डिश में तंत्रिका मार्ग को फिर से बनाकर, स्टैनफोर्ड मेडिसिन अनुसंधान दर्द उपचार को गति दे सकता है

अग्रिम वादा करता है कि यह समझने में धीमी गति से प्रगति हुई है कि दर्द के संकेतों को मनुष्यों में कैसे संसाधित किया जाता है और दर्द को कम करने के लिए सबसे अच्छा कैसे होता है।

9 अप्रैल को प्रकाशित होने वाले एक अध्ययन में प्रकृतिसर्गीयू पास्का, एमडी, केनेथ टी। नॉरिस, जूनियर, साइकियाट्री एंड बिहेवियरल साइंसेज के प्रोफेसर II के नेतृत्व में वैज्ञानिकों ने मानव तंत्रिका तंत्र के चार लघु भागों की अपनी सफल विधानसभा का वर्णन किया, जो कि आरोही संवेदी मार्ग के रूप में जाना जाता है।

दर्द की परिधीय सनसनी तंत्रिका कोशिकाओं, या न्यूरॉन्स से जुड़े एक रिले में मस्तिष्क की यात्रा करती है, जो आरोही संवेदी मार्ग के चार अलग -अलग क्षेत्रों में केंद्रित होती है: पृष्ठीय जड़ गैंग्लियन, पृष्ठीय रीढ़ की हड्डी, थैलेमस और सोमाटोसेंसरी कॉर्टेक्स।

अध्ययन के वरिष्ठ लेखक पास्का ने कहा, “अब हम इस मार्ग को गैर-आक्रामक रूप से मॉडल कर सकते हैं।” “यह, हम आशा करते हैं, हमें यह जानने में मदद करें कि दर्द विकारों का बेहतर इलाज कैसे करें।”

अध्ययन के लीड सह-लेखक पोस्टडॉक्टोरल विद्वान जी-इल किम, पीएचडी, और केंट इमाज़ुमी, एमडी, पीएचडी हैं।

मानव दर्द अक्सर प्रयोगशाला जानवरों में अध्ययन करने के लिए कठिन साबित हुआ है, पास्का ने कहा, जो बोनी उएतेंगसू और स्टैनफोर्ड ब्रेन ऑर्गोजेनेसिस कार्यक्रम के परिवार निदेशक भी हैं। “उनके दर्द मार्ग कुछ मामलों में हमारे से अलग हैं,” उन्होंने कहा। “फिर भी ये जानवर दर्द का अनुभव करते हैं। हमारा डिश-आधारित निर्माण नहीं है।”

अब तक कोई भी इस पूरे मार्ग के माध्यम से प्रेषित जानकारी नहीं देख पा रहा है। लेकिन पास्का और उनके सहयोगियों ने अपने निर्माण के पहले घटक से बिजली की गतिविधि की यात्रा के पहले कभी नहीं देखा, और वे अंतिम रूप से सभी तरह से यात्रा करते हैं, और वे जीन परिवर्तन या सर्किट के तत्वों की रासायनिक उत्तेजना द्वारा इन वेवलिक पैटर्न को बढ़ाने या बाधित करने में सक्षम थे।

बेहतर दवाओं की जरूरत है

“दर्द एक बहुत बड़ी स्वास्थ्य समस्या है,” विवियन तवफिक, एमडी, पीएचडी, एनेस्थिसियोलॉजी के एसोसिएट प्रोफेसर, पेरिऑपरेटिव और दर्द की दवा, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे। “कुछ 116 मिलियन अमेरिकी – संयुक्त राज्य अमेरिका में तीन में से एक से अधिक लोगों – एक तरह के या किसी अन्य के पुराने दर्द से निपट रहे हैं,” उसने कहा। यह दर्द अक्सर तब भी बना रहता है जब अवलोकन योग्य क्षति अब स्पष्ट नहीं होती है, संभवतः आरोही संवेदी मार्ग में स्थायी परिवर्तन के कारण।

फिर भी पुराने दर्द के लिए उपचार कुछ और आदर्श से बहुत दूर हैं, उसने कहा: “मैं आपको यह भी नहीं बता सकती कि एक मरीज के सामने बैठना कितना दुखद है, जो कि हमारे द्वारा सब कुछ करने की कोशिश करने के बाद पुराने दर्द से पीड़ित है और हमारे शस्त्रागार में कुछ भी नहीं बचा है।”

अधिकांश “दर्द दवाओं” को प्रति से दर्द के लिए लाइसेंस नहीं दिया जाता है, लेकिन इसके बजाय मनोचिकित्सकों से उधार लिया जाता है ‘ गुच्छा में सबसे प्रभावी दर्द निवारक ओपिओइड ड्रग्स हैं, जिनमें आदत बनाने की गंभीर कमी है, जिससे क्रोनिक-दर्द पीड़ितों को नशे की लत के लिए अतिसंवेदनशील होता है।

टुकड़ा द्वारा संवेदी मार्ग का निर्माण

तौफिक ने कहा कि उन्हें लगता है कि टीम का नया निर्माण पुराने दर्द के अध्ययन के लिए अत्यधिक प्रासंगिक है। उन्होंने कहा, “उन्होंने जिस मार्ग का पुनर्निर्माण किया है, वह दर्द से संबंधित जानकारी को व्यक्त करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण है।”

आरोही संवेदी मार्ग की रचना करने वाले क्षेत्र न्यूरोनल कनेक्शन के तीन सेटों से जुड़े हुए हैं: पहला सेट त्वचा से पृष्ठीय जड़ नाड़ीग्रन्थि के माध्यम से रीढ़ की हड्डी के लिए संवेदी जानकारी को रिले करता है; न्यूरॉन्स का एक दूसरा सेट रीढ़ की हड्डी से एक मस्तिष्क संरचना में संकेतों को पास करता है जिसे थैलेमस कहा जाता है; और तीसरा इस जानकारी को थैलेमस से सोमाटोसेंसरी कॉर्टेक्स से परिधि से उत्पन्न होने वाले संकेत के आगे की प्रक्रिया के लिए रिले करता है।

PASCA ने स्टेम कोशिकाओं से एक लैब डिश में उगाए गए और विभिन्न अलग -अलग मस्तिष्क क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करने वाले प्रयोगशाला डिश में उगाए गए क्षेत्रीय तंत्रिका अंगों के निर्माण के निर्माण का बीड़ा उठाया है।

हाल के वर्षों में, PASCA ने इस तकनीक को आगे बढ़ाया है, एक डिश में दूसरे प्रकार के ऑर्गेनोइड्स के साथ एक प्रकार के ऑर्गेनोइड्स को जोड़ा गया है, ताकि वे असेंबली के नाम पर फ्यूज करते हैं। विकास या प्रवास के माध्यम से एक ऑर्गेनोइड से न्यूरॉन्स, अन्य ऑर्गेनोइड को काम कर सकते हैं, जो कार्यात्मक रूप से काम करने वाले सर्किट बनाने के लिए, या यहां तक ​​कि समान रूप से समान हैं, वे नकल करने के लिए हैं।

“हम पा रहे हैं कि हमें इन सर्किटों की विधानसभा का विवरण जानने की आवश्यकता नहीं है जब तक कि हम भागों को बनाते हैं और उन्हें सही ढंग से एक साथ रखते हैं,” पास्का ने कहा। “एक बार जब आप ऑर्गेनोइड्स को एक साथ रखते हैं, तो कोशिकाएं एक -दूसरे को ढूंढती हैं और एक सार्थक तरीके से जुड़ती हैं, जिससे नई सुविधाओं को जन्म दिया जाता है।”

नए अध्ययन में, PASCA और उनके सहयोगियों ने मानव अंग विकसित किए, जो आरोही संवेदी मार्ग के चार प्रमुख क्षेत्रों को पुन: व्यवस्थित करते हैं, फिर उन्हें एक साथ श्रृंखला में एक साथ मिलकर एक असेंबली की नकल करने के लिए श्रृंखला में फ्यूज्ड किया। स्वयंसेवकों से त्वचा के नमूनों से कोशिकाओं के साथ शुरू करते हुए, टीम ने पहले उन्हें प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं में बदल दिया, जो अनिवार्य रूप से डी-डिफरेंशियल कोशिकाएं हैं जिन्हें मानव शरीर में वस्तुतः किसी भी सेल प्रकार बनने के लिए निर्देशित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं को छोटे गेंदों में एकत्र करने के लिए रासायनिक संकेतों का उपयोग किया, जिसे तंत्रिका अंग कहा जाता है, जो मार्ग के चार क्षेत्रों में से प्रत्येक का प्रतिनिधित्व करता है।

प्रत्येक ऑर्गेनोइड व्यास में 1/10 इंच से थोड़ा कम था और इसमें एक मिलियन कोशिकाओं के करीब था।

पास्का और उनके सहयोगियों ने उन चार अलग -अलग प्रकारों के ऑर्गेनोइड्स को एक साथ रखा और इंतजार किया। लगभग 100 दिनों के बाद, वे एक इंच के लगभग 2/5 इंच लंबे एक असेंबली में फ्यूज हो गए थे – “वे छोटे सॉसेज लिंक की तरह दिखते हैं,” पास्का ने कहा – और लगभग 4 मिलियन कोशिकाओं से मिलकर।

यह एक वयस्क मानव मस्तिष्क में संख्या के 1/42,000 वें से कम है, जिसमें लगभग 170 बिलियन कोशिकाएं शामिल हैं, PASCA ने कहा। लेकिन निर्माण ने मार्ग में शामिल सर्किटरी को पुन: स्थापित किया।

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि असेंबली के घटक ऑर्गेनोइड्स एनाटोमिक रूप से जुड़े हुए थे: पहले से न्यूरॉन्स ने दूसरे से न्यूरॉन्स के साथ काम करने वाले कनेक्शन का गठन किया था, दूसरा तीसरा और इतने पर।

इसके अलावा, संपूर्ण सर्किट, संवेदी ऑर्गेनोइड से कॉर्टिकल ऑर्गेनोइड तक, एक इकाई के रूप में काम किया। एक बार जब सभी चार ऑर्गेनोइड्स लगभग 100 दिनों के लिए फ्लास्क में एक दूसरे के पास बैठे थे, तो असेंबल के भीतर सहज, सिंक्रनाइज़्ड, दिशात्मक सिग्नलिंग के पैटर्न उभरने लगे: संवेदी ऑर्गेनोइड में न्यूरोनल गतिविधि ने स्पाइनल ऑर्गेनोइड में समान कार्रवाई को बंद कर दिया, फिर थैलेमिक ऑर्गोइड में और अंत में कॉर्टिकल ऑर्गनॉइड में।

“आप कभी भी इस वेवेलिक सिंक्रोनी को नहीं देख पाएंगे, यदि आप सभी चार ऑर्गेनोइड्स को नहीं देख सकते हैं, तो एक साथ,” पास्का ने कहा। “मस्तिष्क अपने भागों के योग से अधिक है।”

गर्म मिर्च और सोडियम चैनल

दर्द को प्रेरित करने के लिए जाने जाने वाले रसायनों ने असेंबली में तरंगिका गतिविधि को बढ़ाया। Capsaicin के साथ संवेदी अंग को उत्तेजित करना – मिर्च मिर्च में घटक जो हमारे मुंह में एक जलन पैदा करता है – न्यूरोनल गतिविधि की तत्काल तरंगों को ट्रिगर करता है।

परिधीय संवेदी न्यूरॉन्स की सतहों पर पाए जाने वाले एक आयन-एक्सचेंज प्रोटीन में दुर्लभ आनुवंशिक उत्परिवर्तन दर्द के प्रति अतिसंवेदनशीलता को दुर्बल करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं या, इसके विपरीत, दर्द का अनुभव करने के लिए एक जीवन-धमकी असमर्थता-मौलिक रूप से शारीरिक खतरों को बढ़ाते हुए, दिनचर्या या अन्यथा, कि जीवन कार्य करता है।

प्रश्न में प्रोटीन, Nav1.7, एक विशेष प्रकार का सोडियम चैनल है, जिसे शोधकर्ताओं ने देखा, परिधीय संवेदी न्यूरॉन्स पर लाजिमी है, लेकिन कहीं और दुर्लभ है। वैज्ञानिकों ने अपने प्रारंभिक, संवेदी घटक के सामान्य संस्करण के साथ एक असेंबल किया, जो कि Nav1.7 के सामान्य संस्करण को उत्परिवर्ती दर्द-हाइपरसेंसिटी संस्करण द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। परिणामी उत्परिवर्ती संवेदी असेंबलीड्स ने सेरेब्रल-कॉर्टेक्स ऑर्गेइड के लिए स्पाइनल और थैलेमिक ऑर्गेनोइड्स के माध्यम से संवेदी से सहज तंत्रिका संचरण की अधिक-विशेष तरंगों को प्रदर्शित किया।

जब पास्का की टीम ने इसके बजाय संवेदी ऑर्गेनॉइड गैर-कार्यात्मक में एक ही सोडियम चैनल का प्रतिपादन किया, तो उन्हें एक आश्चर्य हुआ: एक दर्द-उत्प्रेरण रसायन के जवाब में उस ऑर्गेनोइड से फायरिंग जारी रही-लेकिन सर्किट के माध्यम से दर्द की जानकारी के सिंक्रनाइज़ वेवलिक ट्रांसमिशन को रहस्यमय तरीके से गायब कर दिया। फायरिंग अब सिंक से बाहर थी।

“संवेदी न्यूरॉन्स अभी भी निकाल दिया,” पास्का ने कहा। “लेकिन वे समन्वित तरीके से बाकी नेटवर्क को संलग्न करने में विफल रहे।”

इन असेंबलॉइड्स में लापता, महत्वपूर्ण रूप से, अन्य मस्तिष्क क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करने वाले अंग थे जो दर्द में होने वाले लोगों द्वारा अनुभव की जाने वाली असुविधा के लिए महत्वपूर्ण हैं।

पास्का ने कहा, “असेंबली खुद को किसी भी दर्द को ‘महसूस नहीं करती है।” “वे तंत्रिका संकेतों को प्रसारित करते हैं जिन्हें हमारे दिमाग में अन्य केंद्रों द्वारा आगे संसाधित करने की आवश्यकता होती है, ताकि दर्द की अप्रिय, प्रतिकूल भावना का अनुभव हो सके।”

असेंबली, अपनी विधानसभा के केवल कुछ महीनों के बाद, भ्रूण के विकास के शुरुआती चरण का प्रतिनिधित्व करते हैं, उन्होंने कहा। उनका तत्काल उपयोग आत्मकेंद्रित जैसे न्यूरोडेवलपमेंटल विकारों का अध्ययन करने में होगा। ऑटिज्म से पीड़ित लोग अक्सर दर्द और सामान्य रूप से संवेदी उत्तेजना के लिए हाइपरसेंसिव होते हैं, और कुछ ऑटिज्म से जुड़े जीन आरोही संवेदी मार्ग के संवेदी न्यूरॉन्स में सक्रिय होते हैं।

पास्का ने कहा कि उनकी प्रयोगशाला विधानसभाओं के विकास में तेजी लाने के तरीकों पर काम कर रही है ताकि यह समझने के लिए कि वे जिस मार्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं या वयस्कों में नहीं हैं।

“Nav1.7 ज्यादातर परिधीय दर्द-सेंसिंग न्यूरॉन्स की सतहों पर मौजूद है,” पास्का ने कहा। “हमें लगता है कि दवाओं के लिए स्क्रीनिंग जो संवेदी ऑर्गेनोइड्स को हमारे असेंबली के माध्यम से न्यूरोनल ट्रांसमिशन की अत्यधिक या अनुचित तरंगों को ट्रिगर करने की क्षमता को वश में करती है, मस्तिष्क के इनाम सर्किटरी को प्रभावित किए बिना ओपिओइड ड्रग्स करते हैं-यही कारण है कि वे नशे में हैं-दर्द के लिए बेहतर-लक्ष्य चिकित्सा को ले जा सकते हैं।”

स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के ऑफिस ऑफ टेक्नोलॉजी लाइसेंसिंग ने इस असेंबलॉइड से जुड़ी बौद्धिक संपदा के लिए एक पेटेंट दायर किया है, जिसमें पास्का, किम और इमिज़ुमी को सह-आविष्कारक के रूप में नामित किया गया है।

उत्तरी कैरोलिना विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने काम में योगदान दिया।

अध्ययन को नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ (अनुदान R01MH107800, R01NS128028 और CNCDP-K12), NYSCF रॉबर्टसन स्टेम सेल सोसाइटी, स्टैनफोर्ड ह्यूमन ऑर्गोजेनेसिस प्रोजेक्ट, कवान रिसर्च फंड, सेनकुट रिसर्च फंड और चान ज़कर के द्वारा वित्त पोषित किया गया था।