โครงร่างไร้เซลล์ กับความลับแห่งการงอกอวัยวะใหม่

เรื่องโดย
ผศ. ดร. ป๋วย อุ่นใจ
ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

เรื่องราวของเซลล์ต้นกำเนิดหรือสเต็มเซลล์เป็นเรื่องที่ได้ยินกันมานานแล้ว ปัจจุบัน นักวิจัยสามารถแยกสเต็มเซลล์ออกมาจากสิ่งมีชีวิต หรือแม้แต่กระตุ้นให้เซลล์จากหลายอวัยวะของร่างกายแปรเปลี่ยนตัวเองกลับไปเป็นสเต็มเซลล์ก็ยังได้ ยิ่งไปกว่านั้น เทคโนโลยีในการเปลี่ยนสเต็มเซลล์ไปเป็นเซลล์ที่ทำงานเฉพาะของอวัยวะต่างๆ เช่น เซลล์ประสาท เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ ก็ได้รับการพัฒนาและประสบความสำเร็จอย่างน่าตื่นเต้น

ที่เจ๋งยิ่งไปกว่านั้นคือ นักวิจัยสามารถเลี้ยงเซลล์ในระบบเพาะเลี้ยงสามมิติ และกระตุ้นให้มันประกอบร่างเป็นก้อนเนื้อเยื่อขนาดจิ๋วที่มีโครงสร้างคล้ายๆ อวัยวะจริงที่เราเรียกว่า อวัยวะมินิ (miniorgan) หรือ ออร์แกนอยด์ (organoid) ได้แล้วด้วย แต่โครงสร้างของอวัยวะมินิเหล่านี้ยังห่างไกลจากความซับซ้อนของโครงสร้างอวัยวะจริงอยู่มากนัก

การควบคุมชะตาของสเต็มเซลล์และกำหนดให้มันเติบโตไปเป็นอวัยวะที่สมบูรณ์นั้นยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทายในวงการอวัยวะทดแทน

ทั้งนี้เพราะปัจจัยสำคัญที่กำหนดชะตาของสเต็มเซลล์นั้น ไม่ได้มีเพียงแค่สารเคมี หรือฮอร์โมนเท่านั้น แต่มีปัจจัยทางกายภาพ เช่น แรงผลักจากเซลล์รอบข้าง การยึดเกาะของเซลล์กับโครงร่างในเนื้อเยื่อ องค์ประกอบของสารเคลือบเซลล์ (extracellular matrix) และอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งสภาวะแวดล้อมรอบๆ เซลล์พวกนี้ เรียกว่า สภาวะแวดล้อมจุลภาค (microenvironment)

งานวิจัยที่ช่วยสร้างองค์ความรู้และความเข้าใจในความสัมพันธ์ระหว่างสเต็มเซลล์และสภาวะแวดล้อมจุลภาคนี้ จะเป็นก้าวที่สำคัญยิ่งที่อาจนำไปสู่เทคโนโลยีในการสร้างอะไหล่อวัยวะ หรือการกระตุ้นให้ร่างกายของผู้ป่วยนั้นสร้างและซ่อมอวัยวะใหม่ขึ้นมาได้เอง และรักษาอาการเจ็บป่วยได้ด้วยตัวเอง!

เหมือนกับซาลามานเดอร์ที่งอกหางออกมาใหม่ได้ หรือหนอนตัวแบนพลานาเรียที่แม้จะโดนสับเป็นชิ้นจิ๋วๆ ก็ยังสามารถงอกเป็นตัวใหม่ที่สมบูรณ์ได้

สิ่งที่นักวิจัยในด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟู (regenerative medicine) สนใจจึงเป็นการสร้างโครงร่างสามมิติที่เลียนแบบโครงร่างทางกายภาพที่พบจริงๆ ภายในเนื้อเยื่อให้เซลล์เข้าไปอยู่ และค่อยๆ เปลี่ยนและประกอบร่างขึ้นมาเป็นอวัยวะใหม่ตามที่ต้องการ

หลายเทคโนโลยีถูกเอามาใช้ เช่น การเลี้ยงเซลล์สามมิติในสารเคลือบเซลล์จำลอง และการพิมพ์โครงร่างอวัยวะออกมาเลยเป็นสามมิติ

ทว่าทั้งสองเทคนิคที่ถูกพัฒนาขึ้นมายังห่างไกลกับความซับซ้อนของโครงสร้างเนื้อเยื่อที่แท้จริงมากนัก ที่จริงแล้ว การพัฒนาอวัยวะในร่างกายนั้นสลับซับซ้อนยิ่งกว่านั้นมาก

ในช่วงของการสร้างอวัยวะ สเต็มเซลล์จะหลั่งสารออกมาสื่อสารกับเซลล์รอบข้าง และร่วมกันควบคุมและกำหนดสภาวะแวดล้อมจุลภาคภายนอกเซลล์ด้วย นั่นหมายความว่าในทุกระยะที่สเต็มเซลล์เปลี่ยนแปลงไปเพื่อสร้างเป็นอวัยวะใหม่ ลักษณะและองค์ประกอบของโครงร่างนอกเซลล์ก็จะเปลี่ยนไปด้วย

และในตอนนี้ นักวิจัยก็เข้าใจเพียงน้อยนิดว่ามีอะไรเกิดอะไรขึ้นบ้างกับโครงร่าง และองค์ประกอบของมันในแต่ละระยะการพัฒนาของสเต็มเซลล์ไปเป็นอวัยวะที่สมบูรณ์

ภาพหัวใจหนูที่ผ่านกระบวนการดีเซลลูลาไรเซชั่น ภาพ 1-3 จากซ้าย และในระหว่างการปลูกถ่ายเซลล์กลับเข้าไป (ขวา)
(ภาพโดย Thomas Matthiesen, University of Minnesota)

อีกไอเดียหนึ่งจึงเกิดขึ้นมา ในช่วงปี ค.ศ. 2006 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมินเนโซต้า ได้แยกเอาโครงร่างสามมิติออกมาจากหัวใจหนู โดยการล้างเซลล์ทั้งหมดออกไปด้วยสารชะล้างอ่อนๆ (mild detergent) ที่เรียกว่ากระบวนการดีเซลลูลาไรเซชั่น (decellularization)

สิ่งที่ได้คืออวัยวะที่ไร้ซึ่งเซลล์เหลืออยู่ แม้จะคงรูปเหมือนอวัยวะจริงๆ ก็ตาม แต่ก็มีความใสกว่ามาก เพราะเซลล์หายไปหมดแล้ว

และหลังจากที่พวกเขาลองปลูกถ่ายเซลล์หัวใจกลับเข้าไปแล้วเอาไปเลี้ยงต่อ ปรากฏว่าโครงร่างหัวใจหนูที่ถูกปลูกถ่ายเซลล์กลับเข้าไปแล้ว สามารถฟอร์มตัวกลับมาเป็นหัวใจใหม่ที่เต้นได้ ภายในระยะเวลาเพียงแค่ไม่ถึงสองสัปดาห์

แม้จะยังมีผิดจังหวะ และเพี้ยนๆ ไปบ้าง แต่เท่านั้นก็น่ากรี๊ดแล้ว สำหรับวิศวกรเนื้อเยื่อ

เทคนิคดีเซลลูลาไรเซชั่นหรือเทคนิคการเตรียมอวัยวะไร้เซลล์ จึงเป็นเทรนด์ใหม่อีกเทรนด์ในช่วงนั้นที่น่าสนใจ จนเริ่มมีบริษัทเอกชนอย่าง มิโรเมตริกซ์ (Miromatrix) ที่ก่อตั้งขึ้นมาเพื่อออกแบบและพัฒนาเทคนิคดีเซลลูลาไรเซชั่นแบบใหม่ๆ และหาวิธีในการปลูกถ่ายเซลล์กลับเข้าไป ด้วยความหวังที่ว่าจะพัฒนาอะไหล่อวัยวะที่สามารถนำมาใช้ปลูกถ่ายได้เลยจากวิธีนี้

แต่พวกเขาก็ยังประสบหลายอุปสรรคที่ยังเข้ามาท้าทาย เช่น การชะล้างเซลล์โดยเทคนิคดีเซลลูลาไรเซชั่นเพื่อเตรียมอวัยวะสำหรับการปลูกถ่ายเซลล์นั้น มักจะมีปัญหาคือเซลล์ที่ปลูกถ่ายกลับเข้าไป ไม่สามารถรู้ได้ว่ามันควรไปอยู่ตรงไหนในโครงร่างไร้เซลล์ที่เหลืออยู่

จากการสังเกต ปัญหานี้มักจะเกิดกับการดีเซลลูลาไรเซชั่นของเนื้อเยื่อของอวัยวะทั้งก้อน แต่จะมีปัญหาน้อยกว่ากับเนื้อเยื่อที่ฝานมาเป็นชิ้นบางๆ เป็นไปได้ว่าเวลาที่ใช้ในการชะเซลล์โดยใช้สารชะล้างนั้นอาจจะช้าไป เพราะกว่าสารชะล้างจะล้างเข้าไปถึงภายในของก้อนอวัยวะ เซลล์ในเนื้อเยื่อข้างในอาจจะเริ่มตายและเริ่มปล่อยเอนไซม์ในการย่อยสลายทั้งสารเคลือบเซลล์และโครงร่างต่างๆ ไปแล้ว

ความเสียหายที่เกิดขึ้นอาจจะมากพอที่จะทำให้เซลล์ที่ปลูกถ่ายเข้าไป ไม่สามารถจดจำโครงร่างในบริเวณนั้นได้อีกต่อไป จึงไม่ยอมเข้าไปอยู่และประกอบตัวเป็นเนื้อเยื่อใหม่

ในช่วงแรกที่ผมกลับมาไทย และเริ่มเป็นอาจารย์ที่ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ผมได้รับเชิญให้สอนวิชาสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง

ผมและคุณสมบัติ สิงหาแก้ว นักวิทยาศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญด้านสัตววิทยาของภาควิชา จึงได้เริ่มเพาะเลี้ยงหนอนตัวแบนในแลบ โดยได้ความอนุเคราะห์สายพันธุ์พลานาเรียมาจาก อ. ดร. วุฒิพงษ์ ทองใบ ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒน์ ประสานมิตร

ภาพพลานาเรียที่ถูกกระตุ้นให้มีสองหัวในห้องปฏิบัติการ (ภาพโดย สมบัติ สิงหาแก้ว)

ผมเริ่มสนใจในด้านชีววิทยาของหนอนตัวแบนพลานาเรีย เพราะจะตัดกี่ครั้ง มันก็งอกอวัยวะออกมาใหม่ได้ตลอด และการงอกอวัยวะใหม่ของพลานาเรียนั้น อวัยวะที่ได้จะสมบูรณ์ เพอร์เฟ็คต์ ไม่เหมือนกับหางจิ้งจกที่พองอกขึ้นมาใหม่แล้วจะสั้นลง แถมระยะเวลาที่ใช้ในการงอกอวัยวะใหม่ของพลานาเรียนั้น เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายในระยะเวลาเพียงแค่สัปดาห์เดียวก็เริ่มเห็นการสร้างอวัยวะใหม่ที่ชัดเจนได้แล้ว

ภาพของเซลล์นีโอบลาสต์ที่ปลูกถ่ายกลับลงไปในโครงร่างไร้เซลล์ของพลานาเรีย (ภาพโดย ดร.เอกสิทธิ์ สอนโพธิ์)

พลานาเรียมีสเต็มเซลล์ที่ทรงพลังมาก เรียกว่า “นีโอบลาสต์” (neoblast) และหากเราเข้าใจว่านีโอบลาสต์ถูกกระตุ้นให้เปลี่ยนแปลงไปเป็นอวัยวะใหม่ได้อย่างไร และอะไรเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงของนีโอบลาสต์จนเป็นอวัยวะใหม่ที่สมบูรณ์ได้ เราอาจจะหาวิธีกระตุ้นให้คนงอกอวัยวะใหม่ได้ก็เป็นได้

ภาพแสดงแนวคิดในเรื่องกระบวนการดีเซลลูลาไรเซชั่นของพลานาเรีย (ภาพโดย ศิวัช เรืองเริงกุลฤทธิ์)

พลานาเรีย ถือได้ว่าเป็นสัตว์ทดลองที่แบบจำลองในการศึกษาสเต็มเซลล์ที่แทบจะเพอร์เฟ็คต์ และแม้จะมีงานวิจัยมากมายศึกษาวิถีชีวเคมีต่างๆ ที่เกี่ยวกับพัฒนาการของสเต็มเซลล์ในพลานาเรีย

แต่น่าแปลกใจที่การศึกษาสารเคลือบเซลล์และโครงร่างสามมิติทางกายภาพที่ประกอบกันเป็นอวัยวะภายในตัวพลานาเรียนั้นกลับมีน้อยยิ่งกว่าน้อย และที่สำคัญ ยังไม่มีใครสามารถทำการทดลองดีเซลลูลาไรเซชั่นในพลานาเรียได้สำเร็จ

ซึ่งถ้าเราต้องการศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อมจุลภาคในพลานาเรีย เราต้องหาวิธีชะเซลล์และแยกโครงร่างไร้เซลล์ออกมาให้ได้สมบูรณ์ที่สุดก่อน ซึ่งท้าทายมาก เพราะโครงสร้างเคลือบเซลล์ของพลานาเรียนั้น สูญสลายไปได้ง่ายมาก แต่ไม่มีอะไรเหนือความพยายาม

เพราะงานนี้พึ่งขึ้นหิ้งไปในวารสาร Zoological Sciences เมื่อเดือนกรกฎาคมที่ผ่านมานี้เอง

ทีมวิจัยของเราสามารถพัฒนาวิธีการแยกโครงร่างสามมิติของหนอนตัวแบนได้เป็นผลสำเร็จเป็นที่แรกในโลก และด้วยความร่วมมือกับห้องปฏิบัติการของ ศ. คิโยคาซู อะกาตะ (Kiyokazy Agata) จากมหาวิทยาลัยกาคูชูอิน (Gakushuin University) ประเทศญี่ปุ่น เราได้พัฒนาวิธีการปลูกถ่ายเซลล์กลับเข้าไปในโครงร่างได้เป็นผลสำเร็จเป็นครั้งแรกอีกด้วย

และที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับผมก็คือ นี่เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงถึงศักยภาพของนักศึกษาไทย เพราะงานวิจัยนี้ เป็นผลงานวิจัยที่เกิดจากความร่วมมือกันของนักศึกษาล้วนๆ โดยที่ผมเป็นเพียงแค่ที่ปรึกษาและผู้ให้การสนับสนุนชักใยอยู่เบื้องหลัง

ดรีม-ชนิฎา วุฒิชัยรังสรรค์ (อดีต นศ. ปริญญาตรีในห้องแลบผม ในขณะนั้น) คือ ผู้ริเริ่มพัฒนาวิธีการแยกสารเคลือบเซลล์และโครงร่างสามมิติของพลานาเรียออกมาได้เป็นผลสำเร็จ

อุ๋งอิ๋ง-อัญชุลีรัตน์ มาลีหวล (อดีต นศ. ปริญญาตรีอีกคนหนึ่งในห้องแลบผม ปัจจุบัน กำลังศึกษาในระดับปริญญาโท) คือผู้ที่พัฒนาวิธีการฟอกฆ่าเชื้อโครงร่างไร้เซลล์ของพลานาเรียเพื่อที่จะสามารถนำไปปลูกถ่ายสเต็มเซลล์ต่อได้

เอก-ดร. เอกสิทธิ สอนโพธิ์ (อดีต นศ. ปริญญาตรี และปริญญาเอกในห้องแลบผม) คือ ผู้ที่ร่วมบุกเบิกโปรเจ็คต์และสานต่องานน้องดรีม จนสามารถพัฒนาเทคนิคการดีเซลลูลาไรเซชั่นในพลานาเรียจนเป็นโปรโตคอลมาตรฐาน อีกทั้งยังเป็นผู้พัฒนาวิธีการปลูกถ่ายเซลล์กลับเข้าไปในโครงร่างสามมิติอีกด้วย

แน่นอนว่างานวิจัยหากนำไปต่อยอดต่อไปอาจจะเปิดโลกใหม่ในวงการเวชศาสตร์ฟื้นฟู ที่จะทำให้เราสามารถเข้าใจบทบาทของสภาวะแวดล้อมจุลภาคที่มีต่อสเต็มเซลล์ และการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ในระหว่างกระบวนการซ่อมแซมและสร้างใหม่ของอวัยวะ ที่จะนำไปสู่ความเข้าใจกลไกอวัยวะงอกใหม่ในพลานาเรีย

ที่ในวันหนึ่งอาจจะถูกเอาลงมาจากหิ้งและช่วยทำให้ผู้ป่วยสามารถงอกแขนขาใหม่ได้เมื่อขาดไป หรือแม้แต่อาจจะพัฒนาความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองได้แบบ วูล์ฟเวอรีน ในหนังเอ็กซ์เมน ก็เป็นได้ ซึ่งอันนี้ก็ต้องรอดูและลุ้นกันต่อไป

แต่ที่ชัดเจนแล้ว ก็คืองานวิจัยนี้ถือเป็นบทพิสูจน์ที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถของนักศึกษาไทย ว่ามีความสามารถผลักดันงานวิจัยได้ไม่แพ้ชนชาติไหนอย่างแน่นอน หากได้รับการสนับสนุนที่เหมาะสม!