Washindi watatu wa Tuzo ya Nobel ya 2019 katika Fiziolojia au Tiba, William G. Kaelin, Jr., Gregg L. Semenza na Sir Peter J. Ratcliffe walikuwa tayari wameshinda Tuzo ya Lasker ya 2016 katika Tiba ya Msingi kwa kazi yao ya jinsi seli zinavyohisi na kuzoea. kwa hypoxia, kwa hivyo haikuwa ya kushangaza sana. Waligundua na kubaini molekuli muhimu ya hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Leo tunataka kurejea asili ya utafiti, ambayo ni erythropoietin, au EPO, molekuli ya miujiza.

Ni jambo muhimu zaidi katika uzalishaji wa seli nyekundu za damu

Seli nyekundu za damu ni aina nyingi zaidi za seli za damu katika damu, na ndizo njia kuu ya kusafirisha oksijeni na dioksidi kaboni kupitia damu ya wanyama wenye uti wa mgongo. Erithrositi huzalishwa katika uboho: Seli za shina za damu huongezeka kwanza na kutofautisha katika vizazi vya seli mbalimbali za damu, na vizazi vya erithroidi vinaweza kutofautisha zaidi na kukomaa katika erithrositi. Katika hali ya kawaida, kiwango cha uzalishaji wa erithrositi ya binadamu ni cha chini sana, lakini chini ya dhiki kama vile kutokwa na damu, hemolysis, na hypoxia, kiwango cha uzalishaji wa erithrositi kinaweza kuongezeka hadi mara nane. Katika mchakato huu, erythropoietin EPO ni mojawapo ya mambo muhimu zaidi.

EPO ni homoni iliyotengenezwa hasa kwenye figo. Asili yake ya kemikali ni protini yenye glycosylated. Kwa nini kwenye figo? Karibu lita moja ya damu inapita kupitia figo kila dakika, ili waweze kutambua haraka na kwa ufanisi mabadiliko katika viwango vya oksijeni katika damu. Wakati viwango vya oksijeni katika damu ni chini, figo hujibu haraka na kuzalisha kiasi kikubwa cha EPO. Mwisho huzunguka kupitia mkondo wa damu hadi kwenye uboho, ambapo inakuza ubadilishaji wa seli za erythroidi za progenitor kuwa chembe nyekundu za damu. Seli nyekundu za damu zilizokomaa hutolewa kutoka kwenye uboho hadi kwenye mfumo wa mzunguko wa damu ili kuboresha uwezo wa mwili wa kushikamana na oksijeni. Figo zinapohisi ongezeko la oksijeni katika damu, hupunguza uzalishaji wa EPO, ambayo pia hupunguza kiasi cha chembe nyekundu za damu kwenye uboho.

Hii hufanya kitanzi kamili cha marekebisho. Hata hivyo, watu wanaoishi kwenye urefu wa juu na baadhi ya wagonjwa wa upungufu wa damu mara nyingi hukutana na hali ya kiwango cha chini cha oksijeni ya damu, ambayo haiwezi kukamilisha mzunguko wa juu na kuchochea figo kuendelea kutoa EPO, ili ukolezi wa EPO katika damu ni juu kuliko watu wa kawaida.

Ilichukua karibu miaka 80 kuifunua

Kama ugunduzi mwingi mkuu, uelewa wa wanasayansi kuhusu EPO haujasonga mbele, huku kukiwa na maswali na changamoto. Ilichukua karibu miaka 80 kutoka kwa dhana ya EPO hadi uamuzi wa mwisho wa molekuli maalum.

Mnamo 1906, wanasayansi wa Ufaransa Carnot na Deflandre walidunga sungura wa kawaida na seramu ya sungura wenye upungufu wa damu na kugundua kuwa hesabu ya seli nyekundu za damu kwenye plasma ya sungura wa kawaida iliongezeka. Waliamini kwamba baadhi ya vipengele vya ucheshi katika plazima vinaweza kuchochea na kudhibiti kutokezwa kwa chembe nyekundu za damu. Hii ilikuwa mfano wa kwanza wa dhana ya EPO. Kwa bahati mbaya, matokeo hayajaigwa katika miongo iliyofuata, hasa kwa sababu hesabu ya seli mpya nyekundu za damu haikuwa sahihi.

Majaribio ya parabiosis ya Reissmann na Ruhenstroth-Bauer mnamo 1950 yalitoa ushahidi wenye nguvu sana. Waliunganisha kwa upasuaji mifumo ya mzunguko wa panya wawili walio hai, wakiweka mmoja katika mazingira ya hypoxic na mwingine kupumua hewa ya kawaida. Kwa hiyo, panya wote wawili walizalisha kiasi kikubwa cha seli nyekundu za damu. Hakuna shaka kwamba kuna homoni katika mfumo wa damu ambayo huchochea kutokezwa kwa chembe nyekundu za damu, ambazo EPO hupata jina lake. Kwa upande mwingine, EPO ni nyeti sana kwa hypoxia.

EPO ni molekuli gani? Ilichukua mwanasayansi wa Marekani Goldwasser miaka 30 hatimaye kufafanua tatizo katika kiwango cha biochemical. Ikiwa mfanyakazi anataka kufanya kazi nzuri, lazima kwanza anoe zana zake. Kazi ya EPO ni kuchochea seli mpya nyekundu za damu, lakinihesabu ya mwisho sio sahihi. Molekuli muhimu zaidi ya kazi katika seli nyekundu za damu ni hemoglobin iliyo na heme, ambayo ina ioni ya feri katikati yake. Kwa hivyo timu ya Goldwasser iliweka lebo ya seli nyekundu za damu zilizozaliwa na isotopu za chuma zenye mionzi na kuunda mbinu nyeti ya kugundua shughuli za EPO. Hii inafanya uwezekano wa kutenga na kusafisha viwango vya chini sana vya EPO (nanograms kwa mililita) kutoka kwa sampuli za maji ya wanyama. Lakini kutengwa kwa EPO ilikuwa ngumu sana. Walibadilisha kutoka kwa figo hadi plasma ya kondoo yenye upungufu wa damu, hadi kwenye mkojo wa wagonjwa wenye upungufu mkubwa wa chuma kutokana na maambukizi ya minyoo, na hatimaye, mwaka wa 1977, walitakasa miligramu 8 za protini ya EPO ya binadamu kutoka kwa lita 2,550 za mkojo kutoka kwa wagonjwa wa Kijapani wenye upungufu wa damu wa aplastic.

Mnamo 1985, mpangilio wa protini na uundaji wa jeni wa EPO ya binadamu ulikamilika. Jeni ya EPO husimba polipeptidi yenye mabaki 193 ya amino, ambayo huwa protini iliyokomaa inayojumuisha mabaki 166 ya asidi ya amino baada ya peptidi ya ishara kukatwa wakati wa usiri, na ina tovuti 4 za urekebishaji wa glycosylation. Mnamo 1998, muundo wa suluhisho la NMR wa EPO na muundo wa fuwele wa EPO na changamano yake ya vipokezi vilichanganuliwa. Katika hatua hii, watu wana uelewa angavu zaidi wa EPO.

Hadi sasa, matibabu ya upungufu wa damu kwa kawaida yalihitaji utiaji-damu mishipani ili kujaza upungufu wa chembe nyekundu za damu. Watu wanapojifunza zaidi kuhusu EPO, kuidunga ili kuchochea utengenezaji wa chembe nyekundu za damu kwenye uboho wao wenyewe kumerahisisha tatizo hilo. Lakini kusafisha EPO moja kwa moja kutoka kwa viowevu vya mwili, kama Goldwasser alivyofanya, ni vigumu na mavuno ni kidogo. Uamuzi wa protini ya EPO na mfuatano wa jeni ulifanya iwezekane kutokeza EPO ya binadamu recombinant kwa wingi.

Ilifanyika na kampuni ya bioteknolojia iitwayo Applied Molecular Genetics (Amgen). Amgen ilianzishwa mnamo 1980 ikiwa na washiriki saba tu, ikitarajia kutengeneza dawa za dawa kwa kutumia mbinu zilizoibuka za baiolojia ya molekuli. Interferon, kipengele cha kutoa homoni ya ukuaji, chanjo ya hepatitis B, sababu ya ukuaji wa epidermal ilikuwa kati ya majina moto kwenye orodha yao ya malengo, lakini hakuna majaribio haya yaliyofaulu. Hadi 1985, Lin Fukun, mwanasayansi wa China kutoka Taiwan, Uchina, alitengeneza jeni la EPO ya binadamu, na kisha akagundua utengenezaji wa EPO ya sintetiki kwa kutumia teknolojia ya ujumuishaji wa DNA.

Recombinant EPO ya binadamu ina mlolongo sawa na protini endogenous EPO, na pia ina urekebishaji sawa wa glycosylation. Kwa kawaida, recombinant EPO ya binadamu pia ina shughuli ya EPO endogenous. Mnamo Juni 1989, bidhaa ya kwanza ya Amgen, recombinant human erythropoietin Epogen, iliidhinishwa na FDA ya Marekani kwa ajili ya matibabu ya upungufu wa damu unaosababishwa na kushindwa kwa figo na upungufu wa damu katika matibabu ya maambukizi ya VVU. Mauzo ya Epogen yalifikia dola milioni 16 ndani ya miezi mitatu tu. Katika miongo miwili iliyofuata, Amgen ilitawala soko la EPO ya binadamu iliyounganishwa tena. Epogen ilileta Amgen dola bilioni 2.5 katika mapato katika 2010 pekee. Mnamo mwaka wa 2018, bei ya soko la hisa la Amgen ilikuwa dola bilioni 128.8, na kuifanya kuwa kampuni ya nane kubwa ya dawa ulimwenguni.

Inafaa kukumbuka kuwa awali Amgen ilifanya kazi na Goldwasser kutoa protini za binadamu za EPO zilizosafishwa kwa ajili ya kupanga mfuatano, lakini Goldwasser na Amgen hivi karibuni walishindwa kutokana na tofauti za kiitikadi. Goldwasser na Chuo Kikuu chake cha Chicago, ambacho kilifanya utafiti wa kimsingi, hawakuwahi kufikiria kuweka hataza ya homoni aliyogundua, na kwa hivyo hawajapokea hata senti kwa mafanikio makubwa ya kibiashara ya EPO.

Ni -- ni kichocheo gani

Tunapopumua, oksijeni huingia kwenye mitochondria ya seli ili kuendesha mnyororo wa kupumua na kutoa kiasi kikubwa cha ATP, chanzo kikuu cha nishati katika miili yetu. Watu wenye upungufu wa damu hawana chembe nyekundu za damu zenye afya za kutosha, na athari ya haraka zaidi ni kwamba hawachukui oksijeni ya kutosha, ambayo huwafanya wahisi uchovu, sawa na matatizo ya kupumua wakati wa muda mrefu. Inapodungwa kwa kutumia tena EPO ya binadamu, miili ya wagonjwa wenye upungufu wa damu hutoa chembe nyekundu za damu zaidi.kubeba oksijeni zaidi, na kutoa zaidi ya molekuli ya nishati ATP, kwa ufanisi kupunguza dalili.

Walakini, wafanyikazi wengine wa michezo pia wameanza kufikiria juu ya EPO ya binadamu. Iwapo homoni ya upatanishi wa aina ya EPO itatumiwa kuchochea mwili wa wanariadha kutoa chembechembe nyekundu za damu, inawezekana kuboresha uwezo wa wanariadha kupata oksijeni na kutoa molekuli za nishati, ambayo inaweza pia kuboresha utendaji wa wanariadha katika uvumilivu. matukio kama vile kuendesha baiskeli, kukimbia umbali mrefu na kuteleza kwenye theluji. Karatasi ya 1980 katika Journal of Applied Physiology ilionyesha kwamba vichocheo vya damu (erythropoietin, vibeba oksijeni bandia na utiaji-damu mishipani) vinaweza kuongeza ustahimilivu kwa asilimia 34. Iwapo wanariadha wanatumia EPO, wanaweza kukimbia kilomita 8 kwenye kinu cha kukanyaga katika muda mfupi wa sekunde 44 kuliko hapo awali. Kwa kweli, baiskeli na mbio za marathoni zimekuwa wakosaji mbaya zaidi kwa vichocheo vya EPO. Wakati wa mashindano ya Tour de France ya 1998, daktari wa timu ya Kihispania wa timu ya Festina alikamatwa kwenye mpaka wa Ufaransa akiwa na chupa 400 za mchanganyiko bandia wa EPO! Matokeo yake, bila shaka, yalikuwa kwamba timu nzima ilifukuzwa kwenye Ziara na kupigwa marufuku.

Kamati ya Kimataifa ya Olimpiki iliongeza EPO kwenye orodha yake iliyopigwa marufuku katika Michezo ya Barcelona ya 1992, lakini kupanga upya majaribio ya EPO ya binadamu ilikuwa vigumu sana kwamba kabla ya Michezo ya 2000 hapakuwa na njia ya kutambua kwa ufanisi ikiwa wanariadha walikuwa wakiitumia. Kuna sababu kadhaa: 1) Maudhui ya EPO katika maji ya mwili ni ya chini sana, na EPO kwa ml ya damu kwa watu wa kawaida ni kuhusu nanograms 130-230; 2) Muundo wa asidi ya amino ya EPO ya recombinant bandia ni sawa kabisa na ile ya protini ya binadamu endogenous EPO, aina tu ya glycosylation ni tofauti kidogo sana; 3) Nusu ya maisha ya EPO katika damu ni masaa 5-6 tu, na kwa ujumla haipatikani siku 4-7 baada ya sindano ya mwisho; 4) Kiwango cha EPO cha mtu binafsi ni tofauti sana, kwa hiyo ni vigumu kuanzisha kiwango kamili cha kiasi.

Tangu mwaka wa 2000, WADA imetumia upimaji wa mkojo kama njia pekee ya kisayansi ya uthibitishaji wa utambuzi wa moja kwa moja wa recombinant EPO. Kwa sababu ya tofauti kidogo kati ya aina ya glycoylated ya EPO bandia recombinant na ile ya EPO ya binadamu, mali ya kushtakiwa ya molekuli mbili ni ndogo sana na inaweza kutofautishwa kwa njia ya electrophoresis inayoitwa isoelectric focusing, ambayo ni mkakati mkuu wa utambuzi wa moja kwa moja wa recombinant EPO. Hata hivyo, baadhi ya EPO recombinant iliyoonyeshwa na seli zinazotokana na binadamu haikuonyesha tofauti katika ulainishaji, kwa hivyo baadhi ya wataalamu walipendekeza kwamba EPO ya nje na EPO asilia inapaswa kutofautishwa na maudhui tofauti ya isotopu ya kaboni.

Kwa kweli, bado kuna vikwazo katika mbinu tofauti za majaribio ya EPO. Kwa mfano, Lance Armstrong, gwiji wa baiskeli wa Marekani, alikiri kutumia EPO na vichochezi vingine wakati wa ushindi wake saba wa Tour de France, lakini kwa kweli hakuthibitishwa kuwa na EPO katika jaribio lolote la dawa za kusisimua misuli wakati huo. Bado tunapaswa kusubiri na kuona kama ni "mguu mmoja juu" au "mguu mmoja juu".

Jinsi gani hufanya Tuzo ya Nobel

Neno la mwisho kuhusu uhusiano kati ya EPO na Tuzo ya Nobel ya 2019 katika Fiziolojia au Tiba.

EPO ndio kisa cha kawaida zaidi cha mtazamo na mwitikio wa mwili wa binadamu kwa hypoxia. Kwa hivyo, Semenza na Ratcliffe, washindi wawili wa Tuzo ya Nobel, walichagua EPO kama mahali pa kuanzia kusoma utaratibu wa utambuzi wa seli na kukabiliana na upungufu wa oksijeni. Hatua ya kwanza ilikuwa kutafuta vipengele vya jeni vya EPO ambavyo vinaweza kukabiliana na mabadiliko ya oksijeni. Semenza alitambua mfuatano muhimu wa 256-msingi usio wa kusimba kwenye 3 'mwisho wa chini wa jeni la usimbaji wa EPO, uliopewa jina la kipengele cha majibu ya hypoxia. Mfuatano wa kipengele hiki ukibadilishwa au kufutwa, uwezo wa protini ya EPO kujibu hypoxia hupunguzwa sana. Ikiwa mfuatano huu wa kipengele utaunganishwa hadi mwisho wa mkondo wa 3 wa jeni zingine zisizohusishwa na hypoxia, jeni hizi zilizobadilishwa pia zinaonyesha kuwezesha EPO.chini ya hali ya hypoxia.

Ratcliffe na timu yake kisha waligundua kwamba kipengele hiki cha mwitikio cha hypoxic hakipo tu katika figo au seli za ini zinazohusika na uzalishaji wa EPO, lakini pia katika aina nyingine nyingi za seli zinazoweza kufanya kazi chini ya hali ya hypoxic. Kwa maneno mengine, mwitikio huu kwa haipoksia hauwezi kuwa mahususi kwa EPO, bali ni jambo lililoenea zaidi katika seli. Seli hizi nyingine, ambazo haziwajibikii uzalishaji wa EPO, lazima ziwe na molekuli (kama vile vipengele vya unukuzi vinavyohusika na kuwasha usemi wa jeni) ambazo huhisi mabadiliko katika mkusanyiko wa oksijeni na kushikamana na vipengele vya mwitikio wa hypoxic ili kuwasha jeni kama vile EPO.