สัตว์-รักษา 5 นวัตกรรมชีวลอกเลียนเพื่อช่วยชีวิตมนุษย์

เราได้อะไรจากการเฝ้าสังเกตธรรมชาติ?

หลายคนอาจมีคำถามข้างต้นในใจ และในบทความนี้ ผู้เขียนจะชวนมารู้จักคำตอบกับนวัตกรรมชีวลอกเลียน (biomimicry) ที่การสังเกตอย่างละเอียดละออต่อสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติไม่ว่าจะเป็นพืช แมลงตัวจ้อย หรือสัตว์กลางทะเลลึก นำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ที่อาจช่วยรักษาชีวิตมนุษย์

บทความนี้เป็นภาคต่อของ สัตว์-ประดิษฐ์ นวัตกรรมชีวลอกเลียนที่พามนุษย์ก้าวไปได้ไกลขึ้น สำหรับชิ้นนี้จะเป็นเรื่องราวแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิต 5 ชนิดที่นำไปสู่การคิดค้นเครื่องมือหรือเทคโนโลยีใหม่ๆ ทางการแพทย์ ตั้งแต่ทาร์ดิเกรดหรือหมีน้ำตัวจิ๋ว แมงป่องเพชฌฆาต ฉลาม หอยแมลงภู่ และแมงดาทะเล

ทาร์ดิเกรดกับการขนส่งวัคซีน

หมีน้ำหรือทาร์ดิเกรด เป็นสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังตัวจิ๋วที่ขึ้นแท่นอึด ถึก ทน ที่สุดในโลก โดยสารมารถพบเจ้าตัวจิ๋วนี้ได้แทบทุกระบบนิเวศในโลกไม่ว่าจะเป็นทะเลทราย ภูเขาสูง ขั้วโลก โดยมีเคล็ดลับคือกระบวนการทางชีววิทยาชื่อว่าคริปโตไบโอสิส (cryptobiosis) เมื่อเผชิญกับภาวะแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม ซึ่งจะทำให้หมีน้ำทนต่ออุณหภูมิสูงได้มากถึง 151 องศาเซลเซียสอุณหภูมิต่ำสุดถึง -272.8 องศาเซลเซียสและสารพัดแก๊สอันตราย โดยหมีน้ำจะอยู่ในสภาพนี้ได้ยาวนานร่วม 10 ปี

ทาร์ดิเกรด หมีน้ำตัวจิ๋วสุดอึด ภาพจาก Wikipedia

กระบวนการคริปโตไบโอสิสที่นักชีววิทยาสนใจศึกษามากที่สุดคือแอนไฮโดรไบโอสิส (anhydrobiosis) ซึ่งหมีน้ำจะปล่อยน้ำในร่างกาย 95 เปอร์เซ็นต์ออกมา ร่างกายของหมีน้ำจะสร้างโปรตีนและน้ำตาลที่แตกต่างออกไปเพื่อช่วยปกป้องเซลล์ ในช่วงเวลาดังกล่าว หมีน้ำจะหยุดกระบวนการเผาผลาญและจะกลับมามีชีวิตชีวาอีกครั้งเมื่ออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่เหมาะสมพร้อมกับได้รับน้ำ

กระบวนการดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้ในการเก็บตัวอย่างเพื่อใช้ในห้องแล็ปโดยบริษัท Biomatrica ที่ระบุว่าสามารถเก็บตัวอย่างเซลล์ เนื้อเยื่อ และดีเอ็นเอ โดยไม่ทำให้เสียหายและไม่จำเป็นต้องแช่แข็ง อีกหนึ่งบริษัทคือ Stabiltech ที่ใช้กระบวนการเดียวกันในการขนส่งวัคซีนแบบแห้ง แก้ปัญหาการขนส่งวัคซีนจากผู้ผลิตไปยังพื้นที่ห่างไกลซึ่งอาจไม่มีไฟฟ้าเข้าถึง

แมงป่องเพชฌฆาตชี้เป้าพิฆาตมะเร็ง

แมงป่องเพชฌฆาต (deathstalker) เป็นแมงป่องพิษร้ายแรงที่มีโอกาสคร่าชีวิตเด็กและผู้สูงอายุในการต่อยหนึ่งครั้ง แมงป่องดังกล่าวสามารถพบได้ในเขตทะเลทรายทางตอนเหนือของทวีปแอฟริกาและตะวันออกกลาง ดูเผินๆ สัตว์มีพิษตัวนี้ดูน่าจะไม่ข้องเกี่ยวกับการรักษาชีวิตมนุษย์ แต่ในพิษของแมงป่องดังกล่าวมีสารพิเศษซ่อนอยู่นั่นคือเปปไทด์คลอโรทอกซิน (peptide chlorotoxin)

มะเร็งสมอง (ซ้าย) ภาพสแกนจากเครื่อง MRI (ขวา) ภาพระหว่างการผ่าตัดที่มีการใช้สีแต้มเนื้องอก ภาพจาก smithsonianmag.com

สารดังกล่าวมีส่วนช่วยในการผ่าตัดเนื้องอกในสมองบางชนิด ในอดีต การผ่าตัดดังกล่าวยุ่งยากและอันตรายอย่างยิ่งเนื่องจากแพทย์ยากที่จะแยกเนื้อดีและเนื้อร้ายออกอย่างแม่นยำ ความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยหมายถึงเนื้อร้ายที่ยังคงหลงเหลืออยู่ หรือความเสียหายต่อผู้ป่วยที่ไม่สามารถแก้ไขได้ เปปไทด์คลอโรทอกซินคือสารที่จะมาช่วยแก้ไขปัญหาดังกล่าว

บริษัท Blaze Bioscience ได้พัฒนาสารดังกล่าวโดยนำมาผสมกับสารเรืองแสงเพื่อสร้างเป็น ‘สีแต้มเนื้องอก (tumor paint)’ ซึ่งจะติดเฉพาะในเนื้อร้ายในสมอง เป็นการชี้เป้าให้ศัลยแพทย์สมองทำงานได้ง่ายขึ้นและปลอดภัยต่อผู้ป่วยมากขึ้น ผลการทดลองเบื้องต้นในการผ่าตัดคนไข้ 17 คนได้รับผลการตอบรับดีเยี่ยม โดยนักวิจัยพบว่าสีดังกล่าวจะติดเนื้องอกที่อันตรายและแพร่กระจายได้รวดเร็วมากกว่าเนื้องอกที่ไม่ค่อยอันตราย นอกจากนี้ยังไม่พบผลข้างเคียงจากการใช้สารดังกล่าว

ฉลามกับผนังป้องกันแบคทีเรีย

ฉลาม สัตว์นักล่าผู้อยู่สูงที่สุดบนห่วงโซ่อาหารในท้องทะเลผู้กุมเคล็ดลับผิวเรียบเนียนไร้รอยด่างดวง แตกต่างจากสัตว์ทะเลชนิดอื่นๆ ที่มักเผชิญกับการเกาะแกะของสารพัดแบคทีเรีย สาหร่าย หรือสัตว์ตัวจิ๋วอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์ไขความลับของฉลามโดยใช้กล้องจุลทรรศน์โดยพบว่าผิวของฉลามประกอบด้วยรูปแบบจำเพาะขนาดเล็กจิ๋วซึ่งป้องกันไม่ให้สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมาสร้างอาณานิคมและเติบโตเริงร่าอยู่บนผิวของมัน

ข้อค้นพบดังกล่าวเป็นแรงบันดาลใจสู่นวัตกรรมพื้นผิววัสดุ ชาร์คเล็ต (Sharklet) โดย ดร. แอนโธนี เบรนแนน (Dr. Anthony Brennan) แห่งมหาวิทยาลัยฟลอริดา สหรัฐอเมริกา ซึ่งมีการทดสอบพบว่าผนังที่ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวจะช่วยลดการติดเชื้อและแพร่กระจายของแบคทีเรีย โดยเฉพาะแบคทีเรียดื้อยาปฏิชีวนะ หรือซุปเปอร์บั๊ก (Superbug) มหันตภัยเงียบที่ถูกมองข้ามซึ่งเป็นพาดหัวข่าวเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา

พื้นผิววัสดุชาร์คเล็ต ผนังที่ได้แรงบันดาลใจจากฉลามเพื่อป้องกันแบคทีเรีย ภาพจาก The Technology of Sharklet

ผนังฉลามไม่ใช่ทางเลือกเดียวในการป้องกันแบคทีเรีย มีการศึกษาพบว่าผนังที่ใช้ทองแดงเป็นส่วนประกอบก็สามารถลดโอกาสผู้ติดเชื้อแบคทีเรียได้เช่นกัน อย่างไรก็ดี จุดเด่นของผนังฉลามคือการเปลี่ยนแปลงเพียงผิวสัมผัสของผนังเท่านั้นโดยยังคงใช้วัสดุเช่นเดิม ทำให้ต้นทุนไม่เพิ่มสูงขึ้นมากนักและไม่จำเป็นต้องดำเนินกระบวนการทดสอบความปลอดภัยอีกครั้ง

หอยแมลงภู่กับกาวปิดแผล

หอยแมลงภู่ หอยสองฝาหน้าตาแสนธรรมดา แต่เคยสงสัยไหมครับว่าอะไรคือเทคนิคพิเศษของเจ้าหอยเหล่านั้นให้ติดแน่นทนนานทั้งที่โดนคลื่นโหมกระหน่ำซ้ำยังอยู่ในน้ำเค็ม เคล็ดลับของมันคือกาวตามธรรมชาติที่เหนียวพอๆ กับกาวสังเคราะห์ของมนุษย์ แต่แตกต่างกันที่กาวของหอยแมลงภู่ไม่มีสารก่อมะเร็งอย่างฟอมัลดีไฮด์อีกทั้งยังติดแน่นทนนานแม้อยู่ใต้น้ำ นั่นคือแรงบันดาลใจเพื่อลอกเลียน ‘กาวสารพัดนึก’ ของหอยแมลงภู่

โจนาธาน วิลเกอร์ (Jonathan Wilker) อาจารย์ด้านเคมีและวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเพอร์ดิว (Purdue University) ได้สังเคราะห์กาวโดยอิงจากธรรมชาติซึ่งมีส่วนประกอบหลักของกรดอมิโนชนิดหนึ่ง โดยเขาหวังว่าจะนำมาใช้สำหรับทดแทนกระบวนการเย็บแผลในปัจจุบันซึ่งทำให้เกิดอันตรายต่อเนื้อเยื่อดีและเสี่ยงต่อการติดเชื้ออย่างยิ่ง ความท้าทายของการใช้กาวทดแทนในกระบวนการดังกล่าว คือกาวนั้นต้องทนต่อน้ำและไม่เป็นพิษต่อมนุษย์

ปัจจุบัน เริ่มมีการทดลองใช้กาวดังกล่าวในสัตว์ ซึ่งเบื้องต้นพบว่ากาวหอยแมลงภู่ไม่ส่งผลเป็นพิษต่อเซลล์ อย่างไรก็ดี นี่เป็นเพียงก้าวแรกแห่งความหวังของการแพทย์ในอนาคตที่สักวันเราอาจได้ใช้กาวปิดแผลแทนที่การเย็บแบบดั้งเดิม

แมงดาทะเลกับงานวิจัยทางการแพทย์

แมงดาทะเล สัตว์โบราณหน้าตาแปลกประหลาดที่มีประวัติศาสตร์ยาวนานกว่าไดโนเสาร์ แม้มองผ่านๆ จะดูคล้ายปูแต่เจ้าแมงดาทะเลกลับเป็นญาติที่ใกล้ชิดกับแมงมุมมากกว่า สิ่งที่มนุษย์ได้รับจากเจ้าแมงดาทะเลคือเลือดสีฟ้า สารแสนพิเศษที่นับเป็นของเหลวมูลค่าสูงที่สุดในโลก โดยมีราคาจำหน่ายที่ราว 35,000 ถึง 60,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อแกลลอน

แมงดาทะเลที่อยู่ในกระบวนการเก็บเกี่ยวเลือดสีฟ้าเพื่อนำมาใช้ทางการแพทย์ ภาพจาก theguardian.com

สีฟ้าของเลือดดังกล่าวมาจากส่วนประกอบของทองแดง แต่ความพิเศษของมันไม่ได้อยู่ที่สีฟ้า แต่คือสารที่ทำให้แข็งตัวซึ่งนำไปสกัดเป็นลิมูลัส อมีโบไซต์ ไลเสต (Limulus amebocyte lysate) หรือ LAL ซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดทางการแพทย์ในการทดสอบว่าวัคซีนหรือเครื่องมือแพทย์มีการปนเปื้อนของเชื้อแบคทีเรียหรือไม่ เพียงหยดสารดังกล่าวลงไป หากมีการปนเปื้อนแบคทีเรีย LAL จะเข้าล้อมจับแบคทีเรียจนเป็นก้อนคล้ายเจลลีเปรียบเสมือนสัญญาณเตือนของสารปนเปื้อน

ตั้งแต่กระบวนการทดสอบโดย LAL ได้รับการยอมรับโดยสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาสหรัฐอเมริกา มีแมงดาทะเลกว่า 430,000 ตัวถูกจับมาเพื่อ ‘บังคับบริจาคเลือด’ ให้กับอุตสาหกรรมยาของสหรัฐฯ โดยเลือดสีฟ้าจะถูกเก็บไปราวร้อยละ 30 ก่อนที่แมงดาจะถูกปล่อยกลับคืนสู่ธรรมชาติ ผลการศึกษาพบว่าแมงดาทะเลมีโอกาสตายระหว่างกระบวนการราว 5 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ล่าสุดองค์กรระหว่างประเทศเพื่อการอนุรักษ์ธรรมชาติ (International Union for Conservation of Nature: IUCN) ได้เปลี่ยนสถานะของแมงดาทะเลสู่กลุ่ม ‘เปราะบาง (vulnerable)’ และมีแนวโน้มประชากรลดลงอย่างต่อเนื่อง

แม้ว่าปัจจุบันจะมีบริษัทวิจัยพยายามสังเคราะห์สารเพื่อใช้ทดแทน LAL แต่ก็ยังไม่ได้รับการอนุมัติอย่างเป็นทางการโดยคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐฯ สัตว์ชนิดพันธุ์หนึ่งซึ่งมนุษย์นำมาใช้ประโยชน์เพื่อรักษาชีวิตมนุษย์ กลับกลายเป็นคมดาบที่อาจสะบั้นอนาคตของชนิดพันธุ์ที่อยู่รอดมายาวนานหลายล้านปี

เอกสารประกอบการเขียน

The Year in Biomimicry: Mussels, Elephants, Water Bears & More…

ทาร์ดิเกรดกับการขนส่งวัคซีน

Inspired by the Water Bear

Cryptobiosis protects from extremes

แมงป่องเพชฌฆาตชี้เป้าพิฆาตมะเร็ง

Blaze Bio posts phase 1 data for cancer-illuminating ‘tumor paint’

How Scorpion Venom Is Helping Doctors Treat Cancer

On The Horizon: Scorpion venom as cancer treatment

ฉลามกับผนังป้องกันแบคทีเรีย

Sharklet, a biomimetic antibacterial and antifouling technology

Shark Skin-Like Surfaces May Ward Off Hospital Superbugs