Telung pemenang Bebungah Nobel Fisiologi utawa Kedokteran 2019, William G. Kaelin, Jr., Gregg L. Semenza lan Sir Peter J. Ratcliffe wis menangake Bebungah Lasker 2016 ing Kedokteran Dasar amarga karyane babagan cara sel ngrasa lan adaptasi. kanggo hypoxia, dadi ora kaget banget. Dheweke nemokake lan ngenali molekul kunci faktor hypoxia-inducible 1 (HIF-1). Dina iki kita pengin bali menyang asal saka sinau, yaiku erythropoietin, utawa EPO, molekul ajaib.

Iku faktor paling penting ing produksi sel getih abang

Sèl getih abang minangka jinis sel getih sing paling akèh ing getih, lan minangka medium utama kanggo ngeterake oksigen lan karbon dioksida liwat getih vertebrata. Eritrosit diasilake ing sumsum balung: Sel induk hematopoietik pisanan berkembang lan mbedakake dadi progenitor saka macem-macem sel getih, lan progenitor erythroid bisa luwih mbedakake lan diwasa dadi eritrosit. Ing kahanan normal, tingkat produksi eritrosit manungsa sithik banget, nanging ing stres kayata pendarahan, hemolisis, lan hipoksia, tingkat produksi eritrosit bisa mundhak nganti kaping wolu. Ing proses iki, erythropoietin EPO minangka salah sawijining faktor sing paling penting.

EPO minangka hormon sing disintesis utamane ing ginjel. Sifat kimiawi yaiku protein glikosilasi banget. Kenapa ing ginjel? Kira-kira siji liter getih mili liwat ginjel saben menit, supaya bisa cepet lan efisien ndeteksi owah-owahan ing tingkat oksigen ing getih. Nalika tingkat oksigen ing getih kurang, ginjel nanggapi kanthi cepet lan ngasilake EPO sing akeh. Sing terakhir sirkulasi liwat aliran getih menyang sumsum balung, ing ngendi iku ningkatake konversi sel progenitor erythroid dadi sel getih abang. Sèl getih abang sing diwasa dibebasake saka sumsum balung menyang sistem sirkulasi kanggo ningkatake kemampuan awak kanggo ngiket oksigen. Nalika ginjel ngrasakake paningkatan oksigen ing getih, dheweke nyuda produksi EPO, sing banjur nyuda jumlah sel getih abang ing sumsum balung.

Iki nggawe daur ulang pangaturan sing sampurna. Nanging, wong sing manggon ing papan sing dhuwur lan sawetara pasien anemia asring nemoni kahanan tingkat oksigen getih sing terus-terusan kurang, sing ora bisa ngrampungake sirkulasi ing ndhuwur lan ngrangsang ginjel supaya terus-terusan ngetokake EPO, saengga konsentrasi EPO getih luwih dhuwur tinimbang wong biasa.

Butuh udakara 80 taun kanggo nemokake

Kaya akeh panemuan utama, pangerten para ilmuwan babagan EPO durung lancar, kanthi pitakonan lan tantangan ing dalan. Mbutuhake meh 80 taun saka konsep EPO nganti tekad pungkasan molekul spesifik.

Ing taun 1906, ilmuwan Prancis Carnot lan Deflandre nyuntikake kelinci normal kanthi serum kelinci anemia lan nemokake yen jumlah sel getih abang ing plasma kelinci normal mundhak. Dheweke percaya yen sawetara faktor humoral ing plasma bisa ngrangsang lan ngatur produksi sel getih abang. Iki minangka prototipe konsep EPO pisanan. Sayange, asil kasebut durung ditiru ing dekade sabanjure, utamane amarga jumlah sel getih abang anyar ora akurat.

Eksperimen parabiosis Reissmann lan Ruhenstroth-Bauer ing taun 1950 nyedhiyakake bukti sing kuwat banget. Dheweke ngubungake sistem sirkulasi rong tikus sing urip kanthi cara bedhah, sijine siji ing lingkungan hypoxic lan liyane ambegan hawa normal. Akibaté, loro tikus ngasilake sel getih abang sing akeh banget. Ora ana sangsi manawa ana hormon ing aliran getih sing ngrangsang produksi sel getih abang, sing jenenge EPO. Ing sisih liya, EPO sensitif banget marang hipoksia.

Apa molekul EPO? Butuh 30 taun ilmuwan Amerika Goldwasser pungkasane njlentrehake masalah kasebut ing tingkat biokimia. Yen buruh kepengin nindakake pakaryan sing apik, mula kudu ngasah pirantine. Fungsi EPO kanggo ngrangsang sel getih abang anyar, nangingcount saka terakhir ora akurat. Molekul fungsional sing paling penting ing sel getih abang yaiku hemoglobin sing ngandhut heme, sing ngandhut ion ferrous ing tengah. Dadi tim Goldwasser menehi label sel getih abang bayi sing anyar karo isotop wesi radioaktif lan ngembangake cara sensitif kanggo ndeteksi aktivitas EPO. Iki ndadekake bisa ngisolasi lan ngresiki konsentrasi EPO (nanogram per mililiter) sing sithik banget saka conto cairan kewan. Nanging pamisahan EPO angel banget. Padha ngalih saka ginjel kanggo plasma wedhus anemia, kanggo cipratan saka patients karo kurang wesi abot amarga infèksi hookworm, lan pungkasanipun, ing 1977, dimurnèkaké 8 miligram protein EPO manungsa saka 2,550 liter saka cipratan saka Japanese patients karo anemia aplastik.

Ing taun 1985, urutan protein lan kloning gen saka EPO manungsa rampung. Gen EPO ngode polipeptida kanthi 193 residu amino, sing dadi protein diwasa sing kasusun saka 166 residu asam amino sawise sinyal peptida dipotong sajrone sekresi, lan ngemot 4 situs kanggo modifikasi glikosilasi. Ing taun 1998, struktur solusi NMR EPO lan struktur kristal EPO lan kompleks reseptor dianalisis. Ing wektu iki, wong duwe pangerten sing paling intuisi babagan EPO.

Nganti saiki, perawatan kanggo anemia biasane mbutuhake transfusi getih kanggo ngisi kekurangan sel getih abang. Nalika wong sinau luwih akeh babagan EPO, nyuntikake kanggo ngrangsang produksi sel getih abang ing sumsum balung dhewe wis nggawe masalah luwih gampang. Nanging ngresiki EPO langsung saka cairan awak, kaya sing ditindakake Goldwasser, angel lan ngasilake kurang. Penentuan protein EPO lan urutan gen ndadekake bisa ngasilake EPO manungsa rekombinan kanthi jumlah akeh.

Iki ditindakake dening perusahaan bioteknologi sing diarani Applied Molecular Genetics (Amgen). Amgen didegake ing taun 1980 kanthi mung pitung anggota, ngarep-arep bisa nggawe biofarmasi kanthi teknik biologi molekuler sing saiki muncul. Interferon, faktor pelepas hormon pertumbuhan, vaksin hepatitis B, faktor pertumbuhan epidermis ana ing antarane jeneng panas ing dhaptar target, nanging ora ana upaya sing sukses. Nganti taun 1985, Lin Fukun, ilmuwan Cina saka Taiwan, China, ngkloning gen EPO manungsa, lan banjur nyadari produksi EPO sintetik nggunakake teknologi rekombinasi DNA.

EPO manungsa rekombinan nduweni urutan sing padha karo protein EPO endogen, lan uga nduweni modifikasi glikosilasi sing padha. Alami, EPO manungsa rekombinan uga nduweni aktivitas EPO endogen. Ing wulan Juni 1989, produk pisanan Amgen, erythropoietin Epogen manungsa rekombinan, disetujoni dening FDA AS kanggo perawatan anemia sing disebabake gagal ginjal kronis lan anemia ing perawatan infeksi HIV. Penjualan Epogen paling dhuwur $ 16 yuta mung telung wulan. Sajrone rong dekade sabanjure, Amgen ndominasi pasar kanggo EPO manungsa sing dipasang maneh. Epogen nggawa Amgen $ 2,5 milyar ing revenue ing 2010 piyambak. Ing 2018, regane pasar saham Amgen $ 128.8 milyar, dadi perusahaan farmasi paling gedhe nomer wolu ing donya.

Wigati dicathet yen Amgen wiwitane kerja bareng karo Goldwasser kanggo nyedhiyakake protein EPO manungsa sing diresiki kanggo urutan, nanging Goldwasser lan Amgen ora suwe amarga beda ideologis. Goldwasser lan Universitas Chicago, sing nindakake riset dhasar, ora tau mikir kanggo paten hormon sing ditemokake, lan ora entuk dhuwit kanggo sukses komersial gedhe EPO.

Iku - carane iku stimulant

Nalika kita ambegan, oksigen lumebu ing mitokondria sel kanggo nyurung rantai ambegan lan ngasilake ATP sing akeh, sumber energi utama ing awak kita. Wong anemia ora duwe sel getih abang sing sehat, lan efek sing paling cepet yaiku ora njupuk oksigen sing cukup, sing ndadekake dheweke kesel, padha karo masalah ambegan nalika dawa. Nalika disuntikake karo EPO manungsa rekombinan, awak pasien anemia ngasilake luwih akeh sel getih abang,nggawa oksigen luwih akeh, lan ngasilake luwih akeh molekul energi ATP, kanthi efektif ngilangi gejala.

Nanging, sawetara buruh olahraga uga wiwit mikir babagan EPO manungsa rekombinan. Yen hormon rekombinan buatan saka jinis EPO digunakake kanggo ngrangsang awak atlit ngasilake luwih akeh sel getih abang, bisa ningkatake kemampuan atlit kanggo entuk oksigen lan ngasilake molekul energi, sing uga bisa ningkatake kinerja atlit kanthi daya tahan. acara kayata cycling, long-distance running lan ski lintas negara. Makalah taun 1980 ing Journal of Applied Physiology nuduhake yen stimulan getih (erythropoietin, operator oksigen buatan lan transfusi getih) bisa nambah daya tahan nganti 34 persen. Yen atlit nggunakake EPO, padha bisa mbukak 8 kilometer ing treadmill ing 44 detik wektu kurang saka sadurunge. Nyatane, muter muter lan maraton wis dadi pelanggar paling ala kanggo stimulan EPO. Sajrone Tour de France 1998, dokter tim Spanyol kanggo tim Festina dicekel ing tapel wates Prancis kanthi 400 botol EPO rekombinan buatan! Asil, mesthi, kabeh tim diusir saka Tur lan dilarang.

Komite Olimpiade Internasional nambahake EPO menyang dhaptar sing dilarang ing Pertandingan Barcelona taun 1992, nanging nyusun ulang tes EPO manungsa dadi angel banget nganti sadurunge Olimpiade 2000 ora ana cara kanggo ndeteksi kanthi efektif manawa para atlit nggunakake. Ana sawetara alasan: 1) Isi EPO ing cairan awak kurang banget, lan EPO saben ml getih ing wong normal kira-kira 130-230 nanogram; 2) Komposisi asam amino saka EPO rekombinan buatan persis padha karo protein EPO endogen manungsa, mung bentuk glikosilasi sing beda banget; 3) Setengah umur EPO ing getih mung 5-6 jam, lan umume ora bisa dideteksi 4-7 dina sawise injeksi pungkasan; 4) Tingkat EPO individu beda banget, saengga angel netepake standar kuantitatif sing mutlak.

Wiwit taun 2000, WADA wis nggunakake tes urine minangka siji-sijine cara verifikasi ilmiah kanggo deteksi langsung EPO rekombinan. Amarga beda tipis antarane bentuk glikolasi saka EPO rekombinan buatan lan EPO manungsa, sifat muatan saka rong molekul kasebut cilik banget lan bisa dibedakake kanthi metode elektroforesis sing diarani fokus isoelektrik, sing dadi strategi utama kanggo deteksi langsung saka EPO rekombinan gawean. Nanging, sawetara EPO rekombinan sing ditulis dening sel asale manungsa ora nuduhake glikosilasi, mula sawetara ahli nyaranake yen EPO eksogen lan EPO endogen kudu dibedakake kanthi isi isotop karbon sing beda.

Nyatane, isih ana watesan ing macem-macem cara tes kanggo EPO. Contone, Lance Armstrong, legenda balap Amerika, ngakoni njupuk EPO lan stimulan liyane sajrone pitung kamenangan Tour de France, nanging dheweke ora dikonfirmasi positif kanggo EPO ing tes doping apa wae ing wektu kasebut. Kita isih kudu ngenteni lan ndeleng apa "siji luwih dhuwur" utawa "siji luwih dhuwur".

Carane nggawe Bebungah Nobel

Tembung pungkasan babagan sambungan antarane EPO lan Bebungah Nobel Fisiologi utawa Kedokteran 2019.

EPO minangka kasus sing paling khas saka persepsi lan respon awak manungsa kanggo hipoksia. Mulane, Semenza lan Ratcliffe, loro pemenang Nobel, milih EPO minangka titik wiwitan kanggo nyinaoni mekanisme persepsi sel lan adaptasi kanggo hipoksia. Langkah pisanan yaiku nemokake unsur gen EPO sing bisa nanggapi owah-owahan oksigen. Semenza ngidentifikasi urutan non-coding 256-basis kunci ing 3 'ujung hilir gen enkoding EPO, jenenge unsur respon hipoksia. Yen urutan unsur iki dimutasi utawa dibusak, kemampuan protein EPO kanggo nanggapi hipoksia bakal suda banget. Yen urutan unsur iki digabung menyang hilir 3 gen liyane sing ora ana hubungane karo hipoksia, gen sing diowahi iki uga nuduhake aktivasi kaya EPO.ing kahanan hypoxia.

Ratcliffe lan tim banjur nemokake manawa unsur respon hipoksik iki ora mung ana ing sel ginjel utawa ati sing tanggung jawab kanggo produksi EPO, nanging uga ing pirang-pirang jinis sel liyane sing bisa digunakake ing kahanan hipoksia. Ing tembung liya, respon hipoksia iki bisa uga ora spesifik kanggo EPO, nanging minangka fenomena sing luwih nyebar ing sel. Sel liya iki, sing ora tanggung jawab kanggo produksi EPO, kudu ngemot molekul (kayata faktor transkripsi sing tanggung jawab kanggo nguripake ekspresi gen) sing ngrasakake owah-owahan ing konsentrasi oksigen lan ngiket unsur respon hipoksik kanggo nguripake gen kayata EPO.