Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

जीवन के लिए घातक कैंसर का सामना कर रहे कई बच्चों के लिए, वे उपचार जो उनकी जान बचाते हैं, उनके भविष्य की प्रजनन क्षमता को छीन सकते हैं। कीमोथेरेपी और रेडिएशन अक्सर अंडाशय (ovaries) को नुकसान पहुँचाते हैं, जो अंडे और आवश्यक हार्मोन का उत्पादन करते हैं। वयस्कों में, डॉक्टर कभी-कभी बाद के उपयोग के लिए अंडाशय के ऊतकों को जमाकर और संग्रहीत कर सकते हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण बच्चों के लिए खतरनाक है। उनके अंडाशय में अपरिपक्व अंडे होते हैं जिन्हें व्यक्तिगत रूप से फ्रीज नहीं किया जा सकता है, और अपने स्वयं के ऊतकों को पुन: प्रत्यारोपित करने में इस जोखिम का खतरा होता है कि यदि बीमारी वहां फैल गई थी तो कैंसर कोशिकाएं फिर से प्रवेश कर सकती हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक अलग प्रकार के समाधान पर काम कर रहे हैं: एक बायोप्रोस्थेटिक अंडाशय (bioprosthetic ovary)। यह एक स्कैफोल्ड (scaffold) से बना एक कृत्रिम अंग है, जो एक सूक्ष्म, छिद्रयुक्त संरचना है जिसे अलग किए गए अंडे के थैलों, जिन्हें फॉलिकल्स (follicles) कहा जाता है, को थामने और शरीर के बाहर उपयोग के लिए तैयार होने तक उन्हें बढ़ने और परिपक्व होने में मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसका लक्ष्य क्षतिग्रस्त ऊतकों को इस इंजीनियर सहायता प्रणाली से बदलना है, जिससे शरीर को हार्मोन बनाने और अंततः स्वस्थ अंडे छोड़ने में सक्षम बनाया जा सके।

चुनौती इस स्कैफोल्ड को बनाने के लिए सही सामग्री खोजने में निहित है। फॉलिकल एक नाजुक, त्रि-आयामी संरचना है जिसे सुरक्षित रूप से पकड़ा जाना चाहिए और साथ ही इसे बढ़ते समय विस्तार करने की अनुमति भी मिलनी चाहिए। इसे आसपास की सहायक कोशिकाओं के साथ बातचीत करने और पोषक तत्वों को प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे किसी पौधे को जड़ जमाने और खिलने के लिए सही मिट्टी की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पहले जिलेटिन नामक एक सामग्री का उपयोग किया था, जो कोलेजन से प्राप्त होता है, क्योंकि यह शरीर के प्राकृतिक वातावरण की नकल करता है और कोशिकाओं को इससे चिपकने में मदद करता है। हाल ही में, उन्होंने एक सिंथेटिक, अल्ट्रा-पोरस सामग्री, जिसे अल्ट्रा-फ्लफी पॉली(लैक्टिक-को-ग्लाइकोलिक एसिड) या UF-PLG कहा जाता है, की ओर भी देखा है। यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से हल्की है और अपने वजन से कई गुना अधिक तरल पदार्थ को सोख सकती है, जो एक अलग प्रकार की संरचना प्रदान करती है। प्रश्न यह था कि क्या इनमें से कोई एक सामग्री स्पष्ट रूप से बेहतर थी, या क्या वे अलग-अलग ताकतें प्रदान करती थीं जिन्हें संयोजित करने की आवश्यकता हो सकती थी।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सामग्रियों की सीधे तुलना करने के लिए एक कार्य किया। उन्होंने 3D प्रिंटर का उपयोग करके तीन अलग-अलग पदार्थों से सूक्ष्म स्कैफोल्ड बनाए: शुद्ध जिलेटिन, शुद्ध UF-PLG, और एक हाइब्रिड संस्करण जहाँ UF-PLG को जिलेटिन से लेपित (coated) किया गया था। उन्होंने इन स्कैफोल्ड्स को एक विशिष्ट ज्यामितीय पैटर्न के साथ प्रिंट किया, जिसमें छह डिग्री के कोण पर व्यवस्थित पांच स्ट्रट्स (struts) की परतें शामिल थीं, जिससे ऐसे कोने बने जो गोलाकार फॉलिकल्स को भौतिक रूप से सहारा दे सकें। इसके बाद उन्होंने युवा चूहों के अंडाशय से माध्यमिक फॉलिकल्स (secondary follicles), जो अनाज के दाने के आकार के छोटे अंडे के थैले होते हैं, लिए। प्रत्येक फॉलिकल को तीन प्रकार के स्कैफोल्ड्स में से एक पर रखा गया और दो, चार या छह दिनों के लिए पोषक तत्वों से भरपूर तरल में विकसित होने के लिए छोड़ दिया गया। वैज्ञानिकों ने फॉलिकल्स को शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे परखा ताकि यह देखा जा सके कि वे कितनी अच्छी तरह जुड़े रहे, उन्होंने अपना आकार बनाए रखा या नहीं, और उनके अंदर के अंडे का कितना विकास हुआ।

परिणामों ने प्रदर्शन में एक स्पष्ट विभाजन दिखाया। शुद्ध जिलेटिन से बने स्कैफोल्ड्स फॉलिकल्स को सुरक्षित रखने में उत्कृष्ट थे। इन स्कैफोल्ड्स पर रखे गए लगभग सभी फॉलिकल्स जुड़े रहे, और उन्होंने अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि अंडे के चारों ओर की सुरक्षात्मक परतें नहीं टूटीं। जिलेटिन ने आसपास की सहायक कोशिकाओं को स्कैफोल्ड पर जाने और फॉलिकल के चारों ओर लिपटने के लिए भी प्रोत्साहित किया, जिससे एक मजबूत, एकीकृत इकाई बनी। इसके विपरीत, शुद्ध UF-PLG स्कैफोल्ड्स पर फॉलिकल्स का प्रदर्शन खराब रहा। अधिकांश पूरी तरह से संरचना से गिर गए, और जो बचे रहे वे अक्सर फट गए, जिससे उनका सुरक्षात्मक आवरण नष्ट हो गया। हाइब्रिड स्कैफोल्ड्स, जो दोनों सामग्रियों को मिलाते हैं, जुड़ाव के मामले में बीच का रास्ता दिखाते हैं, लेकिन विकास के लिए एक आश्चर्यजनक लाभ प्रदान करते हैं।

जबकि जिलेटिन स्कैफोल्ड्स फॉलिकल्स को अपनी जगह पर बनाए रखने में सबसे अच्छे थे, वे अंडे को पूर्ण आकार तक बढ़ने में मदद करने के लिए सर्वश्रेष्ठ नहीं थे। शोधकर्ताओं ने अंडों के व्यास (diameter) को मापने के लिए उनका परीक्षण किया कि क्या वे एक ऐसे आकार तक पहुँचते हैं जो प्रजनन क्षमता का संकेत देता है, जिसे विकासात्मक सक्षमता (developmental competence) के रूप में जाना जाता है। चूहों में, एक अंडे को सक्षम माना जाने के लिए लगभग 70 से 72 माइक्रोमीटर के व्यास तक पहुँचना आवश्यक है। जिलेटिन स्कैफोल्ड्स पर अंडे बढ़े, लेकिन वे इस लक्ष्य से छोटे रहे। हालांकि, हाइब्रिड UF-PLG-जिलेटिन स्कैफोल्ड्स पर अंडे इस बेंचमार्क से बड़े हुए, जो औसतन 75.6 माइक्रोमीटर तक पहुँच गए। यह सुझाव देता है कि जबकि जिलेटिन संरचना को बरकरार रखने के लिए बेहतर था, हाइब्रिड सामग्री ने एक ऐसा वातावरण प्रदान किया जिसने अंडे को अधिक स्वतंत्र रूप से विस्तार करने की अनुमति दी।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या स्कैफोल्ड्स को सख्त बनाने से परिणाम बदल जाएंगे। उन्होंने रासायनिक क्रॉसलिंकिंग (chemical crosslinking) की मात्रा बढ़ाई, जो सामग्री को सख्त करने वाले गोंद के रूप में कार्य करती है, और पाया कि इसने जिलेटिन स्कैफोल्ड्स को काफी सख्त बना दिया। हालांकि, कठोरता में इस परिवर्तन ने फॉलिकल्स के जुड़ने या अंडों के बढ़ने के तरीके को नाटकीय रूप से नहीं बदला। सामग्रियों के बीच के अंतर, उनकी कठोरता के अंतर से कहीं अधिक महत्वपूर्ण थे। यह निष्कर्ष बताता है कि सामग्री की भौतिक कठोरता के बजाय उसका रासायनिक स्वरूप, फॉलिकल के व्यवहार का प्राथमिक चालक है।

ये निष्कर्ष कृत्रिम अंग बनाने के बारे में सोचने के एक नए तरीके की ओर इशारा करते हैं। लंबे समय से, वैज्ञानिक एक ऐसी एकल सामग्री खोजने की आशा करते थे जो सब कुछ पूरी तरह से कर सके: ऊतक को सुरक्षित रूप से पकड़ना और उसे परिपक्वता तक बढ़ने में मदद करना। यह अध्ययन बताता है कि ऐसी "एक ही आकार सबके लिए उपयुक्त" (one-size-fits-all) सामग्री मौजूद नहीं हो सकती है। इसके बजाय, एक फॉलिकल की स्थिरता की आवश्यकताएँ उसके विकास की आवश्यकताओं से भिन्न होती हैं। जिलेटिन ने वह स्थिरता प्रदान की जो संरचना को अक्षुण्ण रखने के लिए आवश्यक थी, जबकि UF-PLG घटक ने ऐसा स्थान या संकेत प्रदान किया जो अंडे को उसकी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने में मदद कर सके। इसका तात्पर्य यह है कि भविष्य के सबसे प्रभावी बायोप्रोस्थेटिक अंडाशय को कई सामग्रियों के साथ बनाया जाना चाहिए, जिन्हें सावधानीपूर्वक व्यवस्थित किया जाए ताकि फॉलिकल के लिए एक सुरक्षित घर प्रदान करने के साथ-साथ अंडे को परिपक्व होने के लिए एक अनुकूल वातावरण भी दिया जा सके। यह समझकर कि विकास के विभिन्न चरणों के लिए अलग-अलग भौतिक वातावरण की आवश्यकता होती है, वैज्ञानिक उन लोगों की प्रजनन क्षमता को बहाल करने के लिए एक विश्वसनीय समाधान बनाने के करीब पहुँच सकते हैं जिन्होंने कैंसर के कारण इसे खो दिया है।