จากรายงานขององค์การอนามัยโลก (World Health Organization; WHO) ในปี 2561 พบว่าทั่วโลกมีผู้ป่วยวัณโรคเพิ่มขึ้นมากถึง 10 ล้านคน และมีผู้เสียชีวิตจากโรคนี้มากถึง 1.3 ล้านคนในปีดังกล่าว ปัจจุบันวัณโรคเป็นโรคติดต่อที่เป็นปัญหาสำคัญของการสาธารณสุขประเทศไทย จากการประเมิณปัญหาวัณโรค ในปี 2560-2564 ประเทศไทยถูกจัดให้เป็นหนึ่งใน 14 อันดับของประเทศที่ประสบปัญหาวัณโรคระดับสูง (high TB burden country) ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 กลุ่มประเทศที่มีปัญหาของวัณโรคในระดับสูง ในปี 2559 – 2563
(แหล่งที่มา http://www.who.int/tb/publications/global_report/en/)

 

           การรักษาวัณโรคมีประสิทธิภาพลดลงจากปัญหาการดื้อยา ในปี 2560 มีรายงานวัณโรคที่มีการดื้อยาของประชากรโลกสูงถึงสี่แสนกว่าคน เป็นแบบ multidrug resistance TB (MDR-TB) ซึ่งหมายถึงวัณโรคที่มีการดื้อยา Rifampicin และ Isoniazid ภาวะการณ์ดื้อยาที่เป็นปัญหาของประเทศในขณะนี้ คือ การดื้อยาของกลุ่มวัณโรคดื้อยา MDR-TB ดังนั้นในอนาคตจำเป็นต้องคิดค้นยาโครงสร้างใหม่ๆ เพื่อรักษาผู้ป่วยให้มีประสิทธิภาพ

          ยารักษาวัณโรค (Anti-tuberculosis agents) เป็นยาฆ่าเชื้อแบคทีเรีย Mycobacterium Tuberculosis ซึ่งเป็นเชื้อก่อโรค ที่พบได้บ่อยที่สุดคือวัณโรคปอด กลุ่มยารักษามีเป้าหมายในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อ ซึ่งได้แก่ ยับยั้งการสร้างผนังเซลล์ ยับยั้งการสร้างดีเอ็นเอ ยับยั้งการสร้างกรดไขมันและโปรตีนที่จำเป็นของเชื้อ

          ร.ศ.ดร. พรพรรณ พึ่งโพธิ์ อาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี ได้ริเริ่มใช้ความรู้ทางด้านเคมีคำนวณเพื่อค้นหาสารยับยั้งเอนไซม์ enoyl-acyl carrier protein reductase (InhA) ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่เชื้อ mycobacteria ใช้สังเคราะห์ mycolic acid ที่เป็นส่วนประกอบหลักของผนังเซลล์ และด้วยความร่วมมือกับสถาบันเมเตอรียเมดิกาเซียงไฮ้ (Shanghai Institute of Meteria Medica; SIMM) ที่เซี่ยงไฮ้ สาธารณรัฐประชาชนจีน ซึ่งสนับสนุนฐานข้อมูลยาที่บริษัทผลิตยาทั่วโลกใช้เป็นฐานข้อมูลสำคัญ กลุ่มวิจัยของ ดร.พรพรรณ ได้คัดกรองยาที่มีศักยภาพกว่าสองแสนโครงสร้างให้เหลือเพียง 16 โครงสร้างเท่านั้น ด้วยความรู้ทางเคมีคำนวณช่วยในการคัดเลือกสาร โดยแปลงข้อมูลเคมีเภสัช วิเคราะห์ และแปลผลออกมาเป็นเคมีตัวใหม่ เพื่อให้ได้ยาโครงสร้างใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น มีความปลอดภัย มีความเป็นพิษและผลข้างเคียงน้อยลง โดยวิธีการคัดสรรเสมือนจริงคาดว่าจะช่วยให้ได้สารตัวใหม่ที่มีประสิทธิภาพ ดังแสดงขั้นตอนในรูปที่ 2A ซึ่งจะได้ทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพโดยทดลองกับเอนไซม์ พบว่าสารที่คัดมาทดสอบมีคุณสมบัติยับยั้งเอนไซม์ InhA และมี 2 โครงสร้างที่ให้ผลการทดสอบในระดับดีมาก (รูปที่ 2B) ซึ่งได้ทดสอบสารยับยั้งกับเอนไซม์ด้วยโครงรูปสองแบบของกรดอะมิโน Tyr158 ที่บริเวณเร่ง แบบ “in”และแบบ “out” (รูปที่ 3)

 

รูปที่ 2 (A) วิธีการคัดสรรเสมือนจริงเพื่อค้นหาสารยับยั้งตัวใหม่ที่มีประสิทธิภาพ
(B) โครงสร้างเคมีของ compound 1 และ compound 7
ซึ่งมีความสามารถในการยับยั้งการเจริญของเชื้อ M. tuberculosis H37Rv

 

          จากความสำคัญของเอนไซม์ InhA ซึ่งมีผลต่อกระบวนการสร้างผนังเซลล์ของเชื้อ คณะวิจัยของดร.พรพรรณ จึงสนใจศึกษาคุณสมบัติและโครงสร้างโปรตีน InhA จาก mycobacteria โดยเฉพาะส่วนที่จับกับสารคัดเลือก ซึ่งมีแนวโน้มจะพัฒนาเป็นยารักษาวัณโรค คณะวิจัยจึงสนใจศึกษาโครงสร้างของเอนไซม์ที่จับกับสารคัดเลือกยับยั้ง เพื่อนำไปสู่ความเข้าใจกลไกการยับยั้งกิจกรรมของเอนไซม์ และมีผลในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อ

          ในการวิเคราะห์โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ ด้วยเทคนิค Macromolecular X-ray Crystallography  ภายใต้ความร่วมมือของนักวิจัยด้านโครงสร้างโปรตีน ร่วมกับนักวิทยาศาสตร์จาก University of Bristol, Diamond Light Source และสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้เตรียมผลึกของโปรตีน InhA กับ compound 7 และยิงผลึกด้วยแสงซินโครตรอนพลังงานย่านเอกซเรย์ หลังจากประมวลผลและวิเคราะห์โครงสร้าง จึงได้ข้อมูลอันตรกิริยาที่สำคัญของสารยับยั้งกับโปรตีน InhA พบว่าสารยับยั้ง compound 7 มีลักษณะการจับกับเอนไซม์ตรงบริเวณเดียวกันกับที่สับสเตรทจับ ซึ่งคล้ายคลึงกับโครงสร้างที่รายงานก่อนหน้านี้คือโครงสร้างเอนไซม์ InhA กับสารเคมีที่โครงสร้างคล้ายคลึงกับกรดไขมันที่เป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์แบคทีเรีย ผลการศึกษาด้วยวิธีการคัดสรรเสมือนจริงเพื่อค้นหาสารยับยั้งตัวใหม่ได้ทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพโดยทดสอบกับเอนไซม์ควบคู่กับการทดสอบเซลล์วัณโรคมาตรฐาน  และด้วยเทคนิคโครงสร้างสามมิติของโปรตีน สรุปได้ว่าสารยับยั้ง compound 7 มีคุณสมบัติที่จะพัฒนาเป็นยาชนิดใหม่ ซึ่งจำเป็นต้องศึกษารายละเอียดเชิงลึกต่อไป ตัวอย่างเช่น การทดสอบในเซลล์ การทดสอบในหนู การทดสอบในลิง และขั้นสุดท้ายคือการทดสอบในคน เพื่อพัฒนายาชนิดนี้ให้มีประสิทธิภาพด้วย  คาดว่าในอนาคตอาจได้สารที่น่าสนใจเพื่อใช้พัฒนายาขนานใหม่  และเป็นทางเลือกสำหรับการรักษาผู้ป่วยวัณโรคได้ต่อไป

 

รูปที่ 3 โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ InhA
(A) เปรียบเทียบตำแหน่งระหว่างโมเลกุลของ compound 7 กับ C16 fatty acyl substrate
(B) แสดงตำแหน่งของกลุ่มกรดอะมิโนที่มีความเป็นไฮโดรโฟบิกซึ่งจับกับสารยับยั้ง compound 7

 

พฤทธิ์ คำศรี และอรดี พันธ์กว้าง (สาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนครพนม)
ชญาณิลห์ หาญวลินโรจน์, นฤดล ภูศรี, ฑิมพิกา พรพรหม, กัมปนาท ฉายจรัส และพรพรรณ พึ่งโพธิ์ (ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี)
นิธิมา สุทธิพันธุ์ (คณะเภสัชศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี)
พจนีย์ ศรีมาโนธ์ (คณะสหเวชศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์)
คมสันต์ สุทธิสินทอง (ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ)
ชมภูนุช ส่งสิริฤทธิกุล (สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน)
พัชรีนารถ ทรัพย์อาภากร และสุภา หารหนองบัว (ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน)
ศิริลักษณ์ รัตนบรรยงค์, สุภาภรณ์ สีทะหา และเกียรติทวี ชูวงศ์โกมล (ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน)
สัญญา สุเรรัมย์ และประสาท กิตตะคุปต์ (สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์)
ประสาท กิตตะคุปต์ (สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์, สาขาเคมีชีวภาพ สถาบันบัณฑิตศึกษาจุฬาภรณ์ และ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านอนามัยสิ่งแวดล้อม พิษวิทยาและการบริหารจัดการสารเคมี กระทรวงศึกษาธิการ)
พูนพิลาส หงษ์มณี และพิทักษ์ สันตนิรันดร์ (ภาควิชาพยาธิวิทยา คณะแพทยศาสตร์โรงพยาบาลรามาธิบดี มหาวิทยาลัยมหิดล)
Zhaoqiang Chen และ Weiliang Zhu (Shanghai Institute of Meteria Medica, ‎Shanghai, Republic of China)
Adrian J. Mulholland (Centre for Computational Chemistry, School of Chemistry, University of Bristol, Bristol, UK)
Rosemary A. Blood, Yuiko Takebayashi, Philip Hinchliffe และ James Spencer (School of Cellular and Molecular Medicine, University of Bristol, Bristol, UK)

เอกสารอ้างอิง

1. Kamsri, P., Hanwarinroj, C., Naruedon, P., Pornprom, T., Chayajarus, K., Punkvang, A., Suttipanta, N., Srimanote, P., Suttisintong, K., Songsiriritthigul, C., Saparpakorn, P., Hannongbua, S., Rattanabunyong, S., Seetaha, S., Choowongkomon, K., Sureram, S., Kittakoop, P., Hongmanee, P., Santanirand, P., Zhaoqiang, C., Zhu, W., Mulholland, A. J., Blood, R. A., Takebayashi, Y., Hinchliffe, P., Spencer, J. & Pungpo, P. (2019). Discovery of new and potent InhA inhibitors as anti-tuberculosis agents: Structure based virtual screening validated by biological assays and X-ray crystallography. Journal of Chemical Information and Modelling, doi: 10.1021/acs.jcim.9b00918.
2. Luckner, S.R., Liu, N., am Ende, C.W., Tonge, P.J. & Kisker C. (2010). A slow, tight binding inhibitor of InhA, the enoyl-acyl carrier protein reductase from Mycobacterium tuberculosis. J. Biol. Chem. 285, 14330-14337.
3. WHO Global Tuberculosis Report 2018 (full report) (http://www.who.int/tb/publications/global_report/en/)
4. WHO, WHO Global Tuberculosis Report (2016) ISBN 978 92 4 156539