APOE4 Alters the Inflammatory and Metabolic Properties of Extracellular Vesicles of Induced Pluripotent Stem Cell-derived Astrocytes and Mesenchymal Stromal Cells

अल्जाइमर रोग एक विनाशकारी स्थिति है जो धीरे-धीरे याददाश्त और सोचने की क्षमता को कम कर देती है, जिससे दुनिया भर में लाखों लोग प्रभावित होते हैं। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से एक एकल कारण की तलाश कर रहे हैं, ज्ञात सबसे मजबूत आनुवंशिक जोखिम कारक 'अपोलिपोप्रोटीन ई' (apolipoprotein E) नामक एक विशिष्ट प्रोटीन का एक विशेष संस्करण है, जिसे APOE कहा जाता है। यह प्रोटीन सामान्य रूप से मस्तिष्क में एक डिलीवरी ट्रक के रूप में कार्य करता है, जो कोलेस्ट्रॉल और वसा को उन कोशिकाओं तक पहुँचाता है जिन्हें उनकी आवश्यकता होती है। अधिकांश लोग इस प्रोटीन के एक मानक संस्करण को वहन करते हैं, लेकिन कुछ लोग APOE4 नामक एक भिन्न संस्करण को वहन करते हैं। यह भिन्न संस्करण अपने काम में कम कुशल है; इसे सही प्रकार की वसा के साथ जुड़ने में संघर्ष करना पड़ता है और यह उन्हें ठीक से साफ करने में विफल रहता है। इसके परिणामस्वरूप, मस्तिष्क की कोशिकाएं, विशेष रूप से एस्ट्रोसाइट्स (astrocytes) नामक सहायक कोशिकाएं, अत्यधिक वसा जमा करने लगती हैं। यह जमाव तनाव पैदा करता है और सूजन (inflammation) को जन्म देता है, जो इस बीमारी का एक प्रमुख चालक है। केवल वसा को इधर-उधर ले जाने के अलावा, यह प्रोटीन 'एक्स्ट्रासेलुलर वेसिकल्स' (extracellular vesicles) नामक छोटी, बुलबुले जैसी पैकेजिंग के भीतर भी यात्रा करता है। ये वेसिकल्स संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं, जो गतिविधियों के समन्वय के लिए कोशिकाओं के बीच प्रोटीन और वसा ले जाते हैं। जब APOE4 संस्करण शामिल होता है, तो यह स्पष्ट नहीं है कि ये संदेशवाहक कैसे बदलते हैं, या क्या वे सूजन और चयापचय संबंधी अराजकता (metabolic chaos) को फैलाकर समस्या का हिस्सा बन जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने के लिए हाथ में लिया कि APOE4 संस्करण इन सूक्ष्म कोशिकीय संदेशवाहकों को वास्तव में कैसे बदलता है। उन्होंने प्रयोगशाला में मानव कोशिकाएं उगाईं, जिसमें दो अलग-अलग समूह बनाए गए: एक समूह जिसमें जीन का मानक, स्वस्थ संस्करण था और दूसरा जिसमें APOE4 संस्करण था। उन्होंने दो प्रकार की कोशिकाओं पर ध्यान केंद्रित किया: एस्ट्रोसाइट्स, जो न्यूरॉन्स को सहायता प्रदान करते हैं, और मेसेनकाइमल स्ट्रोमल कोशिकाएं (mesenchymal stromal cells), जो ऊतक मरम्मत में शामिल होती हैं। इन कोशिकाओं को नियंत्रित परिस्थितियों में उगाकर, वैज्ञानिक उनके द्वारा छोड़े गए एक्स्ट्रासेलुलर वेसिकल्स को अलग कर सके और उनका विस्तार से अध्ययन कर सके। वे यह जानना चाहते थे कि क्या APOE4 संस्करण ने यह बदल दिया कि कोशिकाएं कितने वेसिकल्स का उत्पादन करती हैं, उनके भीतर क्या था, और क्या वे वेसिकल्स अन्य कोशिकाओं में सूजन पैदा कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने पहले वेसिकल्स की मात्रा और आकार को देखा। उन्होंने पाया कि स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना में APOE4 संस्करण वाले कोशिकाओं ने प्रति कोशिका कम वेसिकल्स का उत्पादन किया, भले ही कोशिकाओं द्वारा छोड़ा गया तरल पदार्थ की कुल मात्रा समान थी। इससे यह संकेत मिला कि APOE4 कोशिकाएं इन संदेशों को पैक करने और छोड़ने के लिए संघर्ष कर रही थीं। जब उन्होंने इन वेसिकल्स को बनाने के लिए जिम्मेदार जीनों की जांच की, तो उन्होंने पाया कि APOE4 कोशिकाओं में उन्हें बनाने के लिए आवश्यक मशीनरी की गतिविधि कम थी। यह मशीनरी दो मुख्य मार्गों के माध्यम से कार्य करती है, और अध्ययन ने दिखाया कि दोनों ही मार्ग APOE4 कोशिकाओं में कम सक्रिय थे। यह इंगित करता है कि यह आनुवंशिक भिन्नता इन कोशिकीय संदेशवाहकों को बनाने की प्रक्रिया को बाधित करती है।

इसके बाद, टीम ने परीक्षण किया कि क्या ये वेसिकल्स सूजन पैदा कर सकते हैं। उन्होंने स्वस्थ और APOE4 दोनों समूहों के वेसिकल्स को प्रतिरक्षा कोशिकाओं (immune cells) के संपर्क में रखा। परिणाम चौंकाने वाले थे: APOE4 कोशिकाओं से निकले वेसिकल्स ने एक तीव्र सूजन प्रतिक्रिया उत्पन्न की, जिससे प्रतिरक्षा कोशिकाओं के भीतर एक प्रमुख अलार्म प्रणाली सक्रिय हो गई, जो स्वस्थ वेसिकल्स द्वारा सक्रिय नहीं होती है। यह सूजन प्रभाव तब और भी अधिक स्पष्ट हो गया जब APOE4 कोशिकाओं को पहले अत्यधिक फैटी एसिड के कारण तनाव (stress) दिया गया था, जो अल्जाइमर के रोगियों के मस्तिष्क में देखी जाने वाली वसा के संचय की स्थिति की नकल करता है। इस तनावपूर्ण अवस्था में, APOE4 वेसिकल्स सूजन को बढ़ावा देने में और भी अधिक शक्तिशाली हो गए, जबकि स्वस्थ वेसिकल्स ने ऐसा प्रभाव नहीं दिखाया। यह सुझाव देता है कि APOE4 संस्करण न केवल यह बदलता है कि वेसिकल्स कैसे बनाए जाते हैं, बल्कि उन्हें ऐसे तत्वों से भी भर देता है जो सक्रिय रूप से प्रतिरक्षा प्रणाली को उकसाते हैं।

इन सूजन संबंधी वेसिकल्स के भीतर क्या था, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने उनके द्वारा ले जाए जाने वाले वसा, या लिपिड (lipids) का विस्तृत रासायनिक विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि APOE4 कोशिकाओं वाले वेसिकल्स में स्वस्थ कोशिकाओं की तुलना में काफी अधिक कुल वसा भरी हुई थी। विशेष रूप से, उनमें कोलेस्ट्रॉल, पित्त अम्ल (bile acids) और कुछ वसा के उच्च स्तर थे जो कोशिकाओं में तनाव पैदा करने के लिए जाने जाते हैं। उन्होंने उन विशिष्ट वसा में भी वृद्धि देखी जो कोशिकाओं को मरने या हटा दिए जाने का संकेत देते हैं, और उन वसा में भी जो कोशिका झिल्ली (cell membranes) को तोड़ने में शामिल हैं। यह रासायनिक प्रोफाइल बताता है कि APOE4 वेसिकल्स चयापचय संकट (metabolic distress) का भार ढो रहे हैं। विश्लेषण ने उन विशिष्ट जैविक मार्गों की ओर भी इशारा किया जो बाधित हो रहे हैं, जिनमें मृत कोशिकाओं की सफाई और कोलेस्ट्रॉल के प्रसंस्करण से संबंधित प्रक्रियाएं शामिल हैं।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि APOE4 आनुवंशिक भिन्नता मौलिक रूप से उन संदेशों की प्रकृति को बदल देती है जो कोशिकाएं एक-दूसरे को भेजती हैं। मददगार वाहक के रूप में कार्य करने के बजाय, APOE4 कोशिकाओं से निकलने वाले वेसिकल्स अत्यधिक वसा और सूजन संबंधी संकेतों से बोझित प्रतीत होते हैं। वे कम संख्या में उत्पादित होते हैं, फिर भी जो जारी किए जाते हैं वे एक भारी, अधिक विषाक्त भार वहन करते हैं। यह शोध एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे एक एकल आनुवंशिक अंतर कोशिकीय त्रुटियों की एक श्रृंखला को जन्म दे सकता है, जिससे एक सामान्य जैविक प्रक्रिया बीमारी के चालक में बदल जाती है। यह दिखाकर कि ये सूक्ष्म वेसिकल्स विशिष्ट सूजन संबंधी और चयापचय संबंधी संकेतों को ले जाते हैं, यह कार्य अल्जाइमर रोग कैसे आगे बढ़ता है, इसे समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है और यह सुझाव देता है कि इन वेसिकल्स या उनके लिपिड भार को लक्षित करना भविष्य के उपचारों की दिशा में एक मार्ग हो सकता है।