งานวิจัยพัฒนายาเคมีโมเลกุลเล็กและนวัตกรรมโพลิเมอร์ เพื่อความมั่นคงทางยาและการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ของประเทศ

ศาสตราจารย์ ดร.สมเด็จพระเจ้าน้องนางเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี
กรมพระศรีสวางควัฒน วรขัตติยราชนารี
ศาสตราจารย์เกียรติคุณ ดร.สมศักดิ์ รุจิรวัฒน์
รองศาสตราจารย์ ดร.สุพรรณา เตชะสกุล
ห้องปฏิบัติการวิจัยด้านเคมี

ตอนที่ 2: งานวิจัยด้านผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ

ความหลากหลายทางชีวภาพในประเทศไทยเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับงานวิจัยด้านผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่เป็นพื้นฐานของแพลตฟอร์มการพัฒนายาเคมีโมเลกุลเล็ก (small molecule drugs platform) ให้เป็นยารักษาโรคประเภทต่าง ๆ ของมนุษย์ ซึ่งแหล่งของสารเหล่านี้ในธรรมชาติอาจเป็นสิ่งมีชีวิตทั้งที่อาศัยอยู่บนบก ในน้ำจืด รวมทั้งในน้ำทะเล เช่น พืช ฟองน้ำ สัตว์ทะเล และจุลชีพต่าง ๆ (เชื้อรา แบคทีเรีย) เป็นต้น ทั้งนี้งานวิจัยต้นน้ำด้านผลิตภัณฑ์ธรรมชาติมีขั้นตอนที่เกี่ยวข้องดังนี้

1. การเก็บตัวอย่างและระบุอัตลักษณ์ของตัวอย่างที่นำมาศึกษา
2. การสกัดแยกสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเพื่อให้ได้สารสกัดหยาบ
3. การทำสารให้บริสุทธิ์ การพิสูจน์โครงสร้างและการระบุอัตลักษณ์สารที่มีโครงสร้างใหม่
4. การทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพและการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างฤทธิ์ทางชีวภาพกับโครงสร้างหลัก/หมู่ฟังก์ชันที่มีในสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติชนิดต่าง ๆ

ในขั้นตอนการเก็บและระบุอัตลักษณ์ของตัวอย่างที่นำมาศึกษานั้นจำเป็นต้องทำงานวิจัยอย่างละเอียดโดยร่วมกับผู้เชี่ยวชาญด้านพฤกษศาสตร์ แพทย์ชาวบ้าน แพทย์แผนโบราณ เนื่องจากพืชสมุนไพรตัวหนึ่งอาจมีได้หลายชื่อหรืออาจมีชื่อท้องถิ่นที่แตกต่างกันโดยอาจจะเป็นชนิดเดียวกัน นอกจากนี้การทำงานวิจัยเพื่อศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของสิ่งมีชีวิตประเภทต่าง ๆ โดยอาศัยอัตลักษณ์ของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติยังเป็นแนวทางการจัดกลุ่มประเภทของสิ่งมีชีวิตแบบอนุกรมวิธานเคมี (chemotaxonomy) อีกด้วย ซึ่งในขั้นตอนนี้ยังมีความจำเป็นต้องมีรูปแบบในการจัดเก็บข้อมูลเพื่อประโยชน์ในการอ้างอิงในการเก็บตัวอย่างครั้งอื่น ๆ นอกจากนี้การศึกษาและวิจัยกระบวนการชีวสังเคราะห์ (biosynthesis) ของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่ได้นอกจากจะมีความสำคัญทางวิชาการแล้วยังช่วยเสริมความเป็นไปได้ในการเพิ่มปริมาณสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่ต้องการโดยอาศัยกลไกทางชีววิทยาที่พืชใช้อยู่แล้วตามธรรมชาติให้เกิดประโยชน์สูงสุด ซึ่งอาจจำเป็นต้องบูรณาการองค์ความรู้ด้านชีวสังเคราะห์นี้กับศาสตร์อื่น ๆ เช่น ชีววิทยาระดับโมเลกุล

กระบวนการสกัดแยกสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่เหมาะสมเพื่อให้ได้สารสกัดหยาบนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่นการเลือกตัวทำละลาย สภาวะที่เหมาะสมในการสกัด ซึ่งนอกจากกระบวนการสกัดที่ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ในการละลายสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติต่าง ๆ ออกมาจากแหล่งทางธรรมชาติแล้วนั้น ทางห้องปฏิบัติการวิจัยด้านเคมียังได้มุ่งศึกษาและพัฒนากระบวนการที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลายเพื่อทดแทนหรือลดปริมาณการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ประเภทต่าง ๆ ซึ่งสามารถลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นจากการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ และที่สำคัญกระบวนการสกัดด้วยน้ำภายใต้สภาวะที่เหมาะสมยังมีความละม้ายคล้ายคลึงกับวิธีการใช้พืชสมุนไพรที่ระบุไว้ในตำรับยาแผนโบราณหรือภูมิปัญญาชาวบ้าน ซึ่งคาดว่าผลการศึกษาจากกระบวนการนี้จะมีความเชื่อมโยงกับศาสตร์การใช้พืชสมุนไพรในการรักษาโรคต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเป็นสารอินทรีย์จึงพบว่าการใช้น้ำเป็นตัวทำละลายทางเลือกยังคงมีข้อจำกัดจากประสิทธิภาพในการสกัดที่ต่ำกว่าการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ ดังนั้นในขั้นตอนการสกัดแยกสารจากแหล่งธรรมชาติจึงยังคงมีความจำเป็นต้องพึ่งพาการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์เพื่อศึกษาองค์ประกอบทางเคมีได้อย่างเป็นระบบและครบถ้วนทั้งในเชิงปริมาณและความหลากหลายของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ

จากนั้นจึงนำสารสกัดหยาบมาประเมินฤทธิ์ทางชีวภาพที่น่าสนใจ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการแยกสารสกัดหยาบให้ได้สารบริสุทธิ์โดยอาศัยผลการทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพเป็นปัจจัยช่วยในการจัดลำดับความสำคัญ (bioassay-guided fractionation and prioritization) ซึ่งกระบวนการแยกสารให้บริสุทธิ์นั้นจำเป็นต้องใช้เทคนิคทางโครมาโตกราฟีในระดับต่าง ๆ ไปจนกระทั่งการใช้ HPLC (high performance liquid chromatography) ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีสมรรถนะสูง สามารถใช้เพื่อการวิเคราะห์สารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่แยกได้ทั้งในเชิงปริมาณและคุณภาพ เมื่อได้สารบริสุทธิ์แล้วการวิเคราะห์พิสูจน์โครงสร้างและระบุอัตลักษณ์ของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาตินั้นสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคสเปกโตรสโกปีต่าง ๆ ทางนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ และ/หรือการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ รวมทั้งยังอาจใช้เทคนิคทางเคมีคำนวณเข้ามาช่วยยืนยันรายละเอียดบางประการเช่นสเตอริโอเคมี โดยการเปรียบเทียบข้อมูลที่วัดได้จากการทดลองกับข้อมูลที่ได้จากการคำนวณ ซึ่งการนำเทคนิคเหล่านี้มาใช้ร่วมกันสามารถช่วยเพิ่มระดับความมั่นใจในการพิสูจน์โครงสร้างและระบุอัตลักษณ์ของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจนทำให้ทราบโครงสร้างในระดับโมเลกุล รวมทั้งนำไปสู่การค้นพบสารประเภทต่าง ๆ ที่มีโครงสร้างใหม่เป็นครั้งแรกอีกด้วย นับว่าเป็นการยกระดับงานวิจัยด้านผลิตภัณฑ์ธรรมชาติและเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของประเทศ

กิจกรรมหลักอีกส่วนหนึ่งคือการประเมินฤทธิ์ทางชีวภาพของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่ผ่านกระบวนการแยกจนกระทั่งเป็นสารบริสุทธิ์แล้ว โดยมีวัตถุประสงค์ส่วนหนึ่งเพื่อที่จะศึกษาและสร้างความสัมพันธ์ระหว่างฤทธิ์ทางชีวภาพกับโครงสร้างหลัก/หมู่ฟังก์ชันที่มีความสำคัญต่อฤทธิ์ดังกล่าว (structure-activity relationship) โดยห้องปฏิบัติการวิจัยฯ มีความสนใจประเมินฤทธิ์ต้านเซลล์มะเร็งที่เป็นปัญหาหลักของประเทศเช่น มะเร็งท่อน้ำดี มะเร็งเต้านม มะเร็งปอด และมะเร็งตับเป็นต้น ซึ่งในช่วงระยะเวลากว่า 3 ทศวรรษ ทางห้องปฏิบัติการวิจัยฯ ได้ค้นพบสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่มีโครงสร้างหลากหลาย มีศักยภาพในการนำไปพัฒนาต่อยอด นอกจากนี้ยังมีความสนใจในการศึกษากลไกการต้านมะเร็งเพื่อสร้างองค์ความรู้ใหม่ที่จำเป็นต่อการพัฒนายาเคมีโมเลกุลเล็กสำหรับการรักษาโรคมะเร็งได้ในอนาคต

ในกรณีของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติบางชนิดที่มีในแหล่งธรรมชาติในปริมาณที่มากพอนั้น ทางห้องปฏิบัติการวิจัยฯ ก็มีความสนใจที่จะนำสารเหล่านั้นมาผ่านกระบวนการทางอินทรีย์เคมีสังเคราะห์เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างบางส่วนเพื่อให้ได้อนุพันธ์ใหม่ ๆ ที่สามารถแสดงฤทธิ์ทางชีวภาพที่ดีขึ้น ลดคุณสมบัติอันไม่พึงประสงค์บางอย่างลง (เช่นความเป็นพิษต่อเซลล์ปกติ) และมีคุณสมบัติทางเคมีเชิงกายภาพ (physicochemical properties) ที่เหมาะสมต่อการพัฒนาเป็นสารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรมมากขึ้น

กรณีศึกษาที่ 1: การศึกษาสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากพืชตระกูลเฟิร์น คลับมอส เพื่อพัฒนายาสำหรับโรคสมองเสื่อม

เป็นการศึกษาสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากความหลากหลายทางชีวภาพของพืชตระกูลเฟิร์น (ferns) พืชคล้ายเฟิร์น (lycophytes) จากการศึกษาตามกระบวนดังกล่าวข้างต้น พบว่าสารสกัดบริสุทธิ์ที่ได้จากคลับมอส เช่นสารฮูเปอซีนเอ ซึ่งเป็นสารกลุ่มไลโคโปเดียมอัลคาลอยด์และสารกลุ่มไตรเทอร์ปีน เช่น อัลฟ่าโอโนเซอรีนและเซอราทีนบางชนิดมีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์อะซิทิลโคลีนเอสเทอเรสที่มีผลต่อโรคสมองเสื่อม นอกจากนี้ยังพบสารกลุ่มไบฟลาโวนอยด์ เช่น อะเมนโตฟลาโวน จากพืชคล้ายเฟิร์นกนกนารี สารกลุ่มฟลาโวนอยด์ เช่น อีพิคาเทชิน และ สารแมงจิเฟอรีนจากเฟิร์นนาคราช ซึ่งพบว่ามีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ มีความเป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งบางชนิด และยับยั้งโรคกระดูกพรุน สามารถนำไปพัฒนาเพื่อต่อยอดการศึกษาโรคกลุ่มไม่ติดต่อ  (non-communicable diseases, NCDs) ได้   ​

สารฮูเปอซีนเอ อัลฟ่าโอโนเซอรีนและเซอราทีนที่แยกบริสุทธิ์ได้ในปริมาณสูง สามารถนำมาสังเคราะห์เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างบางส่วนให้ได้อนุพันธ์ใหม่ ๆ ทำให้มีฤทธิ์ทางชีวภาพที่ดีขึ้น และศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างฤทธิ์ทางชีวภาพกับโครงสร้างหลักกับหมู่ฟังก์ชันที่มีความสำคัญต่อฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์อะซิทิลโคลีนเอสเทอเรส โดยอาศัยความช่วยเหลือด้านคอมพิวเตอร์ทั้งในการออกแบบและคำนวณแบบจำลองอันตรกริยาของสารกับเอนไซม์เป้าหมาย

กรณีศึกษาที่ 2: ความหลากหลายทางโครงสร้างของสารเคมีและการศึกษาสารสกัดที่มีสารออกฤทธิ์เชิงหน้าที่ต้านการอักเสบภายในต้นเปราะและดอกดินชนิดต่างๆจากพืชสกุล Kaempferia เพื่อพัฒนายาสำหรับโรคข้ออักเสบรูมาตอยด์ โรคมะเร็ง และโรคอัลไซเมอร์

ในปัจจุบัน การแพทย์ทางเลือกที่ใช้เภสัชภัณฑ์ที่มาจากสมุนไพรมีความนิยมสูงขึ้น ประกอบกับผู้อุปโภคบริโภคหันมาใส่ใจสุขภาพตัวเองมากขึ้น แต่ไม่ต้องการใช้ยาที่มาจากการสังเคราะห์โดยตรง เพราะสารธรรมชาติมีความปลอดภัยและมีผลข้างเคียงน้อยกว่าสารสังเคราะห์ จึงหันมามองหาผลิตภัณฑ์ที่มาจากสมุนไพร ทั้งในรูปแบบอาหารเสริมสุขภาพ เครื่องสำอางที่มีส่วนผสมสมุนไพร และการนวดและอบตัวด้วยสมุนไพร

หนึ่งในกลไกสำคัญในการยับยั้งการเกิดสารก่อมะเร็งคือการยับยั้งการอักเสบ (anti-inflammation) หรือกระบวนการเกิดออกซิเดชัน หากร่างกายเกิดกระบวนการอักเสบอย่างเรื้อรัง (chronic inflammation) เป็นระยะเวลานาน อาจนำไปสู่การเกิดโรคมะเร็ง และโรคอื่น ๆ เช่น อัลไซเมอร์ พาร์กินสัน และภาวะหลอดเลือดแข็ง การใช้ยาต้านการอักเสบที่ไม่ใช่สเตียรอยด์ (Non-steroidal Anti-inflammation drugs, NSAIDs) จึงสามารถลดความเสี่ยงการพัฒนาการเกิดมะเร็งลำไส้ใหญ่และเต้านมได้

คณะผู้วิจัยของสถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ได้นำสารสกัดจากใบและเหง้าเปราะบางชนิดที่ผ่านกระบวนการการแยกสารบริสุทธิ์ไปทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพและพบว่า สารสกัดในกลุ่มไดเทอพีนอยด์เป็นสารกลุ่มหลักที่แยกได้และเป็นสารใหม่ที่มีโครงสร้างซับซ้อน เช่น สารเคมทาคอล บี, เคมทาคอล ซี และ เคมทาคอล ดี จากเปราะเมืองตาก มีฤทธิ์ยับยั้งการผลิตไนตริกออกไซด์ (Nitric oxide production) ในเซลล์เม็ดเลือดขาวประเภทแมคโครฟาจที่ถูกกระตุ้นด้วยไลโปโพลีแซคคาไรด์ โดยไนตริกออกไซด์เป็นสารที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการอักเสบ และ/หรือภาวะที่มีอาการอักเสบมากเกินไป เช่น โรคข้ออักเสบรูมาตอยด์ (Rheumatoid arthritis) โรคมะเร็ง โรคหลอดเลือดหัวใจ และโรคอัลไซเมอร์ (Alzheimer disease) นอกจากนี้ ยังมีการศึกษากลไกการออกฤทธิ์ของเหง้าเปราะในระดับโมเลกุล เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของกระบวนการต้านการอักเสบในเซลล์ ตลอดจนการศึกษากลไกการเกิดอันตรกิริยาระหว่างตัวยับยั้งกับบริเวณการจับของเอนไซม์เป้าหมายโดยใช้วิธีการคำนวณทางเคมีควอนตัมหรือแบบจำลองการจับกันระหว่างสารกับโปรตีนที่เกี่ยวข้อง

ผลจากงานวิจัยจะมีส่วนช่วยส่งเสริมการใช้ประโยชน์จากพืชในสกุลนี้ ซึ่งเป็นกลุ่มพืชที่มีศักยภาพในการพัฒนาส่งเสริมการเพาะปลูกเพื่อเป็นพืชเศรษฐกิจต่อไปได้ โดยพืชสกุลเคมเฟอเรีย(Kaempferia) ที่ได้ทำการศึกษาไปบ้างแล้วสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม คือ กลุ่มใบก่อนดอก ซับจีนัส เคมเฟอเรีย เช่น เปราะเถื่อน (K. marginata), เปราะป่า (K. elegans), เปราะโคราช (K. koratensis), เปราะนกยูง (K. roscoeana), และเปราะสระบุรี (K. saraburiensis) และ กลุ่มดอกก่อนใบ ซับจีนัส โพรแทนเธียม เช่น ดอกดินอรุณรุ่ง (K. aurora), ไข่ปลา (K. subglobosa), เปราะแมงมุม (K. albiflora), และเปราะราตรี (K. noctiflora)

กรณีศึกษาที่ 3: การศึกษาวิจัยสารจากมะละกอ

คณะผู้วิจัยของห้องปฏิบัติการวิจัยผลิตภัณฑ์ธรรมชาติได้เริ่มงานวิจัยต้นมะละกอโดยในเบื้องต้นได้ทำการศึกษาใบมะละกอ เนื่องจากเป็นส่วนของพืชที่กำลังได้รับความสนใจจากหน่วยงานและภาคส่วนต่าง ๆ ในสังคม โดยเฉพาะประโยชน์และความเป็นไปได้ในการใช้รักษาโรคมะเร็ง ทั้งนี้คณะผู้วิจัยได้มีการวางแผนงานที่มุ่งเน้นการใช้ความรู้พื้นฐานและเทคนิคทางเคมี ซึ่งเป็นความเชี่ยวชาญของนักวิจัยในห้องปฏิบัติการฯ มาต่อยอดองค์ความรู้ของงานมะละกอในด้านต่าง ๆ เพื่อขยายขอบเขตประโยชน์ที่น่าจะเกิดขึ้นได้จากต้นมะละกอ

กรณีศึกษาที่ 4: การศึกษาสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากพืชอื่น ๆ ที่ น่าสนใจ

• การศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของต้นปรู๋ (Alangium salviifolium) ซึ่งอยู่ในวงศ์ Alangiaceae พบสารกลุ่ม cardinane sesquiterpene และจากการศึกษาต้นมะนาวผี (Atalantia monophylla) ซึ่งอยู่ในวงศ์ Rutaceae พบสารกลุ่ม prenylated acridones สารทั้งสองกลุ่มนี้มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์อโรมาเทส โดยลดการสร้างฮอร์โมนเอสโตรเจนในผู้ป่วยมะเร็งเต้านม

• การศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของต้นเต้าสยาม (Macaranga siamensis) จากวงศ์ Euphorbiaceae พบสารกลุ่มจำพวกฟลาโวนอยด์ โดยสารส่วนใหญ่ที่พบเป็นสารในกลุ่ม trans-stilbene และ cis-stilbene ซึ่งมีฤทธิ์ฆ่าเซลล์มะเร็งและต้านอนุมูลอิสระ

จะเห็นได้ว่าสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาตินั้นมีประโยชน์ต่อการพัฒนายาเคมีโมเลกุลเล็กเนื่องจากสามารถนำมาใช้ได้โดยตรงหรือเป็นต้นแบบ (template) ในการสร้างอนุพันธ์ใหม่ ๆ ที่มีคุณสมบัติทางยาตามต้องการ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปริมาณของสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่แสดงฤทธิ์ทางชีวภาพจากแหล่งทางธรรมชาตินั้นมักจะมีในปริมาณจำกัด ทำให้การพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ใหม่ ๆ มีบทบาทสำคัญเป็นอย่างยิ่งในการเตรียมสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติรวมทั้งอนุพันธ์ในปริมาณที่มากพอต่อการศึกษาวิจัยเชิงลึกในด้านต่าง ๆ ซึ่งจะเป็นเนื้อหาหลักของเรื่อง “การพัฒนากระบวนการใหม่ด้านอินทรีย์เคมีสังเคราะห์และการนำไปใช้ในการสังเคราะห์สารที่มีคุณสมบัติทางยา” ที่จะนำเสนอในตอนต่อไป