โครงการวิจัย 4 : ฟิสิกส์ชีวภาพของการรู้จำและการนำส่งโมเลกุลเพื่อนวัตกรรมทางการแพทย์

 

            จากสถิติสัดส่วนประชากรตามกลุ่มอายุ คาดการได้ว่าภายใน 20 ปี ข้างหน้าประเทศไทยจะก้าวเข้าสู่การเป็นสังคมผู้สูงอายุอย่างเต็มรูปแบบ โดยคาดว่าจะมีสัดส่วนผู้สูงอายุที่เพิ่มขึ้นจากร้อยละ 10.4 ในปีพ.ศ.2558 เป็นร้อยละ 22.9 ในปีพ.ศ.2578 สาเหตุของการตายของประชากรไทยเกิดจากโรคชนิดไม่ติดต่อเป็นหลัก เช่น โรคหัวใจ โรคความดันโลหิต โรคเบาหวาน โรคมะเร็ง เป็นต้น ไม่เพียงแต่ในประเทศไทย โรคมะเร็งนับได้ว่าเป็นปัญหาทางสาธารณสุขของโลก ในหลายปีที่ผ่านมามีคนตายเนื่องจากโรคมะเร็งเป็นจำนวนมาก และมีผู้ป่วยเพิ่มขึ้นในทุกๆปี อีกทั้งยาต้านมะเร็งที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันหลายชนิดมีข้อจำกัดในประสิทธิภาพการรักษาทั้งทางด้านเภสัชจลนศาสตร์ (pharmacokinetics) ความเป็นพิษค่อนข้างสูงและมักเกิดการดื้อยา จากปัญหาที่กล่าวข้างต้น ทำให้การวิจัยด้านโรคมะเร็งตั้งแต่รากฐานในระดับโมเลกุลเป็นเรื่องสำคัญในการแก้ปัญหาสาธารณสุขของประเทศ และนอกจากนี้แล้วการวิจัยด้านนี้ยังเป็นโอกาสในการพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรมด้านเทคโนโลยีทางการรักษา การตรวจวินิจฉัย การป้องกันการเกิดโรคมะเร็ง และนำไปสู่การพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ทางการแพทย์ เทคนิคการรักษาแบบใหม่ หรือ ยาใหม่ ทำให้ประเทศสามารถแข่งขัน และเป็นผู้นำในด้านอุตสาหกรรมทางการแพทย์ได้ ซึ่งสอดรับกับแนวทางยุทธศาสตร์การพัฒนาประเทศ ตามโมเดล ไทยแลนด์ 4.0 ที่เน้นการขับเคลื่อนประเทศด้วย นวัตกรรมและเทคโนโลยีขั้นสูง โดยมุ่งเป้าไปที่กลุ่มอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งหนึ่งในนั้นคืออุตสากรรมด้านการแพทย์ครบวงจรจะเป็นอุตสาหกรรมเป้าหมายที่จะเป็นกลไกการขับเคลื่อนเศรษฐกิจเพื่ออนาคต โครงการวิจัยนี้จึงเป็นการนำไปสู่การสร้างฐานอุตสาหกรรมแห่งอนาคต

 

            มะเร็งมีสาเหตุมาจากการแบ่งตัวที่ผิดปกติของเซลล์จนไม่สามารถควบคุมได้ โดยเกิดผ่านกลไกที่หลากหลาย เช่น การทำงานที่ผิดปกติของโปรตีนที่มีความเกี่ยวข้องกับการแบ่งตัวของเซลล์ (cell division) และการผิดปกติของกลไกการการตายของเซลล์ (cell apoptosis) นอกจากนี้ยังรวมถึงกลไกที่เกิดจากการกระตุ้นของสารอนุมูลอิสระ (free radicals) ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายกับเบสของดีเอ็นเอ (DNA damage) การสลายตัวของกรดอะมิโน (amino acid fragmentation) การจับกันของโปรตีน (protein-protein interactioncross-linkages)และส่งผลต่อการเกิด lipid peroxidation ซึ่งเป็นกลไกที่ทำให้เกิดสารก่อมะเร็ง เช่น สาร malondialdehyde (MPA) [1] นอกจากนี้การเกิดlipid peroxidation ยังทำให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างของโมเลกุลไขมันและเยื้อหุ้มเซลล์ตามลำดับ [2, 3] โดยส่งผลต่อเนื่องทำให้สารอนุมูลอิสระเข้าสู่เซลล์ได้มากขึ้น [2] โรคมะเร็งเต้านมเป็นโรคที่สามารถพบได้บ่อยในเพศหญิงทั่วโลก ในประเทศไทย มีรายงานทะเบียนมะเร็งระดับโรงพยาบาล (hospital based cancer registry) ในปี พ.ศ.2556 พบว่าอัตราป่วยอุบัติใหม่ของโรคมะเร็งเต้านมเฉพาะที่มีการเข้ารักษาในสถาบันมะเร็งแห่งชาติ เป็นจำนวนถึง 926 ราย ซึ่งสูงเป็นอันดับ 1 เมื่อเทียบกับมะเร็งชนิดอื่นๆและยังพบว่าสูงขึ้นจากปีพ.ศ. 2552 (768 ราย) ถึง 17 เปอร์เซ็นต์ (ข้อมูลจาก: สถาบันมะเร็งแห่งชาติปี พ.ศ. 2556)

 

            โดยทั่วไปผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านม จะได้รับการรักษาด้วยการผ่าตัดเอาก้อนเนื้อออก การฉายรังสี และการทำเคมีบำบัด ทั้งนี้ ผู้ป่วยอาจมีการได้รับการรักษาร่วมกันกับวิธีอื่นๆเพิ่มเติม โดยจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายชนิด เช่น คนไข้ที่มีการแสดงออกของยีนเฮอร์ทู (HER2/neupositive) จะมีการให้รับแอนติบอดี้ (trastuzumabรู้จักกันในชื่อการค้า Herceptin®) หรือคนไข้ที่มีตัวตอบสนองต่อฮอร์โมน (Estrogen/Progesterone Receptor; ER/PR positive) ก็จะได้รับการรักษาด้วยยาที่จะลดการจับของฮอร์โมนต่อตัวรับ (anti-estrogen therapy) ซึ่งปัญหาใหญ่ของผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมที่พบมาก คือการดื้อยาของผู้ป่วยโรคมะเร็งเต้านมต่อเคมีบำบัด [4] ซึ่งการดื้อยาเคมีบำบัดเป็นสาเหตุถึง 90 เปอร์เซ็นต์ในสาเหตุของการล้มเหลวสำหรับการรักษาโรคมะเร็งเต้านม [5] โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในผู้ป่วยที่ไม่พบการแสดงออกของยีน HER2/neuหรือ ตัวรับฮอร์โมน ER/PR

            หนึ่งในยาเคมีบำบัดที่รักษาโรคมะเร็งเต้านมในทางคลินิค คือ Anthracyclineได้แก่ Doxorubicin และ Epirubicin ซึ่งยาเหล่านี้ จะทำให้เกิดความเสียหายของสารพันธุกรรมหรือสายดีเอ็นเอของเซลล์มะเร็ง (DNA double strand break) ทำให้เกิดเซลล์ตาย [7, 8] โดยปกติ เมื่อดีเอ็นเอได้รับความเสียหาย จะมีการกระตุ้นให้มีการซ่อมแซมดีเอ็นเอภายในเซลล์ (DNA repair) โดยผ่านทางโปรตีนบางชนิด เช่น Cyclin B, P53 ในกรณีของเซลล์มะเร็ง พบว่าโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน (FOXM1) มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดจากยาเคมีบำบัด [9] โครงสร้างของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันแสดง ดังรูปที่ 4.1 จากหลายๆการศึกษา พบว่าโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันมีการแสดงออกสูงมากในเซลล์มะเร็งหลายๆชนิด เมื่อเทียบกับเซลล์ปกติที่ไม่ได้เป็นมะเร็ง [10, 11] และยิ่งมีการแสดงออกที่สูงขึ้นไปอีก ในมะเร็งที่มีการดื้อยาเคมีบำบัด [12, 13] ซึ่งในระยะหลัง มีการพบว่าโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันมีส่วนสำคัญในการดื้อยาเคมีบำบัดของมะเร็งเต้านม โดยโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันจะช่วยส่งเสริมการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดความเสียหายจากยาเคมีบำบัด [12, 14] โปรตีนฟอกซ์เอ็มวันจึงเป็นโปรตีนที่มีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง ในการเป็นเป้าหมายของการพัฒนายาที่สามารถควบคุมการแสดงออกของฟอกซ์เอ็มวัน ในระหว่างการให้เคมีบำบัดแก่ผู้ป่วยมะเร็งเต้านมโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ป่วยที่มีแนวโน้มจะมีการดื้อยาเคมีบำบัด และผู้ป่วยด้วยมะเร็งเต้านมชนิดที่ไม่มีการแสดงออกของทั้งยีน HER2/neu และตัวรับฮอร์โมน ER/PR (Triple negative)

 

           สารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก (antibiotic thiazole compound) เช่น SiomycinA และ Thiostrepton เป็นสารที่ได้จาก แบคทีเรียพวกสเตรปโตมัยซิส (Streptomyces sp.) ที่มีงานวิจัยว่ามีผลทำให้เซลล์มะเร็งเต้านมเกิดการตาย (apoptosis) จากการที่ยา จะเข้าไปยับยั้งการแสดงออกของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน [15] หลายๆการศึกษายังพบว่า สารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก ยังสามารถยับยั้งการเข้าจับของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน ต่อสารพันธุกรรมเป้าหมาย (Targeted DNA) ทำให้ไม่สามารถสังเคราะห์โปรตีนที่ช่วยในการซ่อมแซมสารพันธุกรรมที่เสียหาย (Damage DNA) ได้ [16, 17] ซึ่งมีการคาดคะเนกันว่า มีความเป็นไปได้ที่สารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก จะเข้าแทนที่ตรงบริเวณโดเมนที่ใช้จับกับสารพันธุกรรมเป้าหมาย (DNA binding domain, Forkhead/Winged-helix domain) ของฟอกซ์เอ็มวัน[18]แม้ว่าพบว่าสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกมีความจำเพาะเจาะจงกับโปรตีนฟอกซ์เอ็มวัน [19, 20] ก็ตามสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกดังกล่าวยังพบว่ามีข้อจำกัดอยู่บ้าง คือ การสังเคราะห์สารไทเอโซลทำได้ยาก [21] สารสามารถเกิดการเปลี่ยนรูปได้ [22] และความสามารถในการละลายที่ต่ำ สำหรับ Thiostrepton [23] ด้วยเหตุผลดังกล่าว ทำงานวิจัยในการคิดค้นสารแอนตี้ไบโอติกชนิดชนิดใหม่ [24] หรือการปรับปรุงสมบัติของสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก ด้วยการเพิ่มความคงตัวและการเพิ่มการละลายน้ำของสาร เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการรักษาที่ดีขึ้นจึงเป็นที่ต้องการ

 

            ไซโคลเด็กซ์ทริน (รูปที่ 4.2) เป็นโมเลกุลนำส่งยาที่มีประสิทธิภาพ โดยสามารถเพิ่มความสามารถในการละลายน้ำของยา ค่าความคงตัวของยา ซึ่งส่งผลให้ยามีประสิทธิภาพในการรักษาที่มากขึ้น [25-29] ไซโคลเด็กซ์ทรินเป็นผลิตภัณฑ์ทางธรรมชาติ สามารถสังเคราะห์ได้จากแป้งมันสำปะหลังด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ไซโคลเด็กซ์ทริน กลูคาโนทรานสเฟอเรส (CyclodextrinGlycsyltransferase; CG Tase) ที่สามารถเปลี่ยนสับสเตรทแป้งให้ไซโคลเด็กซ์ทรินๆเป็นนาโนโมเลกุลซึ่งมีโครงสร้างเป็นพอลิเมอร์ของกลูโคไพราโนไซด์ต่อกันเป็นวงกลม โดยแต่ละมอนอเมอร์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก ทำให้ไซโคลเด็กซ์ทรินมีรูปทรงกรวยปลายตัด (รูปที่ 4.2) ประกอบด้วยโพรงด้านในขนาดนาโนเมตรซึ่งมีสมบัติไม่ชอบน้ำ (hydrophobicity) และส่วนของพื้นผิวภายนอกจะมีสมบัติที่ชอบน้ำ (hydrophilicity) โดยลักษณะโครงสร้างดังกล่าวทำให้ยาที่มีสมบัติที่ไม่ชอบน้ำสามารถเข้าไปจับตัวอยู่ภายในโพรงที่มีสมบัติที่ไม่ชอบน้ำของไซโคลเด็กซ์ทรินได้เป็นอย่างดี สำหรับการนำส่งยาด้วยไซโคลเด็กซ์ทริน มีสองปัจจัยที่สำคัญในประสิทธิภาพการนำส่ง คือ ก) สมบัติของยา เช่น ความคงตัว และความสามารถในการละลาย และ ข) ความสามารถในการแทรกผ่านเมมเบรนชีวภาพ [30, 31]

 

            ดังนั้นโครงการวิจัยนี้มุ่งเน้นการศึกษากลไกการเข้าจับของสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติก กับโดเมนสำคัญๆของโปรตีนฟอกซ์เอ็มวันโดยอาศัยทั้งการจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลและการทดลองเชิงปฏิบัติการ ทั้งนี้ระเบียบวิธีการจำลองพลวัติเชิงโมเลกุลทำให้เกิดความเข้าใจในเชิงลึก ที่นำไปสู่การวิเคราะห์ความจำเพาะของยากับโปรตีนเป้าหมายนอกจากนี้ยังศึกษาการนำส่งสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกและสารชนิดใหม่ เข้าสู่เมมเบรนชีวภาพ รวมถึงการใช้ไซโคลเด็กซ์ทรินเป็นตัวส่งสารไทเอโซลแอนตี้ไบโอติกเข้าสู่เซลล์ ซึ่งช่วยปรับปรุงสมบัติความคงตัวและสมบัติการละลายของสารดังกล่าว จากนั้นนำยาที่คาดว่ามีสมบัติในการยึดจับกับโปรตีนเป้าหมายที่ดีมาทดลองกับเซลล์ในห้องปฏิบัติการจริง โดยความรู้ที่ได้จากงานวิจัยทั้งหมดคาดว่าจะสามารถนำไปใช้เป็นแนวทางในการในการออกแบบยาชนิดใหม่ๆที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการรักษาโรคมะเร็งต่อไปได้ ทั้งนี้โครงการวิจัยได้บูรณาการองค์ความรู้ฟิสิกส์เพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้กับการศึกษาระบบทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับการแพทย์ อีกทั้งจะผลิตบัณฑิต และนักวิจัยรุ่นใหม่ที่มีความเชี่ยวชาญวิจัยในเชิงบูรณาการองค์ความรู้ใหม่ ซึ่งจะเป็นการช่วยพัฒนาวงการวิชาการของประเทศให้เจริญก้าวหน้าเทียบเท่ากับนานาชาติต่อไป โดยภาพรวมของโครงการวิจัยและวิธีการขั้นตอนการวิจัยแสดงใน รูปที่ 4.3 และ รูปที่ 4.4 ตามลำดับ

 

 

เอกสารอ้างอิง

1. Dahiya, P., et al., Reactive oxygen species in periodontitis. Journal of Indian Society of Periodontology, 2013. 17(4): p. 411-416.
2. Van der Paal, J., et al., Effect of lipid peroxidation on membrane permeability of cancer and normal cells subjected to oxidative stress . Chemical Science,
2016. 7(1): p. 489-498.
3. Boonnoy, P., et al., Bilayer Deformation, Pores, and Micellation Induced by Oxidized Lipids. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2015. 6(24): p. 4884-4888.
4. Riedel, R.F., et al., A genomic approach to identify molecular pathways associated with chemotherapy resistance. Molecular cancer therapeutics,
2008. 7(10): p. 3141-3149.
5. Longley, D. and P. Johnston, Molecular mechanisms of drug resistance. The Journal of pathology, 2005. 205(2): p. 275-292.
6. Littler, D.R., et al., Structure of the FoxM1 DNA-recognition domain bound to a promoter sequence. Nucleic Acids Res, 2010. 38(13): p. 4527-38.
7. Capranico, G., et al., Role of DNA breakage in cytotoxicity of doxorubicin, 9-deoxydoxorubicin, and 4-demethyl-6-deoxydoxorubicin in murine leukemia P388 cells. Cancer research, 1989. 49(8): p. 2022-2027.
8. Yang, F., C.J. Kemp, and S. Henikoff, Anthracyclines induce double-strand DNA breaks at active gene promoters. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2015. 773: p. 9-15.
9. Zona, S., et al., FOXM1: an emerging master regulator of DNA damage response and genotoxic agent resistance. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Regulatory Mechanisms, 2014. 1839(11): p. 1316-1322.
10. Myatt, S.S. and E.W.-F. Lam, Targeting foxm1. Nature reviews Cancer, 2008. 8(3): p. 242-242.
11. Halasi, M. and A.L. Gartel, Targeting FOXM1 in cancer. Biochemical pharmacology, 2013. 85(5): p. 644-652.
12. Monteiro, L.J., et al., The Forkhead Box M1 protein regulates BRIP1 expression and DNA damage repair in epirubicin treatment. Oncogene,
2013. 32(39): p. 4634-4645.
13. Wang, Y., et al., FoxM1 expression is significantly associated with cisplatin-based chemotherapy resistance and poor prognosis in advanced non-small cell lung cancer patients. Lung cancer, 2013. 79(2): p. 173-179.
14. Khongkow, P., et al., FOXM1 targets NBS1 to regulate DNA damage-induced senescence and epirubicin resistance. Oncogene, 2014. 33(32): p. 4144-4155.
15. Bhat, U.G., M. Halasi, and A.L. Gartel, Thiazole antibiotics target FoxM1 and induce apoptosis in human cancer cells. PloS one, 2009. 4(5): p. e5592.
16. Gartel, A.L., Thiazole Antibiotics Siomycin a and Thiostrepton Inhibit the Transcriptional Activity of FOXM1. Frontiers in Oncology, 2013. 3: p. 150.
17. Halasi, M., et al., Thiazole antibiotics against breast cancer. Cell Cycle, 2010. 9(6): p. 1214-1217.
18. Hegde, N.S., et al., The transcription factor FOXM1 is a cellular target of the natural product thiostrepton. Nature chemistry, 2011. 3(9): p. 725-731.
19. Radhakrishnan, S.K., et al., Identification of a chemical inhibitor of the oncogenic transcription factor forkhead box M1. Cancer research,
2006. 66(19): p. 9731-9735.
20. Chan, D.W., et al., Targeting GRB7/ERK/FOXM1 signaling pathway impairs aggressiveness of ovarian cancer cells. PloS one, 2012. 7(12): p. e52578.
21. Nicolaou, K., et al., Constructing molecular complexity and diversity: total synthesis of natural products of biological and medicinal importance. Chemical Society reviews, 2012. 41(15): p. 5185-5238.
22. Bodanszky, M., et al., Thiostrepton. Degradation products and structural features. Journal of the American Chemical Society, 1964. 86(12): p. 2478-2490.
23. Zhang, F. and W.L. Kelly, In vivo production of thiopeptide variants. Methods Enzymol, 2012. 516: p. 3-24.
24. Chen, Y., et al., In silico investigation of FOXM1 binding and novel inhibitors in epithelial ovarian cancer. Bioorganic & medicinal chemistry,
2015. 23(15): p. 4576-4582.
25. Danciu, C., et al., Genistein in 1: 1 inclusion complexes with ramified cyclodextrins: theoretical, physicochemical and biological evaluation. International journal of molecular sciences, 2014. 15(2): p. 1962-1982.
26. Patro, N.M., et al., Comparison and correlation of in vitro, in vivo and in silico evaluations of alpha, beta and gamma cyclodextrin complexes of curcumin. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, 2014. 78(1-4): p. 471-483.
27. Zhang, Q.-F., et al., Aqueous solubility and stability enhancement of astilbin through complexation with cyclodextrins. Journal of agricultural and food chemistry, 2012. 61(1): p. 151-156.
28. Dong, N., et al., Cucurbit [n] urils (n= 7, 8) binding of camptothecin and the effects on solubility and reactivity of the anticancer drug. Supramolecular Chemistry, 2008. 20(7): p. 663-671.
29. Tommasini, S., et al., Improvement in solubility and dissolution rate of flavonoids by complexation with β-cyclodextrin. Journal of pharmaceutical and biomedical analysis, 2004. 35(2): p. 379-387.
30. Khuntawee, W., et al., Molecular dynamics simulations of the interaction of beta cyclodextrin with a lipid bilayer. Journal of chemical information and modeling, 2015. 55(9): p. 1894-1902.
31. Amidon, G.L., et al., A theoretical basis for a biopharmaceutic drug classification: the correlation of in vitro drug product dissolution and in vivo bioavailability. Pharmaceutical research, 1995. 12(3): p. 413-420.

 

หัวหน้าโครงการ: รองศาสตราจารย์ ดร. จิรศักดิ์ วงศ์เอกบุตร ¹⁾
นักวิจัยสมทบ: ดร. เสรี พงศ์พันธุ์ภาณี²⁾, ดร. ธนา สุทธิบัทม์พงศ์³⁾, ผศ. ดร. ประภาศิริ พงษ์ประยูร⁴⁾, รศ. ดร. วรรณวิภา วงศ์แสงนาค⁵⁾, ดร. เมษยะมาศ คงเสมา ⁵⁾, ดร. วิลาสินี ขุนทวี ¹⁾
หน่วยงานต้นสังกัด: 1) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 2) ภาควิชาวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 3) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี, 4) ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 5) ภาควิชาสัตววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์