वायरस भौतिकी के नियमों का पालन करते हैं, और इन सिद्धांतों को समझना नए चिकित्सीय दृष्टिकोणों के निर्माण का मार्ग खोलता है। यह पाठ, जिसे Karin Wuertz-Kozak और Maureen Ferran के साथ मिलकर लिखा गया था, मूल रूप से The Conversation की वेबसाइट पर प्रकाशित हुआ था, जो शोधकर्ताओं से सामग्री एकत्र करती है।
बायोमेडिकल इंजीनियरों और जीवविज्ञानी का मेकानोबायोलॉजी - जीव विज्ञान पर भौतिक बलों के प्रभाव का अध्ययन - की ओर आकर्षण आंशिक रूप से कोशिका स्तर पर भौतिकी की सुंदरता के कारण है। भौतिकी हर जगह प्रकट होती है: इस बात से लेकर कि धमनी की दीवारों की कोशिकाएं रक्त प्रवाह पर कैसे प्रतिक्रिया करती हैं, से लेकर कि रीढ़ की हड्डी की कोशिकाएं वजन कैसे सहारा देती हैं, या फेफड़ों की कोशिकाएं हर साँस लेने पर चक्रीय रूप से कैसे फैलती हैं।
चूंकि शरीर का प्रत्येक संरचनात्मक तत्व निश्चित भौतिक बलों के संयोजन के अधीन होता है, इसलिए जो वायरस इसे संक्रमित करते हैं, उन्हें भी इन बलों के साथ परस्पर क्रिया करनी पड़ती है। वायरस द्वारा इन बलों के साथ परस्पर क्रिया करने का तरीका उनकी कोशिकाओं को संक्रमित करने और गंभीर बीमारियों का कारण बनने की क्षमता को प्रभावित करता है।
जब सूक्ष्म वायरल कण शरीर में प्रवेश करते हैं, तो वे अपने जीवन चक्र को जारी रखने के लिए मेजबान कोशिकाओं की यांत्रिकी पर निर्भर करते हैं। कई वायरस पहले कोशिका की सतह पर रिसेप्टर्स से जुड़ते हैं। कोशिका झिल्ली की गति, जो आंतरिक साइटोस्केलेटन द्वारा प्रदान की जाती है, इसके मुड़ने और आक्रमणकारी कण को घेरने का कारण बनती है, जिससे एक छोटा बुलबुला बनता है जो इसे अंदर ले जाता है। इस प्रक्रिया को एंडोसाइटोसिस कहा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप कोशिका द्वारा वायरस का अवशोषण होता है।
प्रवेश के बाद, वायरस कोशिका की आंतरिक संरचना के माध्यम से चलता है, अपनी आनुवंशिक सामग्री जारी करता है और अपनी प्रतियां बनाने के लिए कोशिकीय उपकरण का उपयोग करता है। फिर नए वायरल कण पड़ोसी कोशिकाओं को संक्रमित करने के लिए कोशिका को छोड़ देते हैं।
इनमें से प्रत्येक चरण अनिवार्य रूप से भौतिक है। कोशिका झिल्ली का तनाव वायरस के समावेश को बढ़ावा दे सकता है या बाधित कर सकता है। साइटोस्केलेटन, जो इन वायरल कणों का परिवहन करता है, वही संरचना है जिसका उपयोग कोशिकाएं आसपास के वातावरण का पता लगाने और उस पर दबाव डालने के लिए करती हैं। इसके अलावा, सेलुलर वातावरण की कठोरता निर्धारित करती है कि कोशिका कैसे फैलती और व्यवस्थित होती है, जो शिकारी के प्रति इसकी संवेदनशीलता को बदल सकती है।
एक स्वस्थ व्यक्ति आमतौर पर संक्रमण के बाद जल्दी ठीक हो जाता है। हालांकि, फेफड़ों के फाइब्रोसिस जैसी पहले से मौजूद स्थितियों वाले लोगों में - जिसमें फेफड़ों का ऊतक सख्त हो जाता है और अब पूरी तरह से फैल नहीं पाता है - वायरल संक्रमण उनकी स्थिति को बिगाड़ सकता है। ऊतकों की इस यांत्रिक प्रवृत्ति संक्रमण के लिए एक कारण है जिसके कारण चिकित्सा कर्मी बीमारी के दौरान बुजुर्गों और कमजोर प्रतिरक्षा वाले लोगों के संपर्क से बचने की सलाह देते हैं।
हमारी प्रयोगशाला विभिन्न प्रकार के ऊतकों की मेकानोबायोलॉजी का अध्ययन करती है ताकि यह समझा जा सके कि दैनिक शारीरिक तनाव बीमारियों को कैसे बढ़ा सकते हैं। उदाहरण के लिए, भारी सामान को बार-बार उठाना और ले जाना डिस्क को खराब कर सकता है, और वेंटिलेटर फेफड़ों को अत्यधिक फैला और नुकसान पहुंचा सकता है।
हालांकि, प्लास्टिक पेट्री डिश पर कोशिकाओं की खेती - अधिकांश वायरोलॉजी प्रयोगशालाओं में एक मानक विधि - केवल तस्वीर का एक हिस्सा दिखाती है। ऊतकों की खेती के लिए उपयोग किया जाने वाला प्लास्टिक जीवित ऊतकों की तुलना में काफी अधिक कठोर होता है, जो हल्के से अधिक कार्य सतह जैसा दिखता है। कोशिकाएं प्रयोगों के दौरान इस अंतर को महसूस करती हैं; पर्यावरण की कठोरता उनके व्यवहार और संक्रमण पर उनकी प्रतिक्रिया दोनों को प्रभावित कर सकती है।
मानव शरीर की यांत्रिकी को प्रयोगशाला में स्थानांतरित करने के लिए, हम फेफड़ों की कोशिकाओं को PDMS नामक लचीले सिलिकॉन पॉलिमर की पतली परतों पर उगाते हैं, जिसे हम वास्तविक फेफड़ों के ऊतक की कोमलता से मेल खाने के लिए समायोजित करते हैं। इन परतों को छोटे कक्षों में रखा जाता है जो कंप्यूटर के आदेश पर चक्रीय रूप से फैलते और शिथिल होते हैं, जो खिंचाव की डिग्री और अवधि को निर्धारित करता है। यह हमें सांस लेने की शारीरिक गतिविधियों का अनुकरण करने की अनुमति देता है।
हम संक्रमित कोशिकाओं को माइक्रोस्कोप के नीचे लाल चमकने के लिए मजबूर करने के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित वायरस का उपयोग कर सकते हैं, यह ट्रैक करते हुए कि यह कोशिकाओं के बीच कैसे फैलता है। लेकिन संक्रमण के दौरान कोशिका यांत्रिकी में परिवर्तन को कैसे ट्रैक करें? हमारी टीम YAP और TAZ नामक दो महत्वपूर्ण प्रोटीनों की गतिविधि पर नज़र रखती है, जो कोशिका बल सेंसर के रूप में कार्य करते हैं। जब ऊतक कठोरता या तनाव का अनुभव करता है, तो ये सेंसर नाभिक में चले जाते हैं और वृद्धि और मरम्मत से जुड़े जीनों को सक्रिय करते हैं। ऐसे बलों की अनुपस्थिति में, जैसा कि नरम ऊतकों में आमतौर पर होता है, YAP और TAZ निष्क्रिय रहते हैं और नाभिक के बाहर रहते हैं।
यह ज्ञात है कि कुछ वायरस इसी सिग्नलिंग पथ का उपयोग करते हैं; इसलिए YAP और TAZ का अध्ययन यह समझने में मदद कर सकता है कि यांत्रिक बल और संक्रमण एक दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं। CRISPR जीन एडिटिंग टूल का उपयोग करके, हम YAP या TAZ से फ्लोरोसेंट मार्कर संलग्न कर सकते हैं और माइक्रोस्कोप के नीचे उनकी सक्रियता को वास्तविक समय में देख सकते हैं, जब वे न केवल यांत्रिक बलों पर बल्कि संभावित रूप से संक्रमण पर भी प्रतिक्रिया करते हैं।
इस प्लेटफॉर्म के साथ, हम ऐसे सवालों का बेहतर जवाब दे सकते हैं जैसे: क्या फेफड़ों की कोशिकाएं विभिन्न बलों पर संक्रमण पर अलग तरह से प्रतिक्रिया करेंगी? या क्या ये बल वायरल संक्रमण की दक्षता को बदल देंगे? वर्तमान में हमारे प्रारंभिक परिणाम बताते हैं कि सेलुलर वातावरण की कठोरता कोशिका संक्रमण की डिग्री को प्रभावित करती है: अधिक कठोर सतहों पर उगाई गई फेफड़ों की कोशिकाएं, जो फाइब्रोसिस जैसी दिखती हैं, अधिक तीव्रता से संक्रमित प्रतीत होती हैं।
वायरल संक्रमण की यांत्रिकी को समझना शोधकर्ताओं और डॉक्टरों के लिए विशेष रुचि का विषय है, यह देखते हुए कि दुनिया भर में श्वसन संक्रमण लगातार प्रचलित हैं। सामान्य सर्दी, COVID-19 और फ्लू केवल वायरल संक्रमणों का एक छोटा सा हिस्सा हैं: यह ज्ञात है कि 200 से अधिक प्रकार के वायरस मनुष्यों को संक्रमित करते हैं।
मेकानोबायोलॉजी संक्रमण चक्र के लिए उतनी ही महत्वपूर्ण हो सकती है जितनी कि इसके जैव रासायनिक या प्रतिरक्षा पहलू। माइक्रोस्कोप के नीचे कठोर और अतिभारित फेफड़े और नरम, स्वस्थ फेफड़े के बीच अंतर स्पष्ट हैं, और वायरस इन वातावरणों में अनुकूल तरीके से घूम सकते हैं।
जैसे-जैसे वैज्ञानिक इन यांत्रिक संकेतों का मानचित्रण करते हैं, संक्रमण की रोकथाम और उपचार के लिए नए अवसर उभर रहे हैं। इनमें वे उपचार शामिल हैं जो ऊतकों में भौतिक तनाव को कम कर सकते हैं, या यहां तक कि बायोमार्कर जो रोगियों को बता सकते हैं कि क्या वे ऊतक सख्त होने या संक्रमण के विशिष्ट मार्गों और संभावित क्षति के प्रति संवेदनशील हैं। मानव शरीर उतना ही यांत्रिक है जितना कि रासायनिक, और यह उन संक्रमणों पर भी लागू होता है जिनका यह सामना करता है।
