ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

วัคซีนกึ่งสำเร็จรูป

แค่เติมน้ำ แล้วรอ ก็ฉีดได้

 

ได้ลองใช้แอพพ์จองวัคซีน (ที่อาจจะยังดูไม่ค่อยพร้อม) หรือยังครับ?

การจัดการเรื่องวัคซีนถือเป็นเรื่องใหญ่ แม้ระบบจะยังไม่ค่อยลงตัวสักเท่าไรนักก็ตาม เพราะหนึ่งในความท้าทายในการจัดการกระจายและฉีดวัคซีน ก็คือจะเก็บรักษาวัคซีนอย่างไรไม่ให้บูดสลายไปเสียก่อนที่จะได้ฉีด

และนี่คือหนึ่งในจุดอ่อนที่ทำให้หลายๆ ประเทศกังวลที่จะใช้วัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอ อย่างไฟเซอร์-ไบโอเอนเทค และโมเดอร์นา ที่ต้องเก็บที่อุณหภูมิต่ำยิ่งยวด (-70 องศาเซลเซียส)

และแม้จะพัฒนาขึ้นมาอีกขั้นจนเก็บที่อุณหภูมิช่องฟรีซตู้เย็น (-20 องศาเซลเซียส) ได้สักระยะหนึ่ง แต่ก็อาจจะยังไม่ยาวนานพอที่จะมั่นใจได้ว่าถ้าสต๊อกวัคซีนมาทีหลายล้านโดส แล้วจะกระจายฉีดได้ทันก่อนที่มันจะหมดอายุ

และเมื่อละลายวัคซีนออกมาเก็บที่ 2-8 องศาเซลเซียสเพื่อรอใช้ วัคซีนพวกนี้จะเก็บได้เพียงแค่ไม่กี่วัน

นั่นหมายความว่าแต่ละครั้งที่จะเอาวัคซีนมาใช้จะต้องประมาณให้ดีก่อนว่าจะมีผู้มารับการฉีดกี่คน

ทั้งนี้ เพื่อจัดสรรวัคซีนให้พอดีกับจำนวนผู้ที่ลงทะเบียน

หากจัดวัคซีนมากเกินจำนวนจะเป็นที่น่าเสียดายอย่างที่สุดที่วัคซีนที่กว่าจะได้มาก็แสนยากเย็นจะต้องหมดอายุเสียไปจากการอยู่นอกอุณหภูมิและใช้ไม่ทัน

แน่นอนวัคซีนแบบอื่นๆ เช่น วัคซีนไวรัสเวกเตอร์ (viral vector) อย่างของแอสตราเซนเนก้า สปุตนิกวี และจอห์นสันแอนจอห์นสัน รวมไปถึงวัคซีนที่ทำขึ้นมาจากโปรตีนหนามที่สังเคราะห์ขึ้นมาจากเซลล์ของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ อย่างเช่นของใบยา และโนวาแวกซ์ จะต้องใช้วิธีการเก็บรักษาเพียงแค่ในอุณหภูมิช่องฟรีซตู้เย็นบ้านก็พอเก็บไว้ได้นาน เนื่องจากไม่ต้องใช้ตู้เย็นอลังการราคาเฉียดล้านทำให้การกระจายวัคซีนไม่ยุ่งยากซับซ้อนเท่ากับที่ต้องเก็บที่อุณหภูมิติดลบยิ่งยวด เพราะตู้แช่แข็งธรรมดาราคาไม่กี่พันก็เอาอยู่ โอกาสที่วัคซีนจะบูดระหว่างรอขนส่งหรือรอฉีด เพราะไม่มีที่เก็บที่ปลายทางศูนย์ฉีดวัคซีน ก็จะลดลงไปได้อีกเยอะ

วัคซีนแบบนี้ถ้าไม่มองถึงปัจจัยอื่นๆ อย่างเรื่องความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ และประสิทธิผลของวัคซีน ดูแค่เรื่องการจัดการอย่างเดียวเรียกว่าน่าใช้ และน่าจะช่วยลดปัญหาความเหลื่อมล้ำ ช่วยทำให้ทุกคนมีโอกาสได้เข้าถึงวัคซีนได้

แต่ในความเป็นจริง การนำส่งวัคซีนไปยังถิ่นทุรกันดารที่ไฟฟ้าและสาธารณูปโภคยังเข้าไปไม่ถึง แต่โรคร้ายที่อาจระบาดไปถึง คือความท้าทายที่ทำให้นักวิจัยมากมายต้องย้อนกลับไปคิดแล้วคิดอีกอยู่หลายตลบ

เพราะไฟฟ้ายังไม่มี ทีวียังไม่เห็น แล้วจะมีตู้เย็นให้เก็บวัคซีนได้จริงหรือ!

ในแต่ละปี มีเด็กราวๆ สามสิบล้านคนทั่วโลกที่ไม่ได้รับการฉีดวัคซีน และมีกว่าหนึ่งล้านห้าเเสนคนที่ต้องเสียชีวิตจากการติดเชื้อท้องร่วงและปอดอักเสบที่สามารถป้องกันได้ง่ายๆ ด้วยการฉีดวัคซีน

แต่ไม่ใช่ว่ารัฐจะแค่ซื้อวัคซีนมาแล้วจะจบ แต่ต้องจัดการให้ครบตั้งแต่ส่งจนถึงฉีดให้เรียบร้อย ถึงจะปิดจ๊อบได้ เพราะในความเป็นจริง เกือบๆ ครึ่งของวัคซีนที่ใช้ในประเทศที่กำลังพัฒนาเสื่อมฤทธิ์ไปเสียก่อนจะถึงเวลาฉีดให้ผู้รับ โดยส่วนใหญ่เพราะอุณหภูมิในระหว่างการขนส่งนั้นขึ้นๆ ลงๆ บางทีก็อุ่นขึ้นมา บางทีก็เย็นจัดจนสารละลายกลับไปรีฟรีซใหม่จนโครงสร้างโปรตีนของวัคซีนนั้นเสียหายไม่เหลือชิ้นดี

ตู้เย็นพกพาเวอร์ชั่นของเบิร์กลีย์ จุราวๆ 1 ถึง 3 ลิตรและสามารถรักษาอุณหภูมิที่ 2-8 องศาได้ยาวนานตราบที่ยังมีแสงอาทิคย์ส่องถึง ตู้เย็นจิ๋วนี้จะช่วยทำให้แพทย์นั้นสามารถนำเอาเวชภัณฑ์และวัคซีนเข้าไปถึงเด็กๆ ในพื้นที่ทุรกันดารที่เข้าถึงยากได้

ในปี 2014 แซค ฟรีดแมน (Zach Friedman) และเรซมา ซิงห์ (Reshma Singh) จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ เบิร์กลีย์ กระทรวงพลังงาน สหรัฐ (US-DOE Lawrence Berkeley National Laboratory) ได้ออกแบบตู้เย็นพลังแสงอาทิตย์แบบพกพาได้ ที่สามารถเอาขึ้นซ้อนท้ายจักรยานหรือมอเตอร์ไซค์ ที่จะช่วยให้อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการขนส่ง

ที่จริงปัญหาของการขนส่งพวกวัคซีน เอนไซม์ หรือสารทางชีวภาพต่างๆ ก็คือสารชีวโมเลกุลนั้น มักจะไม่ค่อยเสถียรเท่าไรนัก โดยเฉพาะสารจำพวกโปรตีน โปรตีนคือจักรกลโมเลกุลที่ควบคุมแทบจะทุกกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ โปรตีนบางชนิดทำหน้าที่เป็นเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาเคมีต่างๆ แม้แต่จักรกลไรโบโซม (ribosome) ที่ทำหน้าที่ในกระบวนการสร้างโปรตีนก็มีองค์ประกอบหลักของมันเป็นโปรตีนด้วย แน่นอนที่สุด โปรตีนบางชนิดเป็นโครงสร้างค้ำจุนของเซลล์ และโปรตีนบางตัวนั้นถูกสร้างขึ้นมาเพื่อเป็นโปรตีนสารพิษที่ฆ่าศัตรูและเพิ่มโอกาสในการอยู่รอดให้แก่สิ่งมีชีวิตที่เป็นเจ้าของโปรตีน

แต่ด้วยเหตุที่ว่ารูปร่างจริงๆ ของโปรตีนนั้นมีลักษณะเป็นเหมือนสายโซ่ยาวที่ม้วนพับเป็นก้อนโครงสร้างสามมิติที่มีรูปร่างลักษณะเหมาะสมกับบทบาทหน้าที่ของมันก่อน โปรตีนจึงจะทำงานได้ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปเพียงนิดเดียว โปรตีนบางตัวก็อาจจะเสียโครงสร้างไปจนทำงานไม่ได้

 

และถ้าย้อนกลับมามองไวรัส อนุภาคไวรัสนั้นมีโครงสร้างที่เรียบง่าย อย่าง SARS-CoV-2 ที่ก่อโรคโควิด-19 นั้นก็มีเพียงโปรตีนแค่ไม่กี่ชนิด หลักๆ ก็มีแค่โปรตีนแคปสิด (capsid) ที่เป็นเปลือกไว้ปกป้องสารพันธุกรรมอันเปราะบางของมัน กับโปรตีนในเยื่อหุ้มไวรัสอยู่สองสามชนิด โดยมีตัวหลักก็คือโปรตีนหนาม หรือ spike protein ที่ทำหน้าที่สำคัญที่สุดในการจับกับโปรตีน ACE-2 ของคนเพื่อเริ่มต้นการติดเชื้อเข้าสู่เซลล์

แต่ถ้าดูในจีโนมของมันแล้ว กลับมีรหัสสำหรับการสร้างโปรตีนอีกมากมายหลายชนิดที่ไม่เคยพบเลยในอนุภาคไวรัส โปรตีนเหล่านี้เรียกว่าโปรตีนที่ไม่ใช่โครงสร้าง (non-structural protein) ที่แม้ไม่มีส่วนในโครงสร้างของไวรัส แต่ก็มีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าโปรตีนในอนุภาคของไวรัสเลย โปรตีนที่ไม่ใช่โครงสร้างนี้มักทำหน้าที่เกี่ยวกับการจำลองตัวเพื่อขยายเผ่าพันธุ์ของพวกมัน เช่น เอนไซม์อาร์เอ็นเอดีเพนเดนต์อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรส (RNA-dependent RNA polymerase, RdRP) ที่ใช้ในการคัดลอกสารพันธุกรรมของไวรัสเพื่อสร้างไวรัสรุ่นลูกหลานสืบต่อเผ่าพันธุ์ไวรัสต่อไป

เอนไซม์จำพวกนี้ ไวรัสจะบังคับให้เซลล์สร้างขึ้นเฉพาะกิจ แค่ในเวลาที่พวกมันจะขยายพันธุ์เท่านั้น

ไอเดียแบบไวรัสนี้น่าสนใจครับ เพราะถ้าส่งยากนัก ก็ผลิตมัน on site ตอนที่จะใช้ในภาคสนามนั้นเลยจะดีกว่ามั้ย ไม่ต้องหาตู้แช่ด้วย

 

เจมส์ คอลลินส์ (James Collins) หนึ่งในนักวิจัยที่มีชื่อเสียงที่สุดทางด้านชีววิทยาสังเคราะห์ จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) เริ่มคิดใหม่ทำใหม่

ซึ่งประจวบเหมาะกับที่ในช่วงนั้น คีธ พาร์ดี (Keith Pardee) นักวิจัยหลังปริญญาเอกในขณะนั้นของเจมส์ ได้ออกแบบวิธีการตรึงเอาสารสกัดที่ประกอบไปด้วยเอนไซม์และสารแทบทั้งหมดที่จำเป็นในการถอดรหัสและแปลรหัสสารพันธุกรรมเพื่อสร้างโปรตีนจากเซลล์ลงไปในแถบกระดาษได้เป็นผลสำเร็จ

คีธซับกระดาษด้วยสารสกัดจากเซลล์ที่ถูกทำให้แตกแล้วที่เรียกว่าไลเสต (lysate) ก่อนที่จะเอาไปอบให้แห้งในอุณหภูมิเยือกแข็งโดยเทคนิคที่เรียกว่า lyophilization หรือ Freeze drying ซึ่งเทคนิคนี้ใช้ความเย็นแค่ตอนอบเท่านั้น หลังจากที่แห้งแล้ว ก็สามารถเก็บไว้ได้ที่อุณหภูมิห้องได้สบายๆ ได้นานหลายเดือนหรืออาจจะเป็นปี

แม้ว่าการเก็บรักษาสภาพโปรตีนด้วยวิธีนี้ เอนไซม์และโปรตีนบางส่วนนั้นจะยังคงสภาพดีพอจะทำงานได้

แต่กับโปรตีนที่เสียสภาพได้ง่ายอย่างสารยา วัคซีน และเอนไซม์ที่สำคัญ ต้องบอกว่าแทบจะไม่มีทางเลยที่จะรักษาสภาพของมันไว้ได้ร้อยเปอร์เซ็นต์

ดังนั้น การที่จะเอาวัคซีน หรือสารอะไรที่ต้องระวังในเรื่องคุณภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกที่ต้องใช้กับผู้คนจริงๆ มารักษาสภาพด้วยวิธีนี้ อาจจะไม่ค่อยเหมาะเท่าไร

ทว่าวิธีนี้กลับเหมาะมากสำหรับการเก็บรักษาเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการถอดรหัส (transcription) แปลรหัส (translation) หรือแม้แต่เอนไซม์ที่ช่วยในการพับตัวกันของโปรตีน (chaperone)

แม้ว่าจะเก็บกระดาษไว้ที่อุณหภูมิห้องไว้นานนับปี พอใส่น้ำลงไป เอนไซม์เหล่านี้ก็จะฟื้นชีพและทำงานได้เป็นอย่างดี

 

ทางทีมจึงเริ่มปิ้งไอเดียเด็ด พวกเขาเริ่มต้นออกแบบชุดวงจรยีนสังเคราะห์เพื่อการวินิจฉัยโรคแล้วฝังลงไปในกระดาษร่วมกันกับไลเสต โดยในการทำงาน แค่เติมน้ำและตัวอย่างที่ต้องการตรวจลงไป วงจรจะเริ่มทำงานและหากพบสารพันธุกรรมของเชื้อไวรัสก่อโรค อย่างเช่น อีโบลา หรือไวรัสซิกา และจะสั่งให้เอนไซม์ต่างๆ ในไลเสตในกระดาษเริ่มสร้างโปรตีนเรืองแสงออกมา

ดังนั้น ถ้าตรวจเจอเชื้อ กระดาษก็จะเรืองแสง และถ้าไม่เจอ กระดาษก็จะไม่เรืองแสง วงจรยีนสังเคราะห์แบบนี้สามารถนำมาประยุกต์ใช้เป็นแผ่นเซ็นเซอร์ตรวจเชื้อก่อโรคแบบง่ายๆ ได้ และด้วยความที่กระดาษสามารถผลิตโปรตีนเรืองแสงที่สามารถทำงานได้จริง นั่นหมายความว่าเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตโปรตีนที่ถูกตรึงอยู่ในกระดาษนั้นสามารถเอามาสร้างโปรตีนได้จริงๆ

แล้วถ้าวงจรยีนสังเคราะห์ไม่ได้ออกแบบมาให้สร้างแค่โปรตีนเรืองแสง แต่เป็นสารยา เอนไซม์ หรือโปรตีนที่สามารถนำมาใช้เป็นวัคซีนได้อย่างเช่นโปรตีนหนามไวรัสล่ะ จะเป็นอย่างไร

คีธทดลองออกแบบวงจรใหม่ เพื่อผลิตสารออกมาสองกลุ่ม

กลุ่มแรก ก็คือโปรตีนสายสั้นๆ ที่มีฤทธิ์ในการต้านเชื้อแบคทีเรีย ที่เรียกว่า antimicrobial peptides หรือว่า AMPs

และกลุ่มที่สอง คือวัคซีน

แต่คราวนี้ ทีมของเขาไม่ได้เอาไลเสตไปฝังในกระดาษแล้วค่อยทำแห้งที่อุณหภูมิเยือกแข็งเหมือนตอนทำชุดตรวจโรค แต่เอาไปทำแห้งให้เป็นผงมาก่อนแล้วค่อยมาอัดเป็นเม็ดแทน

พอจะผลิต ก็แค่เอาเม็ดไลเสตใส่ลงไปในขวดแล้วเอาวงจร (ที่ทำแห้งมาเหมือนกัน) ใส่ลงไป ตามด้วยน้ำ แล้วก็รอเวลา

ไม่นาน วงจรสำหรับการสร้าง AMPs ก็ให้ AMPs ออกมามากมาย

และที่สำคัญ AMPs ที่ผลิตได้จากวิธีนี้สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อได้เป็นอย่างดี

 

พวกเขาปรับขนาดของแถบกระดาษให้ใหญ่ขึ้นเพื่อการผลิตวัคซีน โดยในการทดลองของคีธและเจมส์ พวกเขาเลือกสร้างวงจรผลิตดิปธีเรียท็อกซอยด์ (Diphtheria toxoid) หรือโปรตีนชีวพิษคอตีบอ่อนฤทธิ์เพื่อเอามาทดสอบต่อในหนู ดูว่าจะมีคุณสมบัติกระตุ้นภูมิต้านโรคคอตีบได้หรือไม่

แล้วเข้ากระบวนการเดิมครับ เอาเม็ดใส่ขวด ใส่วงจรลงไป แล้วเติมน้ำ รอเวลา

ปรากฏว่าระบบวัคซีนสำเร็จรูปสามารถผลิตวัคซีนคอตีบได้จริง และเมื่อเอาไปทดลองในหนูทดลอง ก็พบว่าหนูสามารถสร้างภูมิต้านโปรตีนชีวพิษของคอตีบได้จริงเสียด้วย

และถ้าพูดถึงโควิด-19 แนวคิดแบบเดียวกันกับที่คีธและเจมส์ทำนี้ อาจจะเอามาใช้เพื่อระบบผลิตวัคซีนสำเร็จรูปที่จะสร้างโปรตีนหนามไวรัส SARS-CoV-2 ออกมาใช้กระตุ้นภูมิได้ ซึ่งวัคซีนที่ได้จากกระบวนการผลิตแบบนี้ก็จะเป็นโปรตีนซับยูนิตซึ่งแบบเดียวกันกับวัคซีนของโนวาแวกซ์ (Novavax) และใบยา

เทคโนโลยีนี้อาจจะไม่จำเป็นนักสำหรับประเทศที่ระบบสาธารณูปโภคและสาธารณสุขดีเพียงพอที่จะกระจายวัคซีนไปได้อย่างทั่วถึง แต่สำหรับในหลายๆ ภูมิภาคบนโลกใบนี้ที่ยังมีพื้นที่ห่างไกลปืนเที่ยงอยู่

เทคโนโลยีนี้อาจจะเป็นอีกหนึ่งเครื่องมือที่จะช่วยลดความเหลื่อมล้ำในการเข้าถึงสิทธิการป้องกันโรค และอาจจะเป็นอีกหนึ่งหนทางที่จะช่วยปกป้องชีวิตผู้คนในท้องถิ่นทุรกันดารจากภัยโรคระบาดก็เป็นได้