समय की बात

नए आईएसटीए शोध से पता चलता है कि ऊतक विकास अस्थायी रूप से कैसे व्यवस्थित होता है

जब एक कशेरुकी भ्रूण विकसित होता है, तो कोशिकाओं का एक समूह तंत्रिका ट्यूब में स्व-संगठित हो जाता है, जो अंततः मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी बन जाता है। इसमें विशिष्ट संकेत शामिल हैं, लेकिन विकासशील कोशिकाओं द्वारा इन संकेतों की व्याख्या कैसे की जाती है यह स्पष्ट नहीं है। इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑस्ट्रिया (आईएसटीए) के शोधकर्ताओं की एक टीम के पास अब अधिक अंतर्दृष्टि है – लघु 2डी अंगों और रबरयुक्त सिलिकॉन मोल्डों के लिए धन्यवाद।

एक गहरे जंगल की कल्पना करो. घास, फूल, झाड़ी या पेड़ के प्रत्येक पत्ते का एक अलग आकार और भूमिका होती है। फिर भी वे सभी छत्र के माध्यम से छनकर आने वाली सूर्य की रोशनी की ढाल पर पनपते हैं। मनुष्यों सहित कशेरुकी जंतुओं के ऊतक समान रूप से विकसित होते हैं। अंतर: प्रकाश के बजाय, प्रेरक कारक “मॉर्फोजेन्स” नामक सिग्नलिंग अणु हैं।

इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑस्ट्रिया (आईएसटीए) के शोधकर्ताओं की एक अंतःविषय टीम ने अब विकासशील तंत्रिका ट्यूब-मस्तिष्क-और-रीढ़ की हड्डी-में इन मॉर्फोगेंस में नई अंतर्दृष्टि पाई है। प्रयोगशाला में निर्मित ऑर्गेनोइड्स – लघु ऊतक जो भ्रूण की रीढ़ की हड्डी की नकल करते हैं – का उपयोग करके वैज्ञानिक रीढ़ की हड्डी के विकास के दौरान मॉर्फोजेन सिग्नलिंग गतिशीलता का निरीक्षण और अध्ययन करने में सक्षम थे। संबंधित प्रोटोकॉल और परिणाम प्रकाशित किए जाते हैं स्टार प्रोटोकॉल और विकासात्मक कोशिका क्रमश।

कोशिकाएँ बड़ी संरचनाओं में स्व-संगठित होती हैं

मॉर्फोजेन बढ़ते अंगों में विशिष्ट स्थानों पर उत्पादित होते हैं और ऊतकों के माध्यम से फैलते हैं, जिससे एकाग्रता के ग्रेडिएंट बनते हैं। मोर्फोजन सांद्रता के आधार पर, कोशिकाएं अलग-अलग भूमिका निभाती हैं और कोशिका प्रकारों के स्व-संगठित पैटर्न बनाती हैं जो परिपक्व अंगों की संरचना को रेखांकित करती हैं। ऐसा मामला तब होता है जब विकासशील भ्रूण में स्टेम कोशिकाएं (अग्रगामी कोशिकाएं) तंत्रिका ट्यूब में बदल जाती हैं।

यहां, “बीएमपी” (बोन मॉर्फोजेनेटिक प्रोटीन) और तथाकथित “डब्ल्यूएनटी” जैसे मॉर्फोजेन नए पैटर्न बनाने के लिए प्रेरक संकेत हैं। अन्ना किचेवा बताते हैं, “कैसे ये मॉर्फोजेन बढ़ते ऊतकों में सिग्नलिंग ग्रेडिएंट बनाते हैं, यह बहुत कम समझा जाता है।” “उनके बारे में और अधिक जानकारी प्राप्त करना – और मॉर्फोजेन उत्पादन को कैसे नियंत्रित किया जाता है – यह समझने का एक महत्वपूर्ण पहलू है कि संपूर्ण ऊतक कैसे विकसित होता है।”

किचेवा के समूह में पीएचडी उम्मीदवार स्टेफनी लेहर ने इस प्रश्न का उत्तर दिया। लेहर बताते हैं, “भ्रूण में न्यूरल ट्यूब विकास प्रक्रिया का अध्ययन करना मुश्किल है क्योंकि किसी को विशिष्ट स्थानों पर विशिष्ट समय पर ऊतक में हेरफेर करने की आवश्यकता होती है।”

विशेषज्ञता साझा करना

“सबसे पहले, हमने रीढ़ की हड्डी की कोशिकाओं के अग्रदूत तैयार किए और बीएमपी के साथ उनका इलाज किया,” लेहर आगे कहते हैं। “हमारे आश्चर्य की बात है, बीएमपी जोड़ने के बाद, कोशिकाएं पृष्ठीय रीढ़ की हड्डी के सभी विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में बदल गईं और खूबसूरती से खुद को एक क्रमबद्ध पैटर्न में व्यवस्थित कर लिया। यह पैटर्न भी वास्तविक ऊतक की तरह, समय के साथ एक विशिष्ट तरीके से बदल गया। ” लेकिन ऐसा कैसे हुआ 'इसके पीछे क्या तंत्र है' “एक बार जब हमने इसे देखा, तो हम इस घटना का अध्ययन करने के लिए एक मात्रात्मक तरीका स्थापित करना चाहते थे,” वह आगे कहती हैं। ऐसा करने के लिए, दो चीजों की आवश्यकता थी: एक कृत्रिम परिवेशीय (जीवित जीव के बाहर; पेट्री डिश में) दृष्टिकोण जो प्रयोगात्मक अवलोकन को आसान और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बनाता है, और ऐसी जटिल प्रणाली का विश्लेषण करने के लिए सैद्धांतिक विशेषज्ञता बनाता है। उत्तरार्द्ध ISTA सहयोगियों एडौर्ड हनेज़ो और डेविड ब्रुकनर द्वारा प्रदान किया गया था, जो सैद्धांतिक दृष्टिकोण से स्व-संगठन और विकास का अध्ययन करते हैं। के लिए कृत्रिम परिवेशीय दृष्टिकोण, लेहर और सहकर्मियों ने आईएसटीए की नैनोफैब्रिकेशन सुविधा (एनएफएफ) के एक स्टाफ वैज्ञानिक जैक मेरिन के साथ सहयोग किया।

लचीले पिंजरे में लघु 2डी अंग

वैज्ञानिकों ने ऑर्गेनॉइड्स का उत्पादन करने का विकल्प चुना। ऑर्गेनॉइड्स पेट्री डिश में उत्पादित अंगों के सरलीकृत संस्करण हैं जिनकी जीव में उनके समकक्षों के समान ही प्रमुख विशेषताएं होती हैं। वास्तविक न्यूरल ट्यूब के समान कोशिका प्रकार के संगठन के साथ स्टेम कोशिकाओं को ऑर्गेनोइड में पुन: उत्पादित करने के लिए, ज्यामितीय बाधाएं आवश्यक थीं। लेहर कहते हैं, “पेट्री डिश में पारंपरिक माइक्रो-पैटर्निंग हमारे लिए कोई विकल्प नहीं था, क्योंकि हम जो सेल प्रकार उत्पन्न कर रहे हैं वे गतिशील हैं और तेजी से बढ़ रहे हैं।”

जैक मेरिन के साथ मिलकर वैज्ञानिकों ने एक स्टैंसिल प्रणाली विकसित की। उन्होंने फोटोलिथोग्राफी का उपयोग किया – एक ऐसी प्रणाली जो एक साँचे को बनाने के लिए सब्सट्रेट पर एक पैटर्न बनाने के लिए प्रकाश का उपयोग करती है। इस साँचे का उपयोग तब छोटे छेद वाली स्टेंसिल, रबरयुक्त सिलिकॉन शीट बनाने के लिए किया जाता था। एक बार पेट्री डिश पर रखे जाने पर, पूर्ववर्ती कोशिकाओं को छिद्रों के भीतर संवर्धित किया जाता है, जिससे ऑर्गेनॉइड बनते हैं। फिर कॉलोनी के विकास, कोशिका संचलन और तंत्रिका ट्यूब के विकास की अनुमति देने के लिए स्टेंसिल को हटा दिया जाता है, जो भ्रूण में प्राकृतिक स्थितियों की बारीकी से नकल करता है।

किचेवा उत्साहपूर्वक कहते हैं, “यह विधि हमें ऑर्गेनॉइड का उपयोग करके मात्रात्मक तरीके से ऊतक विकास और पैटर्न निर्माण का अध्ययन करने का एक रोमांचक अवसर देती है।”

प्रकट होना और गायब होना

स्टैंसिल दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने स्व-संगठन में बीएमपी की भूमिका की बारीकी से जांच करना जारी रखा। वैज्ञानिकों ने देखा कि शुरुआत से ही ऑर्गेनॉइड में एक बीएमपी मॉर्फोजेन सिग्नलिंग ग्रेडिएंट है। दिलचस्प बात यह है कि यह ढाल तेज़ी से उभरती है, फिर ख़त्म हो जाती है, और फिर से प्रकट होती है। भ्रूण में भी इसी तरह की गतिशीलता होने की संभावना है।

हनेज़ो और ब्रुकनर ने अंतर्निहित तंत्र को जानने में मदद के लिए एक गणितीय मॉडल तैयार किया। प्रायोगिक सत्यापन के साथ संयुक्त सैद्धांतिक विश्लेषण से पता चला कि यह व्यवहार अलग-अलग समय के पैमाने पर संचालित होने वाले परस्पर जुड़े नकारात्मक और सकारात्मक फीडबैक लूप द्वारा संचालित होता है।

प्रारंभ में, कोशिकाएं, विशेष रूप से परिधि पर, बीएमपी के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती हैं और एक सिग्नलिंग ग्रेडिएंट स्थापित होता है। यह प्रारंभिक ढाल, एक ओर, अवरोधकों को प्रेरित करती है जो इसे तेजी से बंद कर देती है (नकारात्मक प्रतिक्रिया)। दूसरी ओर, शुरुआती ग्रेडिएंट न्यूरल ट्यूब के विकास में एक महत्वपूर्ण प्रोटीन Lmx1a को भी सक्रिय करता है। Lmx1a फिर धीरे-धीरे BMP को सक्रिय करता है और BMP ग्रेडिएंट को फिर से प्रकट करने का कारण बनता है (सकारात्मक प्रतिक्रिया)। बीएमपी सिग्नलिंग की यह देर से प्रवणता सेल प्रकारों की आगे की विशेषज्ञता को आगे बढ़ाती रहती है। यह तंत्र न केवल समय के साथ मार्ग का पुन: उपयोग करने की अनुमति देता है बल्कि बाद की विकासात्मक घटनाओं को समयबद्ध करने में भी मदद करता है।

विकास अस्थायी रूप से व्यवस्थित है

पहले, यह माना जाता था कि विकास के दौरान मॉर्फोजेन की सांद्रता कोशिका के भाग्य को निर्धारित करती है। यह अध्ययन अब सबूतों का एक बड़ा समूह जोड़ता है कि पूर्ण सांद्रता के बजाय अस्थायी परिवर्तन, यह समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं कि ऊतकों में कोशिका भाग्य कैसे व्यवस्थित होते हैं। सीधे शब्दों में कहें तो, यह ट्रिगर की मात्रा के बारे में नहीं है, बल्कि यह समय के साथ कैसे विकसित होता है।

“हमने पाया कि एक साधारण ट्रिगर (यहां: बीएमपी) एक जटिल प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है जिसमें ऊतक में एक ढाल स्वयं उत्पन्न होती है और जटिल अस्थायी गतिशीलता से गुजरती है – यह अनिवार्य रूप से प्रतिक्रिया का प्रकार है जो भ्रूण और ऑर्गेनोइड की स्वयं की क्षमता को रेखांकित करता है -संगठित करें,'' किचेवा कहते हैं।

यह समझना कि कोशिकाएँ स्वयं को कार्यात्मक अंगों में कैसे व्यवस्थित करती हैं, विकासात्मक और स्टेम सेल जीव विज्ञान में एक बुनियादी प्रश्न है। इसके अलावा, यह पुनर्योजी चिकित्सा और ऊतक इंजीनियरिंग को आगे बढ़ाने के लिए चिकित्सकीय रूप से प्रासंगिक और महत्वपूर्ण है – व्यावहारिक विज्ञान के दो क्षेत्र क्षतिग्रस्त या रोगग्रस्त ऊतक को कार्यात्मक ऊतक से बदलने पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

प्रकाशन:

एस. लेहर, डी. ब्रुकनर, टी. मिनचिंगटन, एम. ग्रेंज-शिंडलर, जे. मेरिन, ई. हनेज़ो, ए. किचेवा। 2024. बीएमपी सिग्नलिंग के एक अस्थायी रिले द्वारा विकासशील तंत्रिका ट्यूब में स्व-संगठित पैटर्न का गठन। देव सेल. डीओआई: 10.1016/j.devcel.2024.10.024

एस. लेहर, जे. मेरिन, एम. कुलिग, टी. मिनचिंगटन, ए. किचेवा। पैटर्नयुक्त स्टेम सेल विभेदन के लिए इलास्टोमेरिक स्टेंसिल का निर्माण। 2024. स्टार प्रोटोकॉल। डीओआई: 10.1016/जे.एक्सप्रो.2024.103187