فزیالوجی یا میڈیسن میں 2019 کے نوبل انعام کے تین فاتحین، ولیم جی کیلن، جونیئر، گریگ ایل سیمینزا اور سر پیٹر جے ریٹکلف پہلے ہی 2016 کا لاسکر پرائز ان کے اس کام کے لیے جیت چکے ہیں کہ خلیات کیسے محسوس کرتے ہیں اور کیسے اپناتے ہیں۔ ہائپوکسیا، تو یہ خاص طور پر حیران کن نہیں تھا۔ انہوں نے کلیدی مالیکیول ہائپوکسیا-انڈیکیبل فیکٹر 1 (HIF-1) کو دریافت اور شناخت کیا۔ آج ہم مطالعہ کی اصل پر واپس جانا چاہتے ہیں، جو کہ erythropoietin، یا EPO، ایک معجزاتی مالیکیول ہے۔

یہ سرخ خون کے خلیوں کی پیداوار میں سب سے اہم عنصر ہے۔

سرخ خون کے خلیات خون میں خون کے خلیات کی سب سے زیادہ مقدار ہیں، اور یہ فقاری جانوروں کے خون کے ذریعے آکسیجن اور کاربن ڈائی آکسائیڈ کی نقل و حمل کا اہم ذریعہ ہیں۔ ایریٹروسائٹس بون میرو میں پیدا ہوتے ہیں: ہیماٹوپوائٹک اسٹیم سیل پہلے پھیلتے ہیں اور مختلف خون کے خلیات کے پروجینٹرز میں فرق کرتے ہیں، اور اریتھروائڈ پروجینیٹر مزید فرق کر سکتے ہیں اور اریتھروسائٹس میں بالغ ہو سکتے ہیں۔ عام حالات میں، انسانی erythrocyte کی پیداوار کی شرح بہت کم ہوتی ہے، لیکن دباؤ جیسے خون بہنا، hemolysis، اور hypoxia کے تحت، erythrocyte کی پیداوار کی شرح کو آٹھ گنا تک بڑھایا جا سکتا ہے۔ اس عمل میں، erythropoietin EPO سب سے اہم عوامل میں سے ایک ہے۔

EPO ایک ہارمون ہے جو بنیادی طور پر گردے میں ترکیب کیا جاتا ہے۔ اس کی کیمیائی نوعیت ایک انتہائی گلائکوسلیٹڈ پروٹین ہے۔ گردوں میں کیوں؟ گردے کے ذریعے ہر منٹ میں تقریباً ایک لیٹر خون بہتا ہے، اس لیے وہ خون میں آکسیجن کی سطح میں ہونے والی تبدیلیوں کا جلد اور مؤثر طریقے سے پتہ لگا سکتے ہیں۔ جب خون میں آکسیجن کی سطح کم ہوتی ہے تو گردے تیزی سے جواب دیتے ہیں اور بڑی مقدار میں EPO پیدا کرتے ہیں۔ مؤخر الذکر خون کے ذریعے بون میرو میں گردش کرتا ہے، جہاں یہ erythroid progenitor خلیات کو خون کے سرخ خلیوں میں تبدیل کرنے کو فروغ دیتا ہے۔ بالغ سرخ خون کے خلیے بون میرو سے گردشی نظام میں خارج ہوتے ہیں تاکہ جسم کی آکسیجن سے منسلک ہونے کی صلاحیت کو بہتر بنایا جا سکے۔ جب گردے خون میں آکسیجن میں اضافہ محسوس کرتے ہیں، تو وہ EPO کی پیداوار کو کم کر دیتے ہیں، جس کے نتیجے میں بون میرو میں خون کے سرخ خلیات کی مقدار کم ہو جاتی ہے۔

یہ ایک کامل ایڈجسٹمنٹ لوپ بناتا ہے۔ تاہم، اونچائی پر رہنے والے لوگ اور کچھ خون کی کمی کے مریضوں کو اکثر خون میں آکسیجن کی مسلسل کم سطح کی حالت کا سامنا کرنا پڑتا ہے، جو اوپر کی گردش کو مکمل نہیں کر پاتا اور گردے کو مسلسل EPO خارج کرنے کے لیے تحریک دیتا ہے، تاکہ خون میں EPO کا ارتکاز عام لوگوں سے زیادہ ہو۔

اسے بے نقاب کرنے میں تقریباً 80 سال لگے

بہت سی بڑی دریافتوں کی طرح، EPO کے بارے میں سائنس دانوں کی سمجھ میں سوالات اور چیلنجز کے ساتھ ہموار سفر نہیں ہے۔ EPO کے تصور سے مخصوص مالیکیول کے حتمی تعین تک تقریباً 80 سال لگے۔

1906 میں، فرانسیسی سائنسدانوں کارنوٹ اور ڈیفلینڈرے نے عام خرگوشوں کو خون کی کمی والے خرگوش کے سیرم کے ساتھ انجکشن لگایا اور پایا کہ عام خرگوش کے پلازما میں خون کے سرخ خلیوں کی تعداد میں اضافہ ہوا ہے۔ ان کا خیال تھا کہ پلازما میں کچھ مزاحیہ عوامل خون کے سرخ خلیوں کی پیداوار کو متحرک اور منظم کر سکتے ہیں۔ یہ پہلا EPO تصور پروٹو ٹائپ تھا۔ بدقسمتی سے، نتائج کو بعد کی دہائیوں میں نقل نہیں کیا گیا، بنیادی طور پر اس وجہ سے کہ نئے سرخ خون کے خلیات کی گنتی درست نہیں تھی۔

Reissmann اور Ruhenstroth-Bauer کے 1950 میں پیرابیوسس کے تجربے نے واقعی مضبوط ثبوت فراہم کیے تھے۔ انہوں نے جراحی سے دو زندہ چوہوں کے گردشی نظام کو جوڑ دیا، ایک کو ہائپوکسک ماحول میں رکھا اور دوسرا عام ہوا میں سانس لے رہا ہے۔ نتیجے کے طور پر، دونوں چوہوں نے خون کے سرخ خلیات کی بڑی مقدار پیدا کی۔ اس میں کوئی شک نہیں کہ خون کے دھارے میں ایک ہارمون ہے جو خون کے سرخ خلیات کی پیداوار کو تحریک دیتا ہے، جس سے EPO کا نام آتا ہے۔ دوسری طرف، ای پی او ہائپوکسیا کے لیے بہت حساس ہے۔

EPO کون سا مالیکیول ہے؟ امریکی سائنسدان گولڈ واسر کو بائیو کیمیکل سطح پر آخر کار اس مسئلے کو واضح کرنے میں 30 سال لگے۔ اگر کوئی کارکن اچھا کام کرنا چاہتا ہے تو اسے پہلے اپنے اوزاروں کو تیز کرنا ہوگا۔ ای پی او کا کام خون کے نئے سرخ خلیات کو متحرک کرنا ہے، لیکنمؤخر الذکر کی گنتی درست نہیں ہے۔ سرخ خون کے خلیوں میں سب سے اہم فعال مالیکیول ہیموگلوبن ہے جس میں ہیم ہوتا ہے، جس کے مرکز میں فیرس آئن ہوتا ہے۔ چنانچہ گولڈ واسر کی ٹیم نے نوزائیدہ سرخ خون کے خلیات پر تابکار آئرن آئسوٹوپس کا لیبل لگایا اور EPO کی سرگرمی کا پتہ لگانے کے لیے ایک حساس طریقہ تیار کیا۔ اس سے جانوروں کے سیال کے نمونوں سے EPO (نینوگرام فی ملی لیٹر) کی بہت کم ارتکاز کو الگ کرنا اور صاف کرنا ممکن ہو جاتا ہے۔ لیکن EPO کی تنہائی انتہائی مشکل تھی۔ انہوں نے گردے سے خون کی کمی والے بھیڑوں کے پلازما میں، ہک ورم ​​انفیکشن کی وجہ سے آئرن کی شدید کمی والے مریضوں کے پیشاب میں تبدیل کیا، اور آخر کار، 1977 میں، اپلاسٹک انیمیا کے ساتھ جاپانی مریضوں کے 2,550 لیٹر پیشاب سے 8 ملی گرام انسانی EPO پروٹین کو صاف کیا۔

1985 میں، انسانی EPO کی پروٹین کی ترتیب اور جین کلوننگ مکمل ہوئی۔ EPO جین 193 امینو باقیات کے ساتھ ایک پولی پیپٹائڈ کو انکوڈ کرتا ہے، جو سگنل پیپٹائڈ کے سراو کے دوران کلپ ہونے کے بعد 166 امینو ایسڈ کی باقیات پر مشتمل ایک بالغ پروٹین بن جاتا ہے، اور اس میں گلائکوسیلیشن ترمیم کے لیے 4 سائٹس شامل ہیں۔ 1998 میں، EPO کے NMR حل کی ساخت اور EPO کے کرسٹل ڈھانچے اور اس کے رسیپٹر کمپلیکس کا تجزیہ کیا گیا۔ اس وقت، لوگوں کو EPO کی سب سے زیادہ بدیہی سمجھ ہے۔

اب تک، خون کی کمی کے علاج میں عام طور پر خون کے سرخ خلیات کی کمی کو پورا کرنے کے لیے خون کی منتقلی کی ضرورت ہوتی تھی۔ جیسے جیسے لوگ EPO کے بارے میں مزید جان رہے ہیں، اپنے بون میرو میں سرخ خون کے خلیات کی پیداوار کو متحرک کرنے کے لیے اسے انجیکشن لگانے سے مسئلہ آسان ہو گیا ہے۔ لیکن EPO کو براہ راست جسمانی رطوبتوں سے صاف کرنا، جیسا کہ Goldwasser نے کیا، مشکل ہے اور پیداوار کم ہے۔ EPO پروٹین اور جین کی ترتیب کے تعین نے بڑی مقدار میں recombinant انسانی EPO پیدا کرنا ممکن بنایا۔

یہ ایک بائیو ٹیکنالوجی کمپنی نے کیا جسے اپلائیڈ مالیکیولر جینیٹکس (Amgen) کہا جاتا ہے۔ Amgen کی بنیاد 1980 میں صرف سات اراکین کے ساتھ رکھی گئی تھی، جو مالیکیولر بائیولوجی کی اس وقت کی ابھرتی ہوئی تکنیکوں کے ساتھ بائیو فارماسیوٹیکل بنانے کی امید میں تھی۔ انٹرفیرون، گروتھ ہارمون ریلیز کرنے والا عنصر، ہیپاٹائٹس بی ویکسین، ایپیڈرمل گروتھ فیکٹر ان کے اہداف کی فہرست میں گرم ناموں میں شامل تھے، لیکن ان میں سے کوئی بھی کوشش کامیاب نہیں ہوئی۔ 1985 تک، تائیوان، چین سے تعلق رکھنے والے چینی سائنسدان لن فوکون نے انسانی EPO کے جین کو کلون کیا، اور پھر ڈی این اے ری کنبینیشن ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے مصنوعی EPO کی تیاری کا احساس کیا۔

ریکومبیننٹ ہیومن ای پی او میں اینڈوجینس ای پی او پروٹین جیسا ہی تسلسل ہوتا ہے، اور اس میں بھی اسی طرح کی گلائکوسیلیشن ترمیم ہوتی ہے۔ قدرتی طور پر، دوبارہ پیدا ہونے والے انسانی EPO میں endogenous EPO کی سرگرمی بھی ہوتی ہے۔ جون 1989 میں، امجن کی پہلی پروڈکٹ، ریکومبیننٹ ہیومن اریتھروپوئٹین ایپوجن، کو یو ایس ایف ڈی اے نے ایچ آئی وی انفیکشن کے علاج میں دائمی گردوں کی ناکامی اور خون کی کمی کی وجہ سے ہونے والے خون کی کمی کے علاج کے لیے منظور کیا تھا۔ ایپوجن کی فروخت صرف تین ماہ میں 16 ملین ڈالر تک پہنچ گئی۔ اگلی دو دہائیوں کے دوران، ایمگین نے انسانی EPO کو دوبارہ جمع کرنے کی مارکیٹ پر غلبہ حاصل کیا۔ Epogen نے صرف 2010 میں Amgen کو 2.5 بلین ڈالر کی آمدنی حاصل کی۔ 2018 میں، Amgen کی اسٹاک مارکیٹ ویلیو $128.8 بلین تھی، جو اسے دنیا کی آٹھویں سب سے بڑی فارماسیوٹیکل کمپنی بناتی ہے۔

یہ بات قابل غور ہے کہ ایمگین نے ابتدا میں گولڈ واسر کے ساتھ مل کر پیوریفائیڈ انسانی ای پی او پروٹین کو ترتیب دینے کے لیے فراہم کیا تھا، لیکن گولڈ واسر اور امجن جلد ہی نظریاتی اختلافات کی وجہ سے ختم ہو گئے۔ گولڈ واسر اور اس کی شکاگو یونیورسٹی، جس نے بنیادی تحقیق کی، کبھی بھی اپنے دریافت کردہ ہارمون کو پیٹنٹ کرنے کے بارے میں نہیں سوچا، اور اس لیے انہیں EPO کی بڑی تجارتی کامیابی کے لیے ایک پیسہ بھی نہیں ملا۔

یہ - یہ کیسا محرک ہے۔

جب ہم سانس لیتے ہیں، تو آکسیجن خلیات کے مائٹوکونڈریا میں داخل ہو کر سانس کی زنجیر کو چلاتی ہے اور اے ٹی پی کی بڑی مقدار پیدا کرتی ہے، جو ہمارے جسم میں توانائی کا بنیادی ذریعہ ہے۔ خون کی کمی والے لوگوں میں خون کے سرخ خلیے کافی نہیں ہوتے ہیں، اور سب سے فوری اثر یہ ہوتا ہے کہ وہ کافی آکسیجن نہیں لیتے ہیں، جس کی وجہ سے وہ تھکاوٹ محسوس کرتے ہیں، جیسا کہ طویل عرصے کے دوران سانس لینے میں دشواری کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ جب دوبارہ پیدا ہونے والے انسانی EPO کے ساتھ انجکشن لگایا جاتا ہے، تو خون کی کمی کے مریضوں کے جسم میں خون کے زیادہ سرخ خلیات پیدا ہوتے ہیں،زیادہ آکسیجن لے جاتے ہیں، اور زیادہ توانائی کے مالیکیول ATP پیدا کرتے ہیں، مؤثر طریقے سے علامات کو دور کرتے ہیں۔

تاہم، کچھ کھیلوں کے کارکنوں نے بھی دوبارہ پیدا ہونے والے انسانی EPO کے بارے میں سوچنا شروع کر دیا ہے۔ اگر ای پی او قسم کے مصنوعی ریکومبیننٹ ہارمون کو ایتھلیٹس کے جسم میں زیادہ سرخ خون کے خلیات پیدا کرنے کے لیے استعمال کیا جائے، تو یہ ممکن ہے کہ کھلاڑیوں کی آکسیجن حاصل کرنے اور توانائی کے مالیکیولز پیدا کرنے کی صلاحیت کو بہتر بنایا جائے، جس سے ایتھلیٹس کی برداشت میں کارکردگی بھی بہتر ہو سکتی ہے۔ ایونٹس جیسے سائیکلنگ، لمبی دوری کی دوڑ اور کراس کنٹری اسکیئنگ۔ جرنل آف اپلائیڈ فزیالوجی میں 1980 کے ایک مقالے سے پتہ چلتا ہے کہ خون کے محرکات (اریتھروپائٹین، مصنوعی آکسیجن کیریئرز اور خون کی منتقلی) برداشت کو 34 فیصد تک بڑھا سکتے ہیں۔ اگر ایتھلیٹس ای پی او کا استعمال کرتے ہیں، تو وہ ٹریڈمل پر پہلے سے 44 سیکنڈ کم وقت میں 8 کلومیٹر دوڑ سکتے ہیں۔ درحقیقت، سائیکلنگ اور میراتھن EPO محرکات کے لیے بدترین مجرم رہے ہیں۔ 1998 کے ٹور ڈی فرانس کے دوران، فیسٹینا ٹیم کے لیے ایک ہسپانوی ٹیم کے ڈاکٹر کو فرانسیسی سرحد پر مصنوعی ریکومبیننٹ EPO کی 400 بوتلوں کے ساتھ گرفتار کیا گیا تھا! یقیناً نتیجہ یہ نکلا کہ پوری ٹیم کو ٹور سے باہر کر دیا گیا اور پابندی لگا دی گئی۔

بین الاقوامی اولمپک کمیٹی نے 1992 کے بارسلونا گیمز میں EPO کو اپنی ممنوعہ فہرست میں شامل کیا، لیکن انسانی EPO ٹیسٹنگ کو دوبارہ منظم کرنا اتنا مشکل تھا کہ 2000 کے گیمز سے پہلے مؤثر طریقے سے پتہ لگانے کا کوئی طریقہ نہیں تھا کہ آیا کھلاڑی اسے استعمال کر رہے تھے۔ اس کی کئی وجوہات ہیں: 1) جسمانی رطوبتوں میں EPO کا مواد بہت کم ہوتا ہے، اور عام لوگوں میں EPO فی ملی لیٹر خون تقریباً 130-230 نینو گرام ہوتا ہے۔ 2) مصنوعی ریکومبیننٹ EPO کی امینو ایسڈ کی ساخت بالکل وہی ہے جو کہ انسانی endogenous EPO پروٹین کی ہے، صرف glycosylation کی شکل بہت تھوڑی مختلف ہے۔ 3) خون میں ای پی او کی نصف زندگی صرف 5-6 گھنٹے ہے، اور عام طور پر آخری انجیکشن کے 4-7 دن بعد اس کا پتہ نہیں چل سکتا۔ 4) انفرادی EPO کی سطح بہت مختلف ہے، اس لیے ایک قطعی مقداری معیار قائم کرنا مشکل ہے۔

2000 کے بعد سے، WADA نے ریکومبیننٹ EPO کا براہ راست پتہ لگانے کے لیے پیشاب کی جانچ کو واحد سائنسی تصدیقی طریقہ کے طور پر استعمال کیا ہے۔ مصنوعی ریکومبیننٹ ای پی او اور انسانی ای پی او کی گلائی کوائلیٹ شکل کے درمیان معمولی فرق کی وجہ سے، دونوں مالیکیولز کی چارج شدہ خصوصیات بہت چھوٹی ہیں اور انہیں ایک الیکٹروفورسس طریقہ کار سے پہچانا جا سکتا ہے جسے آئیسو الیکٹرک فوکسنگ کہا جاتا ہے، جو بنیادی حکمت عملی ہے۔ مصنوعی ریکومبیننٹ ای پی او کا براہ راست پتہ لگانا۔ تاہم، انسانی اخذ کردہ خلیوں کے ذریعہ ظاہر کردہ کچھ دوبارہ پیدا کرنے والے EPO نے گلائکوسیلیشن میں کوئی فرق نہیں دکھایا، لہذا کچھ ماہرین نے مشورہ دیا کہ خارجی EPO اور endogenous EPO کو مختلف کاربن آاسوٹوپ مواد سے ممتاز کیا جانا چاہیے۔

درحقیقت، EPO کے لیے جانچ کے مختلف طریقوں میں اب بھی حدود موجود ہیں۔ مثال کے طور پر، امریکی سائیکلنگ لیجنڈ، لانس آرمسٹرانگ نے اپنی سات ٹور ڈی فرانس فتوحات کے دوران ای پی او اور دیگر محرک لینے کا اعتراف کیا، لیکن اس وقت کسی بھی ڈوپنگ ٹیسٹ میں ان کے ای پی او کے لیے مثبت تصدیق نہیں ہوئی تھی۔ ہمیں ابھی بھی انتظار کرنا ہے اور دیکھنا ہے کہ آیا یہ "ایک فٹ اونچا" ہے یا "ایک فٹ اونچا"۔

یہ نوبل انعام کیسے بناتا ہے۔

EPO اور فزیالوجی یا میڈیسن میں 2019 کے نوبل انعام کے درمیان تعلق کے بارے میں ایک حتمی لفظ۔

ای پی او انسانی جسم کے ادراک اور ہائپوکسیا کے ردعمل کا سب سے عام معاملہ ہے۔ لہٰذا، دو نوبل انعام یافتہ، Semenza اور Ratcliffe نے EPO کو ابتدائی نقطہ کے طور پر سیل کے ادراک اور ہائپوکسیا سے موافقت کے طریقہ کار کا مطالعہ کرنے کا انتخاب کیا۔ پہلا قدم EPO جین کے عناصر کو تلاش کرنا تھا جو آکسیجن کی تبدیلیوں کا جواب دے سکتے تھے۔ سیمینزا نے جین انکوڈنگ ای پی او کے 3 'ڈاؤن اسٹریم اینڈ پر ایک کلیدی 256-بیس نان کوڈنگ ترتیب کی نشاندہی کی، جسے ہائپوکسیا رسپانس عنصر کا نام دیا گیا۔ اگر اس عنصر کی ترتیب کو تبدیل یا حذف کر دیا جاتا ہے، تو EPO پروٹین کی ہائپوکسیا کا جواب دینے کی صلاحیت بہت کم ہو جاتی ہے۔ اگر اس عنصر کی ترتیب کو دوسرے جینوں کے نیچے کی دھارے کے 3 کے آخر میں ملایا جاتا ہے جو ہائپوکسیا سے وابستہ نہیں ہیں، تو یہ تبدیل شدہ جین EPO کی طرح ایکٹیویشن بھی دکھاتے ہیں۔ہائپوکسیا کے حالات کے تحت.

Ratcliffe اور ان کی ٹیم نے پھر دریافت کیا کہ یہ ہائپوکسک ردعمل کا عنصر نہ صرف گردے یا جگر کے خلیوں میں موجود ہے جو EPO کی پیداوار کے لیے ذمہ دار ہے، بلکہ بہت سی دوسری قسم کے خلیوں میں بھی ہے جو ہائپوکسک حالات میں کام کر سکتے ہیں۔ دوسرے الفاظ میں، ہائپوکسیا کا یہ ردعمل EPO کے لیے مخصوص نہیں ہو سکتا، بلکہ خلیات میں زیادہ وسیع رجحان ہے۔ یہ دوسرے خلیے، جو EPO کی پیداوار کے لیے ذمہ دار نہیں ہیں، ان میں ایسے مالیکیول (جیسے ٹرانسکرپشن فیکٹرز جو جین کے اظہار کو آن کرنے کے لیے ذمہ دار ہیں) پر مشتمل ہونا چاہیے جو آکسیجن کے ارتکاز میں تبدیلی کو محسوس کرتے ہیں اور EPO جیسے جین کو آن کرنے کے لیے ہائپوکسک ردعمل کے عناصر سے منسلک ہوتے ہیں۔