แผ่นดิสต์ไฮโดรเจลที่ยืดหยุ่นขนาด 6 ไมโครเมตร สามารถเคลื่อนที่ในระบบไหลเวียนโลหิตของหนูได้ยาวนานยิ่งขึ้น
Timothy Merkel และ Joseph DeSimone มหาวิทยาลัยแคโรลินาเหนือ
จากการศึกษาเร็วๆ นี้ ได้แสดงถึง อนุภาคที่จำลองมาจากเซลล์เม็ดเลือดแดง ที่สามารถพับ ยืดหยุ่น หรือบิดงอได้ อาจเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนา ยาที่ส่งผลยาวนานขึ้น และเฉพาะเจาะจงต่อเป้าหมายมากขึ้น หรือแม้กระทั้งได้เพิ่มความน่าจะเป็นที่จะสร้างเลือดสังเคราะห์ขึ้นมาได้
นักวิจัยทราบว่าโครงสร้างของอนุภาคมีผลต่อ ความสามารถของยาที่จะกระจายออกไปทั่วร่างกาย และระยะเวลาที่ยานั้นๆ จะหมุนเวียนอยู่ในระบบเลือดของเรา โดยที่อนุภาคขนาดเล็กจะหมุนเวียนอยู่ในร่างกายของเรานานกว่า เพราะว่ามันสามารถที่จะเคลื่อนที่ผ่านเส้นเลือดขนาดเล็กๆ ไปได้ง่าย จากงานวิจัยที่ผ่านมา นักวิจัยได้โฟกัสไปที่ขนาด และรูปร่างของอนุภาค โดยในขณะนี้ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคโรลินาเหนือ ได้เน้นถึงความแตกต่างของความยืดหยุ่น จากการสร้างอนุภาคขนาดเล็ก (microparticles) ที่จำลองลักษณะของเซลล์เม็ดเลือดแดง [1]
นักเรียนระดับบัณฑิตศึกษาด้านเคมี Timothy Merkel ที่ทำงานกับนักเคมี Joseph DeSimone และคณะนักวิจัย ได้สร้าง อนุภาคขนาดเล็ก ที่เรียกว่าไฮโดรเจล ที่มีจำลองลักษณะของเซลล์เม็ดเลือดแดงของหนู จากการเทคนิคที่ได้ถูกพัฒนาในแลบของ DeSimone ที่รู้จักกันในชื่อของ การสร้างอนุภาคซ้ำในแม่แบบที่ไม่เปียก (particle replication in nonwetting template: PRINT) โดยที่ ไฮโดรเจล ถูกผลักเข้าไปในแม่พิมพ์โดยลูกกลิ้ง เพื่อสร้างเป็นแผ่นดิสต์กลมๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 ไมโครเมตร
จากการปรับสัดส่วนของสารเคมีในอนุภาค นักวิจัยก็สามารถที่จะสร้างสิ่งที่คล้ายกับเซลล์เม็ดเลือดแดง ที่มีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ถึง 4 ระดับที่แตกต่างกัน
ซึ่งการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของอนุภาคนั้น ได้ถูกพิจารณาว่ามีอิทธิพลต่อระยะเวลาที่มันจะอยู่ในร่างกาย และบริเวณที่มันจะกระจายตัวไปอยู่ ปกติแล้วเซลล์เม็ดเลือดแดงจะทำงานตลอดช่วงชีวิตของมัน ซึ่งประมาณ 120 วัน เมื่อมันมีอายุครบกำหนด มันจะเริ่มแข็งตัว ซึ่งทำให้ความสามารถในการเคลื่อนที่ผ่านเส้นเลือดในม้ามต่ำลง และจะถูกม้ามกำจัดต่อไป
ถึงแม้ว่าจะมีการศึกษามาก่อนหน้านี้แล้ว [2, 3] เกี่ยวกับความสามารถของอนุภาคในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่จำลองมาจากเซลล์เม็ดเลือดแดง แต่ทว่า การศึกษาในครั้งนี้ได้ใช้ การจำลองจากสัตว์ที่มีชีวิต เพื่อวิเคราะห์ ไฮโดรเจลที่จำลองเซลล์เม็ดเลือดแดงที่สังเคราะห์มาได้ ความยืดหยุ่น และความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ โพลิเมอร์ของไฮโดรเจล ได้เพิ่มความน่าสนใจของมันในงานวิจัยทางด้านเคมีชีวภาพ “เราเป็นการทดสอบครั้งแรกในระบบของสิ่งมีชีวิต” Mekel กล่าว
เพื่อนที่ยืดหยุ่น
ในสองการวิเคราะห์ Merkel และคณะวิจัยได้พบว่า อนุภาคที่มีความยืดหยุ่นมากที่สุด จะไหลเวียนได้นานกว่าเสมอ ในการทดลองแรก อนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านแบบจำลองที่ต้องการแผ่นดิสต์ขนาด 6 ไมโครเมตร เพื่อที่จะรีดให้ผ่านครึ่งหนึ่งของเส้นผ่านศุนย์กลางของมัน (ดูวีดีโอ)
ในการทดลองถัดมา นักวิจัยฉีดอนุภาคเข้าไปในในกระแสเลือดของหนูที่ยังมีชีวิตอยู่ และเฝ้าสังเกตการกระจายตัวในทุกๆ สองวินาที จนครบสองชั่วโมง จากการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบเลเซอร์ โดยจากทั้งสองการทดลอง เขาพบว่า อนุภาคที่มีความยืดหยุ่นน้อยกว่า จะถูกกำจัดออกมาจากระบบไหลเวียนโลหิตได้เร็วกว่า ในทางกลับกัน อนุภาคที่ยืดหยุ่นมากกว่าจะอยู่ได้นานกว่า (ในหนู พบว่าอยู่ได้นานกว่าถึง 30 เท่าของอนุภาคที่แข็ง)
“มันคือสิ่งที่เราคาดหวังไว้ตั้งแต่แรกแล้ว” Merkel กล่าว สำหรับการอยู่ในระบบไหลเวียนโลหิตที่ยาวนานขึ้น แต่สิ่งที่คาดหวังที่น้อยกว่าก็คือ การอธิบายว่า อนุภาคที่มีความยืดหยุ่นต่างๆ กัน จะไปรวมตัวกันที่อวัยวะต่างๆ กันได้อย่างไร หลังจากการทดลองในหนูที่ยังมีชีวิตอยู่ หนูได้ถูกฆ่าเพื่อที่จะตรวจตัวสอบอวัยวะภายใน
คณะนักวิจัยพบว่า อนุภาคที่ยืดหยุ่นน้อยที่สุด จะติดอยู่ที่ตำแหน่งแรกของเส้นเลือดที่มีขนาดเล็กที่สุด นั่นคือที่ปอด “เราไม่ได้คิดว่าเราจะพบอะไรที่ไม่คาดคิดมากกว่านี่” DeSimone กล่าว
เลี่ยงอวัยวะ
ในทางตรงกันข้ามกัน คณะนักวิจัยได้พบว่า ส่วนมากของอนุภาคที่ยืดหยุ่นที่สุด จะมาสิ้นสุดที่ที่ม้าม กล่าวคือ ส่วนมากจะเลี่ยงการผ่านตับได้ การค้นพบนี้มีประโยชน์โดยนัย DeSimone กล่าวว่า “มันมียามากมายที่เราไม่เห็นในตลาด เพราะว่ามันถูกคัดออกเนื่องจากมีพิษต่อตับ” เช่นเดียวกับที่ Merkel กว่าวว่า “การเลี่ยงการผ่านตับสามารถที่จะเปิดช่วงการรักษาได้อย่างมาก”
นักวิจัยเกียวกับไฮโดรเจลกลุ่มอื่นได้ชื่นชมกับการค้นพบนี้ “มันค่อนข้างน่าตื่นเต้นเลยที่เดียวที่เห็นระดับการสะสมในตับค่อนข้างต่ำ” Patrick Doyle, วิศวกรเคมีที่สถาบันเทคโนโลยีเมสซาซูเซ็ตส์ ผู้ที่กำลังวิจัยเรื่องรูปร่าง และการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของไฮโดรเจล กล่าว
Doyle ยังคงแสดงความกระตือรือร้นสำหรับก้าวต่อไปของงานวิจัยเกียวกับวิศวกรรมเคมี “ผมคิดว่าการค้นพบนี้กำลังปลุกเร้าถึงงานวิจัยในด้านที่เดียวข้องกับ อนุภาคขนาดเล็กตามต้องการ สำหรับการนำส่งยา”
DeSimone เสนอว่า ถ้าการศึกษาในอนาคตเผยถึงสิ่งที่คณะวิจัยของเขาได้พบ ผลงานจิจัยควรจะถูกประยุกต์ใช้ในหลายๆ ด้าน อาทิ การผลิตเลือดสังเคราะห์ การพัฒนายาที่ทำงานได้นานขึ้น หรือนำส่งไปยังเป้าหมายได้แม่นยำมากยิ่งขึ้น (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ยารักษาโรคมะเร็ง) หรือแม้กระทั่ง ศักยภาพสำหรับการใช้ในการกำจัด หรือทำลายสารอันตรายในร่างกาย “ลองนึกถาพว่าถ้าคุณสามารถกำจัดคลอเรสเทอรอลได้สิ” DeSimone เสนอ ยาที่สามารถจะถูกประดิษฐ์ได้ อาจสามารถทำตัวเหมือนกับ “รถบรรทุกที่ว่างเปล่า ที่สามารถขับไปรอบๆ เพื่อที่จะเติมอะไรเข้ามาก็ได้ และสามารถที่จะเหนี่ยวไกให้ถูกกำจัดออกไปได้ทุกเมื่อ”
ถึงแม้ว่าการค้นพบเบื้องต้นเหล่านี้เป็นคำสัญญาในเบื้องหน้า แต่เลือดสังเคราะห์ก็ไม่ได้ไกลเกินกว่าที่เราจะคาดถึง DeSimone กล่าวอย่างมีหวังว่า การประยุกต์ใช้สำหรับการนำส่งยารักษาโรคมะเร็งน่าที่จะอยู่ในช่วงการศึกษาทางคลีนิคในอีกสี่ปีข้างหน้า
อ้างอิง
[1] Merkel, T. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA advance online publication doi:10.1073/pnas.1010013108 (2011).
[2] Haghgooie, R., Toner, M. & Doyle, P. S. Macromol. Rapid Comm. 31, 128-134 (2010).
[3] Doshi, N., Zahr, A. S., Bhaskar, S., Lahann, J. & Mitragotri, S. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 21495-21499 (2009).
ที่มา: https://www.nature.com/news/2011/110110/full/news.2011.6.html