Drug quantification in single 3D organoids reveals correlation to reported in vivo brain uptake and demonstrates translational relevance for prediction of blood-brain barrier permeability
यह अध्ययन UPLC-MS/MS का उपयोग करके एक मात्रात्मक 3D मानव BBB ऑर्गेनॉइड मॉडल को मान्य करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि इसके ड्रग अपटेक अनुपात इन विवो ब्रेन-टू-प्लाज्मा अनुपातों के साथ महत्वपूर्ण रूप से सह-संबंधित हैं और रक्त-मस्तिष्क अवरोध पारगम्यता के आकलन के लिए वर्तमान इन सिलिकोो भविष्यवाणी उपकरणों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।
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मानव मस्तिष्क एक किला है, जो रक्त-मस्तिष्क अवरोध (ब्लड-ब्रेन बैरियर) नामक एक अत्यधिक चयनात्मक सीमा द्वारा संरक्षित है। यह अवरोध एक द्वारपाल के रूप में कार्य करता है, जो आवश्यक पोषक तत्वों को गुजरने देता है जबकि कई जीवन रक्षक दवाओं सहित अधिकांश पदार्थों को केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में प्रवेश करने से रोकता है। मस्तिष्क रोगों के उपचार का प्रयास कर रहे शोधकर्ताओं के लिए, यह द्वार एक आवश्यक ढाल भी है और एक निराशाजनक बाधा भी। प्रभावी दवाएं विकसित करने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले यह समझना होगा कि एक संभावित दवा इस अवरोध को कितनी अच्छी तरह पार कर सकती है। पारंपरिक रूप से, यह जानवरों के परीक्षणों या सपाट डिशों में उगाए गए सरल कोशिका परतों का उपयोग करके किया जाता रहा है, लेकिन ये विधियाँ अक्सर यह सटीक भविष्यवाणी करने में विफल रहती हैं कि एक दवा मानव शरीर में कैसे व्यवहार करेगी। जानवर मनुष्यों से उन तरीकों में भिन्न होते हैं जो दवा परिवहन के लिए महत्वपूर्ण हैं, और सपाट कोशिका परतें वास्तविक ऊतकों में पाई जाने जाने वाली जटिल त्रि-आयामी संरचना की कमी रखती हैं। फलस्वरूप, आशाजनक दवाएं अक्सर मानव परीक्षणों में विफल हो जाती हैं क्योंकि शुरुआती परीक्षणों ने भ्रामक परिणाम दिए थे, जबकि मस्तिष्क की स्थितियों के लिए प्रभावी उपचार पहुंच से बाहर बने रहते हैं।
हाइडेलबर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दवा पारगम्यता (परमीएबिलिटी) का परीक्षण करने का एक नया तरीका विकसित किया है जो इस अंतर को पाटता है। उन्होंने मानव कोशिकाओं के छोटे, त्रि-आयामी गोले बनाए, जिन्हें ऑर्गेनोइड्स कहा जाता है, जो मानव रक्त-मस्तिष्क अवरोध की संरचना और कार्य की नकल करते हैं। ये ऑर्गेनोइड्स तीन विशिष्ट प्रकार की मानव कोशिकाओं से बने हैं: एंडोथेलियल कोशिकाएं जो रक्त वाहिका की परत बनाती हैं, पेरिसाइट्स जो वाहिकाओं के चारों ओर लिपटे होते हैं, और एस्ट्रोसाइट्स जो संरचना को सहारा देते हैं। जब ये कोशिकाएं एक साथ उगाई जाती हैं, तो वे एक गोलाकार समूह में स्वतः व्यवस्थित हो जाती हैं जहाँ एंडोथेलियल कोशिकाएं एक निरंतर बाहरी परत बनाती हैं, जो मस्तिष्क में पाई जाने वाली प्राकृतिक बाधा के समान होती है। शोधकर्ताओं ने इन सूक्ष्म ऑर्गेनोइड्स के भीतर कितनी दवा प्रवेश करती है, इसे मापने के लिए एक विधि विकसित की। अत्यधिक संवेदनशील मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके, जो अणुओं की पहचान और वजन करती है, वे एक एकल ऑर्गेनोइड के संपर्क में आने के बाद दवा की मात्रा को माप सकते थे। इस दृष्टिकोण ने उन्हें इन सूक्ष्म गोलों के अंदर और आसपास के तरल के बीच दवा की सांद्रता के अनुपात की गणना करने की अनुमति दी, जिससे यह एक सटीक माप प्रदान किया कि दवा कितनी आसानी से अवरोध को पार कर गई।
अध्ययन में तेरह अलग-अलग दवाओं का परीक्षण किया गया, जिनमें से कई मस्तिष्क ट्यूमर और अन्य स्थितियों के इलाज के लिए उपयोग की जाती हैं। शोधकर्ताओं ने ऑर्गेनोइड्स को विभिन्न समय के लिए इन दवाओं के संपर्क में रखा और उनके अवशोषण को मापा। उन्होंने पाया कि ऑर्गेनोइड्स में प्रवेश करने वाली दवा की मात्रा वास्तविक मानव और पशु अध्ययनों के डेटा के साथ दृढ़ता से सह-संबंधित थी, जो यह दर्शाती है कि वे समान दवाएं जीवित शरीरों में मस्तिष्क तक वास्तव में कितनी पहुँचती हैं। विशेष रूप से, ऑर्गेनोइड के अंदर की दवा का अनुपात और बाहर की दवा का अनुपात, पिछले नैदानिक और पशु अनुसंधान में देखे गए रक्त प्लाज्मा में रक्त और मस्तिष्क में दवा के अनुपात से मेल खाता था। यह सहसंबंध केवल एक अस्पष्ट रुझान नहीं था; गणितीय संबंध इतना मजबूत था कि यह सुझाव दे सके कि यह नया मॉडल विश्वसनीय रूप से भविष्यवाणी कर सकता है कि क्या कोई दवा सफलतापूर्वक मानव मस्तिष्क में प्रवेश करेगी। इसके विपरीत, जब शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों की तुलना कंप्यूटर सॉफ्टवेयर टूल से की गई भविष्यवाणियों से की, जो मस्तिष्क प्रवेश का अनुमान लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, तो उन डिजिटल मॉडलों ने वास्तविक दुनिया के डेटा के साथ कोई सहसंबंध नहीं दिखाया। कंप्यूटर मॉडल उन बारीकियों को पकड़ने में विफल रहे जो जीवित मानव कोशिकाओं द्वारा ऑर्गेनोइड्स में स्वाभाविक रूप से प्रदर्शित की गई थीं।
ऑर्गेनोइड्स के सही ढंग से कार्य करने को सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने अवरोध की अखंडता का भी परीक्षण किया। उन्होंने एक छोटे मार्कर अणु का उपयोग किया जो सामान्यतः एक सख्त अवरोध से गुजर नहीं सकता है। जब उन्होंने ऑर्गेनोइड्स को कोशिकाओं के बीच के संबंधों को ढीला करने के लिए ज्ञात पदार्थों के साथ उपचारित किया, तो मार्कर अधिक आसानी से बाहर निकल सका, जिससे पुष्टि हुई कि अवरोध का कड़ापन बदला और मापा जा सकता था। उन्होंने कोशिकाओं के स्वास्थ्य की भी जांच की, यह पुष्टि करते हुए कि ऑर्गेनोइड्स कई दिनों के कल्चर के दौरान भी जीवित रहे और कोशिकाओं ने अपने विशिष्ट आकार और संबंधों को बनाए रखा। कोशिकाओं को पहली बार मिलाने के तीन दिन बाद परीक्षण करने का इष्टतम समय पाया गया, जो वह बिंदु है जहाँ अवरोध पूरी तरह से बन गया था और कोशिकाएं स्वस्थ थीं। इस समय ने कई अलग-अलग प्रयोगों में सुसंगत और पुनरुत्पादक परिणाम प्राप्त करने की अनुमति दी।
इस कार्य का महत्व एक मानव-प्रासंगिक परीक्षण प्रणाली प्रदान करने की इसकी क्षमता में निहित है जो सुलभ और मात्रात्मक दोनों है। पिछले मॉडलों के विपरीत जो फ्लोरोसेंस या इमेजिंग पर निर्भर थे, जो कि उन अणुओं के आकार द्वारा सीमित हो सकते हैं जिन्हें वे पहचान सकते हैं, यह विधि ऑर्गेनोइड के भीतर वास्तविक रासायनिक मात्रा को मापने के लिए मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करती है। यह बहुत कम मात्रा में दवा का पता लगाने की अनुमति देता है, जिससे उन दवाओं का अध्ययन करना संभव हो जाता है जो अवरोध को आसानी से पार नहीं करती हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह प्रणाली एक "न्यू अप्रोच मेथोडोलॉजी" (नई दृष्टिकोण पद्धति) है, जो पशु परीक्षणों की आवश्यकता को कम करने या बदलने के लिए उपयोग की जाने वाली परीक्षण विधियों के लिए एक शब्द है। यह दिखाकर कि उनका मानव सेल मॉडल वास्तविक दुनिया के परिणामों की बेहतर भविष्यवाणी करता है, यह अध्ययन दवा डेवलपर्स के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, वैज्ञानिक इन मानव ऑर्गेनोइड्स पर संभावित दवाओं की स्क्रीनिंग कर सकते हैं ताकि जल्दी से यह पहचाना जा सके कि कौन सी दवाएं मस्तिष्क तक पहुँचने की संभावना रखती हैं और कौन सी बाधित होंगी, जिससे पशु मॉडलों या गलत कंप्यूटर अनुमानों पर निर्भर किए बिना मस्तिष्क विकारों के लिए नए उपचारों के मार्ग को सुव्यवस्थित किया जा सके।
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