सभी प्रमुख कोशिका प्रकारों के साथ प्रयोगशाला में विकसित मस्तिष्क अगली पीढ़ी के थेरेपी अनुसंधान का समर्थन करते हैं।

एमआईटी शोधकर्ताओं द्वारा विकसित एक नया 3डी मानव मस्तिष्क ऊतक मंच न्यूरॉन्स, ग्लियाल कोशिकाओं और वास्कुलचर सहित सभी प्रमुख मस्तिष्क कोशिका प्रकारों को एक ही संस्कृति में एकीकृत करने वाला पहला है। व्यक्तिगत दाताओं से प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं से विकसित, ये मॉडल – जिन्हें बहुकोशिकीय एकीकृत मस्तिष्क (miBrains) कहा जाता है – मानव मस्तिष्क के ऊतकों की प्रमुख विशेषताओं और कार्यों को दोहराते हैं, जीन संपादन के माध्यम से आसानी से अनुकूलन योग्य हैं, और बड़े पैमाने पर अनुसंधान का समर्थन करने वाली मात्रा में उत्पादित किए जा सकते हैं।

हालाँकि प्रत्येक इकाई एक पैसे से भी छोटी है, miBrains उन शोधकर्ताओं और दवा डेवलपर्स के लिए बहुत उपयोगी हो सकता है, जिन्हें मस्तिष्क जीव विज्ञान को बेहतर ढंग से समझने और बीमारियों का इलाज करने के लिए अधिक जटिल जीवित प्रयोगशाला मॉडल की आवश्यकता होती है।

“माइब्रेन एकमात्र इन विट्रो प्रणाली है जिसमें मानव मस्तिष्क में मौजूद सभी छह प्रमुख कोशिका प्रकार शामिल हैं,” द पिकोवर प्रोफेसर ऑफ लर्निंग एंड मेमोरी के निदेशक और मिब्रेन का वर्णन करने वाले अध्ययन के वरिष्ठ लेखक ली-ह्यूई त्साई ने कहा, जो कि में प्रकाशित हुआ है। राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही।

उन्होंने आगे कहा, “अपने पहले एप्लिकेशन में, miBrains ने हमें यह पता लगाने में सक्षम बनाया कि अल्जाइमर रोग के लिए सबसे आम आनुवंशिक मार्करों में से एक कैसे कोशिकाओं की परस्पर क्रिया को बदलकर विकृति उत्पन्न करता है।”

त्साई के सह-वरिष्ठ लेखक रॉबर्ट लैंगर, डेविड एच. कोच (1962) इंस्टीट्यूट प्रोफेसर, और जोएल ब्लैंचर्ड, न्यूयॉर्क में माउंट सिनाई में इकान स्कूल ऑफ मेडिसिन में एसोसिएट प्रोफेसर और पूर्व त्साई प्रयोगशाला पोस्टडॉक हैं। इस अध्ययन का नेतृत्व लैंगर और त्साई प्रयोगशालाओं में पूर्व पोस्टडॉक और अब हार्वर्ड मेडिकल स्कूल और मैसाचुसेट्स जनरल अस्पताल में सहायक प्रोफेसर एलिस स्टैंटन और पूर्व त्साई प्रयोगशाला एडेल बुबनीस ने किया है। आर्बर बायोटेक्नोलॉजीज में पोस्टडॉक और वर्तमान वरिष्ठ वैज्ञानिक।

दो प्रकार के मॉडल से लाभ

जितना अधिक बारीकी से एक मॉडल मस्तिष्क की जटिलता को दोहराता है, उतना ही बेहतर यह एक्सट्रपलेशन के लिए उपयुक्त होता है कि मानव जीव विज्ञान कैसे काम करता है और संभावित उपचार रोगियों को कैसे प्रभावित कर सकते हैं। मस्तिष्क में, न्यूरॉन्स एक दूसरे के साथ और विभिन्न सहायक कोशिकाओं के साथ बातचीत करते हैं, जो सभी त्रि-आयामी ऊतक वातावरण में व्यवस्थित होते हैं जिसमें रक्त वाहिकाएं और अन्य घटक शामिल होते हैं। ये सभी अंतःक्रियाएँ स्वास्थ्य के लिए आवश्यक हैं और इनमें से कोई भी बीमारी में योगदान दे सकता है।

केवल एक या कुछ कोशिका प्रकारों की सरल संस्कृतियाँ अपेक्षाकृत आसानी से और जल्दी से मात्रा में बनाई जा सकती हैं, लेकिन वे शोधकर्ताओं को उन असंख्य अंतःक्रियाओं के बारे में नहीं बता सकते हैं जो स्वास्थ्य या बीमारी को समझने के लिए आवश्यक हैं। पशु मॉडल मस्तिष्क की जटिलता को दर्शाते हैं, लेकिन बनाए रखना कठिन और महंगा हो सकता है, परिणाम देने में धीमा हो सकता है, और कभी-कभी भिन्न परिणाम देने के लिए मनुष्यों से काफी भिन्न हो सकता है।

miBrains प्रत्येक प्रकार के मॉडल के लाभों को संयोजित करता है, प्रयोगशाला-संवर्धित सेल लाइनों की पहुंच और गति को बनाए रखता है, जबकि शोधकर्ताओं को ऐसे परिणाम प्राप्त करने की अनुमति देता है जो जटिल को अधिक बारीकी से दर्शाते हैं। मानव मस्तिष्क के ऊतकों का जीव विज्ञान। इसके अलावा, वे व्यक्तिगत रोगियों से प्राप्त होते हैं, जिससे वे किसी व्यक्ति के जीनोम के लिए वैयक्तिकृत हो जाते हैं। मॉडल में, छह प्रकार की कोशिकाएं कार्यशील इकाइयों में स्व-इकट्ठी हो जाती हैं, जिनमें रक्त वाहिकाएं, प्रतिरक्षा सुरक्षा और तंत्रिका संकेत चालन सहित अन्य विशेषताएं शामिल हैं। शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित किया कि miBrains में एक रक्त-मस्तिष्क-अवरोधक भी मौजूद है जो कि अधिकांश पारंपरिक दवाओं सहित मस्तिष्क में प्रवेश करने वाले पदार्थों की निगरानी करने में सक्षम है।

लैंगर ने कहा, “एक वैज्ञानिक उपलब्धि के रूप में miBrain बहुत रोमांचक है।” “दवा विकास में पशु मॉडल के उपयोग को कम करने की दिशा में हालिया रुझान इस तरह की प्रणालियों को नए मानव दवा लक्ष्यों की खोज और विकास के लिए तेजी से महत्वपूर्ण उपकरण बना सकते हैं।”

कार्यात्मक मस्तिष्क मॉडल के लिए दो आदर्श मिश्रण

इतने सारे सेल प्रकारों को एकीकृत करने वाले एक मॉडल को डिजाइन करने से ऐसी चुनौतियाँ सामने आईं जिन्हें दूर करने में कई वर्षों की आवश्यकता थी। सबसे महत्वपूर्ण में से एक सब्सट्रेट की पहचान करना था जो कोशिकाओं के लिए भौतिक संरचना प्रदान करने और उनकी व्यवहार्यता का समर्थन करने में सक्षम हो। अनुसंधान दल ने प्राकृतिक ऊतक, बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (ईसीएम) में कोशिकाओं को घेरने वाले वातावरण से प्रेरणा ली। MiBrain का हाइड्रोजेल-आधारित “न्यूरोमैट्रिक्स” पॉलीसेकेराइड, प्रोटीयोग्लाइकेन्स और बेसमेंट झिल्ली के एक कस्टम मिश्रण के साथ मस्तिष्क के ईसीएम की नकल करता है जो मस्तिष्क की सभी प्रमुख कोशिकाओं के लिए एक मचान प्रदान करता है। कार्यात्मक न्यूरॉन्स के विकास को बढ़ावा देते हुए प्रकार।

एक दूसरा मिश्रण भी महत्वपूर्ण साबित होगा: कोशिकाओं का अनुपात जिसके परिणामस्वरूप कार्यात्मक न्यूरोवास्कुलर इकाइयाँ होंगी। कोशिका प्रकारों का वास्तविक अनुपात पिछले कई दशकों से बहस का विषय रहा है, यहां तक ​​कि अधिक उन्नत पद्धतियां भी मार्गदर्शन के लिए केवल मोटे ब्रशस्ट्रोक प्रदान करती हैं, उदाहरण के लिए सभी कोशिकाओं के ऑलिगोडेंड्रोग्लिया के लिए 45-75% या एस्ट्रोसाइट्स के लिए 19-40%।

शोधकर्ताओं ने रोगी द्वारा दान की गई प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं से छह प्रकार की कोशिकाएँ विकसित कीं, यह सत्यापित करते हुए कि प्रत्येक सुसंस्कृत कोशिका प्रकार ने प्राकृतिक रूप से उत्पन्न होने वाली मस्तिष्क कोशिकाओं को बारीकी से बनाया है। फिर, टीम ने प्रयोगात्मक रूप से तब तक दोहराया जब तक कि वे कोशिका प्रकारों के संतुलन पर नहीं पहुंच गए, जिसके परिणामस्वरूप कार्यात्मक, उचित रूप से संरचित न्यूरोवास्कुलर इकाइयां बन गईं। यह श्रमसाध्य प्रक्रिया miBrains की एक लाभप्रद विशेषता साबित होगी: क्योंकि कोशिका प्रकारों को अलग-अलग संवर्धित किया जाता है, उनमें से प्रत्येक को आनुवंशिक रूप से संपादित किया जा सकता है ताकि परिणामी मॉडल विशिष्ट स्वास्थ्य और रोग स्थितियों को दोहराने के लिए तैयार किया जा सके।

स्टैंटन ने कहा, “इसका अत्यधिक मॉड्यूलर डिज़ाइन miBrain को अलग करता है, जो सेलुलर इनपुट, आनुवंशिक पृष्ठभूमि और सेंसर पर सटीक नियंत्रण प्रदान करता है – रोग मॉडलिंग और दवा परीक्षण जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी सुविधाएँ।”

miBrain का उपयोग करके अल्जाइमर की खोज

miBrain की क्षमताओं का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने जीन वैरिएंट APOE4 का अध्ययन शुरू किया, जो अल्जाइमर रोग के विकास के लिए सबसे मजबूत आनुवंशिक भविष्यवक्ता है। यद्यपि एक मस्तिष्क कोशिका प्रकार, एस्ट्रोसाइट्स, एपीओई प्रोटीन के प्राथमिक उत्पादक के रूप में जाना जाता है, रोग विकृति विज्ञान में एपीओई4 प्रकार के एस्ट्रोसाइट्स की भूमिका को कम समझा जाता है।

miBrains दो कारणों से इस कार्य के लिए उपयुक्त था। सबसे पहले, वे एस्ट्रोसाइट्स को मस्तिष्क की अन्य कोशिका प्रकारों के साथ एकीकृत करते हैं, ताकि अन्य कोशिकाओं के साथ उनकी प्राकृतिक बातचीत की नकल की जा सके। दूसरा, क्योंकि प्लेटफ़ॉर्म ने टीम को सेल प्रकारों को व्यक्तिगत रूप से एकीकृत करने की अनुमति दी, APOE4 एस्ट्रोसाइट्स का अध्ययन उन संस्कृतियों में किया जा सकता है जहां अन्य सभी सेल प्रकारों में APOE3 होता है, एक जीन संस्करण जो अल्जाइमर के जोखिम को नहीं बढ़ाता है। इसने शोधकर्ताओं को पैथोलॉजी में एपीओई4 एस्ट्रोसाइट्स के योगदान को अलग करने में सक्षम बनाया।

एक प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने अकेले संवर्धित APOE4 एस्ट्रोसाइट्स की जांच की, बनाम APOE4 miBrains में। उन्होंने पाया कि केवल miBrains में एस्ट्रोसाइट्स ने अल्जाइमर रोग से जुड़ी प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के कई उपाय व्यक्त किए, जिससे पता चलता है कि बहुकोशिकीय वातावरण उस स्थिति में योगदान देता है।

शोधकर्ताओं ने अल्जाइमर से जुड़े प्रोटीन अमाइलॉइड और फॉस्फोराइलेटेड ताऊ को भी ट्रैक किया, और पाया कि सभी-एपीओई4 miBrains ने उन्हें जमा किया, जबकि सभी-APOE3 miBrains ने उम्मीद के मुताबिक ऐसा नहीं किया। हालाँकि, APOE4 एस्ट्रोसाइट्स के साथ APOE3 miBrains में, उन्होंने पाया कि APOE4 miBrains अभी भी अमाइलॉइड और ताऊ संचय प्रदर्शित करता है।

फिर टीम ने गहराई से पता लगाया कि कैसे APOE4 एस्ट्रोसाइट्स की अन्य कोशिका प्रकारों के साथ बातचीत से रोग विकृति में उनका योगदान हो सकता है। पहले के अध्ययनों में मस्तिष्क की माइक्रोग्लिया प्रतिरक्षा कोशिकाओं के साथ आणविक क्रॉस-टॉक को शामिल किया गया है। विशेष रूप से, जब शोधकर्ताओं ने माइक्रोग्लिया के बिना APOE4 miBrains का संवर्धन किया, तो उनके फॉस्फोराइलेटेड टाउ का उत्पादन काफी कम हो गया था। जब शोधकर्ताओं ने APOE4 miBrains को एस्ट्रोसाइट्स और माइक्रोग्लिया के कल्चर मीडिया के साथ संयुक्त रूप से खुराक दी, तो फॉस्फोराइलेटेड ताऊ में वृद्धि हुई, जबकि जब उन्होंने उन्हें एस्ट्रोसाइट्स या माइक्रोग्लिया के कल्चर मीडिया के साथ खुराक दी। अकेले, टाउ उत्पादन में वृद्धि नहीं हुई। इसलिए परिणामों ने नए साक्ष्य प्रदान किए कि माइक्रोग्लिया और एस्ट्रोसाइट्स के बीच आणविक क्रॉस-टॉक वास्तव में फॉस्फोराइलेटेड ताऊ पैथोलॉजी के लिए आवश्यक है।

भविष्य में, अनुसंधान टीम काम करने वाले मस्तिष्क की विशेषताओं को अधिक बारीकी से मॉडल करने के लिए miBrains में नई सुविधाएँ जोड़ने की योजना बना रही है, जैसे कि रक्त वाहिकाओं या एकल कोशिका आरएनए के माध्यम से प्रवाह जोड़ने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक्स का लाभ उठाना। न्यूरॉन्स की प्रोफाइलिंग में सुधार के लिए अनुक्रमण विधियाँ।

शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि miBrains अल्जाइमर रोग और उससे आगे के लिए अनुसंधान खोजों और उपचार के तौर-तरीकों को आगे बढ़ा सकता है।

स्टैंटन ने कहा, “इसकी परिष्कार और प्रतिरूपकता को देखते हुए, भविष्य की दिशाएँ असीमित हैं।” “उनमें से, हम रोग लक्ष्यों में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त करने, चिकित्सीय प्रभावकारिता के उन्नत रीडआउट और दवा वितरण वाहनों के अनुकूलन के लिए इसका उपयोग करना चाहेंगे।”

त्साई ने कहा, “मैं अलग-अलग व्यक्तियों के लिए वैयक्तिकृत miBrains बनाने की संभावना से सबसे ज्यादा उत्साहित हूं।” “यह व्यक्तिगत चिकित्सा के विकास का मार्ग प्रशस्त करने का वादा करता है।”