2019 წლის ნობელის პრემიის სამმა ლაურეატმა ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში, უილიამ გ. კაელინი, უმცროსი, გრეგ ლ. სემენზა და სერ პიტერ ჯ. ჰიპოქსიამდე, ამიტომ ეს არ იყო განსაკუთრებით გასაკვირი. მათ აღმოაჩინეს და დაადგინეს ჰიპოქსიის გამომწვევი ფაქტორი 1 (HIF-1) ძირითადი მოლეკულა. დღეს ჩვენ გვინდა დავუბრუნდეთ კვლევის საწყისს, რომელიც არის ერითროპოეტინი, ან EPO, სასწაული მოლეკულა.

ეს არის ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორი სისხლის წითელი უჯრედების წარმოებაში

სისხლის წითელი უჯრედები არის სისხლის უჯრედების ყველაზე გავრცელებული ტიპი სისხლში და წარმოადგენს ხერხემლიანთა სისხლის მეშვეობით ჟანგბადისა და ნახშირორჟანგის გადასატანად. ერითროციტები წარმოიქმნება ძვლის ტვინში: ჰემატოპოეტური ღეროვანი უჯრედები ჯერ მრავლდებიან და დიფერენცირდებიან სხვადასხვა სისხლის უჯრედების წინამორბედებად, ხოლო ერითროიდულ წინამორბედებს შეუძლიათ შემდგომი დიფერენცირება და მომწიფება ერითროციტებად. ნორმალურ პირობებში, ადამიანის ერითროციტების წარმოების მაჩვენებელი ძალიან დაბალია, მაგრამ სტრესის პირობებში, როგორიცაა სისხლდენა, ჰემოლიზი და ჰიპოქსია, ერითროციტების წარმოების სიჩქარე შეიძლება გაიზარდოს რვაჯერ. ამ პროცესში, ერითროპოეტინი EPO არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორი.

EPO არის ჰორმონი, რომელიც სინთეზირებულია ძირითადად თირკმელებში. მისი ქიმიური ბუნება არის მაღალგლიკოზირებული ცილა. რატომ თირკმელებში? თირკმელებში ყოველ წუთში დაახლოებით ერთი ლიტრი სისხლი მიედინება, ამიტომ მათ შეუძლიათ სწრაფად და ეფექტურად ამოიცნონ სისხლში ჟანგბადის დონის ცვლილებები. როდესაც სისხლში ჟანგბადის დონე დაბალია, თირკმელები სწრაფად რეაგირებენ და გამოიმუშავებენ დიდი რაოდენობით EPO-ს. ეს უკანასკნელი სისხლძარღვში ცირკულირებს ძვლის ტვინში, სადაც ხელს უწყობს ერითროიდის წინამორბედი უჯრედების გარდაქმნას სისხლის წითელ უჯრედებად. მომწიფებული სისხლის წითელი უჯრედები გამოიყოფა ძვლის ტვინიდან სისხლის მიმოქცევის სისტემაში, რათა გააუმჯობესოს სხეულის ჟანგბადთან შეკავშირების უნარი. როდესაც თირკმელები გრძნობენ სისხლში ჟანგბადის მატებას, ისინი ამცირებენ EPO-ს გამომუშავებას, რაც თავის მხრივ ამცირებს სისხლის წითელი უჯრედების რაოდენობას ძვლის ტვინში.

ეს ქმნის სრულყოფილ კორექტირებას. თუმცა, მაღალ სიმაღლეზე მცხოვრები ადამიანები და ზოგიერთი ანემიის მქონე პაციენტები ხშირად აწყდებიან სისხლში ჟანგბადის მუდმივი დაბალი დონის მდგომარეობას, რაც ვერ დაასრულებს ზემოაღნიშნულ მიმოქცევას და ასტიმულირებს თირკმელებს უწყვეტად სეკრეციაზე EPO, ისე რომ სისხლში EPO კონცენტრაცია უფრო მაღალია, ვიდრე ჩვეულებრივი ადამიანი.

მის აღმოჩენას თითქმის 80 წელი დასჭირდა

მრავალი ძირითადი აღმოჩენის მსგავსად, მეცნიერთა გაგება EPO-ს შესახებ არ იყო გლუვი, გზაზე კითხვებითა და გამოწვევებით. EPO-ს კონცეფციიდან კონკრეტული მოლეკულის საბოლოო განსაზღვრამდე თითქმის 80 წელი დასჭირდა.

1906 წელს ფრანგმა მეცნიერებმა კარნომ და დელანდრემ ნორმალურ კურდღლებს ანემიური კურდღლების შრატი გაუკეთეს და დაადგინეს, რომ ნორმალური კურდღლების პლაზმაში სისხლის წითელი უჯრედების რაოდენობა გაიზარდა. მათ სჯეროდათ, რომ პლაზმაში არსებულ ზოგიერთ ჰუმორულ ფაქტორს შეუძლია სისხლის წითელი უჯრედების წარმოების სტიმულირება და რეგულირება. ეს იყო პირველი EPO კონცეფციის პროტოტიპი. სამწუხაროდ, შედეგები არ განმეორდა მომდევნო ათწლეულებში, ძირითადად იმის გამო, რომ ახალი სისხლის წითელი უჯრედების რაოდენობა ზუსტი არ იყო.

რაისმანისა და რუჰენსტროტ-ბაუერის პარაბიოზის ექსპერიმენტმა 1950 წელს მართლაც ძლიერი მტკიცებულება მოგვცა. მათ ქირურგიულად დააკავშირეს ორი ცოცხალი ვირთხის სისხლის მიმოქცევის სისტემა, მოათავსეს ერთი ჰიპოქსიურ გარემოში, ხოლო მეორე სუნთქავდა ნორმალურ ჰაერს. შედეგად, ორივე თაგვმა გამოიმუშავა დიდი რაოდენობით სისხლის წითელი უჯრედები. ეჭვგარეშეა, რომ სისხლში არის ჰორმონი, რომელიც ასტიმულირებს სისხლის წითელი უჯრედების გამომუშავებას, საიდანაც მიიღო სახელი EPO. მეორეს მხრივ, EPO ძალიან მგრძნობიარეა ჰიპოქსიის მიმართ.

რა მოლეკულაა EPO? ამერიკელ მეცნიერს გოლდვასერს 30 წელი დასჭირდა, რათა საბოლოოდ გაერკვია პრობლემის ბიოქიმიურ დონეზე. თუ მუშას სურს კარგი საქმის კეთება, მან ჯერ იარაღები უნდა გაამახვილოს. EPO-ს ფუნქციაა ახალი სისხლის წითელი უჯრედების სტიმულირება, მაგრამამ უკანასკნელის დათვლა ზუსტი არ არის. სისხლის წითელი უჯრედების ყველაზე მნიშვნელოვანი ფუნქციური მოლეკულა არის ჰემოგლობინის შემცველი ჰემი, რომელიც შეიცავს რკინის იონს მის ცენტრში. ასე რომ, გოლდვასერის გუნდმა ახალშობილთა სისხლის წითელი უჯრედები დაასახელა რადიოაქტიური რკინის იზოტოპებით და შეიმუშავა მგრძნობიარე მეთოდი EPO აქტივობის გამოსავლენად. ეს შესაძლებელს ხდის ცხოველური სითხის ნიმუშებიდან EPO-ს ძალიან დაბალი კონცენტრაციების იზოლირებას და გაწმენდას. მაგრამ EPO-ს იზოლაცია ძალიან რთული იყო. ისინი გადავიდნენ თირკმელიდან ცხვრის ანემიურ პლაზმაზე, რკინის მწვავე დეფიციტის მქონე პაციენტების შარდზე, აპლასტიკური ანემიით დაავადებული იაპონელი პაციენტების 1977 წელს.

1985 წელს დასრულდა ადამიანის EPO-ს პროტეინის თანმიმდევრობა და გენის კლონირება. EPO გენი აკოდირებს პოლიპეპტიდს 193 ამინო ნარჩენებით, რომელიც ხდება მწიფე ცილა, რომელიც შედგება 166 ამინომჟავის ნარჩენებისგან სეკრეციის დროს სიგნალის პეპტიდის ამოკვეთის შემდეგ და შეიცავს 4 ადგილს გლიკოზილაციის მოდიფიკაციისთვის. 1998 წელს გაანალიზდა EPO-ს NMR ხსნარის სტრუქტურა და EPO-ს კრისტალური სტრუქტურა და მისი რეცეპტორების კომპლექსი. ამ ეტაპზე ადამიანებს აქვთ EPO-ს ყველაზე ინტუიციური გაგება.

აქამდე ანემიის მკურნალობა ჩვეულებრივ საჭიროებდა სისხლის გადასხმას სისხლის წითელი უჯრედების დეფიციტის შესავსებად. როდესაც ადამიანები უფრო მეტს სწავლობენ EPO-ს შესახებ, მისი ინექციით სისხლის წითელი უჯრედების წარმოების სტიმულირება საკუთარ ძვლის ტვინში ამარტივებს პრობლემას. მაგრამ EPO-ს გაწმენდა უშუალოდ სხეულის სითხეებიდან, როგორც ეს Goldwasser-მა გააკეთა, რთულია და მოსავლიანობა დაბალია. EPO ცილის და გენის თანმიმდევრობის განსაზღვრამ შესაძლებელი გახადა ადამიანის რეკომბინანტული ეპოს დიდი რაოდენობით გამომუშავება.

ეს გაკეთდა ბიოტექნოლოგიური კომპანიის მიერ, სახელწოდებით Applied Molecular Genetics (Amgen). Amgen დაარსდა 1980 წელს მხოლოდ შვიდი წევრით, იმ იმედით, რომ შექმნიდა ბიოფარმაცევტულ საშუალებებს მოლეკულური ბიოლოგიის იმდროინდელი ტექნიკით. ინტერფერონი, ზრდის ჰორმონის გამათავისუფლებელი ფაქტორი, B ჰეპატიტის ვაქცინა, ეპიდერმული ზრდის ფაქტორი იყო მათი სამიზნეების სიაში ყველაზე პოპულარული სახელები, მაგრამ არცერთმა მცდელობამ შედეგი არ გამოიღო. 1985 წლამდე, ლინ ფუკუნი, ჩინელი მეცნიერი ტაივანიდან, ჩინეთიდან, კლონირებდა ადამიანის EPO-ს გენს, შემდეგ კი გააცნობიერა სინთეზური EPO-ს წარმოება დნმ-ის რეკომბინაციის ტექნოლოგიის გამოყენებით.

ადამიანის რეკომბინანტულ EPO-ს აქვს იგივე თანმიმდევრობა, როგორც ენდოგენური EPO პროტეინი და ასევე აქვს გლიკოზილაციის მსგავსი მოდიფიკაცია. ბუნებრივია, ადამიანის რეკომბინანტულ EPO-საც აქვს ენდოგენური EPO-ს აქტივობა. 1989 წლის ივნისში Amgen-ის პირველი პროდუქტი, ადამიანის რეკომბინანტული ერითროპოეტინი ეპოგენი, დამტკიცდა აშშ-ს FDA-ს მიერ თირკმელების ქრონიკული უკმარისობით და ანემიით გამოწვეული ანემიის სამკურნალოდ აივ ინფექციის სამკურნალოდ. Epogen-ის გაყიდვებმა 16 მილიონ დოლარს გადააჭარბა სულ რაღაც სამ თვეში. მომდევნო ორი ათწლეულის განმავლობაში Amgen დომინირებდა ხელახლა აწყობილი ადამიანის EPO-ს ბაზარზე. მხოლოდ 2010 წელს ეპოგენმა Amgen-ს 2,5 მილიარდი დოლარის შემოსავალი მოუტანა. 2018 წელს Amgen-ის საფონდო ბირჟის ღირებულება იყო $128.8 მილიარდი, რაც მას მერვე უმსხვილეს ფარმაცევტულ კომპანიად აქცევს მსოფლიოში.

აღსანიშნავია, რომ Amgen თავდაპირველად მუშაობდა Goldwasser-თან, რათა მიეწოდებინა გაწმენდილი ადამიანის EPO ცილები თანმიმდევრობისთვის, მაგრამ Goldwasser და Amgen მალევე დაშორდნენ იდეოლოგიური განსხვავებების გამო. გოლდვასერმა და მისმა ჩიკაგოს უნივერსიტეტმა, რომლებმაც ჩაატარეს საბაზისო კვლევა, არასოდეს უფიქრიათ მის მიერ აღმოჩენილი ჰორმონის დაპატენტებაზე და ამიტომ არ მიუღიათ ერთი პენი EPO-ს უზარმაზარი კომერციული წარმატებისთვის.

ეს -- როგორ არის სტიმულატორი

როდესაც ჩვენ ვსუნთქავთ, ჟანგბადი შედის უჯრედების მიტოქონდრიაში, რათა მართოს რესპირატორული ჯაჭვი და წარმოქმნას დიდი რაოდენობით ATP, ენერგიის მთავარი წყარო ჩვენს სხეულში. ანემიურ ადამიანებს არ აქვთ საკმარისი ჯანსაღი სისხლის წითელი უჯრედები და ყველაზე მყისიერი ეფექტი არის ის, რომ ისინი არ იღებენ საკმარის ჟანგბადს, რაც იწვევს მათ დაღლილობის შეგრძნებას, ისევე როგორც სუნთქვის პრობლემებს ხანგრძლივი პერიოდის განმავლობაში. ადამიანის რეკომბინანტული EPO-ს ინექციისას ანემიის მქონე პაციენტების ორგანიზმი წარმოქმნის უფრო მეტ სისხლის წითელ უჯრედებს,ატარებენ მეტ ჟანგბადს და აწარმოებენ მეტ ენერგიის მოლეკულას ATP, რაც ეფექტურად ათავისუფლებს სიმპტომებს.

თუმცა, სპორტის ზოგიერთმა მუშაკმა ასევე დაიწყო ფიქრი ადამიანის რეკომბინანტულ EPO-ზე. თუ EPO ტიპის ხელოვნური რეკომბინანტული ჰორმონი გამოიყენება სპორტსმენების ორგანიზმის სტიმულირებისთვის, რათა გამოიმუშაოს მეტი სისხლის წითელი უჯრედები, შესაძლებელია სპორტსმენების ჟანგბადის მიღებისა და ენერგიის მოლეკულების წარმოების უნარის გაუმჯობესება, რაც ასევე შეუძლია გააუმჯობესოს სპორტსმენების გამძლეობა. ღონისძიებები, როგორიცაა ველოსიპედი, გრძელ დისტანციებზე სირბილი და თხილამურებით სრიალი. 1980 წელს ჟურნალ Applied Physiology-ში გამოქვეყნებულმა ნაშრომმა აჩვენა, რომ სისხლის სტიმულატორებს (ერითროპოეტინი, ხელოვნური ჟანგბადის მატარებლები და სისხლის გადასხმა) შეუძლიათ გამძლეობის გაზრდა 34 პროცენტით. თუ სპორტსმენები იყენებენ EPO-ს, მათ შეუძლიათ სარბენ ბილიკზე 8 კილომეტრის გავლა 44 წამში ნაკლებ დროში, ვიდრე ადრე. ფაქტობრივად, ველოსიპედით სიარული და მარათონი EPO-ს სტიმულატორებისთვის ყველაზე ცუდი დამნაშავე იყო. 1998 წლის ტურ დე ფრანსის დროს, ფესტინას გუნდის ესპანელი ექიმი დააკავეს საფრანგეთის საზღვარზე 400 ბოთლით ხელოვნური რეკომბინანტული EPO! შედეგი, რა თქმა უნდა, ის იყო, რომ მთელი გუნდი გააძევეს ტურიდან და აკრძალეს.

საერთაშორისო ოლიმპიურმა კომიტეტმა დაამატა EPO თავის აკრძალულ სიას 1992 წლის ბარსელონას თამაშებზე, მაგრამ ადამიანის EPO ტესტირების რეორგანიზაცია იმდენად რთული იყო, რომ 2000 წლის თამაშებამდე არ არსებობდა ეფექტური გზა იმის დასადგენად, იყენებდნენ თუ არა სპორტსმენები მას. არსებობს რამდენიმე მიზეზი: 1) სხეულის სითხეებში EPO-ს შემცველობა ძალიან დაბალია, ხოლო EPO თითო მლ სისხლში ნორმალურ ადამიანებში არის დაახლოებით 130-230 ნანოგრამი; 2) ხელოვნური რეკომბინანტული EPO ამინომჟავის შემადგენლობა ზუსტად იგივეა, რაც ადამიანის ენდოგენური EPO ცილის, მხოლოდ გლიკოზილაციის ფორმა ძალიან ოდნავ განსხვავებულია; 3) სისხლში EPO-ს ნახევარგამოყოფის პერიოდი შეადგენს მხოლოდ 5-6 სთ-ს და ის, ძირითადად, არ არის გამოვლენილი ბოლო ინექციიდან 4-7 დღის შემდეგ; 4) ინდივიდუალური EPO დონე ძალიან განსხვავებულია, ამიტომ რთულია აბსოლუტური რაოდენობრივი სტანდარტის დადგენა.

2000 წლიდან WADA იყენებს შარდის ტესტირებას, როგორც ერთადერთ მეცნიერულ შემოწმების მეთოდს რეკომბინანტული EPO-ს პირდაპირი გამოვლენისთვის. ხელოვნური რეკომბინანტული EPO-ს გლიკოილირებულ ფორმასა და ადამიანის EPO-ს შორის მცირე განსხვავებების გამო, ორი მოლეკულის დამუხტული თვისებები ძალიან მცირეა და შეიძლება გამოირჩეოდეს ელექტროფორეზის მეთოდით, რომელსაც ეწოდება იზოელექტრული ფოკუსირება, რომელიც არის მთავარი სტრატეგია. ხელოვნური რეკომბინანტული EPO-ს პირდაპირი გამოვლენა. თუმცა, ზოგიერთი რეკომბინანტული EPO, რომელიც გამოხატულია ადამიანის წარმოშობის უჯრედებით, არ აჩვენა განსხვავება გლიკოზილირებაში, ამიტომ ზოგიერთი ექსპერტი ვარაუდობს, რომ ეგზოგენური EPO და ენდოგენური EPO უნდა გამოირჩეოდნენ ნახშირბადის იზოტოპების განსხვავებული შემცველობით.

სინამდვილეში, ჯერ კიდევ არსებობს შეზღუდვები EPO-ს ტესტირების სხვადასხვა მეთოდებში. მაგალითად, ლენს არმსტრონგმა, ამერიკელმა ველოსიპედის ლეგენდამ, აღიარა, რომ იღებდა EPO-ს და სხვა სტიმულატორებს ტურ დე ფრანსში შვიდი გამარჯვების დროს, მაგრამ მას რეალურად არ დაუდასტურდა დადებითი EPO არცერთ დოპინგ ტესტში. ჯერ კიდევ უნდა დაველოდოთ და ვნახოთ, „ერთი ფეხით მაღლაა“ თუ „ერთი ფეხით მაღლა“.

როგორ ხდება ეს ნობელის პრემია

ბოლო სიტყვა EPO-სა და 2019 წლის ნობელის პრემიის ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში კავშირზე.

EPO არის ყველაზე ტიპიური შემთხვევა ადამიანის სხეულის აღქმისა და ჰიპოქსიაზე რეაგირების შესახებ. ამიტომ, სემენზამ და რატკლიფმა, ნობელის პრემიის ორმა ლაურეატმა, აირჩიეს EPO, როგორც ამოსავალი წერტილი უჯრედების აღქმისა და ჰიპოქსიასთან ადაპტაციის მექანიზმის შესასწავლად. პირველი ნაბიჯი იყო EPO გენის ელემენტების პოვნა, რომლებსაც შეეძლოთ რეაგირება ჟანგბადის ცვლილებებზე. სემენზამ გამოავლინა საკვანძო 256-ბაზის არაკოდიციური თანმიმდევრობა EPO-ს მაკოდირებელი გენის მე-3 ბოლო ბოლოში, რომელსაც ეწოდა ჰიპოქსიის საპასუხო ელემენტი. თუ ამ ელემენტის თანმიმდევრობა მუტაციას განიცდის ან წაშლილია, EPO ცილის უნარი რეაგირების ჰიპოქსიაზე მნიშვნელოვნად შემცირდება. თუ ეს ელემენტის თანმიმდევრობა შერწყმულია სხვა გენების 3' ბოლოში, რომლებიც არ არის დაკავშირებული ჰიპოქსიასთან, ეს მოდიფიცირებული გენები ასევე აჩვენებენ EPO-ს მსგავს აქტივაციას.ჰიპოქსიის პირობებში.

შემდეგ რატკლიფმა და მისმა გუნდმა აღმოაჩინეს, რომ ჰიპოქსიური რეაქციის ეს ელემენტი არის არა მხოლოდ თირკმელების ან ღვიძლის უჯრედებში, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან EPO-ს გამომუშავებაზე, არამედ ბევრ სხვა უჯრედშიც, რომლებსაც შეუძლიათ ჰიპოქსიურ პირობებში ფუნქციონირება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჰიპოქსიაზე ეს რეაქცია შეიძლება არ იყოს სპეციფიკური EPO-სთვის, არამედ უფრო ფართოდ გავრცელებული ფენომენი უჯრედებში. ეს სხვა უჯრედები, რომლებიც არ არიან პასუხისმგებელნი EPO-ს გამომუშავებაზე, უნდა შეიცავდეს მოლეკულებს (როგორიცაა ტრანსკრიფციის ფაქტორები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან გენის ექსპრესიის ჩართვაზე), რომლებიც გრძნობენ ცვლილებებს ჟანგბადის კონცენტრაციაში და უკავშირდებიან ჰიპოქსიური პასუხის ელემენტებს, რათა ჩართონ გენები, როგორიცაა EPO.