RESEARCH DESCRIPTION

Project Name: การประยุกต์ไบโอเซนเซอร์สำหรับตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์จากภาวะออกซิเดทีฟสเตรส เพื่อใช้ในทางการแพทย์ (Modification of Biosensor for Hydrogen Peroxide Detection from Oxidative Stress for Application in Medicine)

Researcher: Donrawee Leelarungrayub

Organization:Associated Medical Sciences/Physical Therapy

Time:1 October 2006 - 30 September 2007

RESEARCHER

  1. Donrawee Leelarungrayub (Head of project)
  2. Somchai Pattana (Corporate person of project)

BUDGET

  1. BioMedical Engineering Center 100,000 Baht

ABSTRACT

ใน ปัจจุบันการตรวจวัดสารอนุมูลอิสระ (Free radical) ทางการแพทย์เป็นสิ่งที่ท้าทาย เนื่องจากสารอนุมูลอิสระดังกล่าวเกิดจากภาวะออกซิเดทีฟสเตรสที่เกิดขึ้นในร่างกายมนุษย์และเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดโรคได้ทุกโรค  การสร้างอนุมูลอิสระส่วนใหญ่แล้วเกิดขึ้นในระดับเซลล์ โดยอาศัยกระบวนการทำงานของเอนไซม์และไม่ใช่เอนไซม์ รวมไปถึงการทำงานของระบบการทำงานของ Cytochrome P450  สาเหตุที่ทำให้มีการสร้างอนุมูลอิสระมีหลายสาเหตุด้วยกัน เช่น การทำงานของ Phacocyte,  xanthine oxidase หรือจากภาวะการอักเสบ การบาดเจ็บ การขาดเลือด หรือการออกกำลังกายอย่างหนัก สิ่งเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสร้างอนุมูลอิสระภายในร่างกาย แต่อย่างไรก็ตามสามารถเกิดได้จากปัจจัยภายนอกร่างกายเช่น การสูบบุหรี่ การได้รับสารพิษ การได้รับรังสียูวี หรือได้รับยาเป็นต้น  โดยสารอนุมูลอิสระได้แก่ ไฮโดรซิลเรดิเคิล   (HO
  • ) ซูเปอร์ออกไซด์ (O2-) รวมไปถึงสารอนุมูลที่ไม่อิสระชนิดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ (H2O2) ซึ่งมีความคงตัวมากกว่า และมีผลกระทบต่อเนื้อเยื่อทำให้เกิดการบาดเจ็บได้ง่าย (Coop, et al., 2002) โดยโรคต่างๆ (Bagchi and Puri, 1998) ไม่ว่าจะเป็นโรคปอดอุดกั้นเรื้อรัง (Chronic obstructive pulmonary disease) (Rahman and Macnee,
1999), Alzheimer (Gottlieb, 1998), Diabetes (Wolff, 1993), Cancer (Mayne, 1999) หรือสมองขาดออกซิเจน (Brain anoxia) (Wu et al., 1997) เป็นต้น   รวมไปถึงการออกกำลังกายอย่างหนัก (heavy exercise) จะกระตุ้นทำให้ร่างกายมีการสร้างสารอนุมูลอิสระเพิ่มขึ้นอย่างมาก จนทำให้เกิดอันตรายต่อเนื้อเยื่อ ต่างๆในร่างกายได้  (Deaton and Marlin,  2003)
 วิธีการตรวจวัดสารอนุมูลอิสระนั้น ในปัจจุบันไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีเคมีพื้นฐาน เนื่องจากอนุมูลอิสระมีปริมาณน้อยและมีความไวในการสลายตัวค่อนข้างเร็ว  ดังนั้นงานวิจัยนี้ จึงสนใจพัฒนานำเอาเครื่องมือวัดแบบไบโอเซนเซอร์มาประยุกต์ใช้สำหรับตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์  เพื่อนำมาใช้ในทางการแพทย์หรือด้านอื่นๆ ที่สามารถบ่งบอกถึงภาวะที่ร่างกายมีอนุมูลอิสระมากเกินไป  โดยที่ผ่านมาได้มีการนำไบโอเซนเซอร์เพื่อใช้ในการตรวจวัดฤทธิ์ในการทำลายสารอนุมูลอิสระชนิดซูปเปอรออกไซด์เรดิเคิล (Campanella, et al., 2000) ของยาทางการค้า (commercial drugs) ซึ่งตรึงหัวไบโอเซนเซอร์ด้วย kappa-carrangeenan gel membrane และตรวจวัดด้วย   Amperometric  แสดงให้เห็นว่าตัวยาที่จะนำมาใช้ในการรักษาทางการแพทย์ มีฤทธิ์ทำลายอนุมูลอิสระได้จริง  นอกจากนี้ไบโอเซนเซอร์ยังได้นำมาตรวจจัดภาวะการเกิดการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อในสัตว์ทดลอง โดยเป็นลักษณะของ cytochrome c-based biosensor และทำการตรวจวัดปริมาณของซูเปอรออกไซด์เรดิเคิลที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา  2 ชั่วโมง (Buttermeyer et al., 2002)
 เทคโนโลยีไบโอเซนเซอร์ จึงนับว่าเป็นวิวัฒนาการทางวิศวกรรมชีวการแพทย์อย่างหนึ่ง ที่อาศัยหลักการทำงานร่วมกันระหว่างส่วนประกอบที่สำคัญ 2 ส่วน คือส่วนของสารชีวภาพ (biological substance) และส่วนของทรานส์ดิวเซอร์ (transducer) หรือตัววัดสัญญาณ  ในการที่จะนำมาใช้ในการตรวจสารชีวภาพนั้นจะต้องมีความจำเพาะเจาะจงกับสาร (specific substance) ที่ต้องการวัด  การทำงานของไบโอเซนเซอร์นั้นจะเริ่มจากการที่สารชีวภาพ ซึ่งอาจจะเป็นเอนไซม์ (Enzyme) ทำปฎิกิริยากับสารที่ต้องการวัด  ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ HRP มีความจำเพาะต่อสาร H2O2 เท่านั้น หรือ เอนไซม์ Tyrosinase บนหัวตรึงไบโอเซนเซอร์มีความจำเพาะต่อสารที่มีกลุ่มฟีนอล (Phenol group) เท่านั้น  จากนั้นจะทำให้เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้า หรือมีการแลกเปลี่ยนอิเลกตรอนหรือประจุ ซึ่งหัวไบโอเซนเซอร์ อาจเป็นโลหะชนิดต่างๆ เช่น แพลทตินัม ทอง หรือ คาร์บอน สามารถแปรเป็นสัญญาณที่ส่งมายังทรานส์ดิวเซอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางอิเลคทรอนิคส์ทำหน้าที่รับและแปลงสัญญาณที่เกิดขึ้นจากปฎิกิริยาระหว่างสารชีวภาพกับสารที่ต้องการวัดวิเคราะห์ดังกล่าว ให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้า และสัญญาณไฟฟ้านี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณของสารที่ตรวจวิเคราะห์ได้และถูกนำไปดำเนินการต่อเพื่อแสดงผลออกมา
 เนื่องจากไบโอเซนเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่มีหลักการที่จำเพาะและให้ผลลัพท์รวดเร็ว ไบโอเซนเซอร์จึงได้ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะทางด้านอุตสาหกรรมอาหารและอุตสาหกรรมหมักเช่นการตรวจวัดสารปนเปื้อน และด้านสิ่งแวดล้อมเช่นการตรวจวัดไนไตร์/ไนเตรทในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย แต่ในทางการแพทย์มีเพียงการวัดปริมาณน้ำตาลกลูโคสในเลือดเป็นหลัก  แต่ยังไม่ได้มีการนำมาตรวจวัดสารอนุมูลอิสระในทางการแพทย์  ซึ่งจะเป็นการช่วยติดตามการเปลี่ยนแปลงของสารอนุมูลอิสระในผู้ป่วย  ถึงแม้จะมีการผลิตและพัฒนาไบโอเซนเซอร์ โดยเฉพาะ ศูนย์พัฒนาและอบรมอุตสาหกรรมต้นแบบ โดย รศ.ดร.วีระศักดิ์ สุระเรืองชัย และทีมวิจัย  มหาวิทยาลัยพระจอมเกล้าธนบุรี โดยสามารถตรึงหัวตรวจวัดไบโอเซนเซอร์ สำหรับตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ (H2O2 biosensor)  แลกแตด (Lactate biosensor) และฟีนอล (phenol biosensor) ด้วยวิธีการตรึงเอนไซม์ที่จำเพาะต่อสารที่ต้องการจะวัดได้   แต่ยังไม่ได้มีการพัฒนามาใช้ในทางการแพทย์   ดังนั้นจึงยังไม่สามารถสรุปได้ว่าวิธีที่ตรึงอยู่  สามารถนำมาตรวจวัดในสารคัดหลั่งผู้ป่วยได้จริง รวมทั้งมีความแม่นยำและความเสถียรมากน้อยเพียงใด  หรือมีสารอื่นๆที่อยู่ในสารตัววัดมีผลต่อสัญญาณที่ผิดไปหรือไม่
 ดังนั้นในงานวิจัยนี้ จึงได้มีความสนใจอย่างมาก ที่จะนำไบโอเซนเซอร์มาประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ในสารคัดหลั่ง โดยจะศึกษาในปัสสาวะ โดยจะอาศัยพื้นฐานเดิมของตัวเครื่องไบโอเซนเซอร์จากสถาบันไบโอเซเซอร์ที่ผลิตอยู่  คือการตรึงด้วยเอนไซม์ Horseradish peroxidase (HRP) ที่มีความจำเพาะต่อไฮโดรเจนเปอรออกไซด์เท่านั้นบนผิวหน้าหัวตรวจวัด  ซึ่งอาจเป็นอิเลคโทรดที่ทำด้วยแพลทตินัม ทอง หรือ คาร์บอน  (Yang, et al, 2004)  แล้วนำหัวตรวจวัดนี้ไปทำการวัดในปัสสาวะจากคน ที่ใช้เป็นโมเดลให้เกิดสารต้านอนุมูลอิสระจริงในร่างกายจากการออกกำลังกายในระยะเวลาหนึ่ง  หลักการแล้วเอนไซม์นี้จะทำปฎิกิริยากับ ไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ในปัสสาวะ ในส่วนของการวัดสัญญาณทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้น สามารถใช้เทคนิคที่เรียกว่า Amperometry  โดยการป้อนศักย์ไฟฟ้าคงที่ค่าหนึ่งให้กับอิเลคโทรด  ศักย์ไฟฟ้าดังกล่าวจะก่อให้เกิด oxidation หรือ reduction reaction ของไฮโดรเจนเปอรออกไซด์บนผิวหน้าอิเลคโทรด และเกิดการให้หรือรับอิเล็กตรอน ซึ่งเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้และมีความสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณสารที่ต้องการวัด
 ตามหลักการคร่าวๆ ของการทำหัวตรวจอิเลคโทรดสำหรับตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ที่ได้กล่าวข้างต้น ถึงแม้ว่าจะเป็นหลักการที่ง่าย แต่ในทางปฎิบัติ เนื่องจากยังเป็นเทคนิคการใช้สารชีวภาพในรูปแบบใหม่ของเทคโนโลยีไบโอเซนเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับประเทศไทย  จึงยังต้องมีการวิจัยในด้านกรรมวิธีการทำหัวตรวจอิเลคโทรดชนิดนี้ให้ได้ประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง  เพื่อให้สามารถนำไปเป็นเครื่องตรวจวัดทางการแพทย์ที่แม่นยำ โดยใช้ทั้งหลักการทางชีวเคมี และทางวิศวกรรมในการออกแบบสร้าง  ขั้นตอนการวิจัยในส่วนของการออกแบบสร้างหัวตรวจนี้   จึงถือเป็นส่วนสำคัญเบื้องต้นของโครงการวิจัยนี้ หลังจากการสร้างหัวตรวจสำเร็จลง ก็จะมีการทดสอบการใช้งานเพื่อหา  ผลสรุปในด้านประสิทธิภาพและความแม่นยำ   และสามารถตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ในคนได้จริง จนเป็นให้สามารถสรุปได้ว่ามีประสิทธิภาพและความแม่นยำนี้เป็นที่น่าพอใจ   โครงการวิจัยนี้ก็จะถือเป็นต้นกำเนิดของเครื่องมือวัดที่สำคัญทางการแพทย์ชิ้นใหม่ในเมืองไทย คือเครื่องตรวจวัดไฮโดรเจนเปอรออกไซด์ในคนจากภาวะออกซิเดทีฟสเตรส ซึ่งสามารถนำไปตรวจวัดในกลุ่มผู้ป่วยโรคต่งๆได้ต่อไป ที่จะให้คุณประโยชน์ที่ล้ำค่าต่อการแพทย์ในประเทศไทยต่อไป