Computational Design of a Multi-Epitope Merkel Cell Polyomavirus Vaccine

त्वचा का कैंसर कई रूपों में आता है, लेकिन एक प्रकार अपनी गति और गंभीरता के कारण अलग दिखता है। मर्केल सेल कार्सिनोमा (Merkel cell carcinoma) एक दुर्लभ और आक्रामक ट्यूमर है जो अक्सर वृद्ध वयस्कों या कमजोर प्रतिरक्षा प्रणाली वाले लोगों को प्रभावित करता है। कुछ कैंसरों के विपरीत जो धीरे-धीरे बढ़ते हैं, यह तेजी से फैल सकता है, जिससे यह कई मामलों में मेलानोमा की तुलना में अधिक खतरनाक हो जाता है। वैज्ञानिकों ने खोजा है कि मर्केल सेल पॉलीओमावायरस (Merkel cell polyomavirus) नामक एक वायरस इन अधिकांश ट्यूमर का कारण बनने के लिए जिम्मेदार है। यह वायरस कैंसर कोशिकाओं के भीतर छिप जाता है, और इसकी उपस्थिति इस बीमारी का एक प्रमुख चालक है। वर्तमान में, इस वायरस को रोकने के लिए या इसके परिणामस्वरूप होने वाले कैंसर के इलाज के लिए कोई स्वीकृत टीका उपलब्ध नहीं है, जिससे बीमारी पकड़ बनाने के बाद डॉक्टरों के पास सीमित विकल्प रह जाते हैं।

एक वायरस से लड़ने के लिए, मानव प्रतिरक्षा प्रणाली एक परिष्कृत पहचान प्रणाली पर निर्भर करती है। यह पूरे वायरस पर एक साथ हमला नहीं करती है; इसके बजाय, यह वायरल प्रोटीन के छोटे, विशिष्ट टुकड़ों की तलाश करती है, जिन्हें एपिटोप्स (epitopes) कहा जाता है। इन एपिटोप्स को प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा पहचाने जाने वाले और याद रखे जाने वाले अद्वितीय फिंगरप्रिंट्स के रूप में समझें। एक बार जब शरीर इन फिंगरप्रिंट्स को पहचान लेता है, तो यह एक रक्षा तंत्र बना सकता है, जिससे एंटीबॉडी और विशेष कोशिकाएं तैयार होती हैं जो उस विशिष्ट निशान को ले जाने वाली किसी भी चीज़ का शिकार करती हैं। चूंकि ये फिंगरप्रिंट इतने छोटे होते हैं, इसलिए वैज्ञानिक सैद्धांतिक रूप से एक ऐसा टीका डिजाइन कर सकते हैं जिसमें पूरे वायरस के बजाय केवल ये विशिष्ट हिस्से हों। यह दृष्टिकोण पारंपरिक टीकों की तुलना में अधिक सुरक्षित और बनाने में आसान है, क्योंकि यह शरीर में वास्तविक रोगजनक (pathogen) को पेश करने से बचता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, ताअरुन गणेश (Taarun Ganesh) नामक एक शोधकर्ता ने मर्केल सेल कार्सिनोमा के लिए ऐसा ही एक टीका डिजाइन करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर टूल्स का उपयोग किया। लक्ष्य एक एकल, कस्टम-मेड अणु (molecule) बनाना था जो प्रतिरक्षा प्रणाली को वायरस को पहचानने और उसे कैंसर का कारण बनने से पहले नष्ट करने के लिए प्रशिक्षित कर सके। इस प्रक्रिया की शुरुआत वायरस के सबसे महत्वपूर्ण हिस्सों के जेनेटिक ब्लूप्रिंट इकट्ठा करने से हुई। शोधकर्ता ने तीन विशिष्ट वायरल प्रोटीनों पर ध्यान केंद्रित किया: एक जो वायरस के बाहरी कवच का निर्माण करता है और दो अन्य जो कैंसर कोशिकाओं को जीवित रखने के लिए इंजन के रूप में कार्य करते हैं। ज्ञात प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं के एक डेटाबेस का उपयोग करते हुए, कंप्यूटर ने इन प्रोटीनों को स्कैन करके सर्वोत्तम संभावित फिंगरप्रिंट्स की तलाश की। इसने उन टुकड़ों की खोज की जो एक मजबूत रक्षा को प्रेरित करेंगे और साथ ही यह सुनिश्चित करेंगे कि वे सुरक्षित हों, जिसका अर्थ है कि वे एलर्जी की प्रतिक्रिया न करें, शरीर को विषाक्त न करें, या अनजाने में स्वस्थ मानव कोशिकाओं पर हमला न करें।

हजारों सिमुलेशन चलाने के बाद, कंप्यूटर ने सबसे आशाजनक बाईस (22) फिंगरप्रिंट्स का चयन किया। इनमें वे टुकड़े शामिल थे जो शरीर के एंटीबॉडी बनाने वाले तंत्र को सक्रिय करेंगे, साथ ही वे टुकड़े भी थे जो दो प्रकार के प्रतिरक्षा सैनिकों को सक्रिय करेंगे: वे जो संक्रमित कोशिकाओं का शिकार करते हैं और वे जो समग्र हमले का समन्वय करते हैं। इन बाईस टुकड़ों को एक साथ काम करने के लिए, शोधकर्ता ने उन्हें एक एकल श्रृंखला में जोड़ा, जैसे धागे में पिरोए गए मोती। इन मोतियों के बीच विशेष कनेक्टर्स रखे गए ताकि वे अलग रहें और प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा आसानी से पहचाने जा सकें। शरीर की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को बढ़ाने के लिए श्रृंखला की शुरुआत में एक सार्वभौमिक सहायक हिस्सा (universal helper piece) जोड़ा गया, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि शरीर नए टीके पर पूरा ध्यान दे। अंतिम परिणाम एक एकल प्रोटीन अणु था जिसका वजन 43.009 किलोडालटन (kilodaltons) था, जो बैक्टीरिया का उपयोग करके प्रयोगशाला में निर्माण करने के लिए उपयुक्त आकार का है।

अगला कदम यह देखना था कि क्या यह नया अणु वास्तव में काम करेगा। शोधकर्ता ने यह अनुमान लगाने के लिए कि यह टीका मानव शरीर के भीतर कैसे व्यवहार करेगा, कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया। सबसे पहले, मॉडल ने यह जांचा कि क्या अणु स्थिर और घुलनशील है, यानी क्या यह आपस में गुच्छे बनाने के बजाय पानी में ठीक से घुल जाएगा। परिणाम उत्साहजनक थे: अणु के घुलनशील होने की भविष्यवाणी की गई थी और इसका रासायनिक प्रोफाइल यह सुझाव देता था कि इसे बड़ी मात्रा में उत्पादित किया जा सकता है। शोधकर्ता ने यह सिम्युलेट किया कि टीका प्रतिरक्षा प्रणाली के सेंसरों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेगा। कंप्यूटर ने दिखाया कि टीका संभवतः प्रतिरक्षा कोशिकाओं पर एक विशिष्ट रिसेप्टर से जुड़ सकता है, जो शरीर की रक्षा प्रणाली को जगाने का पहला चरण है।

यह देखने के लिए कि समय के साथ क्या होगा, शोधकर्ता ने टीके की तीन खुराकों के प्रति प्रतिरक्षा प्रणाली की प्रतिक्रिया का विस्तृत सिमुलेशन चलाया। कंप्यूटर ने भविष्यवाणी की कि इंजेक्शन के बाद, शरीर में एंटीबॉडी की एक महत्वपूर्ण मात्रा उत्पन्न होगी। ये एंटीबॉडी प्रत्येक खुराक के साथ बढ़ेंगी और उच्च बनी रहेंगी, जो एक मजबूत और स्थायी सुरक्षा का सुझाव देती हैं। सिमुलेशन ने हीलपर इम्यून सेल्स (helper immune cells) में वृद्धि भी दिखाई, जो हमले को व्यवस्थित करने और भविष्य के लिए वायरस को याद रखने के लिए महत्वपूर्ण हैं। हालांकि, सिमुलेशन ने एक सीमा भी उजागर की। जबकि हीलपर सेल्स और एंटीबॉडी ने अच्छी प्रतिक्रिया दी, संक्रमित कोशिकाओं को सीधे मारने वाले विशिष्ट सैनिकों में एक मजबूत, स्थायी वृद्धि नहीं देखी गई। यह सुझाव देता है कि हालांकि टीका शरीर को वायरस को पहचानने के लिए प्रशिक्षित करने में अच्छा हो सकता है, लेकिन स्थापित कैंसर से लड़ने के लिए आवश्यक 'किलिंग फोर्स' को पूरी तरह से सक्रिय करने के लिए इसमें और समायोजन की आवश्यकता हो सकती है।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि यह कंप्यूटर-डिजाइन किया गया टीका एक आशाजनक शुरुआती बिंदु है। इसने सफलतापूर्वक वायरस के सर्वोत्तम हिस्सों को एक एकल, सुरक्षित दिखने वाले अणु में संयोजित किया जो एक मजबूत प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को प्रेरित कर सकता है। डिजाइन को प्रयोगशाला में आसानी से बनाने के लिए अनुकूलित किया गया था, और सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि यह एंटीबॉडी उत्पन्न करने में स्थिर और प्रभावी होगा। फिर भी, शोधकर्ता ने सावधानी बरतते हुए नोट किया कि ये परिणाम केवल कंप्यूटर मॉडल की दुनिया में मौजूद हैं। इस अणु को अभी तक लैब में बनाया नहीं गया है, न ही जानवरों या मनुष्यों पर इसका परीक्षण किया गया है। सिमुलेशन ने यह भी रेखांकित किया कि टीका अतिरिक्त सहायता के बिना कैंसर कोशिकाओं को मारने के लिए अपने आप में पर्याप्त मजबूत नहीं हो सकता है। यह कार्य एक महत्वपूर्ण पहला कदम है, जो एक जटिल चिकित्सा समस्या को एक ठोस डिजाइन में बदल देता है जिसे अब वास्तविक दुनिया में परीक्षण किया जा सकता है ताकि देखा जा सके कि क्या यह वास्तव में इस आक्रामक बीमारी से सुरक्षा प्रदान कर सकता है।