फिजियोलॉजी किंवा मेडिसिनमधील 2019 चे नोबेल पारितोषिक विजेते, विल्यम जी. केलिन, ज्युनियर, ग्रेग एल. सेमेन्झा आणि सर पीटर जे. रॅटक्लिफ यांनी पेशी कसे समजतात आणि कसे जुळवून घेतात यावरील त्यांच्या कामासाठी 2016 चे बेसिक मेडिसीनचे लास्कर पारितोषिक आधीच जिंकले आहे. हायपोक्सियासाठी, म्हणून हे विशेषतः आश्चर्यकारक नव्हते. त्यांनी मुख्य रेणू हायपोक्सिया-इंड्युसिबल फॅक्टर 1 (HIF-1) शोधला आणि ओळखला. आज आपल्याला अभ्यासाच्या उत्पत्तीकडे परत जायचे आहे, जे एरिथ्रोपोएटिन किंवा ईपीओ, एक चमत्कारी रेणू आहे.

लाल रक्तपेशींच्या निर्मितीमध्ये हा सर्वात महत्वाचा घटक आहे

लाल रक्तपेशी हे रक्तातील सर्वात मुबलक प्रकारचे रक्तपेशी आहेत आणि कशेरुकांच्या रक्तातून ऑक्सिजन आणि कार्बन डायऑक्साइड वाहून नेण्याचे मुख्य माध्यम आहेत. अस्थिमज्जामध्ये एरिथ्रोसाइट्स तयार होतात: हेमॅटोपोएटिक स्टेम पेशी प्रथम वाढतात आणि विविध रक्त पेशींच्या पूर्वजांमध्ये फरक करतात आणि एरिथ्रॉइड पूर्वज एरिथ्रोसाइट्समध्ये वेगळे आणि परिपक्व होऊ शकतात. सामान्य परिस्थितीत, मानवी एरिथ्रोसाइट उत्पादन दर खूपच कमी असतो, परंतु रक्तस्त्राव, हेमोलिसिस आणि हायपोक्सिया सारख्या तणावाखाली, एरिथ्रोसाइट उत्पादनाचा दर आठ पटीने वाढू शकतो. या प्रक्रियेत, एरिथ्रोपोएटिन ईपीओ हा सर्वात महत्वाचा घटक आहे.

ईपीओ हे मुख्यतः मूत्रपिंडात संश्लेषित हार्मोन आहे. त्याचे रासायनिक स्वरूप अत्यंत ग्लायकोसिलेटेड प्रोटीन आहे. मूत्रपिंडात का? मूत्रपिंडातून दर मिनिटाला सुमारे एक लिटर रक्त वाहते, त्यामुळे ते रक्तातील ऑक्सिजनच्या पातळीतील बदल जलद आणि कार्यक्षमतेने ओळखू शकतात. जेव्हा रक्तातील ऑक्सिजनची पातळी कमी होते, तेव्हा मूत्रपिंड त्वरीत प्रतिसाद देतात आणि मोठ्या प्रमाणात EPO तयार करतात. नंतरचे रक्तप्रवाहातून अस्थिमज्जामध्ये फिरते, जेथे ते एरिथ्रॉइड पूर्वज पेशींचे लाल रक्तपेशींमध्ये रूपांतर करण्यास प्रोत्साहन देते. परिपक्व लाल रक्तपेशी अस्थिमज्जेतून रक्ताभिसरण प्रणालीमध्ये सोडल्या जातात ज्यामुळे शरीराची ऑक्सिजनशी बांधण्याची क्षमता सुधारते. जेव्हा मूत्रपिंडांना रक्तातील ऑक्सिजनमध्ये वाढ झाल्याचे जाणवते तेव्हा ते EPO उत्पादन कमी करतात, ज्यामुळे अस्थिमज्जामध्ये लाल रक्तपेशींचे प्रमाण कमी होते.

हे एक परिपूर्ण समायोजन लूप बनवते. तथापि, उच्च उंचीवर राहणारे लोक आणि काही अशक्तपणाच्या रुग्णांना अनेकदा सतत कमी रक्तातील ऑक्सिजन पातळीची स्थिती येते, ज्यामुळे वरील रक्ताभिसरण पूर्ण होत नाही आणि मूत्रपिंडाला सतत EPO स्राव करण्यासाठी उत्तेजित केले जाते, ज्यामुळे रक्तातील EPO एकाग्रता सामान्य लोकांपेक्षा जास्त असते.

ते उघड करण्यासाठी जवळपास 80 वर्षे लागली

अनेक मोठ्या शोधांप्रमाणेच, शास्त्रज्ञांची EPO ची समज सुरळीत चालली नाही, मार्गात प्रश्न आणि आव्हाने होती. EPO च्या संकल्पनेपासून विशिष्ट रेणूच्या अंतिम निर्धारापर्यंत जवळपास 80 वर्षे लागली.

1906 मध्ये, फ्रेंच शास्त्रज्ञ कार्नोट आणि डेफ्लँड्रे यांनी सामान्य सशांना अॅनिमिक सशांच्या सीरमचे इंजेक्शन दिले आणि त्यांना आढळले की सामान्य सशांच्या प्लाझ्मामध्ये लाल रक्तपेशींची संख्या वाढली आहे. त्यांचा असा विश्वास होता की प्लाझ्मामधील काही विनोदी घटक लाल रक्तपेशींचे उत्पादन उत्तेजित आणि नियमन करू शकतात. हा पहिला EPO संकल्पना प्रोटोटाइप होता. दुर्दैवाने, त्यानंतरच्या दशकांमध्ये परिणामांची प्रतिकृती केली गेली नाही, मुख्यत: नवीन लाल रक्तपेशींची गणना अचूक नसल्यामुळे.

1950 मध्ये रेइसमन आणि रुहेनस्ट्रोथ-बॉअर यांच्या पॅराबायोसिसच्या प्रयोगाने खरोखर भक्कम पुरावे दिले. त्यांनी शस्त्रक्रियेने दोन जिवंत उंदरांच्या रक्ताभिसरण प्रणालीला जोडले, एकाला हायपोक्सिक वातावरणात ठेवले आणि दुसरा सामान्य हवेचा श्वास घेत होता. परिणामी, दोन्ही उंदरांनी मोठ्या प्रमाणात लाल रक्तपेशी निर्माण केल्या. यात काही शंका नाही की रक्तप्रवाहात एक संप्रेरक आहे जो लाल रक्तपेशींचे उत्पादन उत्तेजित करतो, ज्यावरून ईपीओचे नाव प्राप्त होते. दुसरीकडे, ईपीओ हायपोक्सियासाठी अत्यंत संवेदनशील आहे.

ईपीओ कोणता रेणू आहे? अमेरिकन शास्त्रज्ञ गोल्डवॉसर यांना अखेरीस बायोकेमिकल स्तरावर समस्या स्पष्ट करण्यासाठी 30 वर्षे लागली. जर एखाद्या कामगाराला चांगले काम करायचे असेल तर त्याने प्रथम त्याच्या साधनांना तीक्ष्ण केले पाहिजे. ईपीओचे कार्य नवीन लाल रक्तपेशींना उत्तेजित करणे आहे, परंतुनंतरची गणना अचूक नाही. लाल रक्तपेशींमधील सर्वात महत्वाचे कार्यात्मक रेणू हेम असलेले हिमोग्लोबिन आहे, ज्याच्या मध्यभागी एक फेरस आयन असतो. त्यामुळे गोल्डवासरच्या टीमने नवजात लाल रक्तपेशींना रेडिओअॅक्टिव्ह आयरन समस्थानिकेसह लेबल केले आणि ईपीओ क्रियाकलाप शोधण्यासाठी एक संवेदनशील पद्धत विकसित केली. यामुळे प्राण्यांच्या द्रवपदार्थांच्या नमुन्यांमधून EPO (नॅनोग्राम प्रति मिलीलीटर) च्या अत्यंत कमी सांद्रता वेगळे करणे आणि शुद्ध करणे शक्य होते. परंतु ईपीओ वेगळे करणे अत्यंत कठीण होते. त्यांनी किडनीपासून अॅनिमिक मेंढीच्या प्लाझ्माकडे, हुकवर्मच्या संसर्गामुळे लोहाची तीव्र कमतरता असलेल्या रुग्णांच्या मूत्रात स्विच केले आणि शेवटी, 1977 मध्ये, ऍप्लास्टिक अॅनिमिया असलेल्या जपानी रुग्णांच्या 2,550 लिटर मूत्रातून 8 मिलीग्राम मानवी EPO प्रोटीन शुद्ध केले.

1985 मध्ये, मानवी ईपीओचे प्रोटीन अनुक्रम आणि जीन क्लोनिंग पूर्ण झाले. EPO जनुक 193 एमिनो अवशेषांसह पॉलीपेप्टाइड एन्कोड करते, जे स्राव दरम्यान सिग्नल पेप्टाइड क्लिप झाल्यानंतर 166 अमीनो ऍसिड अवशेषांनी बनलेले परिपक्व प्रथिन बनते आणि त्यात ग्लायकोसिलेशन बदलासाठी 4 साइट्स असतात. 1998 मध्ये, EPO च्या NMR सोल्यूशन स्ट्रक्चर आणि EPO च्या क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि त्याच्या रिसेप्टर कॉम्प्लेक्सचे विश्लेषण करण्यात आले. या टप्प्यावर, लोकांना EPO ची सर्वात अंतर्ज्ञानी समज आहे.

आत्तापर्यंत, अॅनिमियाच्या उपचारांमध्ये लाल रक्तपेशींची कमतरता भरून काढण्यासाठी सामान्यतः रक्त संक्रमण आवश्यक होते. जसजसे लोक EPO बद्दल अधिक जाणून घेतात, तसतसे त्यांच्या स्वतःच्या अस्थिमज्जामध्ये लाल रक्तपेशींचे उत्पादन उत्तेजित करण्यासाठी इंजेक्ट केल्याने समस्या सुलभ झाली आहे. परंतु गोल्डवॉसरने केल्याप्रमाणे थेट शरीरातील द्रवांपासून EPO शुद्ध करणे कठीण आहे आणि उत्पन्न कमी आहे. ईपीओ प्रथिने आणि जनुकांच्या क्रमाने निश्चित केल्यामुळे मोठ्या प्रमाणात रिकॉम्बिनंट मानवी ईपीओ तयार करणे शक्य झाले.

अप्लाइड मॉलिक्युलर जेनेटिक्स (अॅमजेन) नावाच्या बायोटेक्नॉलॉजी कंपनीने हे केले आहे. आण्विक जीवशास्त्राच्या तत्कालीन उदयोन्मुख तंत्रांसह बायोफार्मास्युटिकल्स बनवण्याच्या आशेने 1980 मध्ये फक्त सात सदस्यांसह Amgen ची स्थापना झाली. इंटरफेरॉन, ग्रोथ हार्मोन रिलीझिंग फॅक्टर, हिपॅटायटीस बी लस, एपिडर्मल ग्रोथ फॅक्टर ही त्यांच्या लक्ष्यांच्या यादीतील लोकप्रिय नावे होती, परंतु यापैकी कोणतेही प्रयत्न यशस्वी झाले नाहीत. 1985 पर्यंत, तैवान, चीनमधील चीनी शास्त्रज्ञ लिन फुकुन यांनी मानवी ईपीओच्या जनुकाचे क्लोनिंग केले आणि नंतर डीएनए पुनर्संयोजन तंत्रज्ञानाचा वापर करून सिंथेटिक ईपीओचे उत्पादन लक्षात आले.

रीकॉम्बिनंट मानवी ईपीओचा क्रम अंतर्जात ईपीओ प्रोटीनसारखाच असतो आणि त्याचप्रमाणे ग्लायकोसिलेशन बदलही असतो. साहजिकच, रीकॉम्बिनंट मानवी EPO मध्ये अंतर्जात EPO ची क्रिया देखील असते. जून 1989 मध्ये, अ‍ॅमजेनचे पहिले उत्पादन, रीकॉम्बिनंट ह्यूमन एरिथ्रोपोएटिन एपोजेन, यूएस एफडीएने तीव्र मूत्रपिंड निकामी आणि एचआयव्ही संसर्गाच्या उपचारात अशक्तपणामुळे होणार्‍या अशक्तपणाच्या उपचारांसाठी मंजूर केले. एपोजेनची विक्री अवघ्या तीन महिन्यांत $16 दशलक्ष झाली. पुढील दोन दशकांमध्ये, अ‍ॅमजेनने पुन्हा एकत्र केलेल्या मानवी ईपीओच्या बाजारपेठेवर वर्चस्व गाजवले. एपोजेनने 2010 मध्येच Amgen $2.5 बिलियन कमाई केली. 2018 मध्ये, Amgen चे शेअर बाजार मूल्य $128.8 अब्ज होते, ज्यामुळे ती जगातील आठवी सर्वात मोठी फार्मास्युटिकल कंपनी बनली.

हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की अ‍ॅमजेनने सुरुवातीला गोल्डवॉसरबरोबर शुद्ध मानवी ईपीओ प्रथिने अनुक्रमासाठी प्रदान करण्यासाठी काम केले, परंतु गोल्डवॉसर आणि अॅमजेन वैचारिक मतभेदांमुळे लवकरच बाहेर पडले. गोल्डवॉसर आणि त्याच्या शिकागो विद्यापीठाने, ज्यांनी मूलभूत संशोधन केले, त्यांनी शोधलेल्या संप्रेरकाचे पेटंट करण्याचा कधीही विचार केला नाही आणि त्यामुळे त्यांना EPO च्या प्रचंड व्यावसायिक यशासाठी एक पैसाही मिळालेला नाही.

ते -- ते कसे उत्तेजक आहे

जेव्हा आपण श्वास घेतो, तेव्हा श्वासोच्छवासाची साखळी चालवण्यासाठी ऑक्सिजन पेशींच्या मायटोकॉन्ड्रियामध्ये प्रवेश करतो आणि आपल्या शरीरातील ऊर्जेचा मुख्य स्त्रोत असलेल्या मोठ्या प्रमाणात एटीपी तयार करतो. अशक्त लोकांमध्ये पुरेशा निरोगी लाल रक्तपेशी नसतात आणि सर्वात तात्काळ परिणाम म्हणजे ते पुरेसे ऑक्सिजन घेत नाहीत, ज्यामुळे त्यांना थकवा जाणवतो, दीर्घकाळापर्यंत श्वासोच्छवासाच्या समस्यांप्रमाणेच. रीकॉम्बीनंट ह्युमन ईपीओचे इंजेक्शन दिल्यावर, अॅनिमिया रुग्णांच्या शरीरात अधिक लाल रक्तपेशी निर्माण होतात,अधिक ऑक्सिजन वाहून नेणे, आणि अधिक ऊर्जा रेणू एटीपी तयार करणे, प्रभावीपणे लक्षणे दूर करते.

तथापि, काही क्रीडा कामगारांनी रीकॉम्बीनंट मानवी ईपीओचा विचार करण्यास सुरुवात केली आहे. जर ईपीओ प्रकारातील कृत्रिम रीकॉम्बीनंट संप्रेरक ऍथलीट्सच्या शरीराला अधिक लाल रक्तपेशी निर्माण करण्यासाठी उत्तेजित करण्यासाठी वापरला गेला तर, ऍथलीट्सची ऑक्सिजन मिळविण्याची आणि उर्जेचे रेणू तयार करण्याची क्षमता सुधारणे शक्य आहे, ज्यामुळे ऍथलीट्सची सहनशक्ती देखील सुधारू शकते. सायकल चालवणे, लांब पल्ल्याच्या धावणे आणि क्रॉस-कंट्री स्कीइंग यासारखे कार्यक्रम. जर्नल ऑफ अप्लाइड फिजियोलॉजीमधील 1980 च्या पेपरमध्ये असे दिसून आले की रक्त उत्तेजक (एरिथ्रोपोएटिन, कृत्रिम ऑक्सिजन वाहक आणि रक्त संक्रमण) सहनशक्ती 34 टक्क्यांनी वाढवू शकतात. क्रीडापटूंनी EPO वापरल्यास, ते ट्रेडमिलवर पूर्वीपेक्षा 44 सेकंद कमी वेळेत 8 किलोमीटर धावू शकतात. खरं तर, सायकलिंग आणि मॅरेथॉन हे EPO उत्तेजकांसाठी सर्वात वाईट अपराधी आहेत. 1998 च्या टूर डी फ्रान्स दरम्यान, फेस्टिना टीमच्या स्पॅनिश टीमच्या डॉक्टरला फ्रेंच सीमेवर कृत्रिम रीकॉम्बिनंट ईपीओच्या 400 बाटल्यांसह अटक करण्यात आली होती! अर्थातच याचा परिणाम असा झाला की संपूर्ण संघाला टूरमधून बाहेर काढण्यात आले आणि बंदी घालण्यात आली.

आंतरराष्ट्रीय ऑलिम्पिक समितीने 1992 च्या बार्सिलोना गेम्समध्ये EPO ला त्याच्या प्रतिबंधित यादीत समाविष्ट केले, परंतु मानवी EPO चाचणीची पुनर्रचना करणे इतके अवघड होते की 2000 च्या खेळापूर्वी ऍथलीट वापरत आहेत की नाही हे प्रभावीपणे शोधण्याचा कोणताही मार्ग नव्हता. याची अनेक कारणे आहेत: 1) शरीरातील द्रवपदार्थांमध्ये ईपीओचे प्रमाण खूपच कमी आहे आणि सामान्य लोकांमध्ये प्रति मिली रक्त ईपीओ सुमारे 130-230 नॅनोग्राम आहे; 2) कृत्रिम रीकॉम्बीनंट ईपीओची अमीनो आम्ल रचना मानवी अंतर्जात ईपीओ प्रथिनासारखीच असते, फक्त ग्लायकोसिलेशनचे स्वरूप थोडे वेगळे असते; 3) रक्तातील ईपीओचे अर्धे आयुष्य फक्त 5-6 तास असते आणि शेवटच्या इंजेक्शनच्या 4-7 दिवसांनंतर ते सामान्यतः सापडत नाही; 4) वैयक्तिक EPO पातळी खूप भिन्न आहे, म्हणून परिपूर्ण परिमाणात्मक मानक स्थापित करणे कठीण आहे.

2000 पासून, WADA ने रीकॉम्बीनंट EPO चे थेट शोध घेण्यासाठी मूत्र चाचणी ही एकमेव वैज्ञानिक पडताळणी पद्धत म्हणून वापरली आहे. कृत्रिम रीकॉम्बीनंट ईपीओ आणि मानवी ईपीओच्या ग्लायकोयलेटेड स्वरूपातील किंचित फरकांमुळे, दोन रेणूंचे चार्ज केलेले गुणधर्म फारच लहान आहेत आणि आयसोइलेक्ट्रिक फोकसिंग नावाच्या इलेक्ट्रोफोरेसीस पद्धतीद्वारे ओळखले जाऊ शकतात, जे मुख्य धोरण आहे. कृत्रिम रीकॉम्बिनंट ईपीओचा थेट शोध. तथापि, मानवी व्युत्पन्न पेशींनी व्यक्त केलेल्या काही रीकॉम्बिनंट ईपीओने ग्लायकोसिलेशनमध्ये कोणताही फरक दर्शविला नाही, म्हणून काही तज्ञांनी सुचवले की एक्सोजेनस ईपीओ आणि एंडोजेनस ईपीओ वेगवेगळ्या कार्बन समस्थानिक सामग्रीद्वारे वेगळे केले जावे.

खरं तर, ईपीओसाठी वेगवेगळ्या चाचणी पद्धतींमध्ये अजूनही मर्यादा आहेत. उदाहरणार्थ, अमेरिकन सायकलिंग दिग्गज लान्स आर्मस्ट्राँगने त्याच्या सात टूर डी फ्रान्स विजयांदरम्यान ईपीओ आणि इतर उत्तेजक औषधे घेतल्याचे कबूल केले, परंतु त्यावेळी कोणत्याही डोपिंग चाचणीत तो ईपीओसाठी सकारात्मक असल्याची पुष्टी झाली नाही. आम्हाला अजूनही प्रतीक्षा करावी लागेल आणि ते "एक फूट उंच" किंवा "एक फूट उंच" आहे की नाही हे पहावे लागेल.

तो नोबेल पुरस्कार कसा बनवतो

EPO आणि 2019 चे फिजिओलॉजी किंवा मेडिसिनमधील नोबेल पारितोषिक यांच्यातील संबंधांबद्दलचा अंतिम शब्द.

EPO ही मानवी शरीराची समज आणि हायपोक्सियाला प्रतिसाद देणारी सर्वात वैशिष्ट्यपूर्ण केस आहे. म्हणून, सेमेन्झा आणि रॅटक्लिफ, दोन नोबेल पारितोषिक विजेते, पेशी समज आणि हायपोक्सियाशी जुळवून घेण्याच्या यंत्रणेचा अभ्यास करण्यासाठी प्रारंभिक बिंदू म्हणून EPO निवडले. पहिली पायरी म्हणजे ईपीओ जनुकातील घटक शोधणे जे ऑक्सिजन बदलांना प्रतिसाद देऊ शकतात. सेमेन्झा ने जीन एन्कोडिंग ईपीओच्या 3 'डाउनस्ट्रीम शेवटी एक प्रमुख 256-बेस नॉन-कोडिंग अनुक्रम ओळखला, ज्याला हायपोक्सिया प्रतिसाद घटक असे नाव देण्यात आले. जर हा घटक क्रम बदलला किंवा हटवला गेला तर, हायपोक्सियाला प्रतिसाद देण्याची EPO प्रोटीनची क्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी होते. जर हा घटक क्रम हायपोक्सियाशी संबंधित नसलेल्या इतर जनुकांच्या डाउनस्ट्रीम 3 च्या टोकाशी जोडला गेला असेल, तर ही सुधारित जीन्स EPO सारखी सक्रियता देखील दर्शवतात.हायपोक्सियाच्या परिस्थितीत.

रॅटक्लिफ आणि त्यांच्या टीमने नंतर शोधून काढले की हा हायपोक्सिक प्रतिसाद घटक केवळ मूत्रपिंड किंवा यकृत पेशींमध्येच आहे जो EPO च्या निर्मितीसाठी जबाबदार आहे, परंतु इतर अनेक पेशींमध्ये देखील आहे जे हायपोक्सिक परिस्थितीत कार्य करू शकतात. दुसऱ्या शब्दांत, हायपोक्सियाचा हा प्रतिसाद ईपीओसाठी विशिष्ट असू शकत नाही, परंतु पेशींमध्ये अधिक व्यापक घटना आहे. ईपीओ उत्पादनासाठी जबाबदार नसलेल्या या इतर पेशींमध्ये रेणू (जसे की जीन अभिव्यक्ती चालू करण्यासाठी जबाबदार ट्रान्सक्रिप्शन घटक) असणे आवश्यक आहे जे ऑक्सिजन एकाग्रतेमध्ये बदल जाणवतात आणि ईपीओ सारख्या जनुकांना चालू करण्यासाठी हायपोक्सिक प्रतिसाद घटकांना बांधतात.