જનીન કાતર CRISPR: સિકલ સેલના દર્દીઓ માટે વિજ્ઞાનની નવી આશા

માનવ શરીરના અબજો કોષોમાં છુપાયેલા ડીએનએ (DNA: ડિઓક્સિરાઇબોન્યુક્લિક એસિડ, જીવનનો આનુવંશિક નકશો) માં રહેલી એક નાનકડી ખામી ક્યારેક પેઢીઓ સુધી અસહ્ય દર્દનું કારણ બની શકે છે. સિકલ સેલ ડિસીઝ (Sickle Cell Disease: રક્તકણો દાતરડા જેવા બની જતો આનુવંશિક રક્તવિકાર) આવો જ એક વંશપરંપરાગત રોગ છે, જે વિશ્વભરમાં લાખો દર્દીઓને આજીવન ગંભીર શારીરિક પીડા અને અંગોના નુકસાન તરફ ધકેલે છે. વર્ષ ૨૦૨૩માં તબીબી વિજ્ઞાને એક ઐતિહાસિક સીમાચિહ્ન સર કર્યું જ્યારે અસ્થિમજ્જા (bone marrow: હાડકાંની અંદર રક્તકણો બનાવતી પેશી) ના સ્ટેમ કોષોમાં રહેલા ખામીયુક્ત જનીનને સુધારવા માટે CRISPR આધારિત જનીન ઉપચાર (gene therapy) ને સત્તાવાર મંજૂરી આપવામાં આવી. આ ઉપચાર પાછળ કામ કરતી પદ્ધતિને સામાન્ય ભાષામાં ‘જનીન કાતર’ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

આ ક્રાંતિકારી પદ્ધતિના મૂળ વર્ષ ૨૦૨૦ના રસાયણશાસ્ત્રના નોબેલ પુરસ્કાર સાથે જોડાયેલા છે, જે ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક Emmanuelle Charpentier અને અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક Jennifer A. Doudna ને સંયુક્ત રીતે એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો. નોબેલ સમિતિના જણાવ્યા અનુસાર, જીનોમ એડિટિંગ (genome editing: સજીવના જનીન બંધારણમાં સચોટ ફેરફાર કરવાની પદ્ધતિ) માટે આ બંને વિજ્ઞાનીઓએ વિકસાવેલી પદ્ધતિ માનવજાત માટે અત્યંત કલ્યાણકારી સાબિત થઈ રહી છે. જે ટેકનોલોજી આજે માનવીય ડીએનએમાં રહેલી ત્રુટિઓને સુધારી રહી છે, તે વાસ્તવમાં સૂક્ષ્મ બેક્ટેરિયામાં વાયરસ સામે લડવા માટે લાખો વર્ષોથી કુદરતી રીતે અસ્તિત્વ ધરાવતી એક રક્ષણાત્મક પ્રણાલી છે.

સિકલ સેલ રોગ: લોહીના કણોનું વિકૃત રૂપ અને તેનું જોખમ

આપણા લાલ રક્તકણો (red blood cells: ઓક્સિજનનું વહન કરતા રક્ત કોષો) માં રહેલું હિમોગ્લોબિન નામનું પ્રોટીન ફેફસાંમાંથી સમગ્ર શરીરમાં ઓક્સિજન પહોંચાડવાનું અત્યંત મહત્વનું કાર્ય કરે છે. સામાન્ય પુખ્ત વ્યક્તિમાં ૯૭% થી વધુ હિમોગ્લોબિન ‘હિમોગ્લોબિન A’ (HbA) પ્રકારનું હોય છે, જે બે આલ્ફા અને બે બીટા ગ્લોબિન શૃંખલાઓથી બનેલું હોય છે. માનવ શરીરના રંગસૂત્ર ૧૧ (chromosome 11) પર સ્થિત HBB જનીન આ બીટા-ગ્લોબિન પ્રોટીન બનાવવાનો સંકેત આપે છે. સિકલ સેલ રોગ ત્યારે થાય છે જ્યારે વ્યક્તિ પોતાના માતા અને પિતા બંને તરફથી આ HBB જનીનની ક્ષતિગ્રસ્ત નકલો વારસામાં મેળવે છે.

આ આનુવંશિક વિકૃતિના કારણે શરીરમાં સામાન્ય હિમોગ્લોબિનને બદલે અસામાન્ય ‘હિમોગ્લોબિન S’ (HbS) ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે આ અસામાન્ય રક્તકણો રક્તવાહિનીઓમાં ઓક્સિજન મુક્ત કરે છે, ત્યારે અણુઓ એકબીજા સાથે જોડાઈને કડક તંતુઓ બનાવે છે, જેના લીધે સામાન્ય ગોળાકાર અને લચીલા રક્તકણો દાતરડા જેવા સખત આકારમાં ફેરવાઈ જાય છે. આ કઠણ સિકલ કોષો અત્યંત સાંકડી રક્તવાહિનીઓ (capillaries) માંથી સરળતાથી પસાર થઈ શકતા નથી અને ત્યાં જામી જઈને રક્તપ્રવાહને અવરોધે છે. આ સ્થિતિને ‘વાસો-ઓક્લુઝિવ ક્રાઇસિસ’ (vaso-occlusive crisis: રક્તપ્રવાહ અટકી જવાથી થતો પીડાદાયક હુમલો) કહેવામાં આવે છે, જેના કારણે દર્દીને હાડકાં, પીઠ, છાતી અને હાથ-પગમાં અસહ્ય પીડા થાય છે.

આ રોગ માત્ર પીડા પૂરતો સીમિત નથી રહેતો; તે શરીરના મહત્વપૂર્ણ અંગો જેવા કે બરોળ (spleen), યકૃત, કિડની, હૃદય અને ફેફસાંને કાયમી નુકસાન પહોંચાડે છે. બાળકોમાં બરોળ બ્લોક થઈ જવાથી રોગપ્રતિકારક શક્તિ ઘટી જાય છે અને ફેફસાંમાં બ્લોકેજ થવાથી ‘એક્યુટ ચેસ્ટ સિન્ડ્રોમ’ સર્જાય છે, જે આ દર્દીઓમાં ૨૫% મૃત્યુ માટે જવાબદાર છે. સિકલ સેલ ડિસીઝ વર્ષ ૨૦૨૧ના આંકડા મુજબ વિશ્વભરમાં અંદાજે ૭૭ લાખ લોકોને અસર કરે છે, જેના લીધે સીધા ૩૪,૦૦૦ દર્દીઓના મૃત્યુ થાય છે અને અન્ય ૩,૭૬,૦૦૦ મૃત્યુમાં તે ગૌણ કારણ બને છે. આ કેસો પૈકી આશરે ૮૦% કેસ સબ-સહારન આફ્રિકામાં જોવા મળે છે, પરંતુ ભારત, દક્ષિણ યુરોપ અને પશ્ચિમ એશિયાના વિસ્તારોમાં પણ આ રોગનું પ્રમાણ નોંધપાત્ર છે.

બેક્ટેરિયાની રક્ષા પ્રણાલીમાંથી CRISPR ની શોધ

વિજ્ઞાનની દુનિયામાં CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: નિયમિત અંતરે ગોઠવાયેલા ટૂંકા પુનરાવર્તિત ડીએનએ ક્રમ) નો ઇતિહાસ અણધાર્યા તારણોથી ભરેલો છે. સૌપ્રથમ ૧૯૮૭માં જાપાની વૈજ્ઞાનિક Ishino અને તેમની ટીમે Escherichia coli બેક્ટેરિયામાં આ વિચિત્ર પુનરાવર્તિત ડીએનએ શ્રેણી જોઈ હતી. સામાન્ય રીતે ડીએનએમાં આવા ક્રમ સળંગ હોય છે, પરંતુ અહીં તેમની વચ્ચે અજાણ્યા ડીએનએના ટુકડા (spacers: વિભાજક ટુકડા) નિયમિત અંતરે ગોઠવાયેલા હતા. ૧૯૯૩માં van Solingen અને સાથીઓએ ક્ષય રોગના બેક્ટેરિયામાં પણ આવી જ રચના નોંધી, જેના પરથી ‘સ્પોલિગોટાઈપિંગ’ નામની પદ્ધતિ વિકસી.

સ્પેનિશ વૈજ્ઞાનિક Francisco Mojica એ વર્ષ ૨૦૦૦ અને ૨૦૦૧માં વ્યાપક સંશોધન કરીને તારણ કાઢ્યું કે આ માળખું ૨૦ જેટલા સૂક્ષ્મજીવોમાં એકસરખી રીતે હાજર છે અને તેમણે Jansen સાથે મળીને આ રચનાને ‘CRISPR’ નામ આપ્યું. વર્ષ ૨૦૦૫માં ત્રણ સ્વતંત્ર સંશોધન જૂથોએ નોંધ્યું કે આ બે પુનરાવર્તનો વચ્ચે રહેલા ‘સ્પેસર’ વાસ્તવમાં બેક્ટેરિયા પર અગાઉ હુમલો કરનારા બેક્ટેરિયોફેજ (bacteriophage: બેક્ટેરિયાને ચેપ લગાડતા વાયરસ) ના ડીએનએ ટુકડા છે. બેક્ટેરિયા પોતાના પર હુમલો કરનાર વાયરસના ડીએનએ સાચવી રાખીને ભવિષ્યના હુમલા સામે સ્મૃતિ આધારિત રોગપ્રતિકારક શક્તિ (adaptive immunity) મેળવે છે. આ કુદરતી ડિફેન્સ સિસ્ટમ સિક્વન્સ થયેલા આશરે ૫૦% બેક્ટેરિયા અને ૯૦% આર્કીઆમાં જોવા મળે છે.

પરમાણુ કાતર કેવી રીતે કામ કરે છે: તબક્કાવાર પદ્ધતિ

CRISPR પ્રણાલી માત્ર ડીએનએનો સંગ્રહ નથી, પરંતુ તેની સાથે સંકળાયેલા વિશિષ્ટ ઉત્સેચકો પણ ધરાવે છે, જેને Cas (CRISPR-associated: ક્રિસ્પર સંલગ્ન પ્રોટીન) કહેવામાં આવે છે. વિજ્ઞાનીઓએ કુલ ૯૩ Cas જનીનો ઓળખ્યા છે જે ૩૫ પરિવારોમાં વહેંચાયેલા છે, જેમાંથી Cas1 થી Cas9 સુધીના ૧૧ પરિવારો મુખ્ય કોર ગણાય છે. જ્યારે વાયરસ હુમલો કરે છે ત્યારે Cas1 અને Cas2 પ્રોટીન વાયરસના ડીએનએમાંથી નાનો ટુકડો કાપીને બેક્ટેરિયાના CRISPR એરેમાં નવા સ્પેસર તરીકે જોડી દે છે. ત્યારબાદ આ આખા ક્રમમાંથી crRNA (CRISPR RNA) બને છે.

વર્ષ ૨૦૧૨માં Emmanuelle Charpentier અને Jennifer A. Doudna ની ટીમે સાબિત કર્યું કે Streptococcus pyogenes બેક્ટેરિયાનું Cas9 પ્રોટીન એક આણ્વિક કાતર (molecular scissors) ની જેમ કામ કરે છે. તેમણે બે અલગ આરએનએ ઘટકો (crRNA અને tracrRNA) ને જોડીને એક સિંગલ ગાઈડ આરએનએ (sgRNA) બનાવ્યો. આ સિંગલ ગાઈડ આરએનએ Cas9 ઉત્સેચકને ડીએનએ પર ચોક્કસ લક્ષ્ય સ્થાન સુધી લઈ જાય છે. જ્યાં સુધી ડીએનએ પર ચોક્કસ ઓળખ સંકેત (PAM: પ્રોટોસ્પેસર એડજેસન્ટ મોટિફ) ન મળે ત્યાં સુધી આ કાતર સક્રિય થતી નથી, પરંતુ લક્ષ્ય મળતાં જ તે ડીએનએની બંને શૃંખલાઓને ચોક્કસ સ્થળેથી કાપી નાખે છે.

જ્યારે કોષના ડીએનએમાં આ રીતે બેવડો કાપ (double-strand break) મુકાય છે, ત્યારે કોષ પોતાની કુદરતી મરામત પ્રણાલી સક્રિય કરે છે. આ મરામત દરમિયાન ખામીયુક્ત જનીનને નિષ્ક્રિય કરી શકાય છે અથવા દર્દીને જરૂરી હોય તેવો નવો જનીન ક્રમ દાખલ કરીને ડીએનએની ભૂલ સુધારી શકાય છે. આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ ૨૦૧૩માં Cong અને Mali દ્વારા માનવ કોષ સંવર્ધન (human cell cultures) માં અને ૨૦૧૫માં Liang દ્વારા માનવ ગર્ભ કોષોમાં પ્રાયોગિક ધોરણે કરવામાં આવ્યો હતો.

સિકલ સેલના દર્દીઓ માટે ઉપચાર અને વર્તમાન સ્થિતિ

સિકલ સેલ ડિસીઝની પરંપરાગત સારવારમાં પીડાશામક દવાઓ, રક્ત ચડાવવું (blood transfusion) અને હાઇડ્રોક્સિકાર્બામાઇડ (hydroxyurea) જેવી દવાઓનો સમાવેશ થાય છે. યોગ્ય તબીબી સારવાર વગર દર્દીઓ ભાગ્યે જ પુખ્તાવસ્થા સુધી પહોંચી શકે છે, જ્યારે ઉત્તમ સારવાર સાથે પણ તેમની સરેરાશ આયુષ્ય મર્યાદા ૫૮ થી ૬૬ વર્ષની રહે છે. પરંતુ CRISPR ટેકનોલોજીએ આ આજીવન સારવારની મર્યાદાઓને પાર કરીને કાયમી ઈલાજની દિશા ખોલી છે.

આ નવી જનીન સારવારમાં દર્દીના પોતાના જ અસ્થિમજ્જામાંથી રક્ત બનાવતા સ્ટેમ કોષો બહાર કાઢવામાં આવે છે. લેબોરેટરીમાં CRISPR-Cas9 કાતરની મદદથી આ કોષોના ડીએનએમાં ફેરફાર કરવામાં આવે છે, જેથી શરીરમાં ફરીથી ‘હિમોગ્લોબિન F’ (HbF: ગર્ભાવસ્થા દરમિયાન બનતું કુદરતી રક્ષણાત્મક હિમોગ્લોબિન) બનવાનું શરૂ થઈ જાય. આ ફેરફાર પામેલા કોષો દર્દીના શરીરમાં ફરી પ્રત્યારોપિત કરવામાં આવે છે. આનાથી રક્તકણોનું દાતરડા જેવા કઠણ આકારમાં ફેરવાઈ જવાનું અટકે છે અને દર્દી પીડાદાયક હુમલાઓમાંથી કાયમી મુક્તિ મેળવી શકે છે.

વિશ્વભરમાં ૭૭ લાખ જેટલા લોકો સિકલ સેલ રોગ સાથે જીવી રહ્યા છે ત્યારે આ ટેકનોલોજી માત્ર વૈજ્ઞાનિક ચમત્કાર નથી, પરંતુ દર્દીઓ માટે નવજીવન છે. ભારત જેવા દેશોમાં, જ્યાં આદિવાસી અને ગ્રામીણ વસ્તીમાં સિકલ સેલ ટ્રેઇટ (વાહક લક્ષણ) ધરાવતા લોકોનું પ્રમાણ ઘણું ઊંચું છે, ત્યાં આવી ઉપચાર પદ્ધતિઓ ભવિષ્યમાં જાહેર આરોગ્ય ક્ષેત્રે મોટો બદલાવ લાવી શકે છે. જોકે આ ઉપચાર અત્યંત જટિલ પ્રયોગશાળાઓ અને અસ્થિમજ્જા પ્રત્યારોપણ જેવી અદ્યતન હોસ્પિટલ માળખાગત સુવિધાઓ પર નિર્ભર હોવાથી તેને સામાન્ય નાગરિકો સુધી વ્યાજબી રીતે પહોંચાડવી એ વૈશ્વિક આરોગ્ય સંસ્થાઓ માટે આગામી સમયનું સૌથી મોટું વ્યવહારુ લક્ષ્ય રહેશે.