Parabolic flight-induced gravity variations initiate acute functional and transcriptional responses in cardiac organoids

गुरुत्वाकर्षण वह अदृश्य हाथ है जो पृथ्वी पर जीवन को आकार देता है। यह हमारे शरीरों पर दबाव डालता है, तरल पदार्थों को हमारे पैरों की ओर खींचता है और हमारे हृदय को एक निरंतर, परिचित भार के विरुद्ध काम करने में सक्षम रखता है। जब अंतरिक्ष यात्री इस वातावरण को छोड़कर अंतरिक्ष के सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण (माइ्रोग्रैविटी) में प्रवेश करते हैं, तो वह दबाव गायब हो जाता है। उनके शरीर, जो निरंतर खिंचाव वाली दुनिया के लिए विकसित हुए हैं, को अचानक भारहीनता की स्थिति में ढलना पड़ता है। इस बदलाव के कारण तरल पदार्थ सिर और छाती की ओर तेजी से दौड़ने लगते हैं, जिससे हृदय के पंप करने के तरीके और रक्त के संचार में परिवर्तन आता है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय तक अंतरिक्ष में रहने के बाद मानव शरीर में होने वाले परिवर्तनों का अध्ययन करते रहे हैं, इस संक्रमण के शुरुआती क्षण अभी भी एक रहस्य बने हुए हैं। हम जानते हैं कि शरीर अंततः तालमेल बिठा लेता है, लेकिन हम पूरी तरह से नहीं समझते कि वे कौन से तात्कालिक संकेत हैं जो गुरुत्वाकर्षण बदलते ही हृदय की कोशिका को अपनी लय बदलने के लिए कहते हैं।

इन क्षणभंगुर पलों को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अद्वितीय प्रयोगशाला की ओर रुख किया: पैराबोलिक फ्लाइट (परवलयाकार उड़ान)। यह एक विशिष्ट उड़ान पथ है जहाँ एक हवाई जहाज तेजी से ऊपर चढ़ता है और फिर नीचे की ओर गोता लगाता है, जिससे भारहीनता के छोटे अंतराल के बाद तीव्र गुरुत्वाकर्षण की अवधि पैदा होती है। यह वायुमंडल को छोड़े बिना अंतरिक्ष के बदलते बलों का अनुकरण करने का एक ज़मीनी तरीका है। हाल ही में एक अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने इस विधि का उपयोग यह देखने के लिए किया कि हृदय कोशिकाओं के सूक्ष्म, त्रि-आयामी समूह इन तीव्र परिवर्तनों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। वे यह देखना चाहते थे कि क्या हृदय गुरुत्वाकर्षण के बदलावों को मिनटों के भीतर महसूस कर सकता है और प्रतिक्रिया दे सकता है, और यदि ऐसा है, तो कोशिकाओं के भीतर कौन से आणविक संदेश भेजे जाते हैं ताकि यह संभव हो सके।

टीम ने चूहे के भ्रूण स्टेम सेल्स (embryonic stem cells) से इन हृदय समूहों को विकसित किया, जिन्हें कार्डिएक ऑर्गेनॉइड्स (cardiac organoids) कहा जाता है। ये केवल कोशिकाओं की सपाट परतें नहीं हैं, बल्कि छोटे, स्व-संगठित गोले हैं जो एक वास्तविक हृदय की संरचना की नकल करते हैं, जिसमें धड़कने वाली लय और तरल पंप करने की क्षमता भी होती है। शोधकर्ताओं ने इन ऑर्गेनॉइड्स को कई दिनों तक बढ़ने दिया जब तक कि वे परिपक्वता के विभिन्न चरणों तक नहीं पहुँच गए। कुछ युवा थे और अभी धड़कना शुरू ही कर रहे थे, जबकि अन्य अधिक विकसित थे और स्थिर रूप से धड़क रहे थे। फिर वे इन जीवित नमूनों को एयरबस A310 में एक उड़ान पर ले गए, जहाँ विमान ने इकतीस पैराबोलिक युद्धाभ्यास (maneuvers) किए। प्रत्येक युद्धाभ्यास ने लगभग बाईस सेकंड की भारहीनता का एक चक्र बनाया, जो पृथ्वी के लगभग दोगुने गुरुत्वाकर्षण की अवधियों के बीच स्थित था।

एक बार विमान लैंड होने के बाद, वैज्ञानिकों ने तुरंत हृदय ऑर्गेनॉइड्स की जांच की। उन्होंने उड़े हुए नमूनों की तुलना उन समान नमूनों से की जो सामान्य गुरुत्वाकर्षण के तहत ज़मीन पर ही रहे थे। परिणामों ने दिखाया कि हृदय कोशिकाएं उड़ान के दौरान केवल निष्क्रिय होकर नहीं बैठी थीं; उन्होंने तेजी से प्रतिक्रिया दी, लेकिन केवल तभी जब वे पर्याप्त परिपcht (mature) थीं। युवा ऑर्गेनॉइड्स, जो विकास के केवल तीन दिन के थे, उनके व्यवहार में कोई परिवर्तन नहीं दिखा। हालांकि, अधिक परिपcht, आठ और नौ दिन पुराने ऑर्गेनॉइड्स ने अपनी धड़कन की गति में अचानक और महत्वपूर्ण वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया दी। उड़ान के तुरंत बाद उनकी हृदय दर लगभग तीस प्रतिशत बढ़ गई। इस तेज़ लय के साथ-साथ, इन कोशिकाओं द्वारा कैल्शियम (एक रासायनिक संकेत जो मांसपेशियों के संकुचन के लिए आवश्यक है) को संभालने का तरीका भी बदल गया। कैल्शियम के संकेत अधिक मजबूत हो गए और उन्हें कम होने में अधिक समय लगा, जिससे पता चलता कि कोशिकाएं बदलते गुरुत्वाकर्षण में अपनी लय बनाए रखने के लिए अधिक मेहनत कर रही थीं।

जबकि हृदय की भौतिक धड़कन बदल गई, ऑर्गेनॉइड्स का आकार नहीं बदला। वे अपने समान आकार और संरचना में बने रहे, जो यह दर्शाता है कि लंबे मिशनों के बाद अंतरिक्ष यात्रियों में देखे जाने वाले नाटकीय परिवर्तन, जैसे कि हृदय की मांसपेशियों का क्षय होना, संभवतः दीर्घकालिक जोखिम का परिणाम हैं न कि इन तात्कालिक बदलावों का। असली आश्चर्य तब आया जब शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं के भीतर उनके आनुवंशिक निर्देशों को देखा। उन्होंने पाया कि उड़ान ने उन जीनों को सक्रिय नहीं किया जो आमतौर पर हृदय की मांसपेशियों की ताकत या बुनियादी चयापचय (metabolism) से जुड़े होते हैं। इसके बजाय, इसने छह विशिष्ट जीनों के एक सेट को चालू कर दिया जो पहले इस तरह से गुरुत्वाकर्षण परिवर्तनों से नहीं जुड़े थे।

सबसे सक्रिय जीन वह था जो S100g नामक प्रोटीन का उत्पादन करता है, जो कोशिका के भीतर कैल्शियम के स्तर को प्रबंधित करने में मदद करता है। अन्य सक्रिय हुए जीन इस बात से संबंधित थे कि कोशिका के ऊर्जा संयंत्र, माइटोकॉन्ड्रिया, कैसे कार्य करते हैं, और कोशिका तनाव और सूजन (inflammation) को कैसे संभालती है। यह सुझाव देता है कि हृदय में एक तीव्र, अंतर्निहित अलार्म सिस्टम होता है जो गुरुत्वाकर्षण परिवर्तनों का पता लगाता है और निपटने के लिए तुरंत इसकी आंतरिक रसायन विज्ञान को समायोजित करता है। अध्ययन में इस बात के प्रमाण नहीं मिले कि ये परिवर्तन विमान के कंपन या उड़ान के शोर के कारण हुए थे, क्योंकि ज़मीन पर नियंत्रण नमूनों को भी गुरुत्वाकर्षण के बदलावों के बिना समान हैंडलिंग के संपर्क में लाया गया था। हालांकि, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि चूंकि प्रयोग संक्षिप्त था, इसलिए वे यह नहीं देख सके कि क्या ये परिवर्तन दीर्घकालिक क्षति या अनुकूलन की ओर ले जाएंगे, और न ही वे विकिरण जैसे अन्य कारकों को खारिज कर सके जो वास्तविक अंतरिक्ष उड़ान में अंतरिक्ष यात्रियों का सामना करते हैं।

यह कार्य अंतरिक्ष के प्रति हृदय के अनुकूलन की शुरुआत में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। इन धड़कते हृदय मॉडलों को पैराबोलिक फ्लाइट में उपयोग करके, टीम ने प्रदर्शित किया कि गुरुत्वाकर्षण के प्रति हृदय की प्रतिक्रिया तत्काल होती है और यह इस बात पर निर्भर करती है कि हृदय ऊतक कितना परिपcht है। इन विशिष्ट जीनों की खोज वैज्ञानिकों को अध्ययन के लिए नए लक्ष्य प्रदान करती है, जो भविष्य के दीर्घकालिक मिशनों के दौरान अंतरिक्ष यात्रियों के हृदय की रक्षा करने के तरीकों को समझने में मदद कर सकती है। यह दर्शाता है कि इससे पहले कि कोई अंतरिक्ष यात्री अंतरिक्ष के प्रभावों को महसूस करे, उनकी हृदय कोशिकाएं पहले से ही संकेत भेज रही होती हैं, और एक ऐसी दुनिया में अपनी आंतरिक मशीनरी को समायोजित कर रही होती हैं जहाँ गुरुत्वाकर्षण अब एक निरंतरता नहीं रह गया है।