แสงซินโครตรอนเผยโครงสร้างขนาดเล็กของกระดูกให้เห็นได้ชัดเจนกว่าที่เคย

มองกระดูกด้วยแสงซินโครตรอน

ศาสตราจารย์ ดร. นพ.นรัตถพล เจริญพันธุ์

หน่วยวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก และภาควิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสภา สำนักวิทยาศาสตร์

ดร.แคทลียา โรจน์วิริยะ

ดร.กาญจนา ธรรมนู

ดร.นันทพร กมลสุทธิไพจิตร จากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

โรคกระดูกพรุนและภาวะกระดูกบางมาพร้อมความชรา เมื่ออายุมากขึ้น หลายสิ่งในร่างกายย่อมเสื่อมถอยตามกาลเวลา ไม่ว่าจะเป็นเส้นผมเปลี่ยนเป็นสีขาว ผิวหนังมีริ้วรอย สายตาเริ่มรางเลือน ไม่เว้นแม้แต่กระดูกที่ค่อย ๆ สูญเสียมวลแคลเซียมอย่างช้าตั้งแต่วัยล่วง 40 ปี และยิ่งเร็วขึ้นในผู้หญิงที่หมดประจำเดือน ผู้ชายก็เป็นโรคกระดูกพรุนได้เช่นกัน แต่อาจเกิดขึ้นช้ากว่าผู้หญิง ไม่ว่าจะอย่างไร เมื่ออายุเลย 70 ปีขึ้นไป เกินครึ่งมีภาวะกระดูกบางหรือโรคกระดูกพรุนซุกซ่อนอยู่ วันหนึ่งข้างหน้า อาจกระดูกหัก และไม่รู้จะหายกลับเป็นปกติหรือไม่ ประมาณการกันว่า ผู้หญิงอายุ 65 ปีขึ้นไป กว่าร้อยละ 30 มีกระดูกพรุนเกือบทั้งหมดไม่รู้ตัวเลยว่ามวลกระดูกลดลงเร็วจนเสี่ยงอันตราย มีหลายโรคและภาวะผิดปรกติอื่น ๆ ที่อาจเร่งให้กระดูกพรุนเร็วขึ้น เช่น โรคความดันเลือดสูง โรคทาลัสซีเมีย โรคเบาหวาน ขาดการออกกำลังกาย การบริโภคเกลือเกิน ฯลฯ

     ความท้าทายที่สำคัญคือ การมองเห็นโครงสร้างขนาดเล็ก ๆ ของกระดูก ในระดับไมโครเมตรหรือนาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์มาก เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปมองไม่เห็น แต่หากมีเครื่องมือพิเศษที่ช่วยนักวิจัยให้มองเห็นโครงสร้างภายในกระดูกได้ละเอียดชัด ก็จะทำให้คิดค้นวิธีการวินิจฉัยและรักษาภาวะกระดูกบางและโรคกระดูกพรุนได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้น ผู้ป่วยอาจรู้ล่วงหน้าเป็นเวลาหลายปีก่อนจะมีอาการ เป็นโชคดีของนักวิจัยไทยที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) มีเทคโนโลยีถ่ายภาพเอกซเรย์สามมิติความละเอียดสูงที่เปิดโลกขนาดเล็กภายในกระดูกให้เห็นได้ชัดเจนกว่าที่เคย

     ภายในท่อสุญญากาศของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน อิเล็กตรอนวิ่งวนในเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ก่อนจะถูกลำเลียงให้เคลื่อนที่ต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอน ในนั้นอิเล็กตรอนถูกบังคับให้เคลื่อนที่เป็นวงรอบภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้อิเล็กตรอนปลดปล่อยโฟตอนหรือแสงขนาน มีความเข้มสูง สว่างกว่าแสงจากดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็น โฟตอนจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของไทยมีสเปกตรัมครอบคลุมหลายความถี่ เช่น อินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีเหนือม่วง รังสีเอกซ์ ฯลฯ นักวิจัยสามารถเลือกเฉพาะบางความถี่ เช่น รังสีเอกซ์ และอินฟราเรด มาใช้ศึกษาโครงสร้างแข็งและโปรตีนของกระดูกตามลำดับ

     เป็นเวลากว่า 5 ปีที่ ศาสตราจารย์ ดร.นพ.นรัตถพล เจริญพันธุ์ จากหน่วยวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก และภาควิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และภาคีสมาชิก สำนักวิทยาศาสตร์ ราชบัณฑิตยสภา พร้อมด้วย ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.สพญ.วัชราภรณ์ ติยะสัตย์กุลโกวิท จากภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และทีมวิจัยกว่า 10 ชีวิต ร่วมกับ ดร.แคทลียา โรจน์วิริยะ ดร.กาญจนา ธรรมนู และ ดร.นันทพร กมลสุทธิไพจิตร จากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ศึกษาโครงสร้างระดับจุลภาคของกระดูก ไม่ว่าจะเป็นใยกระดูกที่เป็นโครงสร้างแข็ง คอร์เทกซ์ที่เป็นส่วนนอกของกระดูก โปรตีนและร่างแหคอลลาเจนในเนื้อเยื่อกระดูก ฯลฯ จนนำไปสู่การค้นพบข้อมูลว่า หนูทดลองที่เป็นโรคความดันเลือดสูงจะมีใยกระดูกบางลง มีรูพรุนเล็กๆ ขนาดนาโนเมตรและไมโครเมตรแทรกอยู่ในเนื้อเยื่อกระดูก การจัดเรียงโมเลกุลคอลลาเจน และโครงสร้างของโปรตีนบางชนิดผิดปกติไปจากที่พบในหนูสุขภาพดี ส่วนในหนูทดลองที่กินเกลือมากเกินพอดี ซึ่งเป็นภาวะคล้ายกับผู้ที่ติดรสเค็ม ก็พบความผิดปกติภายในเนื้อเยื่อกระดูกเช่นกัน เช่น กระดูกต้นขาและแข้งมีความพรุนเพิ่มขึ้น ดังนั้นไม่ว่าจะเป็นโรคความดันเลือดสูง หรือบริโภคเกลือโซเดียมมากเกิน ล้วนส่งผลต่อโครงสร้างแข็งและโปรตีนของกระดูก ยิ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อโรคกระดูกพรุนและกระดูกหักให้แก่ผู้สูงอายุ ซึ่งอยู่ในวัยที่มักพบโรคความดันเลือดสูงร่วมด้วยอยู่แล้ว

     นอกจากงานวิจัยข้างต้น หน่วยวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ยังนำแสงซินโครตรอนมาศึกษาโครงสร้างกระดูกของหนูที่ป่วยเป็นทาลัสซีเมีย ซึ่งเป็นโรคเลือดจางที่พบได้บ่อยในประเทศไทยจากการที่เซลล์เม็ดเลือดแดงสร้างโปรตีนโกลบินได้น้อยหรือสร้างไม่ได้เลย หนูสายพันธุ์นี้มาจากความร่วมมือกับสถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล ซึ่งมีงานวิจัยชั้นนำระดับโลกเกี่ยวกับทาลัสซีเมีย เมื่อหนูทดลองป่วยด้วยโรคทาลัสซีเมีย แม้อาการโดยทั่วไปจะไม่รุนแรง แต่ก็พบความผิดปกติของกระดูกได้ตั้งแต่ยังอายุน้อย เช่น กระดูกบางและมีรูพรุนอยู่ภายใน ไม่แปลกใจที่แสงซินโครตรอนตรวจพบความผิดปกติของกระดูกตั้งแต่ในช่วงเริ่มต้น ไม่ต้องรอให้หนูอายุมาก ๆ หรือเกิดกระดูกพรุนจนหัก และแน่นอนว่า แสงซินโครตรอนก็จะเป็นเครื่องมือที่สำคัญต่อการประเมินประสิทธิภาพและความปลอดภัยของยา สมุนไพร เครื่องมือแพทย์ หรืออาหารที่พัฒนาขึ้นเพื่อช่วยสร้างกระดูกหรือชะลอความเสื่อมของกระดูก

     ในอนาคตยังมีความท้าทายอีกมากรออยู่ แม้ว่าเครื่องเอกซเรย์สามมิติระบบแสงซินโครตรอนจะให้รายละเอียดของโครงสร้างกระดูกได้ดี แต่หากมีเทคโนโลยีอื่น ๆ มาช่วยเสริมศักยภาพ เช่น ปัญญาประดิษฐ์ หรือการวิเคราะห์ภาพเอกซเรย์สามมิติด้วยระบบอัตโนมัติโดยใช้คอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง ก็จะช่วยให้นักวิจัยทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น และอาจนำไปสู่การไขความลับสำคัญของธรรมชาติที่เป็นเป้าหมายของการพัฒนายาแผนปัจจุบัน หรือการรักษารูปแบบอื่น อาทิ การออกกำลังกายเพื่อชะลอความเสื่อมของกระดูก ปฏิเสธไม่ได้เลยว่า สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) หนึ่งในหน่วยงานของกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) คือกำลังสำคัญของนักวิจัยไทย ที่ช่วยกันสร้างสรรค์งานวิจัยคุณภาพสูงระดับสากล ให้เกิดประโยชน์แก่เศรษฐกิจและสังคมไทยได้รวดเร็วและยั่งยืน

บทความโดย

ศาสตราจารย์ ดร. นพ.นรัตถพล เจริญพันธุ์

หน่วยวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก และภาควิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสภา สำนักวิทยาศาสตร์