การพัฒนาไบโอเซนเซอร์ตรวจวัดการปนเปื้อนของไอออนตะกั่วในเซรั่มของมนุษย์บนฐานดีเอ็นเอไซม์-อนุภาคทองนาโน

ปัญหาการปนเปื้อนของตะกั่วในสิ่งแวดล้อม เป็นปัญหาสาธารณสุขที่สำคัญของประเทศไทย เนื่องจากตะกั่วเป็นโลหะหนักที่นิยมนำมาใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท ส่งผลให้กากตะกอนของตะกั่วจากโรงงานอุตสาหกรรมเหล่านั้นจึงสามารถปนเปื้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม แล้วส่งผลกระทบต่อสุขภาพของประชากรที่อาศัยอยู่บริเวณโดยรอบให้เกิดภาวะตะกั่วเป็นพิษได้

ภาวะตะกั่วเป็นพิษสามารถแสดงออกได้ทั้งแบบเรื้อรังจากการได้รับสารตะกั่วเป็นระยะเวลานานในร่างกายหลายระบบหรือแสดงออกเพียงระบบใดระบบหนึ่ง หรือแสดงออกอย่างเฉียบพลันจากการสัมผัสสารตะกั่วในปริมาณมากจนนำไปสู่การเกิดภาวะไตวาย ซึม โคม่า และเสียชีวิตได้ การวินิจฉัยภาวะตะกั่วเป็นพิษทางคลินิกจึงมีความซับซ้อน แพทย์ผู้ตรวจวินิจฉัยจึงต้องมีการสอบประวัติการสัมผัสหรือปนเปื้อนตะกั่วของผู้ป่วยร่วมกับการตรวจระดับตะกั่วในโลหิตจากห้องปฏิบัติการควบคู่ไปด้วยกัน อย่างไรก็ตาม เทคนิคทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการตรวจวิเคราะห์ระดับตะกั่วในโลหิตในปัจจุบัน จำเป็นต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางในการตรวจและเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีราคาสูง อีกทั้ง ยังไม่สามารถนำไปใช้ตรวจวัดการปนเปื้อนของตะกั่วนอกห้องปฏิบัติการได้ ส่งผลให้เกิดข้อจำกัดในการเข้าถึงการวินิจฉัยและการรักษาภาวะตะกั่วเป็นพิษโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับผู้ป่วยที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ที่มีการปนเปื้อนของตะกั่วสูงหรือพื้นที่ที่ห่างไกลโรงพยาบาลหรือห้องปฏิบัติการที่มีความพร้อมในการตรวจวัดปริมาณสารตะกั่ว

จากปัญหาดังกล่าว ข้อเสนอโครงการนี้จึงมีความสนใจที่จะพัฒนาชุดตรวจวัดสารตะกั่วอย่างง่ายที่มีความแม่นยำสูง มีราคาที่ถูก สามารถนำไปใช้นอกห้องปฏิบัติการได้ และแก้ไขข้อจำกัดของประชากรของประเทศต่อการเข้าถึงการตรวจวินิจฉัยภาวะตะกั่วเป็นพิษของผู้ป่วยที่อยู่ในพื้นที่ห่างไกล โดยผู้วิจัยได้มุ่งหมายที่จะใช้ประโยชน์จากความสามารถในการตัดพันธะ ribonucleotide phosphodiester bond ของดีเอ็นเอไซม์ (DNAzyme) ที่ต้องอาศัย Pb²⁺ เป็น cofactor ในการทำปฏิกิริยา ควบคู่ไปกับการใช้อนุภาคทองนาโน (Gold nanoparticles; AuNPs) ที่มีคุณสมบัติในการเกิดสีที่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงได้ด้วยตาเปล่า บนฐานของอุปกรณ์ตรวจวัดที่เป็นกระดาษเซลลูโลสที่รองรับการออกแบบ pattern ในการตรวจวัดได้ง่าย มีราคาถูก และมีความเหมาะสมกับงานด้านการวิเคราะห์การเปลี่ยนสี ทั้งสามองค์ประกอบดังกล่าวนี้จะเอื้อให้ชุดตรวจวัดมีความจำเพาะจงเจาะจงและมีประสิทธิภาพในการตรวจวัดสารตะกั่วสูง กล่าวคือ เมื่อสารตัวอย่างที่หยดลงในชุดตรวจวัดมี Pb²⁺ เป็นองค์ประกอบ DNAzyme จะตัด ribonucleotide phosphodiester bond ที่ส่วนปลายของ cleaved target sequence (เส้น substrate) มี AuNPs จับอยู่ ส่งผลให้เส้น substrate ไปเข้าคู่กับ DNA คู่สมที่ตรึงอยู่บนกระดาษเซลลูโลส เกิดเป็นสีของ AuNPs ที่สังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่าขึ้น ด้วยหลักการนี้เอง ชุดตรวจวัดที่ผู้วิจัยจะพัฒนาขึ้น จึงสามารถใช้วิเคราะห์การปนเปื้อนของตะกั่วในสารตัวอย่างที่สนใจได้ทั้งในเชิงคุณภาพจากการสังเกตสีที่เกิดขึ้น รวมถึงในเชิงกึ่งปริมาณจากการตรวจวัดความเข้มของสีที่เกิดขึ้นเทียบกับกราฟมาตรฐาน อีกทั้งยังสามารถนำไปใช้ตรวจวัดการปนเปื้อนของตะกั่วนอกห้องปฏิบัติการ กับสารตัวอย่างนอกเหนือจากโลหิตของมนุษย์ แต่ยังรวมไปถึงการปนเปื้อนของตะกั่วในสิ่งแวดล้อมหรืออาหารได้อีกด้วย