Candida albicans forms azole-resistant liquid-suspension biofilms with distinct characteristics and a potential to aid in dispersal

मानव संक्रमण की सूक्ष्म दुनिया में, कैंडिडा एल्बिकन्स (Candida albicans) नामक एककोशिकीय कवक एक दुर्जेय विरोधी है। यह मानव शरीर का एक सामान्य निवासी है, लेकिन जब प्रतिरक्षा प्रणाली कमजोर होती है या कैथेटर जैसे चिकित्सा उपकरण पेश किए जाते हैं, तो यह घातक हो सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि यह कवक बायोफिल्म के रूप में ज्ञात सुरक्षात्मक शहरों का निर्माण करके कैसे जीवित रहता है। एक किले की कल्पना करें: कवक कोशिकाएं एक सतह से चिपक जाती हैं, जैसे कि एक प्लास्टिक कैथेटर या दांत, और अपने चारों ओर एक मोटा, चिपचिपा कवच बनाती हैं। यह ढाल, जो उनके अपने स्रावों से बनी होती है, उन्हें एंटीबायोटिक्स और शरीर की प्रतिरक्षा रक्षाओं से बचाती है। सतह से चिपकने और एक किला बनाने की यह प्रक्रिया कैंडिडा के परेशानी पैदा करने का मानक मॉडल रही है। हालाँकि, यह मॉडल यह मान लेता है कि कवक को हमेशा चिपकने के लिए एक ठोस स्थान की आवश्यकता होती है। मानव शरीर के जटिल, तरल वातावरण में, जैसे कि रक्तप्रवाह या ऊतकों के बीच का स्थान, एक ठोस सतह हमेशा उपलब्ध नहीं होती है। प्रश्न यह था: यदि चिपकने के लिए कोई दीवार नहीं है, तो यह खतरनाक कवक खुद को कैसे व्यवस्थित करता है, जीवित रहता है और फैलता है?

मोनाश यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने अब खोज निकाला है कि जब कैंडिडा एल्बिकन्स को कोई सतह नहीं मिलती, तो वह केवल बिना किसी उद्देश्य के तैरता नहीं रहता। इसके बजाय, वह पूरी तरह से एक अलग प्रकार का किला बनाता है, जो तरल में स्वतंत्र रूप से तैरता है। टीम ने पाया कि जब कवक को ऐसे तरल वातावरण में रखा जाता है जहाँ वह नीचे चिपक नहीं पाता, या जब सतह-आधारित किला बहुत अधिक भीड़भाड़ वाला हो जाता है, तो कोशिकाएं स्वतः ही घने, त्रि-आयामी क्लस्टर बनाती हैं जो तरल में लटके रहते हैं। ये केवल कोशिकाओं के ढीले गुच्छे नहीं हैं; ये अत्यधिक संगठित संरचनाएं हैं, जिन्हें शोधकर्ता 'लिक्विड-सस्पेंशन बायोफिल्म' (तरल-निलंबन बायोफिल्म) कहते हैं। इन तैरते हुए शहरों के भीतर, कवक कोशिकाएं एक जटिल जाल बुनती हैं। कुछ कोशिकाएं गोल गेंदों जैसी दिखती हैं, जबकि अन्य लंबी, नली जैसी आकृतियों में फैल जाती हैं। ये विभिन्न रूप लंबे, धागे जैसे तंतुओं (फिलामेंट्स) के एक विशाल नेटवर्क द्वारा जुड़े होते हैं जो पूरे तैरते शहर को थामे रखने वाले संरचनात्मक बीम के रूप में कार्य करते हैं।

इन तैरते हुए ढांचों के निर्माण को समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला सेटिंग में कवक को उगाया जो सतह-मुक्त वातावरण की नकल करता था। उन्होंने एक विशेष प्रकार के जेल का उपयोग किया जिससे कवक चिपक नहीं सका, जिससे उसे तरल के ऊपर बढ़ने के लिए मजबूर होना पड़ा। उन्होंने देखा कि कवक ने जेल को अनदेखा कर दिया और इसके बजाय तरल में तैरते हुए घने, अनियमित विकास के गोले बनाए। ये तैरते हुए ढांचे आश्चर्यजनक रूप रूप से बड़े थे, जो सैकड़ों माइक्रोमीटर तक पहुँच गए, और कोशिकाओं से भरे हुए थे। जब शोधकर्ताओं ने आंतरिक वास्तटिकी (आर्किटेक्चर) को करीब से देखा, तो उन्होंने पाया कि कोशिकाएं केवल बेतरतीब ढंग से एक साथ नहीं जुड़ी थीं। वे हाइफे (hyphae) के एक विशाल नेटवर्क द्वारा बुनी गई थीं, जो वे लंबे, धागे जैसे विस्तार हैं जिनका उपयोग कवक बढ़ने के लिए करता है। यह संरचना सतह पर उगने वाली सपाट, शीट जैसी बायोफिल्म से भिन्न है, फिर भी यह कई समान सुरक्षात्मक गुणों को साझा करती है।

इस अध्ययन का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि ये तैरते हुए बायोफिल्म सतह पर चिपके बायोफिल्म जितने ही खतरनाक हैं, विशेष रूप से दवाओं के प्रति प्रतिरोध के मामले में। शोधकर्ताओं ने इन तैरते हुए क्लस्टरों का परीक्षण फ्लुकोनाज़ोल (fluconazole) के विरुद्ध किया, जो फंगल संक्रमण के प्राथमिक उपचार के रूप में उपयोग की जाने वाली एक सामान्य एंटीफंगल दवा है। उन्होंने पाया कि तैरते हुए बायोफिल्म, सतह से चिपके बायोफिल्म की तरह ही, इस दवा के प्रति पूरी तरह से प्रतिरोधी थे। इसके विपरीत, व्यक्तिगत, तैरती हुई कोशिकाएं जिन्होंने ये संरचनाएं नहीं बनाई थीं, उन्हें उसी दवा से आसानी से मार दिया गया। यह सुझाव देता है कि तैरते हुए क्लस्टर बनाने की क्रिया ही उपचार के विरुद्ध एक ढाल प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि ये तैरते हुए ढांचे कोई आकस्मिक घटना नहीं बल्कि एक विनियमित व्यवहार हैं। उन्होंने पाया कि वही मास्टर कंट्रोल जीन जो कवक को सतह का किला बनाने का निर्देश देते हैं, वही उसे तैरता हुआ किला बनाने के लिए भी कहते हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन नियंत्रण जीनों को अक्षम कर दिया, तो कवक तैरते हुए क्लस्टर बनाने की अपनी क्षमता खो बैठा, जिससे सिद्ध हुआ कि यह एक सोची-समझी जैविक रणनीति है न कि एक निष्क्रिय प्रतिक्रिया।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये तैरते हुए बायोफिल्म संक्रमण फैलाने में कैसे मदद कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब सतह-आधारित बायोफिल्म लंबे समय तक बढ़ता है और जगह खत्म हो जाती है, तो वह इन तैरते हुए क्लस्टरों का उत्पादन करना शुरू कर देता है। ये क्लस्टर फिर टूटकर अलग हो सकते हैं और शरीर के तरल पदार्थों के माध्यम से यात्रा कर सकते हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन तैरते हुए क्लस्टरों को एक नई, साफ सतह पर रखा, तो उन्होंने सफलतापूर्वक नए सतह-आधारित बायोफिल्म शुरू किए। यह इंगित करता है कि तैरता हुआ बायोफिल्म प्रसार के लिए एक वाहन के रूप में कार्य करता है, जो संक्रमण को शरीर के नए स्थानों तक ले जाता है। पारंपरिक दृष्टिकोण के विपरीत, जहाँ संक्रमण रक्तप्रवाह में एकल, कमजोर कोशिकाओं को छोड़ कर फैलता है, यह नया तंत्र बताता है कि कवक एक संरक्षित, दवा-प्रतिरोधी इकाई के रूप में यात्रा कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने तैरते हुए बायोफिल्म की आनुवंशिक गतिविधि का भी अध्ययन किया ताकि वे देख सकें कि वे अपने सतह-बद्ध समकक्षों से कैसे भिन्न हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि दोनों प्रकार के बायोफिल्म एक बहुत ही समान आनुवंशिक कार्यक्रम साझा करते हैं, तैरते हुए बायोफिल्म का अनूठा ध्यान आयरन (लोहा) की खोज पर है। आयरन कवक के लिए एक महत्वपूर्ण पोषक तत्व है, लेकिन यह अक्सर मानव शरीर में दुर्लभ होता है। तैरते हुए बायोफिल्म ने उन जीनों को सक्रिय किया जो सतह के बायोफिल्म की तुलना में अधिक आक्रामक रूप से आयरन को खोजने और पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यह सुझाव देता है कि तैरता हुआ जीवन शैली कवक पर अलग पोषण संबंधी मांगें डालती है, शायद इसलिए क्योंकि यह एक ठोस सतह के बजाय तरल से घिरा होता है। इन अंतरों के बावजूद, तैरते हुए बायोफिल्म का समग्र आनुवंशिक प्रोफाइल समय के साथ सतह बायोफिल्म के साथ मिल जाता है, जो यह दर्शाता है कि वे एक ही सिक्के के दो पहलू हैं, जो अलग-अलग भौतिक वातावरणों के अनुकूल हैं।

यह खोज फंगल संक्रमण के बारे में हमारी सोच को बदल देती है। वर्षों से, ध्यान इस बात पर रहा है कि कवक चिकित्सा उपकरणों से कैसे चिपकता है। अब, हम जानते हैं कि सतह की अनुपस्थिति में, या जब सतह भर जाती है, तो कवक के पास एक बैकअप योजना होती है। वह एक तैरता हुआ शहर बना सकता है जो दीवार से चिपके किले जितना ही मजबूत और दवा-प्रतिरोधी होता है। यह तैरने वाला विकास मोड यह समझा सकता है कि क्यों कुछ संक्रमणों का इलाज करना इतना कठिन है और क्यों वे मूल स्थान के उपचार के बाद भी शरीर के नए हिस्सों में फैलते हुए प्रतीत होते हैं। अध्ययन बताता है कि कवक पहले से सोचे गए अनुमान से कहीं अधिक अनुकूलनशील है, जो परिस्थितियों के आधार पर सतह-बद्ध किले और गतिशील, तैरते हुए उपनिवेश के बीच स्विच करने में सक्षम है।

इस खोज के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे हैं। मूत्र कैथेटर वाले रोगियों या रक्तप्रवाह संक्रमण से पीड़ित लोगों में, डॉक्टर अक्सर मूत्र या रक्त में कोशिकाओं और श्वेत रक्त कोशिकाओं के गुच्छे देखते हैं। ये गुच्छे व्याख्या करने में कठिन रहे हैं, जिन्हें कभी-कभी साधारण मलबे के रूप में खारिज कर दिया जाता है। यह नया शोध बताता है कि ये गुच्छे अध्ययन में वर्णित तैरते हुए बायोफिल्म हो सकते हैं। यदि ये तैरते हुए ढांचे वास्तव में मानव संक्रमण की एक सामान्य विशेषता हैं, तो वे दवा-प्रतिरोधी कोशिकाओं के एक छिपे हुए भंडार का प्रतिनिधित्व करते हैं जो शरीर में कहीं भी नए संक्रमण पैदा कर सकते हैं। यह समझना कि कवक इन तैरते हुए किलों का निर्माण कर सकता है, अनुसंधान के नए रास्ते खोलता है। वैज्ञानिक अब यह पूछ सकते हैं कि इन तैरते हुए ढांचों को कैसे तोड़ा जाए या उन्हें बनने से कैसे रोका जाए।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह व्यवहार किसी विशिष्ट प्रकार के तरल या कवक के एकल स्ट्रेन तक सीमित नहीं है। उन्होंने विभिन्न विकास माध्यमों में तैरते हुए बायोफिल्म के निर्माण को देखा, जिसमें मानव शरीर के भीतर की स्थितियों की नकल करने वाले माध्यम भी शामिल थे। उन्होंने यह भी दिखाया कि यह प्रक्रिया प्रतिवर्ती (reversible) है; कवक स्थान की उपलब्धता के आधार पर सतह बायोफिल्म से तैरते हुए बायोफिल्म में और फिर वापस बदल सकता है। यह लचीलापन जीव के लचीलेपन को उजागर करता है। यह केवल अपने पर्यावरण का एक निष्क्रिय शिकार नहीं है बल्कि एक सक्रिय वास्तुकार है जो जीवित रहने के लिए अपनी संरचना को खुद नया आकार देता है।

अंत में, यह शोध पत्र कैंडिडा एल्बिकन्स के मानव शरीर में जीवित रहने के तरीके की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह दिखाता है कि कवक केवल एक रणनीति पर निर्भर नहीं है। वह दीवार पर किला बना सकता है, लेकिन यदि दीवार नहीं है या भरी हुई है, तो वह हवा में किला बनाता है। यह तैरता हुआ किला जटिल, संगठित और उन दवाओं के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी है जिनका हम इससे लड़ने के लिए उपयोग करते हैं। इस छिपे हुए विकास मोड को उजागर करके, शोधकर्ताओं ने फंगल संक्रमणों को समझने और उपचार करने के लिए एक नए लक्ष्य की पहचान की है। अगला कदम यह निर्धारित करना है कि वास्तविक रोगियों में ये तैरते हुए बायोफिल्म कितनी बार होते हैं और क्या उन्हें लक्षित करने से उन लोगों के परिणामों में सुधार किया जा सकता है जो इन कठिन संक्रमणों से जूझ रहे हैं। अध्ययन तत्काल उपचार की पेशकश नहीं करता है, लेकिन यह पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रदान करता है, जो एक घातक रोगजनक के जीवित रहने और फैलने के लिए खुद को व्यवस्थित करने के एक अज्ञात तरीके को प्रकट करता है।