Platform development for identifying, assessing, and producing bioactive molecules for disease prevention and treatments using computational and biotechnology tools

ประเทศไทยเป็นประเทศที่มีความหลากหลายทางชีวภาพสูง มีพืชสมุนไพรภายในประเทศประมาณ 11,625 ชนิด ในจำนวนนี้มี 800-1800 ชนิด ที่คนไทยรู้จักสรรพคุณและนำมาใช้ประโยชน์ (สำนักคุ้มครองภูมิปัญญาการแพทย์แผนไทย) จึงยังมีพืชสมุนไพรอีกจำนวนมากที่อาจมีสรรพคุณทางชีวภาพใหม่ ๆ แต่ยังไม่ถูกค้นพบ นอกจากนี้ประเทศไทยยังมีจุลินทรีย์ไม่น้อยกว่า 200,000 ชนิด ประเทศไทยจึงเป็นแหล่งวัตถุดิบของสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ (Bioactive molecules) ที่มีศักยภาพสูงในการพัฒนาต่อยอดเพื่อใช้ประโยชน์ด้านสุขภาพ ยา และด้านอื่น ๆ เช่น อาหาร เครื่องดื่ม เครื่องสำอาง และเวชสำอาง ในปัจจุบัน การใช้สารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพเพื่อประโยชน์ด้านการรักษาและเสริมสุขภาพมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สมุนไพรไทยมีมูลค่าตลาดไม่น้อยกว่า 30,000-40,000 ล้านบาทต่อปี มีแนวโน้มเติบโตเป็นอย่างมาก (ประมาณร้อยละ 10-20 ต่อปี) และได้รับการสนับสนุนจากภาครัฐภายใต้แผนแม่บทอย่างน้อย 2 ฉบับได้แก่ แผนแม่บทแห่งชาติว่าด้วยการพัฒนาสมุนไพรไทย ฉบับที่ 1 พ.ศ. 2560-2564 และแผนแม่บทบูรณาการจัดการความหลากหลายทางชีวภาพ พ.ศ. 2558-2564 ในระดับโลก มูลค่ายาสมุนไพรอยู่ที่ประมาณ 50,900 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 1.5 ล้านล้านบาท) จากมูลค่าสมุนไพรรวมทั้งหมดประมาณ 91,800 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 2.8 ล้านล้านบาท) และมีอัตราการเติบโตอยู่ที่ประมาณร้อยละ 5.9

การพัฒนาการใช้สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่สามารถผลิตได้เองภายในประเทศ เพื่อใช้ในการส่งเสริมสุขภาพ ป้องกันหรือรักษาโรค จะเป็นส่วนสำคัญในการสร้างความเข้มแข็งให้กับระบบสุขภาพของประเทศ เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของผู้ป่วยโรคไม่ติดต่อเรื้อรัง (non-communicable diseases: NCDs) โรคติดเชื้อ และโรคอุบัติใหม่ มีมากขึ้นทุกปี ส่งผลต่อคุณภาพชีวิตของประชากรไทย และทำให้ประเทศสูญเสียค่าใช้จ่ายในการรักษาโรคเป็นอย่างมาก สถิติสาเหตุการตายของประชากรไทยในปี 2562 จากกองยุทธศาสตร์และแผนงาน กระทรวงสาธารณสุข พบว่าโรคไม่ติดต่อเรื้อรังเป็นสาเหตุการตายอันดับ 1 โดยภายในกลุ่มโรคไม่ติดต่อเรื้อรัง มะเร็งรวมกันทุกชนิดเป็นสาเหตุการตายอันดับ 1 มีผู้เสียชีวิตในปี 2562 จำนวน 125 คนจากประชากร 100,000 คน ส่วนกลุ่มโรคติดเชื้อมีผู้เสียชีวิตในปี 2562 จำนวน 51.9 คนจากประชากร 100,000 คน โรคเหล่านี้มีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ จากรูปแบบการใช้ชีวิตของคนในปัจจุบันและโครงสร้างทางสังคมที่กำลังเข้าสู่สังคมผู้สูงอายุ นอกจากนี้ทั่วโลกยังต้องเผชิญกับโรคอุบัติใหม่ต่าง ๆ เช่น โรคที่เกิดจากการติดเชื้อ SARS-CoV-2 ซึ่งมีจำนวนผู้ติดเชื้อทั่วโลกกว่า 250 ล้านคน และมีผู้เสียชีวิตมากกว่า 5 ล้านคน จากสถิติที่กล่าวมา มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ประเทศจะต้องพัฒนาองค์ความรู้ในการพัฒนายาหรือวัคซีนเป็นของตนเอง เพื่อลดการพึ่งพาการนำเข้าจากต่างประเทศ และเพิ่มความสามารถในการแข่งขันกับประเทศต่าง ๆ ได้

อย่างไรก็ตาม การใช้สารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์เพื่อการรักษาและเสริมสุขภาพภายในประเทศ เมื่อคิดเป็นสัดส่วนเทียบกับการใช้ยาแผนปัจจุบันและการดำเนินการในภาพรวมของระบบสุขภาพและสาธารณสุขของประเทศ ยังถือว่าเป็นมูลค่าที่น้อยกว่ามาก สาเหตุส่วนหนึ่งเกิดจากการขาดงานวิจัยสนับสนุนเชิงลึกในการบ่งชี้ฤทธิ์ทางชีวภาพ การขาดข้อมูลกลไกการทำงานของสารออกฤทธิ์ (mode of action หรือ mechanism of action) ว่ายับยั้งหรือส่งเสริมการทำงานของโปรตีนเป้าหมายตัวใด รวมทั้งจำนวนของสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ที่มีเป็นจำนวนมากที่ทำให้การศึกษาวิจัยใช้ระยะเวลานาน และมีค่าใช้จ่ายในห้องปฏิบัติการที่สูง

แนวทางหนึ่งในการลดระยะเวลาในการวิจัยและค่าใช้จ่ายในการทดลอง คือ การใช้เครื่องมือทางคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยคัดเลือกสารที่มีศักยภาพในการยับยั้งเซลล์หรือโปรตีนเป้าหมายหรือมีฤทธิ์ทางชีวภาพตามที่ต้องการ จากข้อมูลสารชีวโมเลกุลจำนวนมากจากฐานข้อมูล หรือช่วยทำนายหา epitope ที่มีศักยภาพนำไปใช้ผลิตเป็นวัคซีน โดยใช้เวลาในการคัดกรองที่สั้น แต่มีความถูกต้องแม่นยำสูง ก่อนที่จะเลือกเฉพาะสารชีวโมเลกุลที่มีศักยภาพสูง ไปทดสอบด้วยเทคนิคด้านเทคโนโลยีชีวภาพในห้องปฏิบัติการต่อไป ขั้นตอนดังกล่าวจะช่วยลดระยะเวลาในการทำวิจัย และลดค่าใช้จ่าย รวมทั้งเพิ่มโอกาสความสำเร็จในการค้นพบสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ใหม่ ๆ

ชุดโครงการวิจัยชุดนี้ มีเป้าหมายเพื่อพัฒนาแพลตฟอร์มการนำเทคโนโลยีเชิงการคำนวณในคอมพิวเตอร์ และเทคโนโลยีชีวภาพมาร่วมกันเพื่อใช้ค้นหา ทดสอบ และผลิตสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ที่มาจากพืชสมุนไพร จุลินทรีย์ และความหลากหลายทางชีวภาพอื่น ๆ ของประเทศไทย เพื่อต่อยอดการพัฒนาสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ไปเป็น ยา สูตรยา หรือวัคซีน ซึ่งจะทำให้เกิดประโยชน์ด้านการแพทย์ ทดแทนการนำเข้ายาราคาแพงจากต่างประเทศ 

วัตถุประสงค์หลักของชุดโครงการนี้คือ การพัฒนาแพลตฟอร์มที่จะช่วยยกระดับการวิจัยพัฒนาสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพในกระบวนการต่าง ๆ ได้แก่

กระบวนการในการสกัด และระบุสารชีวโมเลกุลจากแหล่งวัตถุดิบ
กระบวนการในการทำนายฤทธิ์ของสารชีวโมเลกุล และทำนายการเสริมฤทธิ์กับยาแผนปัจจุบัน
กระบวนการในการศึกษาเข้าใจกลไกการออกฤทธิ์ของสารชีวโมเลกุล
กระบวนการทดสอบฤทธิ์และประสิทธิภาพของสารชีวโมเลกุล
กระบวนการผลิตสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์

ด้วยการนำเทคโนโลยีเชิงการคำนวณ ได้แก่ การใช้แบบจำลองเชิงกลไก (mechanistic modeling) การใช้แบบจำลองการเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) และ การใช้แบบจำลองโครงสร้างโมเลกุล (structural modeling เช่น molecular docking และ molecular dynamics simulation) มาช่วยค้นหาและทำนายฤทธิ์ของสารชีวโมเลกุลเพื่อเร่งกระบวนการค้นหาและพัฒนายา หรือทำนายหา epitope เพื่อเร่งกระบวนการพัฒนาและผลิตวัคซีน ช่วยลดค่าใช้จ่ายที่เกิดจากการลองผิดลองถูกในห้องปฏิบัติการ และเพิ่มอัตราความสำเร็จในการค้นพบสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ตามที่ต้องการ เทคโนโลยีเชิงการคำนวณเมื่อนำมาใช้ร่วมกับเทคโนโลยีชีวภาพในห้องปฏิบัติการ เช่น การสกัด แยกบริสุทธิ์ และระบุสารออกฤทธิ์ด้วย cell-based screening assay การทดสอบฤทธิ์และประสิทธิภาพของสารชีวโมเลกุลด้วยเทคนิค in vitro assay, cell-based assay, และ in vivo assay และกระบวนการผลิตสารชีวโมเลกุลมูลค่าสูง จะทำให้เกิดนวัตกรรมการวิจัยที่สามารถยกระดับการใช้ประโยชน์จากพืชสมุนไพร จุลินทรีย์ หรือแหล่งของสารออกฤทธิ์อื่น ๆ ในการป้องกันและรักษาโรค ให้ประเทศมีองค์ความรู้ในการพัฒนายา หรือ สูตรยา หรือมียา หรือ วัคซีนเป็นของตนเอง เพิ่มศักยภาพในการแข่งขันกับต่างประเทศ และเพิ่มมูลค่าให้แก่วัตถุดิบธรรมชาติของประเทศอีกด้วย

ชุดโครงการนี้ มีโครงการย่อย 4 โครงการ ประกอบไปด้วยอาจารย์ นักวิจัย ผู้ร่วมโครงการมากกว่า 10 คน ที่มีความเชี่ยวชาญหลากหลาย ทั้งด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ วิทยาศาสตร์เชิงการคำนวณ และวิทยาศาสตร์ข้อมูล ซึ่งจะก่อให้เกิดเครือข่ายความร่วมมือที่สำคัญภายในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีในงานวิจัยด้านสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ 

ในแง่ของผลลัพธ์ของชุดโครงการ นอกจากจะเป็นการพัฒนาแพลตฟอร์มในการค้นหา ทดสอบ และผลิตสารชีวโมเลกุลที่มีฤทธิ์ในการป้องกันและรักษาโรคแล้ว ยังมีผลลัพธ์ย่อย จากแต่ละโครงการย่อย คือ 1) สารออกฤทธิ์จากจุลินทรีย์ที่ทำงานเสริมฤทธิ์กับยาแผนปัจจุบันในการยับยั้งเชื้อราดื้อยา 2) สารออกฤทธิ์จากสมุนไพรไทย เห็ด หรือจุลินทรีย์ที่ทำงานเสริมฤทธิ์กับยาเคมีบำบัดแผนปัจจุบันในการยับยั้งเซลล์มะเร็งเต้านม 3) สารออกฤทธิ์จากสมุนไพรไทยที่ยับยั้งเชื้อก่อโรค SARS-CoV-2 และ 4) โปรตีนที่ใช้เป็นวัคซีนสำหรับต้านไวรัสทิลาเปียเลคในปลานิล