xs
xsm
sm
md
lg

รางวัลโนเบลแพทย์ศาสตร์ปี 2019: สำหรับการค้นพบกลไกทำงานของยีนในเซลล์ยามร่างกายขาดแคลนออกซิเจน

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน


บรรยากาศประกาศผลรางวัลโนเบลแพทย์ (Jonathan Nackstrand, AFP)
รางวัลโนเบลแพทย์ศาสตร์ประจำปี 2019 นี้เป็นของนักชีววิทยาสามท่านคือ William Kaelin Jr. แห่งสถาบัน Dana-Farber Cancer Institute ที่เมือง Boston ในสหรัฐอเมริกา Peter Ratcliffe แห่งมหาวิทยาลัย Oxford ในอังกฤษ และ Gregg Semenza แห่งมหาวิทยาลัย John Hopkins ในสหรัฐอเมริกา จากการพบกลไกการทำงานของยีนในเซลล์สิ่งมีชีวิตทุกเซลล์ เวลาอยู่ในสภาพขาดแคลนออกซิเจน (hypoxia) เพื่อให้สามารถดำรงชีพต่อไปได้

เพราะองค์ความรู้นี้มีประโยชน์มากต่อสัตว์และพืชที่ต้องการออกซิเจน ในการแปลงอาหารเป็นพลังงาน ดังนั้นเวลาเซลล์ตกอยู่ในสถานการณ์ที่มีออกซิเจนในปริมาณน้อยกว่าปกติ เช่น บนยอดเขาสูง ในน้ำลึก หรือเวลาออกกำลังกายหนัก จนร่างกายมีความต้องการออกซิเจนในปริมาณมากกว่าปกติ ภาวะขาดแคลนออกซิเจนอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานอาจทำให้ร่างกายหมดสติ เป็นลม หน้ามืด จนเสียชีวิตได้

ผลงานของนักชีววิทยาทั้งสามยังมีคุณค่ายิ่งในทางการแพทย์ด้วย เพราะได้พบองค์ความรู้ว่าเซลล์ปกติกับเซลล์มะเร็งมีปฏิกิริยาตอบสนองต่อออกซิเจนไม่เหมือนกัน ความรู้นี้จึงเป็นกุญแจสำคัญในการเข้าใจสมุฐถานของการเป็นโรค และเสนอวิธีรักษาโรคหลายชนิด อันได้แก่ มะเร็ง โลหิตจาง แผลอักเสบ อัมพฤกษ์ เบาหวานชนิดที่สอง โรคอ้วน ฯลฯ โดยเฉพาะมะเร็ง ซึ่งตามปกติเซลล์จะแบ่งตัวเร็ว ฯลฯ และบ่อย ดังนั้นเซลล์เหล่านี้จึงต้องการออกซิเจนในปริมาณมาก ความรู้เรื่อง hypoxia จึงเป็นแนวทางหนึ่งที่สามารถช่วยแพทย์ในการควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็ง ไม่ให้ลุกลาม โดยการตัดท่อน้ำเลี้ยงของมัน

นอกจากนี้ hypoxia ยังมีความสำคัญในการทำให้นักชีววิทยาเข้าใจกระบวนการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตด้วย เพราะเซลล์จำต้องปรับตัวเพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีพได้ เวลาเซลล์นั้นประสบภาวะขาดแคลนแก๊สออกซิเจน ดังที่นักชีววิทยามีความรู้ว่า เมื่อ 3,000 ล้านปีก่อนบรรยากาศโลกยังไม่มีแก๊สออกซิเจน และโลกมีแต่สิ่งมีชีวิตชั้นต่ำ แต่เมื่อโลกมีออกซิเจน เหตุการณ์นี้ได้ทำให้สิ่งมีชีวิตชั้นสูงสามารถถือกำเนิดได้ จากนั้นเส้นทางวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกก็เริ่มเปลี่ยนแปลงอย่างมโหฬาร เช่น แมลงเริ่มบินและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเริ่มถือกำเนิด

สำหรับประวัติความเป็นมาของความสนใจเรื่อง hypoxia ได้เกิดขึ้นเมื่อ Semenza ได้แสดงให้เห็นว่า ภาวะ hypoxia จะกระตุ้นยีน erythropoietin (EPO) ในเซลล์ให้ทำงาน ในเบื้องต้น Semenza ได้ใช้หนูเป็นสัตว์ทดลอง และพบว่าชิ้นส่วนของ DNA ที่อยู่ใกล้ยีน EPO ในเซลล์หนูเป็นตัวกำหนดการตอบสนองของเซลล์ต่อภาวะการมีออกซิเจนน้อย โดยได้พบว่ามีโปรตีน HIF (จากคำเต็ม hypoxia – inducible factor) ซึ่งประกอบด้วย transcription factor สองตัว ที่ทำหน้าที่แปลง DNA เป็น RNA ดังนั้น Semenza จึงตั้งชื่อว่า HIF-1 alpha และ ARNT (Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator)

งานวิจัยในเวลาต่อมาได้แสดงให้เห็นว่า เวลามีออกซิเจนอุดมสมบูรณ์ HIF-1 alpha จะสลายตัวอย่างช้าๆ แต่ถ้าสภาพแวดล้อมมีออกซิเจนค่อนข้างน้อย ยีน HIF-1 alpha จะควบคุมการผลิตเม็ดเลือดแดงให้มากขึ้น โดยทำงานร่วมกับยีน EPO

ด้าน Ratcliffe ก็ได้พบว่า ปริมาณออกซิเจนในเซลล์เป็นตัวกำหนดบทบาททำงานของยีน EPO ดังนั้นในช่วงเวลาระหว่างปี 1990-2000 ทั้ง Semenza และ Ratcliffe จึงได้สาธิตให้นักชีววิทยาทุกคนเห็นว่ายีน EPO, HIF-1 alpha และ ARNT ต่างก็มีความสำคัญในการปรับการทำงานของเซลล์ยามขาดแคลนออกซิเจน เพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีพต่อไปได้

ด้าน Kaelin ซึ่งสนใจกลุ่มอาการ von-Hippel-Lindau (VHL) อันเป็นโรคที่เกิดจากความบกพร่องทางพันธุกรรม ก็ได้พบว่าคนที่มีอาการของโรคนี้มียีน VHL ซึ่งมีบทบาทในการกำหนดประสิทธิภาพการตอบสนองของเซลล์ต่อภาวะขาดแคลนออกซิเจนเช่นกัน ดังนั้นถ้ายีน VHL ในร่างกายกลายพันธุ์ คนๆ นั้นก็มีโอกาสจะเป็นมะเร็งค่อนข้างสูง

งานวิจัยของนักชีววิทยาทั้งสามคนจึงมีคุณค่ามากสำหรับแพทย์ในการใช้การค้นพบนี้รักษาโรคหลายชนิด เพราะถ้าแพทย์สามารถลดการสำแดงออกของยีน HIF-1 alpha ได้ เซลล์มะเร็งก็ไม่สามารถแสวงหาออกซิเจนมาเลี้ยงตัวมันได้ ในขณะเดียวกัน การเพิ่มการสำแดงออกของยีน HIF-1 alpha ก็สามารถช่วยให้คนที่เป็นโรคโลหิตจางมีสุขภาพดีขึ้นได้ด้วย

นอกจากภาวะ hypoxia จะมีบทบาทมากในทางการแพทย์แล้ว ยังสามารถช่วยนักชีววิทยาให้เข้าใจอีกด้วยว่า เซลล์ในร่างกายสื่อสารถึงกันได้อย่างไร เพื่อให้ร่างกายทั้งระบบสามารถดำรงชีวิตต่อไปได้ ตามปกติแล้วปริมาณออกซิเจนในร่างกายคนมิได้มีค่าคงตัวตลอดเวลา แต่จะเปลี่ยนแปลง ขึ้นกับว่าคนๆ นั้นกำลังทำอะไร เช่น กินหรืออดอาหาร ออกกำลังกายหรือพักผ่อน เครียดหรือมีอารมณ์ดี และเวลาออกกำลังกาย กล้ามเนื้อในร่างกายจะต้องการออกซิเจนในปริมาณมากกว่าปกติ ดังนั้น กล้ามเนื้อจะใช้ออกซิเจนที่ร่างกายมีในปริมาณมากจนอวัยวะอื่นๆ เช่น ตับ และปอดต้องประสบภาวะขาดแคลนออกซิเจน จึงทำงานได้ไม่เต็มที่ หรือเวลาร่างกายเป็นโรค เส้นเลือดในร่างกายบางส่วนอาจถูกทำร้ายหรือทำลาย ซึ่งมีผลทำให้การไหลของเลือดไปสู่อวัยวะต่างๆ ในร่างกายเป็นไปอย่างไม่สะดวก อวัยวะปลายทางจึงมีออกซิเจนไปหล่อเลี้ยงไม่พอเพียง ด้วยเหตุนี้การทำงานของอวัยวะที่ต้องการออกซิเจนจึงถูกกระทบกระเทือน จนทำให้คนไข้ป่วยหนักขึ้น เมื่อเป็นเช่นนี้การควบคุมระดับออกซิเจนในเซลล์เพื่อให้อวัยวะต่างๆ ในร่างกายทำงานได้อย่างสม่ำเสมอจึงมีความสำคัญต่อทั้งคนป่วยและคนที่มีสุขภาพดี

แต่เวลาร่างกายขาดแคลนออกซิเจน ไม่ใช่ว่าเซลล์ดีๆ ในร่างกายเท่านั้นที่ต้องปรับการทำงาน เซลล์มะเร็งซึ่งต้องการอาหารมากในการเติบโตก็ต้องปรับตัวด้วย โดยต้องให้เซลล์ใช้ออกซิเจนน้อยลง เพื่อจะมีชีวิตอยู่ต่อไปได้ ด้วยเหตุนี้การเข้าใจบทบาทการทำงานของเซลล์ที่ทำงานยามขาดแคลนออกซิเจนจึงช่วยทั้งคนที่มีสุขภาพดีและคนที่ป่วยเป็นโรคร้ายแรง

การศึกษาผลกระทบที่เกิดต่อร่างกายของคนเวลาขาดแคลนออกซิเจนขั้นต่อไปคือกรณีการขาดแคลนที่ติดต่อกันเป็นเวลานาน เช่น ปัญหาสุขภาพของคนทิเบต คนเปรู คนเอธิโอเปีย ฯลฯ ซึ่งตั้งถิ่นฐานอยู่บนที่ราบสูงเป็นเวลานานหลายชั่วอายุคน ก็เป็นเรื่องที่แพทย์ได้สนใจมาเป็นเวลานานแล้ว เพราะสรีรร่างกายและวิถีชีวิตของคนเหล่านี้มีความแตกต่างจากลักษณะของคนที่อาศัยอยู่ที่ระดับน้ำทะเลมาก ด้านนักมานุษยวิทยาก็ได้พยายามหาเหตุผลมาอธิบายว่า เหตุใดชาวอินคา ชาวทิเบตจึงได้อพยพขึ้นไปตั้งถิ่นฐานอยู่ในที่สูงซึ่งมีออกซิเจนน้อย

สถาบันวิจัย Institute National de la Sante et de la Resherche Medical (INSERM) ของฝรั่งเศสซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่เมือง Grenoble ได้ตั้งศูนย์ศึกษาสุขภาพของคนใน La Rinconada บนเทือกเขา Andes ในประเทศเปรู ซึ่งมีคนอาศัยอยู่ประมาณ 60,000 คน ที่ระดับความสูง 5,100 เมตร จึงเป็นหมู่บ้านที่อยู่สูงที่สุดในโลก ทั้งๆ ที่สภาพแวดล้อมของหมู่บ้านมีอุปสรรคและความยากลำบากอย่างแสนสาหัส เพราะไม่มีทั้งระบบน้ำประปา และระบบบำบัดของเสีย อีกทั้งยังสรรพสิ่งในหมู่บ้านยังมีคราบฝุ่นปรอทเคลือบ เพราะการทำเหมืองทองคำจำเป็นต้องใช้ปรอทในการสกัดแยกทองคำออกจากหิน ดังนั้นชาวบ้านจึงได้รับสารปรอทเข้าร่างกายตลอดเวลา นอกจากนี้สภาพอากาศนอกบ้านก็หนาวจัดแทบทั้งปี และร่างกายได้รับรังสีอัลตราไวโอเลทในปริมาณค่อนข้างมาก เพราะหมู่บ้านตั้งอยู่ในที่สูง ดังนั้น เมฆหมอกที่มีน้อยจึงไม่สามารถดูดซับรังสี UV ได้ กระนั้นผู้คนในหมู่บ้านก็ยังตั้งรกรากอยู่ต่อไป เพราะทุกคนหวังรวย

เมื่อสภาพความเป็นอยู่ผู้คนเป็นเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จาก INSERM จึงสนใจจะศึกษาสุขภาพของคนเหล่านี้มาก มิใช่จะสนใจในประเด็นการดื่มสุรายาเมา การติดการพนัน และการติดยาอย่างงอมแงม หรือการต่อสู้วิวาทกันบ่อย แต่สนใจเรื่องวิถีการดำรงชีพของคนในภาวะที่มีอากาศเจือจางต่อสุขภาพ เพราะความหนาแน่นของออกซิเจนในหมู่บ้านมีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเลเท่านั้นเอง การประสบภาวะขาดแคลนออกซิเจนอย่างตลอดเวลานี้ได้ทำให้คนกลุ่มนี้มีกลุ่มอาการเมาภูเขาเรื้อรัง (chronic mountain sickness CMS) ซึ่งจะเห็นได้จากการมีเซลล์เม็ดเลือดแดงในปริมาณมากกว่าคนธรรมดา อีกทั้งมีอาการเวียนศีรษะ ปวดหัว นอนไม่หลับ หายใจไม่ออก ใจสั่น เหนื่อยล้า และเนื้อตัวเขียวคล้ำ เป็นต้น ซึ่งถ้ากลุ่มอาการเหล่านี้ดำเนินติดต่อเป็นเวลานาน คนๆ นั้นก็จะเป็นโรคหัวใจวาย และอาจจะตายอย่างไม่มีทางรักษา นอกจากจะต้องอพยพลงมาอาศัยอยู่ในที่มีระดับความสูงต่ำกว่าเดิม กระนั้นความเสียหายที่เกิดขึ้นต่ออวัยวะของคนๆ นั้นก็ได้เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และถาวรแล้ว

INSERM คิดว่าทั่วโลกมีคนที่ป่วยเป็นโรค CMS ประมาณ 140 ล้านคนเ พราะคนเหล่านี้มีที่อยู่อาศัยในที่ซึ่งสูงกว่า 2,500 เมตรขึ้นไป โดยเฉพาะที่หมู่บ้าน La Rinconada มีคนที่ป่วยเป็นโรค CMS ประมาณ 25%

สำหรับขั้นตอนในการรักษาโรคนี้คือ แพทย์ต้องเข้าใจก่อนว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ร่างกายคนไข้ผลิตเซลล์เม็ดเลือดแดงมากผิดปกติ และการมีเซลล์เม็ดเลือดแดงมากเกินมีผลกระทบต่อร่างกายอย่างไร แพทย์ยังต้องรู้อีกว่า ยีน (gene) ใดในเซลล์มีบทบาทในการควบคุมอาการของโรคนี้ เพราะความเข้าใจในระดับโมเลกุลของอาการ CMS จะช่วยแพทย์ในการรักษาการทำงานของหัวใจคนไข้เมื่อต้องเผชิญภาวะขาดแคลนออกซิเจนได้

ในการตอบคำถามทั้งหลายนี้ ทีมนักวิจัยของ INSERM ได้ศึกษาคน 35 คนที่ป่วยเป็นโรค CMS และอาศัยอยู่ในหมู่บ้าน เพื่อเปรียบเทียบกับคนสุขภาพดี 20 คนซึ่งอาศัยอยู่ในที่ระดับความสูงต่ำกว่า ด้วยการวัดสภาพการทำงานของปอด หัวใจ สมอง และเลือดในร่างกายเพื่อดูการทำงานของอวัยวะต่างๆ ในร่างกายตลอดเวลา ทั้งเวลานอน ทำงานและออกกำลังกาย รวมถึงได้ศึกษาประวัติสุขภาพของครอบครัวด้วย

ตามปกติร่างกายคนเวลาขาดออกซิเจนแม้เพียง 3 นาที การทำงานของสมองก็จะได้รับความกระทบกระเทือนมาก และถ้าขาดออกซิเจนติดต่อกันนาน คนๆ นั้นจะเสียชีวิต ดังนั้นเวลามีออกซิเจนน้อย ร่างกายจึงจะปรับตัวเพื่อให้ชีวิตสามารถคงอยู่ต่อไปได้ ดังจะเห็นได้จากคนที่อาศัยอยู่ที่ต่ำเวลาขึ้นภูเขาสูง จะมีอาการเมาที่สูงในทันที เช่น สมองจะมึน และอาจอาเจียร (สำหรับนักท่องเที่ยวอาจแก้อาการนี้ได้โดยการซื้อกระป๋องหรือขวดบรรจุออกซิเจนมาใช้หายใจเป็นการชั่วคราว) และหลังจากที่เวลาผ่านไป 2-3 วัน ร่างกายก็จะกลับเข้าสู่สภาพปกติ เพราะร่างกายจะผลิตเซลล์เม็ดเลือดแดงมากขึ้น เพื่อให้ hemoglobin ในเซลล์นำออกซิเจนไปเลี้ยงอวัยวะและเนื้อเยื่อในร่างกายได้มากขึ้น ดังนั้นคนที่เพิ่งขึ้นภูเขาสูงเป็นครั้งแรกจึงมักมีปัญหาสุขภาพรวมถึงการเจริญเติบโต เหมือนดังที่แพทย์ชาวสเปนได้ตรวจพบว่า สตรีที่อาศัยในเทือกเขา Andes เวลามีครรภ์ ทารกที่คลอดมักมีน้ำหนักตัวน้อยกว่าปกติ และการคลอดมักจะเกิดขึ้นก่อนกำหนด

แต่สำหรับคนที่อาศัยในที่สูงติดต่อกันนานนับหมื่นปี เช่น ชาวทิเบต หรือชาวอินคา ร่างกายคนเหล่านี้ได้วิวัฒนาการไปจนแทบไม่มีใครมีปัญหาการเป็นโรค hypoxia แล้ว และนักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบว่า ยีนในเซลล์ของชาวอินคาได้ปรับตัวให้มีการสร้าง hemoglobin ในเลือดเพื่อนำออกซิเจนได้มากขึ้น และในบางคนการผลิตเซลล์เม็ดเลือดแดงอาจเกิดขึ้นได้อย่างไร้การควบคุม จนทำให้คนๆ นั้นเป็นโรค CMS ได้เช่นกัน

เพราะเซลล์เม็ดเลือดแดงที่มีมากเกินไปจะทำให้เลือดข้นมาก มีผลทำให้ความดันโลหิตในปอดเพิ่ม และหัวใจจะทำงานหนักขึ้น แต่คนทิเบตใช้วิธีหายใจลึกขึ้นและถี่ขึ้น เพื่อไม่ให้เป็น CMS

ในการรักษาคนที่ป่วยเป็น CMS อย่างฉับพลัน แพทย์ใช้ยา acetazolamide เพื่อลดปริมาณ hemoglobin และเพิ่มความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด

ธรรมชาติที่โหดร้ายในหมู่บ้าน La Rinconada ไม่เพียงทำร้ายชาวบ้านเท่านั้น แต่ยังทำลายสุภาพของทีมวิจัย INSERM ด้วย เมื่อนักวิจัยมักนอนไม่หลับสนิท เพราะต้องหายใจกลิ่นเน่าที่มาจากของเสียในหมู่บ้าน และไม่มีอาหารดีๆ บริโภค ส่วนชีวิตกลางคืนนั้นไม่ต้องพูดถึง เพราะหลัง 2 ทุ่ม ถนนจะเต็มไปด้วยอันตรายสำหรับคนแปลกหน้า

ในที่ประชุมเรื่อง CMS ที่เมือง Chamonix ในฝรั่งเศสเมื่อเดือนมิถุนายนที่ผ่านมานี้ ทีมวิจัย INSERM ได้เปรียบเทียบสุขภาพของชาวเปรู 20 คนที่อาศัยอยู่ที่ระดับน้ำทะเลกับชาวเปรูอีก 20 คนที่อยู่ที่ระดับความสูง 3,800 เมตรว่า เลือดของคนที่อยู่ที่สูงมี hemoglobin ในตัวมากกว่า 2 กิโลกรัม เลือดคนที่ระดับน้ำทะเลมีเพียง 747 กรัมเท่านั้นเอง และคนที่มีเลือดข้นมากจะเป็น CMS ความดันเลือดในปอดของคนที่เป็น CMS ก็สูงถึง 30 มิลลิเมตรของปรอท จึงมากประมาณ 2 เท่าของคนธรรมดา และเวลาออกกำลังกาย ความดันจะเพิ่มถึง 50 มิลลิเมตรของปรอท จึงมีผลต่อการทำงานของหัวใจมาก

ทีมวิจัยหวังว่า ความรู้ที่ได้จากการศึกษาเรื่องนี้จะทำให้เหล่านายทุน เจ้าของเหมืองหันมาสนใจสุขภาพของ “ทาส” บ้าง และแพทย์ชาวเปรูหาวิธีลดภัยที่เกิดจาก CMS ในคนเปรูเอง

ดังนั้น ข่าวรางวัลโนเบลแพทย์ศาสตร์ประจำปีนี้จึงเป็นข่าวที่น่ายินดีสำหรับคนทุกคนที่เกี่ยวข้องสำหรับคนที่อาศัยอยู่ในที่สูง และคนที่กำลังป่วยเป็นโรคร้ายหลายชนิด

อ่านเพิ่มเติมจาก Adaptations to Attitude: A Current Assessment โดย C.M. Beall ใน Annual Review of Anthropology ปี 2013


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...