บทบาทของแสงซินโครตรอนย่านอินฟราเรดต่อการออกแบบยารักษาโรคมาลาเรีย 

คุณรู้ไหมว่าแสงอินฟราเรดจากแสงซินโครตรอนสามารถพิสูจน์การมีอยู่และดับไปของสาร Hemozoin ในเซลล์เชื้อพลาสโมเดียมที่ฝังตัวอยู่ในเม็ดเลือดแดงได้นะ …. ติดตามมาดูกันเลยจ้า 

โรคมาลาเรีย ไข้ป่า หรือไข้จับสั่น เป็นโรคที่เกิดจากการติดเชื้อโปรโตซัวในกลุ่มพลาสโมเดียม (Plamodium) มียุงก้นปล่องเป็นพาหะ คนป่วยจะมีอาการเป็นไข้ หนาวสั่น ปวดศีรษะ ปวดกล้ามเนื้อ อาจมีภาวะแทรกซ้อน เช่น ตับวาย ไตวาย ไข้มาลาเรียขึ้นสมอง ทำให้เสียชีวิตได้หากไม่ได้รับการรักษา WHO รายงานผู้ติดเชื้อราว 247 ล้านราย และเสียชีวิตกว่าหกแสนคนในปี 2565  พบมากในเขตกลุ่มประเทศที่มีอากาศร้อนชื้น เชื้อพลาสโมเดียมที่พบในประเทศไทย ได้แก่ P. vivax, P. knowlesi และ P. falciparum โดยเชื้อ P. falciparum เป็นชนิดที่ทำให้เกิดอาการรุนแรงในคนมากที่สุด พบในเด็กเล็กมากกว่าผู้ใหญ่ เมื่อคนถูกยุงก้นปล่องตัวเมียกัด เชื้อที่อยู่ในน้ำลายของยุงจะถูกส่งผ่านเข้าสู่กระแสเลือดก่อนที่จะเข้าไปฝังตัวอยู่ในเซลล์ตับเพื่อแบ่งตัวเพิ่มจำนวนมากขึ้นจนทำให้เซลล์นั้นแตกโดยใช้ระยะเวลาประมาณ 6-16 วัน เชื้อที่ล่องลอยอยู่ในกระแสเลือดจะไปยึดเกาะและฝังตัวเองเข้าไปอาศัยอยู่ในเม็ดเลือดแดงเพื่อทำการย่อย Hemoglobin เป็นเพื่อเจริญและแบ่งตัวออกเพิ่มจำนวนขึ้นจนทำให้เม็ดเลือดแดงนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างออกเป็น 3 ระยะ ขึ้นอยู่กับจำนวนของเชื้อมาลาเรียที่อาศัยอยู่ในเม็ดเลือดแดงตามลำดับ คือ Ring stage, Trophozoite และ Schizont ซึ่งมีจำนวนเชื้อมาลาเรียหลายพันตัวอัดแน่นกันอยู่จนทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกและเชื้อเหล่านั้นก็ล่องลอยอยู่ในสู่กระแสเลือดและส่งถูกเข้ากลับเข้าไปที่ตับอีกครั้ง การที่มีเชื้อมาลาเรียอยู่ในกระแสเลือดจำนวนมากๆ เช่นนี้จะส่งผลให้ผู้ป่วยเกิดวงรอบของอาการไข้หนาวสั่นกินระยะเวลาต่างกันขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อที่ได้รับ  

คลอโรควิน (Chloroquin) เป็นสารสังเคราะห์มาจากควินิน (Quinin) ถูกนำมาใช้รักษาโรคมาลาเรียอย่างได้ผลมานานหลายทศวรรษ ยานี้สามารถฆ่าเชื้อพลาสโมเดียมในระยะ Ring stage  ได้ดีกว่าในระยะ Trophozoite โดยมีบทบาทในการเข้าไปป้องกันไม่ให้สาร Hematin ที่เป็นส่วนที่เหลือจากการย่อยสลาย hemoglobin ในเม็ดเลือดแดงแต่มีความเป็นพิษต่อเซลล์ให้เป็นสารที่ไม่มีพิษและตกผลึกสีเหลืองใสที่เรียกว่า Hemozoin (Hz) การรักษาในช่วงต่อมาพบเชื้อที่ดื้อต่อยาคลอโรควินและยาในกลุ่มที่ส่วนผสมของอาร์ติมิสินิน (Artemisinin) เพิ่มมากขึ้นจนทำให้เป็นอุปสรรคต่อการควบคุมการระบาดของโรคนี้และจำเป็นต้องมีการค้นหายาใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีกว่า 

ผลึก Hemozoin เป็นสารประกอบที่เกิดจาก hematin จำนวน 2 โมเลกุลที่เชื่อมต่อกันด้วยหมู่ฟังก์ชั่น C-O-Fe (รูปที่ 3)สามารถตรวจพบได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์คุณภาพสูงที่ใช้แสงโพลาไรส์และความชำนาญของผู้ตรวจ นอกจากนี้ยังใช้เทคนิคการวิเคราะห์การดูดกลืนแสงของสารละลายสีเหลืองของ Fe-III heam-pyridine ที่ความยาวคลื่นประมาณ 370 นาโนเมตร ได้เช่นกันแต่ต้องใช้วิธีการเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อนยุ่งยาก อย่างไรก็ตามหมู่ฟังก์ชั่น  C-O ในโครงสร้างเคมีของสาร Hemozoin สามารถดูดกลืนแสงอินฟราเรดได้ดีที่เลขคลื่น 1,210 – 1,220 cm^-1 ซึ่งพีคการดูดกลืนแสงที่เลขคลื่นนี้จะมีความชัดเจนมาขึ้นเมื่อนำ FTIR spectrum ที่วัดได้จากตัวอย่างมาผ่านการทำ secondary derivative จึงทำให้มีการพัฒนาเทคนิค FTIR microspectroscopy ให้สามารถตรวจพบการเติดเชื้อพลาสโมเดียมในเลือดผู้ป่วยได้ทั้งในระยะ Ring stage, Trophozoite และ Schizont ได้สำเร็จ 

ด้วยความร่วมมือวิจัยของนักวิจัยจากหน่วยงานจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ วิทยาลัยแพทย์ศาสตร์พระมงกุฎเกล้า สถาบันวิทยสิริเมธี และมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้ดำเนินวิจัยค้นหายาใหม่เพื่อต้านเชื้อมาลาเรียที่มีความจำเพาะเอนไซม์อะดีโนซีน ดีอะมิเนส (adenosine deaminase, ADA) ที่หน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีนให้แก่เชื้อ P. falciparum นั้น พบว่ามียาต้านมะเร็งจำนวน 3 ชนิด (รูปที่ 1) ที่สามารถต้านการเจริญของเชื้อ P. falciparum ในระยะ Ring stage ซึ่งเป็นระยะเริ่มแรกของการติดเชื้อในกระแสเลือดได้ที่ความเข้มข้นระดับไมโครโมลาร์ ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกันเมื่อทดสอบกับสายพันธุ์ที่ไวและดื้อต่อยาคลอโรคควินในหลอดทดลอง รวมทั้งผลจากการใช้เทคนิค Synchrotron FTIR microspectroscopy จากเครื่องกำเนิดแสงสยามที่ติดตั้งที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน จังหวัดนครราชสีมา สามารถยืนยันได้ว่าค่าการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่เลขคลื่น 1,210 – 1,220 cm^-1 นั้นหายไปเมื่อวัดจากตัวอย่างเชื้อมาลาเรียที่ฝังตัวอยู่ในเม็ดเลือดแดงที่ถูกทรีตด้วยยา NSC45545 และยา cloroquin เทียบกับเซลล์ควบคุม (รูปที่ 2 และ 3) ผลการค้นพบนี้จะนำไปสู่การพัฒนายาใหม่คุณภาพสูงเพื่อใช้รักษาโรคมาลาเรียต่อไป 

รูปที่ 1 โครงสร้างเคมีของสาร NSC45545, NSC45570, NSC45607 เปรียบเทียบกับยา cloroquine

รูปที่ 2 ภาพถ่ายใต้กล้อง IR microscpe ของเม็ดเลือดแดงที่ติดเชื้อมาลาเรียที่ถูกทรีตด้วยยา NSC45545 บนแผน IR window กล่องสี่เหลี่ยมสีเขียวคือช่องแสงอินฟราเรดขนาด 10´ 10ตารางไมครเมตร ที่ใช้ส่องวัดตัวอย่าง

รูปที่ 3 แสดงการเปรียบเทียบ secondary FTIR spectra ที่ได้จากการวัดตัวอย่างเม็ดลือดแดงที่ติดเชื้อมาลาเรียที่ถูกทรีตด้วยยา NSC45545 (สีเขียว) cloroquin (สีแดง) และตัวควบคุม (สีน้ำเงิน) โดยที่เลขคลื่น 1,220 เกิดจากการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของหมู่ฟังก์ชั่น C-O ในโครงสร้าง hemozoin (ภาพแทรกล่างขวา

Reference:  Kuaprasert, B., Chitnumsub, P., Leartsakulpanich, U., Riangrungroj, P., Suginta, W., Leelayoova, S., Mungthin, M., Sitthichot, N., Rattanabunyong, S., Kiriwan, D., Choowongkomon, K., 2022. Dual role of azo compounds in inhibiting Plasmodium falciparum adenosine deaminase and hemozoin biocrystallization. Exp. Parasitol. 243, 108384. https://doi.org/10.1016/j.exppara.2022.108384