हमारे शरीर का हर जीवित अंग और ऊतक, खून पहुंचाने वाले एक जटिल नेटवर्क पर निर्भर करता है। ये नेटवर्क रक्त वाहिकाओं (blood vessels) से बना है, जिसमें धमनियां (arteries) और नसें (veins) शामिल हैं, साथ ही केशिकाएं (capillaries) भी, जो इतनी पतली होती हैं कि एक बाल से भी महीन। जब वैज्ञानिक क्षतिग्रस्त या रोगग्रस्त अंगों को बदलने के लिए कृत्रिम अंग और ऊतक बनाने की कोशिश करते हैं, तो उन्हें अक्सर रक्त वाहिकाओं के ऐसे सटीक नेटवर्क बनाने में दिक्कत आती है। इन नेटवर्क के बिना, कोई भी कृत्रिम ऊतक, चाहे वह कितना भी असली क्यों न लगे, शरीर में काम नहीं कर सकता क्योंकि उसे पोषक तत्व नहीं मिल पाते हैं।
अब, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT) के इंजीनियरों ने कृत्रिम रक्त वाहिकाओं को नियंत्रित तरीके से उगाने का एक नया और सटीक तरीका खोजा है। उन्होंने पाया है कि वाहिकाओं को यांत्रिक रूप से खींचकर उनके विकास को प्रेरित और निर्देशित किया जा सकता है। यह खोज भविष्य में कृत्रिम अंगों और ऊतकों के निर्माण में क्रांति ला सकती है।
“चिप पर रक्त वाहिका” का अनोखा प्रयोग
टीम ने एक खास “चिप पर मानव रक्त वाहिका” (human “blood vessel on a chip”) तैयार की। इसमें मानव एंडोथेलियल कोशिकाओं (human endothelial cells) से बनी एक केंद्रीय धमनी थी, जिसे एक जेल में धंसाया गया था। इस जेल के अंदर एक छोटा चुंबक भी था। वैज्ञानिकों ने यह देखने के लिए अध्ययन किया कि जब वे जेल को एक बाहरी चुंबक का उपयोग करके आगे-पीछे हिलाते थे, तो मुख्य धमनी कैसे प्रतिक्रिया करती थी।
उन्होंने पाया कि धमनी को बार-बार हिलाने की इस साधारण यांत्रिक क्रिया ने धमनी को और भी छोटी केशिकाएं (capillaries) निकालने के लिए उत्तेजित किया। धमनी को हिलाने या खींचने की दिशा बदलकर, शोधकर्ता नई उगने वाली वाहिकाओं की दिशा भी बदल सकते थे। और धमनी को अलग-अलग डिग्री तक खींचने से यह भी प्रभावित हुआ कि कितनी अधिक नई वाहिकाएं निकलीं।
उनके ये नतीजे प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज में प्रकाशित हुए हैं। ये वैज्ञानिकों को कृत्रिम रक्त वाहिकाओं को बनाने और उनके बढ़ने के पैटर्न को प्रोग्राम करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं।
MIT में मैकेनिकल इंजीनियरिंग की एसोसिएट प्रोफेसर और इस अध्ययन की सह-प्रमुख लेखिका ऋतु रमन कहती हैं, “स्वस्थ ऊतक (tissues) व्यवस्थित रक्त वाहिका नेटवर्क पर निर्भर करते हैं, लेकिन वर्तमान तकनीकें इंजीनियर किए गए ऊतकों के भीतर ऐसे नेटवर्क बनाने में सक्षम नहीं हैं। भौतिक संकेतों के साथ रक्त वाहिका के विकास को प्रोग्राम करने की क्षमता, इंजीनियर किए गए ऊतकों के भरोसेमंद और बड़े पैमाने पर उत्पादन को सक्षम कर सकती है, जिन्हें गंभीर बीमारी या चोट के बाद कार्यक्षमता बहाल करने के लिए शरीर में प्रत्यारोपित किया जा सकता है।”
अंगों के निर्माण में रक्त वाहिकाओं की चुनौती
ऊतक इंजीनियर कोशिकाओं से जीवित अंगों और ऊतकों को विकसित करने के तरीके खोज रहे हैं, जिसका लक्ष्य शरीर में रोगग्रस्त और क्षतिग्रस्त हिस्सों को बदलना है। वैज्ञानिकों ने सफलतापूर्वक कृत्रिम मांसपेशियां, लीवर, किडनी, त्वचा और अन्य ऊतक उगाए हैं। लेकिन रक्त वाहिकाओं के सटीक पैटर्न वाले नेटवर्क को बनाने का कोई विश्वसनीय तरीका नहीं था, जिनमें से कुछ तो मानव बाल से भी महीन हो सकती हैं।
रक्त वाहिकाओं को पारंपरिक उत्पादन तकनीकों का उपयोग करके उगाना और नियंत्रित करना मुश्किल है। जबकि 3D प्रिंटर बड़ी धमनियों और नसों के पैमाने पर वाहिकाएं बना सकते हैं, यह तकनीक बहुत महीन, धागे जैसी केशिकाओं के जटिल नेटवर्क को प्रिंट करने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं है। वैज्ञानिकों को पोषक तत्वों और विकास कारकों से भरी पेट्री डिश में व्यक्तिगत कोशिकाओं से रक्त वाहिकाएं उगाने में कुछ सफलता मिली है। लेकिन वे कैसे और कहाँ बढ़ती हैं, इसे नियंत्रित करना अभी भी एक चुनौती है।
रमन कहती हैं, “आप वाहिकाओं को कहाँ विकसित करना है, इसे निर्देशित करने के लिए रासायनिक संकेत, जैसे विकास कारक, का पैटर्न बनाने की कोशिश कर सकते हैं, लेकिन आप इसे बहुत सटीक रूप से नहीं कर सकते हैं।” “इसलिए हमें अन्य प्रकार के पैटर्न योग्य संकेतों की आवश्यकता है जो हमें व्यवस्थित वाहिकाओं के साथ ऊतक बनाने में मदद कर सकें।”
यांत्रिक “व्यायाम” से मिलता है फायदा
रमन और उनके छात्रों ने सोचा कि क्या वे एक ऐसे तरीके का उपयोग करके नई रक्त वाहिकाओं को विकसित और नियंत्रित कर सकते हैं जिसे उन्होंने पहले कृत्रिम मांसपेशियां और नसें विकसित करने के लिए तैयार किया था। उनके पिछले कार्यों में, टीम ने एक छोटी चिप बनाई थी जिसमें एक जेल भरा था, जिसे उन्होंने पोषक तत्वों और विकास कारकों से भर दिया था। उन्होंने जेल के भीतर एक छोटा चुंबक धंसाया, और फिर जेल की सतह को जीवित मांसपेशी या न्यूरॉन कोशिकाओं से ढँक दिया। इसके बाद उन्होंने एम्बेडेड चुंबक, और कोशिका-ढँके जेल को आगे-पीछे खींचने के लिए एक बाहरी चुंबक को नियंत्रित किया। इस काम से पता चला कि यांत्रिक “व्यायाम”, यानी कोशिकाओं को आगे-पीछे खींचना, सीधे तौर पर प्रभावित करता है कि कोशिकाएं कैसे बढ़ती हैं।
अपने नए काम में, टीम ने यह देखने के लिए एक समान सेटअप का उपयोग किया कि क्या वे नई रक्त वाहिकाओं को विकसित और नियंत्रित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक “चिप पर रक्त वाहिका” बनाई, जो डाक टिकट से भी छोटी थी, और इसे पोषक तत्वों से भरपूर एक समान जेल से भर दिया जिसमें एक छोटा चुंबक था। उन्होंने जेल के माध्यम से लंबाई में एक पतली नली धंसाई जिससे एक खोखला चैनल बन गया, और चैनल को जीवित एंडोथेलियल कोशिकाओं से लेपित किया, जो शरीर में स्वाभाविक रूप से बढ़ती और जुड़कर रक्त वाहिकाएं बनाती हैं। एक बार जब कोशिकाओं ने चैनल का आकार ले लिया, तो उन्होंने जेल में नई, केशिका जैसी वाहिकाएं निकालना शुरू कर दिया।
डिवाइस को एक मोटराइज्ड स्टेज के नीचे रखा गया जिसमें छोटे, निलंबित चुंबक लगे थे। शोधकर्ताओं ने चुंबकों को अलग-अलग दिशाओं में, और अलग-अलग डिग्री तक आगे-पीछे किया, और देखा कि केंद्रीय धमनी से रक्त वाहिकाएं प्रतिक्रिया में निकलीं या नहीं और कैसे।
रमन कहती हैं, “मुख्य बात यह है: रक्त वाहिका को आगे-पीछे खींचने से नई केशिकाओं की संख्या बढ़ती है।”
अगर मुख्य धमनी को जेल में अकेला छोड़ दिया जाता, तो वह अपनी लंबाई के साथ बेतरतीब स्थानों पर कुछ नई वाहिकाएं उगाती। लेकिन जब धमनी को हिलाया गया, तो काफी अधिक वाहिकाएं निकलीं। जब टीम ने चुंबकों का उपयोग करके जेल को आगे-पीछे 5 प्रतिशत तक खींचा (जेल की कुल चौड़ाई का), तो मुख्य धमनी से कई नई वाहिकाएं निकलीं। जब उन्होंने 15 प्रतिशत तक खींचा, तो कम वाहिकाएं निकलीं, लेकिन जो निकलीं वे लंबी थीं। और जब टीम ने खिंचाव की दिशा बदली, तो नई वाहिकाएं प्रतिक्रिया में उसी दिशा का पालन करने लगीं, टीम की यांत्रिक उत्तेजना के पैटर्न का अनुसरण करती हुई।
रमन कहती हैं, “हमें पता चल रहा है कि हिलना अच्छा है, जो हमारे लैब में हम जो कुछ भी करते हैं उसका हमेशा का निष्कर्ष है।” “यांत्रिक बल हमारे शरीर में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इसका मतलब है कि अगर आप अधिक या कम वाहिकाएं, या छोटी या लंबी वाहिकाएं, या कुछ खास दिशाओं में वाहिकाएं उगाना चाहते हैं, तो अब हमें पता है कि ऐसा कैसे करना है।”
एक ‘द्वारपाल’ जीन: PIEZO1 की भूमिका
शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए एक कदम और आगे बढ़ाया कि रक्त वाहिकाएं यांत्रिक बलों के जवाब में क्यों बढ़ती हैं। ऐसा करने के लिए, उन्होंने जीन एडिटिंग, और एक विशेष जीन: PIEZO1 की भूमिका पर ध्यान दिया।
रमन ने हाल ही में आणविक जीवविज्ञानी आर्डेम पाटापूटियन (Ardem Patapoutian) के एक व्याख्यान में भाग लिया था। 2021 में, पाटापूटियन को कोशिका झिल्ली में आयन चैनलों (ion channels) की खोज के लिए फिजियोलॉजी या मेडिसिन में नोबेल पुरस्कार मिला था, जो यांत्रिक दबाव के जवाब में खुलते और बंद होते हैं। इन चैनलों, जिन्हें PIEZO1 और PIEZO2 नाम दिया गया है, एक कोशिका के द्वारपाल के रूप में कार्य करते हैं, यह नियंत्रित करते हैं कि कोशिका के अंदर क्या जाता है और क्या बाहर आता है। पाटापूटियन ने पाया कि दोनों प्रकार के चैनल अपने संबंधित जीनों, जिन्हें PIEZO1 और PIEZO2 भी कहा जाता है, द्वारा विनियमित होते हैं।
अपने व्याख्यान के बाद, रमन ने पाटापूटियन को अपने समूह के प्रयोगात्मक परिणाम दिखाए, जिसमें रक्त वाहिका के विकास और यांत्रिक उत्तेजना के बीच एक संबंध दिखाया गया था। पाटापूटियन ने बदले में प्रस्तावित किया कि स्पष्टीकरण PIEZO1 चैनल हो सकता है; केंद्रीय धमनी का यांत्रिक रूप से व्यायाम करके, रमन धमनी की कोशिकाओं में आयन चैनलों को खोलने के लिए उत्तेजित कर रही थीं, जिससे नई रक्त वाहिकाओं का विकास शुरू हो गया।
इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, रमन ने PIEZO1 जीन को निष्क्रिय करने की कोशिश की। यदि यह जीन कम सक्रिय होता, और परिणामस्वरूप कम रक्त वाहिकाएं विकसित होतीं, तो इसका मतलब होगा कि रक्त वाहिकाएं वास्तव में यांत्रिक उत्तेजना के जवाब में बढ़ती हैं, और विशेष रूप से, PIEZO1 आयन चैनलों के सक्रियण के माध्यम से।
टीम ने अपने प्रयोगों को दोहराया, इस बार एंडोथेलियल कोशिकाओं के साथ जिन्हें PIEZO1 जीन को दबाने के लिए आनुवंशिक रूप से संपादित किया गया था। निश्चित रूप से, उन्होंने देखा कि काफी कम नई रक्त वाहिकाएं निकलीं, भले ही उन्होंने केंद्रीय धमनी का यांत्रिक रूप से व्यायाम किया हो।
अब जब टीम ने रक्त वाहिका के विकास को विकसित और नियंत्रित करने का एक तरीका खोज लिया है, तो वे कृत्रिम अंगों और ऊतकों को रक्त पहुंचाने के लिए वाहिकाओं के व्यवस्थित नेटवर्क को विकसित करने के लिए इस तरीके को लागू करने की योजना बना रहे हैं। सह-लेखिका जेसिका शाह कहती हैं, “हम अब यह जांच कर रहे हैं कि रक्त वाहिका के विकास को सटीक रूप से पैटर्न करना मांसपेशियों के कार्य में कैसे सुधार कर सकता है।”
संदर्भ और कड़ियां (References & Links)
- मूल समाचार विज्ञप्ति: MIT News
- शोध पत्र: 4D force patterning enables spatial control of angiogenesis (PNAS)
