बायोमटेरियल टीके प्रत्यारोपित आर्थोपेडिक उपकरणों को सुरक्षित बना सकते हैं

आर्थोपेडिक संयुक्त प्रतिस्थापन, पेसमेकर और कृत्रिम हृदय वाल्व जैसे प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों वाले मरीजों में एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण जोखिम होता है कि ये उपकरण जीवाणु रोगजनकों से संक्रमित हो जाते हैं। यह उन्हें एक बोझिल रास्ते पर ले जाता है जिसके लिए “पुनः” (संशोधन) सर्जरी, लंबे समय तक एंटीबायोटिक उपचार, या, गंभीर मामलों में, अंग-विच्छेदन की आवश्यकता होती है। अगर मरीजों के शरीर में संक्रमण फैल जाए तो यह जानलेवा भी हो सकता है।

“अकेले अमेरिका में, लगभग 790,000 कुल घुटने के प्रतिस्थापन और 450,000 से अधिक कूल्हे के प्रतिस्थापन वर्तमान में आर्थोपेडिक सर्जनों द्वारा किए जाते हैं, और उन प्रत्यारोपित उपकरणों में से 2-4% तक संक्रमित हो जाएंगे,” डलास में टेक्सास यूनिवर्सिटी साउथवेस्टर्न मेडिकल सेंटर के सहायक प्रोफेसर और एक नए अध्ययन के पहले लेखक अलेक्जेंडर टाटारा, एमडी, पीएचडी, ने कहा, जो भविष्य में ऐसे उपकरण संक्रमणों की रोकथाम के लिए आशा पैदा करता है।

“ये संख्याएँ अकेले ही प्रभावी प्रति-उपायों को खोजने और उन्हें रोगियों तक तेजी से पहुंचाने की तात्कालिकता को उजागर करती हैं।”

शोधकर्ताओं ने लंबे समय से इस विचार पर काम किया है कि टीके मरीजों को रोगज़नक़ स्टैफिलोकोकस ऑरियस से बचा सकते हैं, जो ऑर्थोपेडिक डिवाइस संक्रमण का प्रमुख कारण है। लेकिन अब तक, बहुत प्रयास और कई बड़े फार्मा-नेतृत्व वाले नैदानिक ​​​​परीक्षणों के बावजूद एक प्रभावी टीका तैयार नहीं किया जा सका है।

अब, हार्वर्ड यूनिवर्सिटी में वाइस इंस्टीट्यूट फॉर बायोलॉजिकल इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग और हार्वर्ड के जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज (एसईएएस) के क्लिनिकल शोधकर्ताओं और बायोइंजीनियरों ने मरीजों में डिवाइस संक्रमण की चुनौती को हल करने की क्षमता के साथ एक उपन्यास वैक्सीन रणनीति विकसित की है। निष्कर्ष हैं प्रकाशित में पीएनएएस.

उनका दृष्टिकोण धीरे-धीरे बायोडिग्रेडेबल, इंजेक्टेबल बायोमटेरियल स्कैफोल्ड टीकों का उपयोग करता है जो प्रतिरक्षा कोशिका को आकर्षित करने और उत्तेजित करने वाले अणुओं और एस ऑरियस-विशिष्ट एंटीजन से लैस होते हैं।

आर्थोपेडिक डिवाइस संक्रमण के एक माउस मॉडल पर लागू, टीकों ने एक लाभकारी प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया बनाई जिसने बैक्टीरिया के बोझ को बहुत कम समय तक चलने वाले पारंपरिक नियंत्रण टीकों की तुलना में लगभग 100 गुना अधिक प्रभावी ढंग से कम कर दिया।

एंटीबायोटिक-संवेदनशील एस. ऑरियस (एमएसएसए) बैक्टीरिया के एंटीजन से बने बायोमटेरियल टीके भी उपकरणों को एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी एस. ऑरियस (एमआरएसए) उपभेदों से संक्रमण से बचाते हैं, जिससे भविष्य में आर्थोपेडिक सर्जरी में व्यापक उपयोग के लिए ऑफ-द-शेल्फ टीके एक आकर्षक संभावना बन जाते हैं।

अध्ययन का नेतृत्व वाइस इंस्टीट्यूट के संस्थापक कोर संकाय सदस्य डेविड मूनी, पीएच.डी. ने किया था। वाइस इंस्टीट्यूट और एसईएएस में उनके समूह ने पहले बायोमटेरियल्स-आधारित टीकों को नई इम्यूनोथेरेपी के रूप में इस बीमारी के खिलाफ लड़ाई में अग्रणी बनाया है। कैंसर और, हाल ही में, छोटे और बड़े जानवरों के मॉडल में सेप्सिस और सेप्टिक शॉक को रोकने में मदद करने के लिए भी। मूनी की टीम ने दिखाया कि इस प्रकार के टीके ट्यूमर कोशिकाओं और रोगजनकों के खिलाफ उच्च दक्षता के साथ प्रतिरक्षा प्रणाली को सक्रिय कर सकते हैं।

“इस अध्ययन में, हम विशिष्ट टी सेल आबादी से जुड़ी प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं के प्रकार को देख रहे हैं जो नैदानिक ​​​​परीक्षणों में पारंपरिक टीकों के साथ टीका लगाए गए रोगियों में गायब हो सकते हैं, एस ऑरियस-विशिष्ट एंटीबॉडी प्रतिक्रियाओं के अलावा जो घुलनशील वैक्सीन फॉर्मूलेशन द्वारा भी उत्पन्न होते हैं,” मूनी ने कहा।

“एस ऑरियस प्रजाति से प्राप्त अनुकूलित एंटीजन संग्रह के संयोजन में, हमारा दृष्टिकोण विश्व स्तर पर रोगियों के जीवन को बचाने और स्वास्थ्य परिणामों में सुधार करने की क्षमता के साथ उपन्यास बायोमटेरियल्स-आधारित टीकों को जन्म दे सकता है।”

मूनी वाइस इंस्टीट्यूट के इम्यूनो-मटेरियल्स प्लेटफॉर्म के फैकल्टी लीड हैं और एसईएएस में बायोइंजीनियरिंग के रॉबर्ट पी. पिंकस फैमिली प्रोफेसर भी हैं।

PAMPs द्वारा संचालित सुरक्षा

बायोमटेरियल टीके, उनके इंजेक्शन पर, डेंड्राइटिक कोशिकाओं (डीसी) के लिए एक आणविक प्रशिक्षण मैदान प्रदान करते हैं, जो प्रतिरक्षा प्रणाली के केंद्रीय समन्वयक हैं जो पास के लिम्फ नोड्स में रोगज़नक़ के खिलाफ एक जटिल टी सेल प्रतिक्रिया को व्यवस्थित करते हैं।

सह-लेखक माइकल सुपर, पीएच.डी., जिन्होंने वाइस के संस्थापक निदेशक डोनाल्ड इंगबर, एमडी, पीएच.डी. के साथ प्रौद्योगिकी विकसित की, ने कहा, “संक्रामक एस. ऑरियस बैक्टीरिया के खिलाफ डीसी को विशेष रूप से प्रोग्राम करने के लिए, हमने अपने टीकों में विघटित बैक्टीरिया से प्राप्त इम्युनोजेनिक एंटीजन घटकों को शामिल किया, जिसे हमने वाइस इंस्टीट्यूट की एफसीएमबीएल तकनीक का उपयोग करके कैप्चर किया।”

एफसीएमबीएल एक इंजीनियर प्रतिरक्षा प्रोटीन है जो दो सौ से अधिक विभिन्न रोगजनकों और उनके ग्लाइकोसिलेटेड सतह-उजागर अणुओं को बांधने में सक्षम है, जिन्हें आमतौर पर संक्षिप्त पीएएमपी में “रोगज़नक़-संबंधित आणविक पैटर्न” के रूप में जाना जाता है।

“इस वैक्सीन में, हम पारंपरिक टीकों में मौजूद केवल एक या कम एंटीजन के बजाय सैकड़ों एफसीएमबीएल-बाउंड एस. ऑरियस पीएएमपी एंटीजन के विविध भंडार को शामिल करते हैं, और चूहों में हमारे टीकों के इंजेक्शन के बाद डीसी में कुशल एंटीजन स्थानांतरण को सक्षम करते हैं,” सुपर ने कहा, जो वाइस इंस्टीट्यूट के इम्यूनो-मटेरियल्स के निदेशक हैं।

उन चूहों में जिन्हें शोधकर्ताओं ने अपने बायोमटेरियल वैक्सीन से टीका लगाया और रोगजनक एस. ऑरियस बैक्टीरिया से चुनौती दी, इस रणनीति ने समान आणविक घटकों वाले घुलनशील नियंत्रण टीकों की तुलना में समग्र बैक्टीरिया के बोझ को बहुत अधिक कम कर दिया।

“संभवतः प्रतिरक्षा प्रणाली को निरंतर और अत्यधिक ठोस तरीके से संलग्न करने में सक्षम होने के कारण, हमारे बायोमटेरियल टीके विभिन्न प्रकार के तथाकथित टी हेल्पर कोशिकाओं को सक्रिय करने में सक्षम होते हैं जो कई सुरक्षात्मक साइटोकिन अणुओं को स्रावित करना शुरू करते हैं। पारंपरिक घुलनशील टीके, जिनके आणविक घटक जिस ऊतक में उन्हें इंजेक्ट किया जाता है, उसमें तेजी से फैलते हैं, इस मामले में कम कुशल थे,” टाटारा ने कहा, जिन्होंने इस परियोजना का नेतृत्व किया था जब वह संस्थान में मूनी के समूह में एक नैदानिक ​​​​अनुसंधान साथी थे।

टाटारा ने कहा, “हमें अधिक गहराई से यह पता लगाना होगा कि प्रतिरक्षा प्रणाली के कौन से हिस्से वास्तव में जिम्मेदार हैं और सुरक्षात्मक प्रभाव लाने में सहयोग करते हैं।”

टीकाकरण का प्रमाण

टीम ने अपनी टिप्पणियों को वास्तविक ऑर्थोपेडिक डिवाइस संक्रमण के एक माउस मॉडल में अनुवादित किया जिसमें एक छोटा उपकरण जानवरों के पिछले पैरों में से एक में प्रत्यारोपित किया जाता है और रोगजनक एस ऑरियस बैक्टीरिया की खुराक से संक्रमित किया जाता है। सर्जरी से पांच सप्ताह पहले, उन्होंने बायोमटेरियल और घुलनशील नियंत्रण टीकों का उपयोग करके जानवरों को टीकाकरण प्रोटोकॉल पर शुरू किया।

जब शोधकर्ताओं ने प्रत्यारोपित उपकरणों पर पनपने वाले बैक्टीरिया की मात्रा निर्धारित की, तो उन्होंने पाया कि उनकी बायोमटेरियल रणनीति ने घुलनशील वैक्सीन फॉर्मूलेशन की तुलना में लगभग 100 गुना अधिक मजबूत बैक्टीरिया के विकास को दबा दिया।

टाटारा ने कहा, “महत्वपूर्ण बात यह है कि हमने पाया कि एक बायोमटेरियल वैक्सीन जिसे हमने ‘मेथिसिलिन-सेंसिटिव एस. ऑरियस’ (एमएसएसए) स्ट्रेन के एंटीजन के साथ बनाया है, वह प्रत्यारोपित उपकरणों को मेथिसिलिन-प्रतिरोधी (एमआरएसए) स्ट्रेन से बाद में होने वाले संक्रमण से भी बचा सकता है, जो अस्पताल की सेटिंग में एक बड़ी समस्या है।”

“इसके अलावा, यह पता लगाने की कोशिश करना कि कौन से पीएएमपी प्रतिरक्षा प्रणाली को सबसे अधिक उत्तेजित करते हैं, अनुसंधान का एक नया रास्ता खोलता है जिससे अधिक न्यूनतम, फिर भी अत्यधिक प्रभावी टीके बन सकते हैं।”

मूनी की टीम ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण वास्तव में फायदेमंद हो सकता है। एस ऑरियस स्ट्रेन से पीएएमपी का विश्लेषण करके, पीएएमपी हस्ताक्षर की पहचान करके, और फिर बायोमटेरियल वैक्सीन में एकल एंटीजन के रूप में पीएएमपी में से एक का उपयोग करके, वे पहले से ही चूहों में कुछ स्तर की डिवाइस सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं।

टाटारा ने कहा, “एक ऐसे भविष्य की कल्पना की जा सकती है जिसमें नैदानिक ​​​​शोधकर्ता रोगी-विशिष्ट एस. ऑरियस उपभेदों में प्रासंगिक पीएएमपी की तेजी से पहचान करेंगे, जो सर्जरी से पहले सरल गैर-आक्रामक प्रक्रियाओं के माध्यम से प्रभावी वैयक्तिकृत बायोमटेरियल टीकों का उत्पादन करते हैं जो प्रत्यारोपित आर्थोपेडिक उपकरणों को संक्रमण से बचाते हैं।”

“डेव मूनी और उनकी टीम का यह अध्ययन संयुक्त प्रतिस्थापन प्राप्त करने वाले रोगियों में संक्रमण को रोकने के लिए एक सुंदर और प्रभावी समाधान प्रस्तुत करता है। लेकिन आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण से परे, यह मानव शरीर में लंबे समय तक रहने वाले कई अन्य प्रकार के उपकरणों के लिए एक बहुमुखी और आसानी से लागू होने वाला सुरक्षा उपाय भी बन सकता है जो समान समस्याएं पैदा कर सकता है,” इंगबर ने कहा, जो हार्वर्ड मेडिकल स्कूल और बोस्टन चिल्ड्रन हॉस्पिटल में वैस्कुलर बायोलॉजी के जूडा फोकमैन प्रोफेसर और हंसजॉर्ग वाइस के प्रोफेसर भी हैं। एसईएएस में जैविक रूप से प्रेरित इंजीनियरिंग।