरण कम स्थिर था। हालांकि, जब उन्होंने अधिक परिपक्व, दिन-30 की संवहनी कोशिकाओं को जोड़ा, तो परिणाम उल्लेखनीय था। संवहनी कोशिकाएं रेटिनल ऊतक में प्रवास कर गईं और कुछ समय के लिए बनी रहीं, लेकिन महत्वपूर्ण बात यह थी कि उन्होंने रेटिना की नाजुक वास्तुकला को बाधित किए बिना ऐसा किया। ऑर्गेनॉइड्स ने अपनी विशिष्ट परतें बनाए रखीं, जिसमें फोटोरिसेप्टर बाहर और तंत्रिका कोशिकाएं अंदर थीं, ठीक वैसे ही जैसे वे मानव आंख में होती हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ये ऑर्गेनॉइड्स कार्यात्मक रहे। प्रकाश के संपर्क में आने पर, ऑर्गेनॉइड्स में तंत्रिका कोशिकाएं विद्युत संकेतों को छोड़ती हैं, जो यह दर्शाता है कि नई रक्त वाहिका कोशिकाओं की उपस्थिति के बावजूद, रेटिना के जटिल सर्किट का सही ढंग से निर्माण हुआ था।
यद्यपि संवहनी कोशिकाएं लगभग 100 दिनों के बाद ऑर्गेनॉइड्स से धीरे-धीरे गायब हो गईं, प्रयोग ने स्वयं रेटिनल ऊतक के भीतर एक छिपी हुई क्षमता का खुलासा किया। एक नियंत्रण समूह में जहाँ शोधकर्ताओं ने रेटिनल ऑर्गेनॉइड्स को एक विशेष तरल पदार्थ में उगाया जो रक्त वाहिका वृद्धि को प्रोत्साहित करता है लेकिन इसमें कोई बाहरी संवहनी कोशिकाएं नहीं जोड़ी गईं, ऑर्गेनॉइड्स ने अपनी स्वयं की रक्त वाहिका जैसी कोशिकाएं बनाना शुरू कर दिया। ये कोशिकाएं जीवित आंख में पाई जाने वाली स्वस्थ, संगठित वाहिकाओं जैसी नहीं थीं। इसके बजाय, वे अव्यवस्थित समूहों के रूप में दिखाई दीं जो सूजन और तनाव के मार्कर व्यक्त करती थीं।
जब वैज्ञानिकों ने इन स्व-जनित कोशिकाओं के आनुवंशिक कोड का विश्लेषण किया, तो उन्हें मानव रोग के साथ एक चौंकाने वाला संबंध मिला। इन कोशिकाओं में एक विशिष्ट निर्देशों का सेट था जो उच्च चीनी स्तर के संपर्क में आने वाली मानव आंखों की रक्त वाहिका कोशिकाओं के प्रोफाइल से मेल खाता था। इन कोशिकाओं ने सूजन और एक अधिक कठोर, स्कार-जैसे (निशान जैसे) अवस्था की ओर संक्रमण के लक्षण दिखाए, जो डायबिटिक रेटिनोपैथी के शुरुआती चेतावनी संकेत हैं। यह तब भी हुआ जब शोधकर्ताओं ने कल्चर में अतिरिक्त चीनी नहीं डाली थी; रक्त-वाहिका-बढ़ावा देने वाले तरल पदार्थ की उपस्थिति मात्र ही ऑर्गेनॉइड के अपने कोशिकाओं में इस रोग जैसी स्थिति को ट्रिगर करने के लिए पर्याप्त थी।
अध्ययन ने आंख के भीतर प्रतिरक्षा प्रणाली पर भी प्रकाश डाला। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रतिरक्षा कोशिकाएं, विशेष रूप से एक प्रकार की श्वेत रक्त कोशिका जिसे माइक्रोग्लिया कहा जाता है, सभी ऑर्गेनॉइड्स में स्वाभाविक रूप से मौजूद थीं, चाहे बाहरी कोशिकाएं जोड़ी गई हों या नहीं। ये कोशिकाएं ऊतक के माध्यम से चलती थीं, और जैसे-जैसे ऑर्गेनॉइड्स परिपक्व होते थे, वे गोल से शाखाओं वाली आकृति में बदल जाती थीं, जो विकसित होते मानव नेत्र में प्रतिरक्षा कोशिकाओं के व्यवहार की नकल करती थीं। यह सुझाव देता है कि रेटिना में अपनी प्रतिरक्षा रक्षाओं को भर्ती करने और घर बनाने की अंतर्निहित क्षमता होती है, जो कि नेत्र रोग के अध्ययन के लिए एक आवश्यक विशेषता है।
ये निष्कर्ष इस धारणा को चुनौती देते हैं कि नेत्र रोगों के अध्ययन के लिए सभी रक्त वाहिकाओं और प्रतिरक्षा कोशिकाओं को बाहर से जोड़ा जाना चाहिए। इसके बजाय, शोध यह सुझाव देता है कि रेटिनल ऊतक में इन सहायक प्रणालियों को उत्पन्न करने की क्षमता होती है, लेकिन वे कैसे विकसित होते हैं, यह उस वातावरण पर निर्भर करता है जिसमें वे बढ़ते हैं। जब वातावरण बहुत आक्रामक होता है या उसमें सही भौतिक संकेतों की कमी होती है, तो ऑर्गेनॉइड्स रक्त वाहिकाओं का एक अराजक, भड़काऊ संस्करण उत्पन्न करते हैं जो डायबिटिक रेटिनोपैथी में देखे गए नुकसान को दर्शाता है।
यह कार्य अंधापन की ओर ले जाने वाली रक्त वाहिका विफलता को समझने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है। एक ऐसा मॉडल बनाकर जहाँ रेटिना स्वयं तनावग्रस्त रक्त वाहिकाओं को उत्पन्न करता है, वैज्ञानिक अब मानव ऊतक संदर्भ में डायबिटिक रेटिनोपैथी की शुरुआती आणविक घटनाओं का अध्ययन कर सकते हैं। यह शोध ऊतक इंजीनियरिंग में समय और वातावरण के महत्व को भी रेखांकित करता है। यह दिखाता है कि जबकि परिपक्व संवहनी कोशिकाओं को जोड़ने से नुकसान पहुंचाए बिना रेटिनल विकास को सहारा मिल सकता है, लेकिन इन ऊतकों को उगाने के लिए उपयोग की जाने वाली स्थितियों को अनजाने में रोग की स्थितियों को सक्रिय करने से बचने के लिए सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए। एक ऐसा रेटिनल ऑर्गेनॉइड विकसित करने की क्षमता जो संवहनी और इम्यूनोकॉम्पिटेंट (प्रतिरक्षा सक्षम) दोनों हो, साथ ही अपनी संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखे, मानव आंख के यथार्थवादी मॉडल बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है।
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