फिजियोलॉजी या मेडिसिन में 2019 के नोबेल पुरस्कार के तीन विजेताओं, विलियम जी. केलिन, जूनियर, ग्रेग एल. सेमेन्जा और सर पीटर जे. रैटक्लिफ ने पहले ही बेसिक मेडिसिन में 2016 का लस्कर पुरस्कार जीत लिया था, जो कि कोशिकाओं की समझ और अनुकूलन पर उनके काम के लिए था। हाइपोक्सिया के लिए, इसलिए यह विशेष रूप से आश्चर्यजनक नहीं था। उन्होंने प्रमुख अणु हाइपोक्सिया-इंड्यूसबल फैक्टर 1 (HIF-1) की खोज और पहचान की। आज हम अध्ययन के मूल में वापस जाना चाहते हैं, जो एरिथ्रोपोइटीन, या ईपीओ, एक चमत्कारिक अणु है।

यह लाल रक्त कोशिका उत्पादन में सबसे महत्वपूर्ण कारक है

लाल रक्त कोशिकाएं रक्त में सबसे प्रचुर प्रकार की रक्त कोशिकाएं हैं, और कशेरुकियों के रक्त के माध्यम से ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड के परिवहन के लिए मुख्य माध्यम हैं। अस्थि मज्जा में एरिथ्रोसाइट्स उत्पन्न होते हैं: हेमेटोपोएटिक स्टेम कोशिकाएं पहले फैलती हैं और विभिन्न रक्त कोशिकाओं के पूर्वजों में अंतर करती हैं, और एरिथ्रोइड प्रजननकर्ता आगे एरिथ्रोसाइट्स में अंतर और परिपक्व हो सकते हैं। सामान्य परिस्थितियों में, मानव एरिथ्रोसाइट उत्पादन दर बहुत कम है, लेकिन रक्तस्राव, हेमोलिसिस और हाइपोक्सिया जैसे तनाव के तहत, एरिथ्रोसाइट उत्पादन की दर आठ गुना तक बढ़ सकती है। इस प्रक्रिया में, एरिथ्रोपोइटीन ईपीओ सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है।

ईपीओ मुख्य रूप से गुर्दे में संश्लेषित एक हार्मोन है। इसकी रासायनिक प्रकृति एक अत्यधिक ग्लाइकोसिलेटेड प्रोटीन है। गुर्दे में क्यों? प्रति मिनट लगभग एक लीटर रक्त गुर्दे के माध्यम से प्रवाहित होता है, इसलिए वे रक्त में ऑक्सीजन के स्तर में परिवर्तन का जल्दी और कुशलता से पता लगा सकते हैं। जब रक्त में ऑक्सीजन का स्तर कम होता है, तो गुर्दे तेजी से प्रतिक्रिया करते हैं और बड़ी मात्रा में ईपीओ उत्पन्न करते हैं। उत्तरार्द्ध रक्तप्रवाह के माध्यम से अस्थि मज्जा में फैलता है, जहां यह एरिथ्रोइड पूर्वज कोशिकाओं को लाल रक्त कोशिकाओं में बदलने को बढ़ावा देता है। शरीर की ऑक्सीजन को बाँधने की क्षमता में सुधार करने के लिए परिपक्व लाल रक्त कोशिकाओं को अस्थि मज्जा से संचार प्रणाली में छोड़ा जाता है। जब गुर्दे रक्त में ऑक्सीजन में वृद्धि महसूस करते हैं, तो वे ईपीओ उत्पादन को कम कर देते हैं, जिससे अस्थि मज्जा में लाल रक्त कोशिकाओं की मात्रा कम हो जाती है।

यह एक सही समायोजन पाश बनाता है। हालांकि, उच्च ऊंचाई पर रहने वाले लोग और कुछ एनीमिया रोगी अक्सर निम्न रक्त ऑक्सीजन स्तर की स्थिति का सामना करते हैं, जो उपरोक्त परिसंचरण को पूरा नहीं कर सकते हैं और किडनी को लगातार ईपीओ स्रावित करने के लिए उत्तेजित करते हैं, जिससे रक्त ईपीओ एकाग्रता सामान्य लोगों की तुलना में अधिक होती है।

इसे उजागर करने में करीब 80 साल लग गए

कई प्रमुख खोजों की तरह, ईपीओ के बारे में वैज्ञानिकों की समझ सहज नहीं रही है, रास्ते में सवाल और चुनौतियाँ हैं। ईपीओ की अवधारणा से विशिष्ट अणु के अंतिम निर्धारण तक लगभग 80 वर्ष लग गए।

1906 में, फ्रांसीसी वैज्ञानिकों कार्नोट और डिफ्लैंड्रे ने सामान्य खरगोशों में एनीमिक खरगोशों के सीरम को इंजेक्ट किया और पाया कि सामान्य खरगोशों के प्लाज्मा में लाल रक्त कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि हुई है। उनका मानना ​​था कि प्लाज्मा में कुछ हास्य कारक लाल रक्त कोशिकाओं के उत्पादन को उत्तेजित और नियंत्रित कर सकते हैं। यह पहला ईपीओ कॉन्सेप्ट प्रोटोटाइप था। दुर्भाग्य से, परिणामों को बाद के दशकों में दोहराया नहीं गया है, मुख्यतः क्योंकि नई लाल रक्त कोशिकाओं की गिनती सटीक नहीं थी।

1950 में Reissmann और Ruhenstroth-Bauer के पैराबायोसिस प्रयोग ने वास्तव में मजबूत सबूत प्रदान किए। उन्होंने दो जीवित चूहों के संचार तंत्र को शल्य चिकित्सा से जोड़ा, एक को हाइपोक्सिक वातावरण में रखा और दूसरे ने सामान्य हवा में सांस ली। नतीजतन, दोनों चूहों ने भारी मात्रा में लाल रक्त कोशिकाओं का उत्पादन किया। इसमें कोई संदेह नहीं है कि रक्तप्रवाह में एक हार्मोन होता है जो लाल रक्त कोशिकाओं के उत्पादन को उत्तेजित करता है, जिससे ईपीओ को इसका नाम मिलता है। दूसरी ओर, ईपीओ हाइपोक्सिया के प्रति बहुत संवेदनशील है।

ईपीओ क्या अणु है? जैव रासायनिक स्तर पर समस्या को अंततः स्पष्ट करने में अमेरिकी वैज्ञानिक गोल्डवेसर को 30 साल लग गए। यदि कोई कार्यकर्ता अच्छा काम करना चाहता है, तो उसे पहले अपने औजारों को तेज करना होगा। ईपीओ का कार्य नई लाल रक्त कोशिकाओं को उत्तेजित करना है, लेकिनबाद की गिनती सही नहीं है। लाल रक्त कोशिकाओं में सबसे महत्वपूर्ण कार्यात्मक अणु हीम युक्त हीमोग्लोबिन है, जिसके केंद्र में एक लौह आयन होता है। तो Goldwasser की टीम ने नवजात लाल रक्त कोशिकाओं को रेडियोधर्मी लौह समस्थानिकों के साथ लेबल किया और ईपीओ गतिविधि का पता लगाने के लिए एक संवेदनशील विधि विकसित की। इससे पशु द्रव के नमूनों से ईपीओ (नैनोग्राम प्रति मिली लीटर) की बहुत कम सांद्रता को अलग करना और शुद्ध करना संभव हो जाता है। लेकिन ईपीओ का आइसोलेशन बेहद मुश्किल था। उन्होंने हुकवर्म संक्रमण के कारण लोहे की गंभीर कमी वाले रोगियों के मूत्र में किडनी से एनीमिक भेड़ के प्लाज्मा पर स्विच किया, और अंत में, 1977 में, अप्लास्टिक एनीमिया वाले जापानी रोगियों के 2,550 लीटर मूत्र से 8 मिलीग्राम मानव ईपीओ प्रोटीन को शुद्ध किया।

1985 में, मानव ईपीओ के प्रोटीन अनुक्रमण और जीन क्लोनिंग को पूरा किया गया। ईपीओ जीन 193 अमीनो अवशेषों के साथ एक पॉलीपेप्टाइड को एनकोड करता है, जो स्राव के दौरान सिग्नल पेप्टाइड के क्लिप होने के बाद 166 अमीनो एसिड अवशेषों से बना एक परिपक्व प्रोटीन बन जाता है, और इसमें ग्लाइकोसिलेशन संशोधन के लिए 4 साइटें होती हैं। 1998 में, ईपीओ की एनएमआर समाधान संरचना और ईपीओ और उसके रिसेप्टर कॉम्प्लेक्स की क्रिस्टल संरचना का विश्लेषण किया गया था। इस बिंदु पर, लोगों को ईपीओ की सबसे सहज समझ है।

अब तक, एनीमिया के इलाज के लिए आमतौर पर लाल रक्त कोशिकाओं की कमी को पूरा करने के लिए रक्त संक्रमण की आवश्यकता होती थी। जैसा कि लोग ईपीओ के बारे में अधिक सीखते हैं, इसे अपने अस्थि मज्जा में लाल रक्त कोशिका उत्पादन को प्रोत्साहित करने के लिए इंजेक्शन लगाने से समस्या आसान हो गई है। लेकिन ईपीओ को सीधे शरीर के तरल पदार्थ से शुद्ध करना, जैसा कि गोल्डवेसर ने किया था, मुश्किल है और पैदावार कम है। ईपीओ प्रोटीन और जीन अनुक्रम के निर्धारण ने बड़ी मात्रा में पुनः संयोजक मानव ईपीओ का उत्पादन करना संभव बना दिया।

यह एप्लाइड मॉलिक्यूलर जेनेटिक्स (एमजेन) नामक जैव प्रौद्योगिकी कंपनी द्वारा किया गया था। Amgen की स्थापना 1980 में सिर्फ सात सदस्यों के साथ की गई थी, जो आणविक जीव विज्ञान की तत्कालीन उभरती हुई तकनीकों के साथ बायोफार्मास्यूटिकल्स बनाने की उम्मीद कर रहे थे। इंटरफेरॉन, ग्रोथ हार्मोन रिलीजिंग फैक्टर, हेपेटाइटिस बी वैक्सीन, एपिडर्मल ग्रोथ फैक्टर उनके लक्ष्यों की सूची में गर्म नाम थे, लेकिन इनमें से कोई भी प्रयास सफल नहीं हुआ। 1985 तक, ताइवान, चीन के एक चीनी वैज्ञानिक लिन फुकुन ने मानव ईपीओ के जीन का क्लोन बनाया और फिर डीएनए पुनर्संयोजन तकनीक का उपयोग करके सिंथेटिक ईपीओ के उत्पादन का एहसास किया।

पुनः संयोजक मानव ईपीओ में अंतर्जात ईपीओ प्रोटीन के समान अनुक्रम होता है, और समान ग्लाइकोसिलेशन संशोधन भी होता है। स्वाभाविक रूप से, पुनः संयोजक मानव ईपीओ में अंतर्जात ईपीओ की गतिविधि भी होती है। जून 1989 में, Amgen का पहला उत्पाद, पुनः संयोजक मानव एरिथ्रोपोइटिन एपोजेन, US FDA द्वारा क्रोनिक रीनल फेल्योर के कारण होने वाले एनीमिया के उपचार और एचआईवी संक्रमण के उपचार में एनीमिया के लिए अनुमोदित किया गया था। केवल तीन महीनों में एपोजेन की बिक्री $16 मिलियन से अधिक हो गई। अगले दो दशकों में, मानव ईपीओ को पुनः संयोजित करने के लिए एमजेन बाजार पर हावी हो गया। एपोजेन ने अकेले 2010 में एमजेन को 2.5 बिलियन डॉलर का राजस्व दिलाया। 2018 में, Amgen का शेयर बाजार मूल्य $128.8 बिलियन था, जिससे यह दुनिया की आठवीं सबसे बड़ी दवा कंपनी बन गई।

यह ध्यान देने योग्य है कि Amgen ने शुरुआत में अनुक्रमण के लिए शुद्ध मानव EPO प्रोटीन प्रदान करने के लिए Goldwasser के साथ काम किया, लेकिन वैचारिक मतभेदों के कारण Goldwasser और Amgen जल्द ही बाहर हो गए। Goldwasser और उनके शिकागो विश्वविद्यालय, जिन्होंने बुनियादी शोध किया था, ने कभी भी उनके द्वारा खोजे गए हार्मोन को पेटेंट करने के बारे में नहीं सोचा था, और इसलिए उन्हें ईपीओ की बड़ी व्यावसायिक सफलता के लिए एक पैसा भी नहीं मिला।

यह - यह एक उत्तेजक कैसे है

जब हम सांस लेते हैं, ऑक्सीजन श्वसन श्रृंखला को चलाने के लिए कोशिकाओं के माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करती है और भारी मात्रा में एटीपी का उत्पादन करती है, जो हमारे शरीर में ऊर्जा का मुख्य स्रोत है। एनीमिक लोगों के पास पर्याप्त स्वस्थ लाल रक्त कोशिकाएं नहीं होती हैं, और सबसे तात्कालिक प्रभाव यह होता है कि वे पर्याप्त ऑक्सीजन नहीं लेते हैं, जिससे उन्हें थकान महसूस होती है, जैसे लंबे समय तक सांस लेने में समस्या होती है। जब पुनः संयोजक मानव ईपीओ के साथ इंजेक्शन लगाया जाता है, तो एनीमिया रोगियों के शरीर अधिक लाल रक्त कोशिकाओं का उत्पादन करते हैं,अधिक ऑक्सीजन लेते हैं, और अधिक ऊर्जा अणु एटीपी का उत्पादन करते हैं, प्रभावी रूप से लक्षणों से राहत देते हैं।

हालांकि, कुछ खेल कर्मियों ने भी पुनः संयोजक मानव ईपीओ के बारे में सोचना शुरू कर दिया है। यदि ईपीओ प्रकार के कृत्रिम पुनः संयोजक हार्मोन का उपयोग एथलीटों के शरीर को अधिक लाल रक्त कोशिकाओं का उत्पादन करने के लिए उत्तेजित करने के लिए किया जाता है, तो एथलीटों की ऑक्सीजन प्राप्त करने और ऊर्जा अणुओं का उत्पादन करने की क्षमता में सुधार करना संभव है, जो धीरज में एथलीटों के प्रदर्शन में भी सुधार कर सकता है। साइकिल चलाना, लंबी दूरी की दौड़ और क्रॉस-कंट्री स्कीइंग जैसी घटनाएं। एप्लाइड फिजियोलॉजी के जर्नल में 1980 के एक पत्र ने दिखाया कि रक्त उत्तेजक (एरिथ्रोपोइटिन, कृत्रिम ऑक्सीजन वाहक और रक्त आधान) सहनशक्ति को 34 प्रतिशत तक बढ़ा सकते हैं। यदि एथलीट ईपीओ का उपयोग करते हैं, तो वे पहले की तुलना में 44 सेकंड कम समय में ट्रेडमिल पर 8 किलोमीटर दौड़ सकते हैं। वास्तव में, ईपीओ उत्तेजक के लिए साइकिल चलाना और मैराथन सबसे खराब अपराधी रहे हैं। 1998 के टूर डी फ्रांस के दौरान, फेस्टिना टीम के लिए एक स्पेनिश टीम के डॉक्टर को कृत्रिम पुनः संयोजक ईपीओ की 400 बोतलों के साथ फ्रांसीसी सीमा पर गिरफ्तार किया गया था! नतीजा यह हुआ कि पूरी टीम को दौरे से बाहर कर दिया गया और उस पर प्रतिबंध लगा दिया गया।

अंतर्राष्ट्रीय ओलंपिक समिति ने 1992 के बार्सिलोना खेलों में अपनी प्रतिबंधित सूची में ईपीओ को शामिल किया, लेकिन मानव ईपीओ परीक्षण को पुनर्गठित करना इतना कठिन था कि 2000 के खेलों से पहले यह पता लगाने का कोई तरीका नहीं था कि एथलीट इसका उपयोग कर रहे थे या नहीं। इसके कई कारण हैं: 1) शरीर के तरल पदार्थों में ईपीओ की मात्रा बहुत कम है, और सामान्य लोगों में ईपीओ प्रति एमएल रक्त लगभग 130-230 नैनोग्राम है; 2) कृत्रिम पुनः संयोजक ईपीओ की अमीनो एसिड संरचना मानव अंतर्जात ईपीओ प्रोटीन के समान ही है, केवल ग्लाइकोसिलेशन का रूप बहुत थोड़ा अलग है; 3) रक्त में ईपीओ का आधा जीवन केवल 5-6 घंटे है, और यह आमतौर पर अंतिम इंजेक्शन के 4-7 दिन बाद पता नहीं चल पाता है; 4) व्यक्तिगत ईपीओ स्तर बहुत अलग है, इसलिए पूर्ण मात्रात्मक मानक स्थापित करना मुश्किल है।

2000 के बाद से, वाडा ने पुनः संयोजक ईपीओ के प्रत्यक्ष पता लगाने के लिए एकमात्र वैज्ञानिक सत्यापन पद्धति के रूप में मूत्र परीक्षण का उपयोग किया है। कृत्रिम पुनः संयोजक ईपीओ और मानव ईपीओ के ग्लाइकोलेटेड रूप के बीच मामूली अंतर के कारण, दो अणुओं के आवेशित गुण बहुत छोटे होते हैं और एक वैद्युतकणसंचलन विधि द्वारा प्रतिष्ठित किया जा सकता है जिसे आइसोइलेक्ट्रिक फ़ोकसिंग कहा जाता है, जो कि मुख्य रणनीति है कृत्रिम पुनः संयोजक ईपीओ का प्रत्यक्ष पता लगाना। हालांकि, मानव व्युत्पन्न कोशिकाओं द्वारा व्यक्त किए गए कुछ पुनः संयोजक ईपीओ ने ग्लाइकोसिलेशन में कोई अंतर नहीं दिखाया, इसलिए कुछ विशेषज्ञों ने सुझाव दिया कि बहिर्जात ईपीओ और अंतर्जात ईपीओ को अलग-अलग कार्बन आइसोटोप सामग्री द्वारा अलग किया जाना चाहिए।

वास्तव में, ईपीओ के लिए विभिन्न परीक्षण विधियों में अभी भी सीमाएँ हैं। उदाहरण के लिए, अमेरिकी साइकिल चालन के दिग्गज, लांस आर्मस्ट्रांग ने अपनी सात टूर डी फ्रांस जीत के दौरान ईपीओ और अन्य उत्तेजक लेने की बात स्वीकार की, लेकिन उस समय किसी भी डोपिंग परीक्षण में ईपीओ के लिए वास्तव में सकारात्मक पुष्टि नहीं की गई थी। हमें अभी भी इंतजार करना होगा और देखना होगा कि यह "एक फुट ऊंचा" है या "एक फुट ऊंचा" है।

यह नोबेल पुरस्कार कैसे बनाता है

ईपीओ और फिजियोलॉजी या मेडिसिन में 2019 नोबेल पुरस्कार के बीच संबंध के बारे में एक अंतिम शब्द।

ईपीओ मानव शरीर की धारणा और हाइपोक्सिया की प्रतिक्रिया का सबसे विशिष्ट मामला है। इसलिए, दो नोबेल पुरस्कार विजेताओं सेमेन्जा और रैटक्लिफ ने सेल धारणा के तंत्र और हाइपोक्सिया के अनुकूलन के अध्ययन के लिए शुरुआती बिंदु के रूप में ईपीओ को चुना। पहला कदम ईपीओ जीन के तत्वों को खोजना था जो ऑक्सीजन परिवर्तनों का जवाब दे सके। सेमेन्जा ने हाइपोक्सिया प्रतिक्रिया तत्व नामक जीन एन्कोडिंग ईपीओ के 3 'डाउनस्ट्रीम अंत में एक प्रमुख 256-बेस गैर-कोडिंग अनुक्रम की पहचान की। यदि यह तत्व अनुक्रम उत्परिवर्तित या हटा दिया जाता है, तो ईपीओ प्रोटीन की हाइपोक्सिया पर प्रतिक्रिया करने की क्षमता बहुत कम हो जाती है। यदि यह तत्व अनुक्रम हाइपोक्सिया से जुड़े अन्य जीनों के डाउनस्ट्रीम 3 'अंत तक जुड़ा हुआ है, तो ये संशोधित जीन भी ईपीओ जैसी सक्रियता दिखाते हैं।हाइपोक्सिया शर्तों के तहत।

रैटक्लिफ और उनकी टीम ने तब पता लगाया कि यह हाइपोक्सिक प्रतिक्रिया तत्व न केवल ईपीओ के उत्पादन के लिए जिम्मेदार गुर्दे या यकृत कोशिकाओं में मौजूद है, बल्कि कई अन्य प्रकार की कोशिकाओं में भी मौजूद है जो हाइपोक्सिक परिस्थितियों में काम कर सकते हैं। दूसरे शब्दों में, हाइपोक्सिया की यह प्रतिक्रिया ईपीओ के लिए विशिष्ट नहीं हो सकती है, बल्कि कोशिकाओं में अधिक व्यापक घटना है। ये अन्य कोशिकाएं, जो ईपीओ उत्पादन के लिए जिम्मेदार नहीं हैं, में अणुओं (जैसे जीन अभिव्यक्ति को चालू करने के लिए जिम्मेदार ट्रांसक्रिप्शन कारक) शामिल होना चाहिए, जो ऑक्सीजन एकाग्रता में परिवर्तन और ईपीओ जैसे जीन को चालू करने के लिए हाइपोक्सिक प्रतिक्रिया तत्वों को बांधता है।