การพัฒนากรรมวิธีการตรวจวัดการปนเปื้อนของไอออนตะกั่วในปัสสาวะโดยใช้ดีเอ็นเอไซม์ติดกับอนุภาคแม่เหล็กร่วมกับอนุภาคทองนาโน

การปนเปื้อนของตะกั่วในสิ่งแวดล้อม เป็นปัญหาสาธารณสุขที่สำคัญของประเทศไทย เนื่องจากตะกั่วเป็นสารประเภทโลหะหนักที่มีพิษต่อร่างกาย (heavy metal poisoning) และนิยมนำมาใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท อาทิเช่น โรงงานอุตสาหกรรมแม่พิมพ์ เครื่องจักร หรือการผลิตแบตเตอรี่ เป็นต้น ส่งผลให้กากตะกอนของตะกั่วจากโรงงานอุตสาหกรรมปนเปื้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดภาวะตะกั่วเป็นพิษ ซึ่งส่งผลกระทบต่อสุขภาพของประชากรที่อาศัยอยู่บริเวณโดยรอบได้ 

ภาวะตะกั่วเป็นพิษสามารถแสดงออกได้ทั้งแบบเรื้อรังจากการได้รับสารตะกั่วเป็นระยะเวลานานในร่างกายหรือแสดงออกอย่างเฉียบพลันจากการสัมผัสสารตะกั่วในปริมาณมากจนนำไปสู่การเกิดภาวะไตวาย ซึม โคม่า และเสียชีวิตได้ การวินิจฉัยภาวะตะกั่วเป็นพิษทางคลินิกจึงมีความซับซ้อน แพทย์ผู้ตรวจวินิจฉัยจึงต้องมีการสอบประวัติการสัมผัสหรือปนเปื้อนตะกั่วของผู้ป่วย ควบคู่ไปกับการตรวจหาระดับสารตะกั่วที่ตกค้างในเลือดจากห้องปฏิบัติการ  อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเทคนิคทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการตรวจวิเคราะห์ระดับตะกั่วในเลือด ด้วยวิธีการเจาะเลือด จำเป็นต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางในการตรวจและเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีราคาสูง อีกทั้ง ยังไม่สามารถนำไปใช้ตรวจวัดการปนเปื้อนของตะกั่วนอกห้องปฏิบัติการได้ ส่งผลให้เกิดข้อจำกัดในการเข้าถึงการวินิจฉัยและการรักษาภาวะตะกั่วเป็นพิษโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับผู้ป่วยที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนของตะกั่วสูง หรือพื้นที่ที่ห่างไกลโรงพยาบาลหรือห้องปฏิบัติการที่มีความพร้อมในการตรวจวัดปริมาณสารตะกั่ว

จากปัญหาดังกล่าว ข้อเสนอโครงการนี้จึงมีความสนใจที่จะพัฒนากรรมวิธีการตรวจหาการปนเปื้อนสารตะกั่วอย่างง่ายที่มีความแม่นยำ ไม่จำเป็นต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางในการตรวจ เนื่องจากตรวจในตัวอย่างปัสสาวะ เป็นวิธีการเก็บตัวอย่างภายนอกผู้ป่วย (non-invasive collection) ซึ่งไม่ต้องทำการเจาะเลือดให้เกิดความเจ็บปวดแต่อย่างใด  ทำให้สามารถแก้ไขข้อจำกัดของประชากรของประเทศต่อการเข้าถึงการตรวจวินิจฉัยภาวะตะกั่วเป็นพิษของผู้ป่วยที่อยู่ในพื้นที่ห่างไกล โดยผู้วิจัยได้มุ่งหมายที่จะใช้ประโยชน์จากความสามารถในการตัดพันธะ ribonucleotide phosphodiester bond ของดีเอ็นเอไซม์ (DNAzyme) ที่ต้องอาศัย Pb²⁺ เป็น cofactor ในการทำปฏิกิริยา ควบคู่ไปกับการใช้อนุภาคทองนาโน (gold nanoparticles; AuNPs) ที่มีคุณสมบัติในการเกิดสีที่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงได้ด้วยตาเปล่า  หลักการของเซนเซอร์วัด กล่าวคือ เมื่อสารตัวอย่างที่หยดลงในชุดตรวจวัดมีPb²⁺ เป็นองค์ประกอบ DNAzyme ที่ติดอยู่บนอนุภาคแม่เหล็ก (DNAzyme-MB) จะตัดribonucleotide phosphodiester bond ที่ส่วนปลายของ cleaved target sequence (เส้นsubstrate) ออก เหลือเส้นดีเอ็นเอสายยาว (ssDNA) ประมาณ 70 เบส บนอนุภาคแม่เหล็ก  สามารถเกิดการ adsorb บนอนุภาคทองนาโนด้วยแรงประจุ (electrostatic interaction) ระหว่างเบสของเส้นดีเอ็นสายเดี่ยว กับไอออนลบของซิเตรตที่ล้อมรอบอนุภาคทองนาโน เรียกว่า “70-bps DNAzyme-MB/AuNPs” ทำให้สังเกตเห็นสีของ AuNPs ที่เหลือในสารละลายลดลง ตามปริมาณของไอออนตะกั่ว  ในทางกลับกัน หากสารตัวอย่างไม่มี Pb²⁺ เจือปน เส้น substrate ของ DNAzyme-MB จะไม่ถูกตัด และยังคงเป็น dsDNA ที่ประจุลบจากส่วนของ phosphate backbone ทำให้ไม่เกิดการ adsorb บนอนุภาคทองนาโน ทำให้สังเกตเห็นสีของ AuNPs ในสารละลายไม่มีการเปลี่ยนแปลง แสดงดังรูปที่ 1a)  เซนเซอร์ตรวจวัดนี้สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งทำให้ติดตามและวิเคราะห์ปริมาณการเปื้อนของไอออนของตะกั่วในตัวอย่างปัสสาวะ ได้ทั้งในเชิงคุณภาพจากการสังเกตสีที่เกิดขึ้น รวมถึงในเชิงกึ่งปริมาณจากการตรวจวัดความเข้มของสีที่เกิดขึ้นเทียบกับกราฟมาตรฐานจากการอ่านผลค่าการดูดกลืนแสง อีกทั้งยังสามารถนำไปใช้ตรวจวัดการปนเปื้อนของตะกั่วนอกห้องปฏิบัติการ กับสารตัวอย่างนอกเหนือจากปัสสาวะ แต่ยังรวมไปถึงการปนเปื้อนของตะกั่วในสิ่งแวดล้อมหรืออาหารได้อีกด้วย แผนภาพการตรวจหาการปนเปื้อนของไอออนตะกั่วในปัสสาวะโดยใช้ใช้ดีเอ็นเอไซม์ติดกับอนุภาคแม่เหล็กร่วมกับอนุภาคทองนาโน เป็นแพลทฟอร์มในการตรวจวัดแสดงดังรูปที่ 1 b)