स्टेम सेल अध्ययन समकालीन जैव-चिकित्सीय अनुसंधान का एक रोमांचक और आकर्षक क्षेत्र है, जिसमें मूलभूत और अनुवादी दोनों प्रकार के अनुसंधान के लिए अपार संभावनाएँ हैं। स्टेम सेल का उपयोग उन कई बीमारियों के कष्ट को कम करने के लिए किया जा सकता है, जिनके लिए वर्तमान में कोई प्रभावी चिकित्सा उपलब्ध नहीं है। यह क्षेत्र क्लिनिक तक पहुँच चुका है और यह अत्यंत महत्वपूर्ण है कि स्टेम सेल की मूल बातों को उत्कृष्ट विज्ञान और कठोर क्लिनिकल अनुसंधान मानकों द्वारा सुदृढ़ किया जाए। इसके अतिरिक्त, अंग संवर्धन (organ culture) एक अन्य आधुनिक संवर्धन पद्धति है, जिसमें ऊतक संवर्धन तकनीकों का उपयोग करके किसी अंग के एक भाग या पूरे अंग का विकास किया जाता है। इस अध्याय में हम स्टेम सेल संवर्धन और अंग संवर्धन के साथ-साथ उनके अनुप्रयोगों का विस्तार से अध्ययन करेंगे।

9.1 स्टेम सेल संवर्धन

जीवन रूपों की विशेषता यह है कि वे स्वयं को पुनरुत्पन्न करने में सक्षम होते हैं। यौन प्रजनन की एक प्रमुख विशेषता यह है कि नर युग्मक (शुक्राणु) और मादा युग्मक (ओवम) के संलयन से निषेचन की प्रक्रिया द्वारा जाइगोट का निर्माण होता है। जाइगोट से भ्रूण का निर्माण कोशिका विभाजन द्वारा होता है, जिससे दो 9.1 स्टेम सेल संवर्धन

9.2 अंग संवर्धन
एक कोशिका, चार कोशिका, आठ कोशिका वाला जीव इत्यादि। अंततः ये पुत्री कोशिकाएँ विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित हो जाती हैं, जैसे पेशी कोशिकाएँ, त्वचा कोशिकाएँ, यकृत कोशिकाएँ, हृदय-संवहनी कोशिकाएँ, उपकला कोशिकाएँ आदि। हालाँकि, विभेदन की प्रक्रिया के दौरान कोशिकाएँ अंतिम कोशिकाएँ बनाने की अपनी क्षमता में भिन्न होती हैं, जिससे कुछ कोशिकाएँ ‘परिपक्व’ हो जाती हैं जबकि कुछ ‘अपरिपक्व’ रह जाती हैं। ऐसी ‘अपरिपक्व’ कोशिकाएँ जिनमें विभिन्न प्रकार की विशिष्ट कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता होती है, स्टेम कोशिकाएँ कहलाती हैं। ये स्टेम कोशिकाएँ माइटोटिक कोशिका विभाजन के माध्यम से स्व-नवीनीकरण की क्षमता रखती हैं और फिर विभिन्न प्रकार की विशिष्ट कोशिकाओं में विभेदित हो सकती हैं।

ऐतिहासिक परिप्रेक्ष्य

स्टेम कोशिकाएँ किसी भी अन्य वैज्ञानिक अध्ययन क्षेत्र की तुलना में अधिक रुचि, निरीक्षण और बहस को जन्म देती हैं। पहली स्टेम कोशिकाएँ रक्त कोशिकाओं से अलग की गई थीं। वर्तमान में, दुनिया भर के वैज्ञानिक पुनर्योजी चिकित्सा के क्षेत्र में क्रांति लाने के लिए विभिन्न प्रकार की स्टेम कोशिकाओं पर कार्य कर रहे हैं, जिसमें ऊतक या अंग को पुनर्जीवित करने के लिए स्टेम कोशिकाओं की क्षमता का उपयोग किया जाता है। इस अद्भुत यात्रा की कहानी को एक प्रवाह चित्र के रूप में विस्तार से दर्शाया गया है ताकि इस रोमांचक क्षेत्र के कुछ अग्रणी वैज्ञानिकों की आवाज़ के माध्यम से इसके सबसे प्रमुख क्षणों को प्रकट किया जा सके (बॉक्स 1)।

स्टेम कोशिकाएं अविशेषित कोशिकाएं होती हैं जिनमें आत्म-नवीनीकरण और क्षमता का स्वाभाविक गुण होता है, अर्थात् वे सूत्रकणिक कोशिका विभाजन द्वारा आत्म-नवीनीकरण की क्षमता रखती हैं और फिर विभिन्न प्रकार की विशेषीकृत कोशिकाओं में विभेदित हो सकती हैं। स्टेम कोशिकाएं अधिकांश बहुकोशिकीय जीवों में उपस्थित होती हैं और लंबे समय तक प्रतिकूल परिस्थितियों को सहन करने में सक्षम होती हैं। मनुष्यों में स्टेम कोशिकाएं गर्भनाल, नाल, प्रारंभिक भ्रूण के आंतरिक कोशिका द्रव्य, भ्रूण के कुछ ऊतकों और कुछ वयस्क अंगों में पाई जाती हैं।

विभेदन के गुण के कारण, स्टेम कोशिकाएं रोगों के उपचार और समझने में उपयोगी हो सकती हैं और इनका उपयोग निम्नलिखित के लिए किया जा सकता है:

• क्षतिग्रस्त ऊतकों या अंगों को प्रतिस्थापित करने के लिए इन विट्रो में नई कोशिकाएं विकसित करना।
• कोशिकाओं में जननिक दोषों के कारण का अध्ययन करना साथ ही रोगों के कारण और उनके उपचार का अध्ययन करना।
• औषधियों के रूप में नई लीड अणुओं का परीक्षण करना।

बॉक्स 1

9.1.1 स्टेम कोशिका वर्गीकरण

स्टेम कोशिकाओं को उनके स्रोत और क्षमता के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है (चित्र 9.1)।

स्रोत के आधार पर वर्गीकरण

स्रोत के आधार पर स्टेम कोशिकाओं को दो प्रमुख समूहों में वर्गीकृत किया गया है – भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ और वयस्क स्टेम कोशिकाएँ। एक और समूह होता है जिसे भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ कहा जाता है। भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं को प्रारंभिक स्टेम कोशिकाएँ भी कहा जाता है और ये लगभग पाँच दिनों के विकास के बाद ब्लास्टोसिस्ट के आंतरिक कोशिका द्रव्य में उपस्थित होती हैं। वयस्क स्टेम कोशिकाएँ या परिपक्व स्टेम कोशिकाएँ जन्म के बाद नाल, अपरा और परिपक्व शरीर ऊतकों में पाई जाती हैं। चूँकि भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं में शरीर के किसी भी ऊतक में विभेदित होने की क्षमता होती है, वे वयस्क स्टेम कोशिकाओं की तुलना में नैदानिक अनुप्रयोगों के लिए अधिक आशाजनक हैं। हालाँकि, मानवों में भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं के उपयोग तकनीकी सुरक्षा और कुछ नैतिक दुविधाओं के कारण सीमित है। दूसरी ओर, वयस्क स्टेम कोशिकाओं से संबंधित सुरक्षा और नैतिक मुद्दों को लेकर कोई विवाद नहीं है। वयस्क स्टेम कोशिकाओं को अपरिवर्तनीय और किसी विशिष्ट वंश के लिए समर्पित माना जाता था। हालाँकि, अब यह दिखाया गया है कि वे प्लास्टिसिटी प्रदर्शित करती हैं, अर्थात् एक ऊतक से प्राप्त स्टेम कोशिकाएँ विभेदित होकर पूरी तरह से भिन्न ऊतक की कोशिकाएँ उत्पन्न कर सकती हैं।

चित्र 9.1: स्टेम कोशिकाओं के विभिन्न प्रकार

भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ

1998 में, जेम्स थॉमस और उनके सहयोगियों ने पहली बार इन विट्रो फर्टिलाइज़ेशन के माध्यम से दान किए गए ब्लास्टोसिस्ट से मानव भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं को प्राप्त किया। भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं को स्व-प्रजननक्षम प्लुरिपोटेंट कोशिकाओं के रूप में वर्गीकृत किया जाता है और यह संभवतः अमर भी होती हैं। भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं को गर्भाशय में प्रत्यारोपित होने से पहले के भ्रूण से प्राप्त किया जा सकता है। मानव भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं उस भ्रूण से प्राप्त की जाती हैं जो सामान्यतः चार से पाँच दिन पुराना होता है और कोशिकाओं का एक खोखला सूक्ष्म गोला होता है जिसे ब्लास्टोसिस्ट कहा जाता है। भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं के गुणों का निर्धारण बाद में इन विट्रो और इन विवो अध्ययनों में किया गया। इस बात पर कोई असहमति नहीं है कि ये प्लुरिपोटेंट भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं वास्तव में सभी प्रकार के ऊतकों को पुनर्जनित करने की क्षमता रखती हैं। भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं की विशिष्ट विशेषताएं इस प्रकार हैं:

1. इन कोशिकाओं को ब्लास्टोसिस्ट के आंतरिक कोशिका द्रव्य या एपिब्लास्ट से पृथक किया जा सकता है।

2. ये कोशिकाएं प्रकृति में प्लुरिपोटेंट होती हैं और तीनों जर्म परतों—एक्टोडर्म, मीजोडर्म और एंडोडर्म—को उत्पन्न करने की क्षमता रखती हैं।

3. इनमें आत्म-नवीनीकरण की क्षमता होती है और ये स्थिर द्विगुणित गुणसूत्र प्रदर्शित करती हैं।

4. यदि इन्हें विकास के दौरान ब्लास्टोसिस्ट में इंजेक्ट किया जाए तो ये सभी भ्रूणीय ऊतकों में समाहित हो जाती हैं।

5. अविविधित भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं में एक्स-गुणसूत्र निष्क्रियन अनुपस्थित होता है और ये कोशिका चक्र में जी1 चेक पॉइंट की भी कमी रखती हैं।

6. ये कोशिकाएं व्यापक हेरफेर के बाद भी भ्रूण के संस्थापक कोशिकाओं के लक्षण बनाए रखती हैं।

7. इन-विट्रो वातावरण की स्थितियों के आधार पर वे आत्म-नवीनीकरण कर सकते हैं या कई प्रकार के ऊतकों में विभेदित हो सकते हैं।

वयस्क स्टेम कोशिकाएँ

वयस्क स्टेम कोशिकाओं को ठीक-ठीक सोमैटिक स्टेम कोशिकाएँ कहा जाता है, क्योंकि वे केवल वयस्कों से ही नहीं, बल्कि बच्चों या नाल से भी प्राप्त हो सकती हैं। ये अविभेदित बहु-समर्थ या सर्व-समर्थ स्टेम कोशिकाएँ होती हैं। वयस्क स्टेम कोशिकाएँ भ्रूणीय विकास के बाद पूरे शरीर में मौजूद होती हैं और कोशिका विभाजन द्वारा क्षतिग्रस्त ऊतकों या मर रही कोशिकाओं को बदलती और पुनर्जनित करती हैं। वयस्क स्टेम कोशिकाओं के दो मूलभूत गुण होते हैं: स्टेमनेस से समझौता किए बिना आत्म-नवीनीकरण की क्षमता और परिपक्व, आकृति-वार और कार्य-वार भिन्न ऊतक-विशिष्ट कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता। किसी जीव में वयस्क स्टेम कोशिकाओं की मुख्य भूमिका उस ऊतक को संरक्षित और मरम्मत करना होता है जिसमें वे निवास करती हैं। इसलिए, वयस्क स्टेम कोशिकाएँ स्तनधारियों के जीवनकाल भर कोशिकीय होमियोस्टेसिस बनाए रखती हैं। वयस्क स्टेम कोशिकाएँ दुर्लभ होती हैं और अधिकांश अंगों में मौजूद हो सकती हैं तथा पूरे शरीर में ऊतकों में बिखरी होती हैं, फिर भी इन्हें सीमित अंगों या ऊतकों से ही पृथक किया गया है। अब तक वयस्क स्टेम कोशिकाओं को पाचन नाल, अस्थि-मज्जा, यकृत, मस्तिष्क, कॉर्निया, कंकालीय पेशी, त्वचा की उपकला, दंत पुulp, अग्न्याशय और रक्त वाहिकाओं में पहचाना गया है। वयस्क स्टेम कोशिकाओं की सर्वाधिक आवृत्ति अस्थि-मज्जा में पाई जाती है।

भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं को उनकी उत्पत्ति के आधार पर परिभाषित किया जाता है, लेकिन कुछ ऊतकों में वयस्क स्टेम कोशिकाओं की उत्पत्ति अभी भी जांच के अधीन है। वयस्क स्टेम कोशिकाएं या तो रक्तविकारी या मध्यदेशीय उत्पत्ति की हो सकती हैं।

रक्तविकारी स्टेम कोशिकाएं

रक्तकोशिका-निर्माण, आठ विभिन्न रक्त कोशिकाओं (आरबीसी, मोनोसाइट, न्यूट्रोफिल, एसिडोफिल, बेसोफिल, टी लिंफोसाइट और बी लिंफोसाइट, प्लेटलेट्स) का नियंत्रित उत्पादन, एक सामान्य छोटी आबादी की स्टेम कोशिकाओं से प्रारंभ होता है, जिन्हें रक्तविकारी स्टेम कोशिकाएं कहा जाता है। रक्तकोशिका-निर्माण मुख्यतः वयस्क स्तनधारियों की अस्थि मज्जा में होता है; इसलिए, रक्तविकारी स्टेम कोशिकाएं अस्थि मज्जा में उपस्थित होती हैं। अस्थि मज्जा शरीर का अत्यधिक सक्रिय ऊतक है।

औसतन, अस्थि मज्जा द्वारा रोज़ाना लगभग 400 अरब रक्त कोशिकाओं का उत्पादन होता है। हेमेटोपोएटिक स्टेम कोशिकाएँ दुर्लभ होती हैं और इनमें आत्म-नवीनीकरण और बहुक्षमता की क्षमता होती है, इसलिए ये सम्पूर्ण रक्त निर्माण तंत्र का उत्पादन करने में सक्षम होती हैं। हेमेटोपोएटिक स्टेम कोशिकाओं को भ्रूणीय विकास के सुनिश्चित चरणों पर पहचाना गया है और वयस्क रक्त निर्माण में इनके कई उपसमूहों का वर्णन किया गया है। मानव में भ्रूणीय विकास के दौरान रक्त निर्माण का स्थान पीत थैली माना जाता है। द्वितीय तिमाही में यह यकृत और प्लीहा में स्थानांतरित हो जाता है, और बाद में तृतीय तिमाही में रक्त निर्माण केंद्रीय और परिधीय कंकाल में प्रचुर मात्रा में होता है। वयस्कता में रक्त निर्माण के मुख्य स्थान कशेरूकीय निकाय, पसलियाँ, स्तन हड्डी और श्रोणि होते हैं। अस्थि मज्जा रक्त निर्माणीय और गैर-रक्त निर्माणीय कोशिकाओं की अत्यंत विषम आबादी है, जो सामान्य मीसोडर्मल पूर्ववर्ती कोशिकाओं से उत्पन्न होती है।

मीसेंकाइमल स्टेम कोशिकाएँ

अस्थि मज्जा की गैर-रक्तवाही स्टेम कोशिकाओं की पूर्ववर्ती को मेसेंकाइमल स्टेम कोशिकाएं (MSCs) कहा जाता है, जो मूलतः मीसोडर्म से व्युत्पन्न होती हैं। MSCs बहुक्षम मज्जा-व्युत्पन्न चिपचिपी फाइब्रोब्लास्टिक कोशिकाएं होती हैं जो विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं जैसे कि पेशी कोशिकाएं (मायोसाइट्स), अस्थि कोशिकाएं (ऑस्टियोब्लास्ट्स), उपास्थि कोशिकाएं (कॉन्ड्रोसाइट्स), वसा कोशिकाएं (एडिपोसाइट्स), टेंडन और मज्जा स्ट्रोमल कोशिकाओं में विभेदित हो सकती हैं। MSCs अत्यधिक प्रसारशील होती हैं और अस्थि मज्जा में दुर्लभ कोशिकाओं की आबादी होती हैं और इन्हें इससे आसानी से पृथक किया जा सकता है। इन्हें अस्थि मज्जा से क्लोन किया जा सकता है और इनका इन विट्रो में लगभग $10^{6}$ गुना विस्तार किया जा सकता है बिना अन्य लिनेजों में विभेदित होने की क्षमता से समझौता किए। विस्तार क्षमता के अलावा, MSCs के प्रमुख लाभों में उनकी आनुवंशिक स्थिरता, एलो-रिजेक्शन से बचाव, ऊतक अभियांत्रिकी अनुप्रयोगों में संगतता और कई महत्वपूर्ण ऊतकों की मरम्मत करने की क्षमता शामिल है। माना जाता है कि ये घाव भरने, वृद्धि और दैनिक घिसाव तथा रोगजनक स्थितियों के कारण खोई गई कोशिकाओं को बदलने के लिए उत्तरदायी होती हैं। MSCs उपास्थि, अस्थि और अस्थि मज्जा में पाई जाने वाली वसा जैसी कंकालीय ऊतकों के निर्माण और मरम्मत के लिए महत्वपूर्ण होती हैं। इन कार्यों के कारण, इन्हें ऊतक चोट और अपक्षयी रोगों के उपचार में प्रभावी दिखाया गया है।

स्टेम कोशिकाओं की विभेदन क्षमता के आधार पर वर्गीकरण

स्व-प्रतिकृतिकरण और विभिन्न ऊतकों में विभेदन की क्षमता के आधार पर स्टेम कोशिकाओं को टोटिपोटेंट, प्लूरिपोटेंट, मल्टीपोटेंट और यूनिपोटेंट में वर्गीकृत किया गया है। उनमें से प्रत्येक का वर्णन निम्नलिखित खंडों में किया गया है।

टोटिपोटेंट स्टेम कोशिकाएँ

टोटिपोटेंट (टोटि = संपूर्ण, पोटेंट = सक्षम) स्टेम कोशिकाएँ सबसे बहुमुखी रूप हैं और इनमें विभेदन की अत्यधिक क्षमता होती है जो कोशिकाओं को भ्रूण और अतिरिक्त-भ्रूणीय झिल्लियाँ तथा संपूर्ण कार्यात्मक जीव बनाने वाले सभी पश्च-भ्रूणीय ऊतकों और अंगों का निर्माण करने की अनुमति देती है। जाइगोट टोटिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं का एक उदाहरण है क्योंकि अंडे के निषेचन और विभाजन के कुछ घंटों बाद प्रत्येक कोशिका में पूर्ण जीव विकसित करने की क्षमता होती है।

इसके अतिरिक्त, एक समान जुड़वाँ बच्चों का निर्माण दो टोटिपोटेंट कोशिकाओं के पृथक होने और उनके दो आनुवंशिक रूप से समान भ्रूणों में विकसित होने के परिणामस्वरूप होता है। प्रारंभिक भ्रूण की सभी कोशिकाएँ आठ-कोशिका स्तर तक टोटिपोटेंट होती हैं, उसके बाद वे विशेषीकरण प्रारंभ करती हैं और ब्लास्टोसिस्ट बनाती हैं। इस संदर्भ में, आद्य जनन कोशिकाएँ भी प्रकृति में टोटिपोटेंट होती हैं। लगभग चार दिनों के बाद, ब्लास्टोसिस्ट का आंतरिक कोशिका द्रव्य प्लूरिपोटेंट बन जाता है।

प्लूरिपोटेंट स्टेम कोशिकाएँ

बहुक्षम (pluri = कई, potent = सक्षम) स्टेम कोशिकाओं में भ्रूण की लगभग सभी कोशिका प्रकारों में विभेदित होने की क्षमता होती है, सिवाय अतिरिक्त भ्रूणीय सहायक ऊतकों (placenta और yolk sac) की कोशिकाओं के। ये कोशिकाएँ सभी जर्म परतों को जन्म दे सकती हैं, लेकिन अतिरिक्त-भ्रूणीय ऊतक जैसे placenta नहीं बना सकतीं; परिणामस्वरूप, ये टोटीपोटेंट स्टेम कोशिकाओं की तरह पूर्ण जीव नहीं बना सकतीं। ब्लास्टोसिस्ट का आंतरिक कोशिका द्रव्य (inner cell mass) वयस्क जीव के ऊतकों को जन्म देता है, जबकि बाहरी परत ट्रोफेक्टोडर्म placenta बनाती है। बहुक्षम स्टेम कोशिकाएँ विभाजित होती रहती हैं, जब तक कि वे गैस्ट्रुलेशन अवस्था में विशिष्ट न होने लगें। उदाहरणों में भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ और वे कोशिकाएँ शामिल हैं जो भ्रूणीय स्टेम कोशिका विभेदन के प्रारंभिक चरणों में बने एक्टोडर्म, मीजोडर्म और एंडोडर्म जर्म परतों से व्युत्पन्न होती हैं।

बहुक्षम स्टेम कोशिकाएँ

बहुक्षम कोशिकाएँ (बहु = अनेक, क्षम = सक्षम) निकट संबंधित कोशिका-परिवार में विभेदित होने की क्षमता रखती हैं। ये प्लास्टिक और अधिक विभेदित स्टेम कोशिकाएँ होती हैं। ये बहुक्षम स्टेम कोशिकाएँ विशिष्ट कोशिका-वंश के भीतर विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में विशेषज्ञ हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, बहुक्षम रक्त-बनाने वाली (वयस्क) स्टेम कोशिकाएँ विभिन्न प्रकार की रक्त कोशिकाओं—जैसे लाल रक्त कोशिकाएँ, सफेद रक्त कोशिकाएँ और प्लेटलेट्स—में विकसित हो सकती हैं। इसी प्रकार, तंत्रिका स्टेम कोशिकाएँ न्यूरॉन, ओलिगोडेंड्रोसाइट्स और एस्ट्रोसाइट्स उत्पन्न कर सकती हैं। विभेदन के बाद इन कोशिकाओं की क्षमताएँ उनके विशिष्ट वंश की कोशिकाओं तक सीमित हो जाती हैं।

एकक्षम स्टेम कोशिकाएँ

यह एक अविभेदित कोशिका है जो विभेदित ऊतक में उपस्थित होती है और बार-बार विभाजित होने का गुण रखती है। एकक्षम स्टेम कोशिकाओं में केवल अपने ही प्रकार की कोशिकाएँ उत्पन्न करने की क्षमता होती है और साथ ही स्व-नवीनीकरण का गुण भी होता है जो उन्हें स्टेम कोशिका कहलाने योग्य बनाता है। वे स्व-नवीनीकरण कर सकती हैं और ऊतक की विशिष्ट कोशिकाओं—जैसे एपिडर्मल स्टेम कोशिकाएँ, पेशी और एंडोथेलियल आदि—में विभेदित हो सकती हैं। एकक्षम स्टेम कोशिकाओं में बार-बार विभाजन उन्हें पुनर्योजी चिकित्सा में चिकित्सीय उपयोग के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।

यह याद रखना चाहिए कि सर्वक्षम और बहुक्षम स्टेम कोशिकाएँ जीव के भ्रूणीय जीवन से संबंधित होती हैं, जबकि बहुक्षम और एकक्षम स्टेम कोशिकाएँ वयस्क जीवन में पाई जाती हैं। सामान्यतः, बहुक्षम और एकक्षम स्टेम कोशिकाओं को वयस्क स्टेम कोशिकाएँ या सोमैटिक स्टेम कोशिकाएँ कहा जाता है।

9.1.2 स्टेम कोशिकाओं की विशेषताएँ

पिछले कई वर्षों से वयस्क स्टेम कोशिकाओं की विभेदन क्षमता पर बहुत ध्यान दिया गया है। वयस्क स्टेम कोशिकाओं की प्लास्टिसिटी ऊतक-विशिष्ट स्टेम कोशिकाओं की कथित क्षमता है कि वे अपने मूल ऊतक से भिन्न कोशिका प्रकारों का भाग्य प्राप्त कर सकें। एक कोशिका प्रकार का अपने नियत भाग्य के विरुद्ध अन्य कोशिका प्रकार में विभेदन के लिए कोशिकाओं के भीतर व्यापक आण्विक पुनर्व्यवस्था की आवश्यकता होती है, जिसके लिए प्रतिक्रिया देने वाली कोशिकाओं की सक्षमता और सूक्ष्म-पर्यावरणीय संकेत सबसे महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, अस्थि मज्जा की सभी प्रकार की कोशिकाएँ न्यूरॉन या हेपैटोसाइट में विभेदित होने के लिए सक्षम नहीं होती हैं।

इसी प्रकार, सक्षम अस्थि मज्जा कोशिकाएँ नियति के विरुद्ध विभाजन कार्यक्रम नहीं अपनातीं, जब तक कि उन्हें प्रेरक सूक्ष्म वातावरण के संपर्क में नहीं लाया जाता। सोमैटिक कोशिकाओं द्वारा वंशावली बदलने के कुछ वैकल्पिक मार्ग हैं – ट्रांस-डिटर्मिनेशन, ट्रांसडिफरेंशिएशन, डिडिफरेंशिएशन, विषमता, बनाम जीन स्तर की प्लीओट्रोपी और संलयन। पहला है ट्रांस-डिटर्मिनेशन, जिसमें एक स्टेम कोशिका जो निश्चित वंशावली उत्पन्न करने के लिए प्रोग्रामित है, दूसरी स्टेम कोशिका में स्विच कर जाती है और उस पूर्ववर्ती की कोशिका प्रकारों को जन्म देती है, अर्थात् उसकी क्षमता पुनर्निर्देशित हो जाती है। दूसरा मार्ग है ट्रांसडिफरेंशिएशन, इस प्रक्रिया में एक विभेदित कोशिका दूसरी विभेदित कोशिका का फ़ीनोटाइप प्राप्त कर सकती है। डिडिफरेंशिएशन निचले कशेरुकियों में सामान्य है पर स्तनधारियों में दुर्लभ है। डिडिफरेंशिएशन प्रक्रिया द्वारा वयस्क स्टेम कोशिकाएँ पुनः मास्टर कोशिकाओं में लौट आती हैं जिनसे वे उत्पन्न हुई थीं और वे मास्टर कोशिकाएँ अन्य कोशिका प्रकारों में विभेदित हो सकती हैं। विषमता वयस्क स्टेम कोशिकाओं की प्लास्टिक प्रकृति के लिए सबसे स्वीकार्य व्याख्या है। वयस्क स्टेम कोशिकाओं की प्लास्टिसिटी के स्वर्ण मानकों में से एक इसकी क्लोनल स्तर की शुद्धता है। सामान्यतः स्टेम कोशिकाओं की शुद्धि विशिष्ट सतह चिन्हकों की उपस्थिति और अनुपस्थिति से निर्धारित होती है। जब एक ही जर्म परत से उत्पन्न दो कोशिकाओं के बीच प्लास्टिसिटी को क्लोनल स्तर की अशुद्धता द्वारा समझाया जा सकता है, तो उसे प्लीओट्रोपिक कहा जाता है। संलयन वयस्क स्टेम कोशिकाओं में प्लास्टिसिटी के लिए प्रस्तावित एक वैकल्पिक तंत्र है।

9.1.3 स्टेम सेल का रखरखाव

सेलों को आमतौर पर लैमिनार फ्लो हुड के नीचे पैसेज किया जाता है और इनक्यूबेटरों में रखा जाता है, जो वायुमंडलीय आंशिक ऑक्सीजन दबाव $(pO_2)$ के अंतर्गत होते हैं। स्टेम सेलों को वायुमंडलीय दबाव से कम नियंत्रित घुले हुए ऑक्सीजन आंशिक दबाव पर उगाया जाना चाहिए। महत्वपूर्ण पैरामीटर, जैसे कि $pH$ और $pO_2$, को संस्कृति माध्यम में लगातार निगरानी और मापा जाना चाहिए। इंट्रासेलुलर सेंसिंग के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण फ्लोरोफोरों का उपयोग है, जिन्हें संस्कृति में जोड़ा जा सकता है और साइटोप्लाज्म में लिया जा सकता है बिना सेल फंक्शन बदले। वैकल्पिक रूप से, आंतरिक सेलुलर फ्लोरोफोर जैसे कि फ्लेवोप्रोटीन और लिपोफ्यूसिन का उपयोग सेल रेडॉक्स स्टेट में गैर-इनवेसिव बदलावों की निगरानी के लिए किया जा सकता है साथ ही विभिन्न संस्कृति परिस्थितियों के तहत ऑक्सीडेटिव तनाव की निगरानी के लिए भी।

स्टेम सेलों की संस्कृति पशु सेल संस्कृति के लिए मानक प्रोटोकॉल के समान है। हालांकि, मानव स्टेम सेलों की सफल संस्कृति के लिए उनकी आत्म-नवीनीकरण और क्षमता की महत्वपूर्ण विशेषताओं को बनाए रखने के लिए अतिरिक्त ध्यान देने की आवश्यकता होती है। एक सफल स्टेम सेल संस्कृति, in vivo सूक्ष्म वातावरण की बहाली, में ग्रोथ फैक्टरों और अन्य घटकों की उपस्थिति शामिल है जो उचित सेल-टू-सेल इंटरैक्शन और सेल-टू-मैट्रिक्स एडहेसन के लिए आवश्यक हैं (बॉक्स 2)।

स्टेम सेलों की संस्कृति के लिए, यह अत्यधिक अनुशंसित है कि सेलों को नियमित अंतरालों पर निम्नलिखित पैरामीटरों के लिए निगरानी की जानी चाहिए:

बॉक्स 2

• कोशिका-रेखा निर्जीवता: सतत कोशिका संवर्धन विभिन्न सूक्ष्मजीव संदूषणों (मुख्यतः कवकीय और जीवाणु) के प्रति संवेदनशील होते हैं जिससे कोशिका मृत्यु होती है। चूँकि स्टेम कोशिकाओं को पोषक तत्वों से भरपूर संवर्धन माध्यम में बिना किसी प्रतिजैविक के संवर्धित किया जाता है, इसलिए वे संक्रमण और संदूषण की चपेट में आ जाती हैं। जीवाणुओं और कवक के अतिरिक्त, माइकोप्लाज़्मा को भी एक अन्य संदूषक माना जाता है। माइकोप्लाज़्मा के सामान्य स्रोत पशु मूल के संदूषित पदार्थ होते हैं, जैसे सीरम, ट्रिप्सिन और प्राथमिक फीडर कोशिका संवर्धन। वायरस स्टेम कोशिका संवर्धन में संदूषण का एक अन्य रूप हैं और वे वायरल प्रतिकृती के लिए कोशिकीय संसाधनों का उपयोग करते हैं और मेज़बान जीनोम में समाकलन करते हैं, जिससे कोशिकीय क्रियाकलाप बदल जाता है। इस प्रकार, उपयोग से पहले और संवर्धन के दौरान नियमित अंतरालों पर सूक्ष्मजीव संदूषण की जाँच अत्यधिक अनुशंसित है।

• कोशिका-रेखा प्रामाणिकता: कोशिका संवर्धन में, क्रॉस-संदूषण एक प्रमुख जोखिम कारक है क्योंकि अधिकांश प्रयोगशालाओं में एकाधिक कोशिका-रेखाओं का संवर्धन होता है। क्रॉस-संदूषण गलत आँकड़ों, गलत सूचना और भ्रामक निष्कर्षों की ओर ले जा सकता है। इस प्रकार, उपयोग से पहले कोशिका-रेखाओं की उचित प्रमाणीकरण अनिवार्य है।

• कोशिका-रेखा स्थिरता: दीर्घकालिक संवर्धन के दौरान कोशिकाओं में आनुवंशिक और/या लक्षणात्मक परिवर्तन की संभावना होती है। इस प्रकार, नियमित अंतरालों पर गुणसूत्रीय स्तर पर परिवर्तन सहित आनुवंशिक विसंगतियों की जाँच की जानी चाहिए। कोशिका-रेखा स्थिरता की निगरानी के लिए RT-PCR, इम्यूनो-साइटोकेमिकल स्टेनिंग और प्रवाह कोशिकामिति आदि सहित कई विधियाँ उपलब्ध हैं।

9.1.4 स्टेम कोशिकाओं के अनुप्रयोग

किसी भी स्टेम कोल थेरेपी का लक्ष्य एक क्षतिग्रस्त ऊतक की मरम्मत करना होता है जो स्वयं ठीक नहीं हो सकता। स्टेम कोल उपचारों पर चल रहे शोध उन रोगियों को आशा और आत्मविश्वास देते हैं जिन्हें आमतौर पर उनके रोग का इलाज नहीं मिलता, बल्कि केवल उनके दीर्घकालिक रोग के लक्षणों में सुधार किया जाता है। स्टेम कोल थेरेपी में केवल कोशिकाओं को शरीर में प्रत्यारोपित करना और उन्हें नया, स्वस्थ ऊतक बनाने के लिए निर्देशित करना ही शामिल नहीं होता। यह भी संभव हो सकता है कि शरीर में पहले से मौजूद स्टेम कोशिकाओं को अतिरिक्त समय तक काम करने और नया ऊतक उत्पन्न करने के लिए प्रेरित किया जाए। कई स्टेम कोल थेरेप्यूटिक्स विकसित किए गए हैं, लेकिन इनमें से अधिकांश प्रायोगिक चरणों में हैं और महंगे हैं, हड्डी मज्जा प्रत्यारोपण को छोड़कर। कई चिकित्सा शोधकर्ता भविष्यवाणी करते हैं कि शीघ्र ही भ्रूणीय और वयस्क स्टेम कोशिकाएं मांसपेशी क्षति, कैंसर, हंटिंग्टन रोग, टाइप 1 मधुमेह, पार्किंसन रोग, हृदय की विफलता, सीलिएक रोग, न्यूरोलॉजिकल विकार और कई अन्य रोगों का इलाज करने में सक्षम होंगी। स्टेम कोल थेरेप्यूटिक्स के क्लिनिकल चिकित्सा में अनुप्रयोग से पहले, स्टेम कोल व्यवहार को प्रत्यारोपण के बाद समझने और क्षतिग्रस्त या रोगग्रस्त सूक्ष्म-पर्यावरण के साथ स्टेम कोल अंतःक्रिया की तंत्र को समझने के लिए और शोध की आवश्यकता है। स्टेम कोल थेरेपी की कुछ क्लिनिकल अनुप्रयोग निम्नलिखित विस्तृत हैं।

न्यूरोलॉजिकल रोग

स्टेम कोशिकाएं न्यूरोलॉजिकल रोगों के उपचार के लिए एक अच्छा वैकल्पिक चिकित्सीय उम्मीदवार बन सकती हैं। उदाहरण के लिए, एमायोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (ALS) एक प्रगतिशील न्यूरोमस्कुलर रोग है जिसकी विशेषता मस्तिष्क और स्पाइनल कॉर्ड में मोटर न्यूरॉनों की हानि है। ALS के उपचार के लिए अस्थि मज्जा स्टेम कोशिकाओं और प्रेरित बहुपोटेंशियल स्टेम कोशिकाओं (iPS cell या iPSCs) का उपयोग करने की जांच क्लिनिकल परीक्षणों के अधीन है।

स्पाइनल कॉर्ड चोट के मामलों में, तंत्रिका फाइबर बंडल क्षतिग्रस्त हो जाते हैं जिससे पक्षाघात होता है। वयस्क स्टेम कोशिकाओं का उपयोग करके नई तंत्रिका कोशिकाओं को पुनर्जन्मित करने और कटे हुए तंत्रिका फाइबरों की वृद्धि को ट्रिगर करने की जांच की जा रही है।

स्टेम कोशिका चिकित्साएं आंखों की बीमारियों के उपचार के लिए उपयोग की जा रही हैं। ऐसे ही एक मामले में भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं और रेटिनल स्टेम कोशिकाओं से व्युत्पन्न रेटिनल पिगमेंट एपिथेलियल कोशिकाओं के प्रत्यारोपण से दृष्टि में सुधार देखा गया। यह प्रेक्षण आंखों की बीमारियों के लिए नई चिकित्साओं की आशा लाता है।

घाव भरना या त्वचा प्रतिस्थापना

त्वचा (केराटिनोसाइट) स्टेम कोशिकाएं बालों की जड़ में मौजूद होती हैं और ये स्टेम कोशिकाएं बालों को उखाड़ने के बाद निकाली जाती हैं और संवर्धित की जाती हैं। इन कोशिकाओं के संवर्धन के बाद, उन्हें रोगी की अपनी त्वचा के समकक्ष उपयोग किया जा सकता है जिसमें अस्वीकृति की समस्या कम होती है। इस प्रकार, स्टेम कोशिका एक रोगी के उखाड़े गए बाल से त्वचा विकसित करने की संभावना बन जाती है। स्टेम कोशिकाएं त्वचा की चोटों, जननिक विकारों और जले हुए घावों के तेजी से उपचार के लिए पारंपरिक त्वचा प्रत्यारोपणों की तुलना में बेहतर विकल्प होती हैं, जो डर्मिस की खोई हुई संपूर्ण संरचना को बहाल करने में विफल रहते हैं, क्योंकि इनमें सूजन का स्तर कम होता है।

हृदय संबंधी रोग

हृदय संबंधी रोग मूलतः इस्कीमिया और हृदय पेशी की चोट से विशेषित होते हैं जिससे उच्च रक्तचाप और संक्रामक हृदय की विफलता होती है। इसके लिए पारंपरिक और मानक उपचार अवरुद्ध धमनियों की मरम्मत करने वाली शल्य चिकित्सा प्रक्रियाएं, द्रव प्रतिधारण को कम करने वाली दवाएं और जीवनशैली में बदलाव हैं। स्टेम कोशिकाओं के आगमन के साथ, एक बेहतर चिकित्सा जांच के अधीन है जिसका उद्देश्य हृदय ऊतक और रक्त वाहिकाओं की खोई हुई कार्यक्षमता को पुनः स्थापित करना है।

स्व-प्रतिरक्षित विकार

टाइप 1 मधुमेह

टाइप I मधुमेह शरीर की अपनी प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा इंसुलिन उत्पादक अग्न्याशयी बीटा कोशिकाओं के क्षरण के कारण होता है। उपचार के लिए, इन विट्रो इंसुलिन प्रशासन एक प्रभावी रणनीति है, लेकिन इंसुलिन की खुराक का अनुकूलन एक प्रमुख सीमा है, क्योंकि इंसुलिन की मात्रा ग्लूकोज स्तर पर निर्भर करती है। इस प्रकार, हेमेटोपोएटिक स्टेम कोशिकाओं से व्युत्पन्न कोशिकाओं के साथ इसके उपचार की खोज की जा रही है।

मल्टिपल स्केलेरोसिस

मल्टिपल स्केलेरोसिस एक पुरानी सूजन संबंधी बीमारी है जो मस्तिष्क या रीढ़ की हड्डी में होती है। यह रोग शरीर की अपनी प्रतिरक्षा प्रणाली के अति-सक्रिय होने के कारण होता है, जिसमें न्यूरॉन्स की मायलिन शीथ क्षतिग्रस्त हो जाती है। उपचार के लिए, अस्थि मज्जा स्टेम कोशिकाओं और न्यूरल स्टेम कोशिकाओं को उचित मायलिन शीथ के साथ न्यूरॉन्स को पुनर्जीवित करने के लिए जांचा जा रहा है।

आर्थ्राइटिस

आर्थ्राइटिस में, लक्षण पुराना दर्द, जोड़ों की सूजन होते हैं, जो मुख्य रूप से प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा उपास्थि के विनाश के कारण होते हैं। वर्तमान में उपयोग की जाने वाली उपचार रणनीतियों में ऐसी दवाएं शामिल होती हैं जो दर्द और सूजन को कम करती हैं। लेकिन स्टेम कोशिकाओं को उपास्थि बनाने वाली कोशिकाओं, कॉन्ड्रोसाइट्स में विभेदित किया जा सकता है, इस प्रकार स्टेम कोशिकाओं का उपयोग एक बेहतर विकल्प हो सकता है।

फार्मास्यूटिकल उद्योगों में, स्टेम कोशिकाएं दवाओं की क्षमता या क्रियाविधि की जांच के लिए एक उपयुक्त मॉडल के रूप में विकसित हुई हैं और पशु मॉडलों की नैतिक चुनौतियों की सीमाओं के खिलाफ एक बेहतर विकल्प बन गई हैं। वर्तमान परिदृश्य में, फार्मास्यूटिकल उद्योग दवा स्क्रीनिंग के लिए स्टेम कोशिकाओं के उपयोग पर जोर देते हैं। इसके अतिरिक्त, मानव भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं से उत्पन्न कार्डियोमायोसाइट्स को हृदय रोगों के लिए मॉडल के रूप में उपयोग किया जाता है। स्टेम कोशिकाओं से उत्पन्न न्यूरोनल कोशिकाओं का उपयोग न्यूरोनल विकारों के लिए कार्यशील मॉडल के रूप में किया जाता है।

स्टेम कोशिका अनुसंधान चुनौतियाँ

वर्तमान अनुसंधान परिदृश्य में, स्टेम सेल अनुसंधान एक उभरता हुआ क्षेत्र है जिसके विभिन्न अनुप्रयोग हैं, लेकिन इसमें कुछ चुनौतियाँ अभी तक हल होनी बाकी हैं। प्रमुख चुनौतियों में से एक है प्रतिरक्षात्मक अस्वीकृति, जिसमें स्टेम सेल प्रत्य्यारोपण को ग्रहणकर्ता की प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा अस्वीकार कर दिया जाता है। इसे हल करने के लिए, ग्रहणकर्ताओं को प्रतिरक्षा-दमनकारी उपचार दिए जाते हैं, जो उन्हें सूक्ष्मजीवीय संक्रमणों के प्रति संवेदनशील बनाते हैं। हालांकि, प्रेरित बहुपोटेंशियल स्टेम कोशिकाओं (जो सीधे ग्रहणकर्ता की अपनी कोशिकाओं से प्राप्त की जाती हैं) का उपयोग उपरोक्त अस्वीकृति की सीमा को कुछ हद तक दूर करने की एक रणनीति हो सकती है। दूसरी प्रमुख चुनौती स्टेम कोशिकाओं का व्यवहार है। एक स्टेम कोशिका की सामान्य विशेषताओं में कुछ अनुप्रयोगों के लिए सीमाएँ हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ, जो अनिश्चित काल तक विभाजित होती हैं, ट्यूमर वृद्धि को प्रेरित कर सकती हैं। अनुप्रयोग के दौरान स्टेम कोशिकाओं की सुरक्षा भी एक चुनौती है, क्योंकि स्टेम कोशिकाएँ सूक्ष्मजीवीय संक्रमण के प्रति संवेदनशील होती हैं जो ग्रहणकर्ताओं में विभिन्न संक्रामक रोगों का कारण बनती हैं।

9.2 अंग संवर्धन

अब तक, आपने कोशिका संवर्धन के विभिन्न पहलुओं का अध्ययन किया है जो उपयुक्त पोषक माध्यम का उपयोग करके पृथक की गई कोशिकाओं की इन विट्रो रखरखाव और प्रसार से संबंधित है। कोशिका संवर्धन में, यद्यपि कोशिका-से-कोशिका अन्योन्यक्रिया संभव है, परंतु इन विवो संरचनात्मक जटिलता की कमी है जो कोशिका संवर्धन की मुख्य सीमा है। पारंपरिक मानव कोशिका संवर्धन जो आमतौर पर प्रजातियों में अंतर स्थापित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, प्रतिक्रिया देने वाली कोशिका प्रकारों की उपयुक्त सूक्ष्मपर्यावरणीय रूपरेखा की कमी के कारण इन विवो प्रतिक्रियाओं के चित्रण में भी सीमित हैं। जानवरों पर प्रीक्लिनिकल परीक्षणों को मानव रोगविज्ञान, शरीर क्रिया विज्ञान और चिकित्सा की भविष्यवाणी में आंशिक सफलता मिली है। आधुनिक संवर्धन दृष्टिकोण, जैसे त्रि-आयामी (3D) संवर्धन, ऑर्गन्स-ऑन-ए-चिप या ऑर्गेनॉइड्स ने ऊतक सूक्ष्मपर्यावरण की आंशिक नकल करने का प्रयास किया है।

अनुसंधान के लिए ऊतक संवर्धन तकनीकों से किसी अंग के एक भाग या संपूर्ण अंग का विकास को अंग संवर्धन कहा जाता है। इसमें, अंग के भागों को एक्सप्लांट किया जाता है और इन विट्रो में इस प्रकार उगाया जाता है कि कृत्रिम माध्यम पर संवर्धन में कई ऊतक घटकों की शारीरिक संबंध और शारीरिक कार्य संरक्षित रहते हैं, जिससे इसकी मूल ऊतक की नकल होती है।

किसी भी अंग संवर्धन तकनीक में सफलता के लिए यह अत्यंत आवश्यक है कि ऊतकों के साथ अत्यधिक सावधानी से काम लिया जाए और उन्हें संभालने के दौरान क्षतिग्रस्त या विघटित न होने दिया जाए। ऊतकों को प्रयोगशाला में यथाशीघ्र पहुँचाना चाहिए ताकि उनका क्षरण न्यूनतम हो, आदर्श रूप से संग्रह के कुछ ही मिनटों के भीतर। इसके अतिरिक्त, अंग संवर्धनों का विश्लेषण इम्यूनोकेमिस्ट्री, ऑटोरेडियोग्राफी और हिस्टोलॉजी द्वारा किया जा सकता है।

9.2.1 अंग संवर्धन की विशेषताएँ

प्राथमिक रूप से, अंग या ऊतक के अंग संवर्धन में संरचनात्मक डिज़ाइन को संरक्षित रखना होता है और उसे सामान्य विकास की ओर निर्देशित करना होता है। अंग संवर्धन की महत्वपूर्ण विशेषताएँ इस प्रकार हैं।

संरचनात्मक अखंडता

अंग संवर्धन में एक प्रमुख सीमा ऊतकों में संवहन तंत्र की अनुपस्थिति है, जिससे आकार (प्रसार द्वारा) और संभवतः अंग संवर्धन के भीतर कोशिकाओं की ध्रुवता सीमित हो जाती है। समग्र रूप से, संपूर्ण अंग संवर्धन में, कुछ प्रसार बाह्य कोशिका परतों पर हो सकता है जैसा कि अंगों में होता है। ये कोशिकाएँ एकल इकाई के रूप में एकीकृत होती हैं, जबकि पृथक की गई कोशिकाएँ विच्छिन्न होती हैं। साथ ही, अंग संवर्धन में कोशिका-से-कोशिका संचार और संबद्धता बहुत अधिक संरक्षित रहती है। इसलिए, मूल ऊतक की संरचनात्मक अखंडता के संरक्षण के कारण, संबद्ध कोशिकाएँ कोशिका संपर्क या आसंजन के माध्यम से संकेतों का आदान-प्रदान कर सकती हैं।

पोषक तत्व और गैस विनिमय

अंग संस्कृतियों में संवहन तंत्र नहीं होता है और यह स्थिति कोशिकाओं तक गैस विनिमय और पोषक तत्वों की आपूर्ति को सीमित कर देती है। जब कोशिकाओं को ऊतकों के ठोस द्रव्य के रूप में संस्कृत किया जाता है, तो पोषक तत्वों का विनिमय और गैसों का विसरण परिधि से होता है और यह विसरण दर ऊतक के आकार को सीमित करती है। परिणामस्वरूप, ऊतक या अंग के केंद्रीय भाग में कुछ मात्रा में नेक्रोसिस हो सकता है। अधिकांश समय, अंग संस्कृतियों को उच्च $\mathrm{O}{2}$ सांद्रता के संपर्क में रखा जाता है। हालांकि, उच्च $\mathrm{O}{2}$ सांद्रता के उपयोग के साथ $\mathrm{O}_{2}$ प्रेरित विषाक्तता का जोखिम भी जुड़ा होता है।

इस कठिनाई से निपटने के लिए अंग संवर्धन में, ऊतकों को गैस-द्रव चरण पर बनाए रखा जाता है ताकि गैसों के आदान-प्रदान में सुविधा हो और पर्याप्त पोषक तत्वों तक पहुंच बनी रहे। ऊतक को ठोस आधार से जोड़ने से ऊतक से कोशिकाओं का बाहर निकलकर विकास हो सकता है और इसस� ज्यामिति में बदलाव आ सकता है, यद्यपि इस प्रभाव को जल-विरोधी सतह का उपयोग करके कम किया जा सकता है। अंग संवर्धन को गैसीय और द्रव चरण के अंतरापृष्ठ पर बनाए रखने का महत्व इस बात में है कि यदि द्रव को इष्टतम स्तर पर रखा जाता है तो ऊतक गोलाकार ज्यामिति बनाए रखता है। हालांकि, यदि द्रव का स्तर बहुत सतही है, तो सतह के तनाव के कारण ऊतक बाहर निकलेगा और चपटा हो जाएगा, जबकि यदि स्तर बहुत गहरा है, तो गैसों का आदान-प्रदान बाधित होता है। अंग संवर्धन में ऑक्सीजन के प्रवेश को बढ़ाने के लिए, हाइपरबेरिक ऑक्सीजन या शुद्ध ऑक्सीजन की बढ़ी हुई मात्रा का उपयोग किया जाता है।

9.2.2 वृद्धि और विभाजन

वृद्धि का अर्थ है संस्कृति में कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि, जबकि विभेदन का अर्थ है विभेदित कोशिका के कार्य में परिवर्तन। वृद्धि और विभेदन एक-दूसरे से संबंधित हैं इस प्रकार कि विभेदित कोशिकाएँ आगे प्रसारित होने में सक्षम नहीं हो सकती हैं। यह संभावना है कि कोशिका घनत्व की परवाह किए बिना, वृद्धि की समाप्ति विभेदन के प्रेरण को बढ़ावा दे सकती है। अधिकांश अंग संस्कृतियाँ वृद्धि नहीं करती हैं, बल्कि वे केवल कोशिकाओं की बाहरी परतों पर संरचना और आकृति द्वारा लागू भौतिक सीमाओं के परिणामस्वरूप प्रसारित होती हैं। अंग संस्कृति उपयुक्त कोशिकीय संचारों और विभेदनों के प्रति सहिष्णु होती है और उपयुक्त वातावरण को बनाए रखने के लिए भी। विभेदन को सुविधाजनक बनाने के लिए घुलनशील वृद्धि कारक आपूर्ति किए जाते हैं।

संपूर्ण भ्रूण संस्कृति

स्प्रैट (1950 के दशक) ने इन विट्रो में विकसित हो रहे भ्रूण पर चयापचय अवरोधकों के प्रभाव को समझाया। भ्रूण को संवर्धित करने के लिए, एक उपयुक्त माध्यम तैयार करना होता है और उसे एक घड़ी के काँच पर डालना होता है, जिसे फिर पेट्रीडिश में रखे गए नम absorbent कपास के छोटे टुकड़े पर रखा जाता है। संवर्धन में चिक भ्रूण को देखने के लिए, अंडों को $38^{\circ} \mathrm{C}$ पर $40-42$ घंटे तक इनक्यूबेट किया जाता था ताकि एक दर्जन भ्रूण उत्पन्न हो सकें। अंडे के छिलके को 70 प्रतिशत एथेनॉल से निर्जीवित किया गया, फिर टुकड़ों में तोड़ा गया और $50 \mathrm{ml}$ संतुलित लवण विलयन (BSS) में रखा गया। ब्लास्टोडर्म को ढकने वाली विटेलिन झिल्ली को हटाकर BSS में रखा गया। चिपकी हुई विटेलिन झिल्ली को फोरसेप की सहायता से हटाया गया। भ्रूण को सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखा गया ताकि ब्लास्टोडर्म के विकास की अवस्था का अध्ययन किया जा सके। ब्लास्टोडर्म को सावधानी से घड़ी के काँच में रखे गए निर्जीव absorbent कपास के टुकड़े पर रखा गया और चिक के भ्रूण संवर्धन को आगे के विकास के लिए $37.5^{\circ} \mathrm{C}$ पर इनक्यूबेट किया गया।

9.2.3 अंग संवर्धन के प्रकार

हिस्टोटाइपिक संवर्धन

जब कोई विशेषतः वर्णित कोशिका लाइन उपयुक्त घुलनशील कारकों और अतिरिक्त कोशिकीय मैट्रिक्स की उपस्थिति में उच्च घनत्व पर प्रसारित या संवर्धित की जाती है, तो ऐसे संवर्धन को हिस्टोटाइपिक कहा जाता है। संवहनी एंडोथेलियल कोशिकाएँ उपयुक्त घुलनशील कारकों की उपस्थिति में कोलाजन मैट्रिक्स में विकसित होने पर कैपिलरी नलिकाएँ बना सकती हैं। कोलाजन जैसे अतिरिक्त कोशिकीय मैट्रिक्स घटकों से लेपित सेलुलोज स्पंज एक अन्य उदाहरण है। वैकल्पिक रूप से, कोशिकाएँ स्पंज में प्रवेश कर सकती हैं और ग्रंथिल संरचनाएँ बना सकती हैं।

ऑर्गेनोटाइपिक संवर्धन

हिस्टोटाइपिक संवर्धन में सीमा यह है कि इसमें विषम कोशिकीय अन्योन्यक्रियाओं का मूल्यांकन करना संभव नहीं होता है। जब विभिन्न वंशावली की कोशिकाओं को एक साथ संवर्धित कर ऊतक-सदृश संरचना बनाई जाती है, तो इसे ऑर्गेनोटाइपिक संवर्धन कहा जाता है, जो दो कोशिका प्रकारों की सह-संवर्धन को बनाए रखने का सबसे आसान तरीका है। उदाहरण के लिए, फाइब्रोब्लास्ट और एपिथेलियल कोशिका क्लोन की सह-संवर्धन

बॉक्स 3: हिस्टोटाइपिक और ऑर्गेनोटाइपिक कल्चर

हिस्टोटाइपिक और ऑर्गेनोटाइपिक कल्चर। प्राइमरी कल्चर की विषमता (A), परिभाषित कोशिका समूहों को शुद्ध कैसे करें, जिन्हें बढ़ाया जा सकता है और उपयुक्त परिस्थितियों में सीड किया जा सकता है, एक कोशिका प्रकार की उच्च घनत्व वाली कल्चर दे सकते हैं परफ्यूज़्ड मल्टीलेयर्स में (B), स्फेरॉइड्स या ऑर्गेनॉइड्स स्टिर्ड सस्पेंशन में (C), स्पंज या स्कैफोल्ड में (D), त्रि-आयामी मल्टीलेयर्स परफ्यूज़्ड कैपिलरीज़ में (E), मोनोलेयर्स या मल्टीलेयर्स फिल्टर वेल इनसर्ट्स में $(F)$। शुद्ध समूहों का विस्तार और पुनः संयोजन ऑर्गेनोटाइपिक कल्चर उत्पन्न कर सकते हैं, फिल्टर वेल इनसर्ट्स में (G) या संकेन्द्रिक माइक्रो-कैपिलरीज़ पर $(H)$।

स्तन ग्रंथि से प्राप्त होने पर उपकला कोशिकाएं कार्यात्मक रूप से विभेदित होती हैं। यह उनकी इस क्षमता द्वारा प्रदर्शित किया गया है कि वे उपयुक्त हार्मोनल वातावरण में दूध के प्रोटीन उत्पन्न कर सकती हैं। विशिष्ट संरचनाओं का निर्माण कार्यात्मक विभेदन द्वारा और भी सिद्ध होता है, जैसे त्रि-आयामी तार जिनमें फाइब्रोब्लास्ट कोशिकाएं स्वयं को गुच्छों में पुनः व्यवस्थित करती हैं और फिर उपकला कोशिकाओं द्वारा उन्हें आवृत किया जाता है। ‘ऑर्गेनॉइड्स’ स्टेम कोशिकाओं से व्युत्पन्न स्व-संगठित 3D ऊतक संवर्धन हैं। इस प्रकार ऑर्गेनॉइड को कोशिकाओं, वृद्धि कारकों, कोलाजन आदि के संयोजन से बनाया जाता है। उदाहरण: चूहे के पेरिटोनियल गुहा में शल्य चिकित्सा द्वारा प्रत्यारोपित कृत्रिम यकृत। ये ऑर्गेनॉइड्स किसी रोगग्रस्त या अकार्यशील अंग को प्रतिस्थापित करने या रोगी के शरीर में आनुवंशिक रूप से परिवर्तित कोशिकाएं पहुँचाने की क्षमता रखते हैं।

9.2.4 अंग संवर्धन के अनुप्रयोग

संवर्धित अंगों का उपयोग अंगों के विकल्प के रूप में किया जा सकता है। यह लाभदायक हो सकता है क्योंकि विकसित देशों में प्रत्यारोपण योग्य अंगों की पहुँच घट रही है। अंग संवर्धन की एक और महत्वपूर्ण बात यह है कि अंग रोगी की स्वयं की स्टेम कोशिकाओं का उपयोग करके उत्पन्न किए जाते हैं, जिससे रोगी को प्रतिरक्षा-दमनकारी औषधियों के बिना अंग प्रत्यारोपण की अनुमति मिलेगी।

अंग संवर्धन (organ culture) एक ऊतक के वास्तविक व्यवहार को इन विट्रो प्रणाली में अध्ययन करने के साथ-साथ किसी अंग या ऊतक की जैव-रासायनिक और कार्यात्मक विशेषताओं को समझने और उन्हें जीवित प्रणाली में समान अंगों से तुलना करने का आसान तरीका प्रदान करता है। अंग संवर्धन हार्मोनों और उनके प्रभावों का अध्ययन करने के लिए भी उपयुक्त है, चाहे वे अकेले हों या अन्य हार्मोनों के साथ संयोजन में। उदाहरण के लिए, स्तन ग्रंथि (mammary gland) माउस का सबसे सामान्यतः संवर्धित अंगों में से एक है।

9.2.5 अंग संवर्धन की सीमाएँ

अंग संवर्धन की कुछ सीमाएँ हैं। मूलतः, अंग संवर्धन ऐतिहासिक (histological) तकनीकों पर निर्भर करता है और जैव-रासायनिक तथा आण्विक विश्लेषणों पर अधिक नहीं। जैव-रासायनिक विश्लेषण पुनरावृत्ति पर आधारित होता है जो अंग संवर्धन में प्राप्त नहीं की जा सकती। इसके अतिरिक्त, अंग संवर्धन में प्रतिरूप (replicates) तैयार करना कोशिका संवर्धन की तुलना में अधिक कठिन होता है। अंग संवर्धन में उच्च विचरण और निम्न पुनरावृत्ति देखी जाती है। इस प्रकार, अंग संवर्धन में प्रत्येक प्रयोग के लिए दाता से ताजा अंग की आवश्यकता होती है।

अंग संवर्धन की विभिन्न सीमाएँ इस प्रकार हैं:

(a) चूँकि अंग संवर्धन प्रसारित नहीं हो सकते, इसलिए प्रत्येक प्रयोग के लिए ताजा अंगों की आवश्यकता होती है।

(b) अंग संवर्धन में पुनरावृत्ति कम और विषमताएँ अधिक होती हैं। इसका कारण ज्यामिति और संचालन में थोड़ा-सा अंतर, अंग संवर्धन को व्यवस्थित करने में नमूना लेने का अंतर और संवर्धनों के बीच कोशिका प्रकारों के अनुपात में अंतर हो सकता है।

(c) अंग संवर्धन तैयार करना बहुत चुनौतीपूर्ण होता है और यह बहुत महंगा भी होता है।

(d) इस तकनीक द्वारा समेकित ऊतक के व्यवहार का ही परीक्षण किया जा सकता है, पृथक कोशिकाओं का नहीं।

9.2.6 भविष्य की संभावनाएँ

भविष्य की एक चुनौती 2D कोशिका संवर्धन के विश्लेषण के लिए विकसित कोशिका-आधारित परीक्षण प्रोटोकॉल को 3D संरचनाओं में बढ़ती कोशिकाओं की बदली हुई परिस्थितियों में ढालना है। 3D कोशिका संवर्धन में बहुकोशिकीय गोलक, स्कैफोल्ड हाइड्रोजेल, अंगांशिकाएँ, चिप्स पर अंग, लटकता बूंद, सूक्ष्मप्रवाह, चुंबकीय उत्प्लावन, सूक्ष्मऊतक और 3D जैवमुद्रण शामिल हैं।

सारांश

• स्टेम कोशिकाएं अस्पेशलाइज्ड कोशिकाएं होती हैं और इनमें स्वयं को नवीनीकृत करने तथा विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता होती है।
• क्षमता के आधार पर, स्टेम कोशिकाओं को टोटीपोटेंट, प्लूरिपोटेंट, मल्टीपोटेंट या यूनिपोटेंट कोशिकाओं में वर्गीकृत किया जा सकता है।
• टोटीपोटेंट स्टेम कोशिकाओं में एक जीव के सभी प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता होती है।
• प्लूरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं में भ्रूण की लगभग सभी प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता होती है, सिवाय अतिरिक्त भ्रूणीय सहायक ऊतकों की कोशिकाओं के।
• मल्टीपोटेंट कोशिकाओं में निकट से संबंधित कोशिका परिवार में विभेदित होने की क्षमता होती है।
• स्रोतों के आधार पर, स्टेम कोशिकाओं को प्रारंभिक (या भ्रूणीय) स्टेम कोशिकाओं और परिपक्व (या वयस्क) स्टेम कोशिकाओं में विभाजित किया गया है।
• प्रारंभिक स्टेम कोशिकाएं (भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं) ब्लास्टोसिस्ट के आंतरिक कोशिका द्रव्य में उपस्थित होती हैं।
• वयस्क स्टेम कोशिकाएं अविभेदित टोटीपोटेंट या मल्टीपोटेंट कोशिकाएं होती हैं और ये विशिष्ट परिपक्व शरीर ऊतकों के साथ-साथ जन्म के बाद नाल और नाभि में भी पाई जाती हैं।
• स्टेम कोशिकाओं में कई बीमारियों के इलाज की क्षमता होती है, जिनमें कैंसर, टाइप 1 मधुमेह, पार्किंसन रोग, हृदय रोग, न्यूरोलॉजिकल विकार आदि शामिल हैं।
• ऊतक संवर्धन तकनीकों से किसी अंग के एक भाग या पूरे अंग का विकास अंग संवर्धन कहलाता है।
• अंग संवर्धन का सबसे महत्वपूर्ण लाभ यह है कि अंग की संपूर्ण त्रि-आयामी संरचना को पुनर्निर्मित किया जा सकता है।
• अंग संवर्धन की महत्वपूर्ण विशेषताएं हैं - संरचनात्मक अखंडता, पोषक तत्व और गैस विनिमय, वृद्धि और विभेदन।
• अंग संवर्धन के प्रकार हैं - संपूर्ण भ्रूण संवर्धन, हिस्टोटाइपिक संवर्धन और ऑर्गनोटाइपिक संवर्धन।
• अंग संवर्धन ऊतक के इन विट्रो प्रणाली में वास्तविक व्यवहार का अध्ययन करने के साथ-साथ किसी अंग या ऊतक की जैव रासायनिक और कार्यात्मक विशेषताओं को समझने और समान अंगों की तुलना आसान तरीके से करने में मदद करता है।
• अंग संवर्धन विकासात्मक जीव विज्ञान और ऊतकों में परस्पर क्रिया को समझने में सहायक होता है।

अभ्यास

1. स्टेम कोशिकाओं और उनके गुणों का संक्षेप में वर्णन कीजिए।

2. टोटीपोटेंट, प्लुरीपोटेंट और मल्टीपोटेंट स्टेम कोशिकाओं में अंतर कीजिए।

3. भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं क्या होती हैं और ये वयस्क स्टेम कोशिकाओं से किस प्रकार भिन्न होती हैं?

4. स्टेम कोशिकाओं की कुछ अनुप्रयोगों का वर्णन कीजिए।

5. स्टेम कोशिका संवर्धन के दौरान कौन-से प्राचल निगरानी के योग्य होते हैं?

6. अंग संवर्धन क्या है?

7. अंग संवर्धन की प्रमुख विशेषताओं का वर्णन कीजिए।

8. अंग संवर्धन के विभिन्न प्रकारों की चर्चा कीजिए।

9. कोशिका संवर्धन की तुलना में अंग संवर्धन के क्या लाभ हैं?

10. अंग संवर्धन के अनुप्रयोगों का वर्णन कीजिए।

11. अंग संवर्धन में प्रयुक्त विभिन्न सहायक तंत्रों का वर्णन कीजिए।

12. स्टेम कोशिकाएं पाई जाती हैं:

(a) एककोशिकीय जीवों में

(b) बहुकोशिकीय जीवों में

(c) निर्जीव वस्तुओं में

(d) वायरसों में

13. स्टेम कोशिकाओं की विभेदन क्षमता निर्दिष्ट करती है:

(a) स्टोकैस्टिक विभेदन

(b) असममित प्रतिकृत्ति

(c) क्षमता (potency)

(d) स्व-नवीकरण

14. निम्नलिखित में से कौन-सी कोशिका एक मल्टीपोटेंट कोशिका है?

(a) T-कोशिका

(b) B-कोशिका

(c) HSC

(d) मोनोसाइट्स

15. एक स्टेम कोशिका:

(a) वह कोशिका है जिससे वृक्ष की तना बनती है

(b) वह ऊतक का भाग है जो मानव में त्वचा की बाहरी परत बनाता है।

(c) वह कोशिका है जो विभाजित होकर विशिष्ट कोशिकाएं दे सकती है।

(d) विशिष्ट कोशिका का एक प्रकार है

16. स्टेम कोशिकाओं से ठीक किया जा सकता है।

(a) मेरुदंड की चोटें

(b) टाइप 1 मधुमेह

(c) दोनों (a) और (b)

(d) इनमें से कोई नहीं

17. स्टेम कोशिकाएं निम्न स्रोतों से प्राप्त की जा सकती हैं:

(a) अस्थि मज्जा

(b) गर्भनाल रक्त

(c) वसा ऊतक

(d) उपरोक्त सभी

18. अभिकथन: भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को जन्म दे सकती हैं।

कारण: भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएं बहुभावी (pluripotent) होती हैं।

(a) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं और कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण है।

(b) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं लेकिन कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

(c) अभिकथन सत्य है लेकिन कारण असत्य है।

(d) अभिकथन और कारण दोनों असत्य हैं।

19. अभिकथन: स्टेम कोशिकाएं अविभेदित होती हैं और बहुकोशिकीय जीवों में पाई जाती हैं, तथा अनेक माइटोटिक चक्रों से गुजरती हैं।

कारण: स्टेम कोशिकाओं में ‘स्व-नवीकरण’ की विशेषता होती है और वे ‘कोशिकीय सामर्थ्य’ नहीं दिखाती हैं।

(a) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं और कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण है।

(b) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं लेकिन कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

(c) अभिकथन सत्य है लेकिन कारण असत्य है।

(d) अभिकथन और कारण दोनों असत्य हैं।