ทีมวิจัย SMART LAB พัฒนาเครื่องรักษาผู้ป่วยโรคกระดูกสำเร็จ

 

นายชัยยง โกยกุล นักวิจัยด้านวิศวกรรมชีวภาพ หนึ่งในทีมนักวิจัย SMART LAB มจธ. เปิดเผยถึงแนวคิดในพัฒนาเครื่องกระตุ้นเซลล์กระดูกด้วยพลังงานกลและพลังงานแสงว่า  แม้ปัจจุบันเราจะมีเทคโนโลยีที่สามารถสร้างเซลล์กระดูกขึ้นภายนอกร่างกายและนำกลับเข้าไปใส่ในร่างกายได้  แต่ยังต้องใช้เวลานานหลายเดือนหรือเป็นปี แต่เทคโนโลยีที่ทีมนักวิจัยสมาร์ทแล็บพัฒนาขึ้นนี้ จะทำให้กระดูกเติบโตภายนอกร่างกายได้เร็วขึ้นกว่าปกติหลายเท่าตัว สมมติว่า การรักษาผู้ป่วยเข้าเฝือก 10 เดือน ก็จะลดระยะเวลาลงเหลือประมาณ 4 เดือน และสามารถเข้ากับร่างกายได้เป็นอย่างดี ที่สำคัญสามารถอยู่ได้ตลอดไปโดยไม่ส่งผลกระทบใดๆ ต่อร่างกายมนุษย์

 

“การรักษาผู้ป่วยเกี่ยวกับโรคกระดูกนั้น แพทย์จะตัดกระดูกจากบริเวณสะโพกของผู้ป่วยนำมาใส่แทนบริเวณกระดูกที่สูญเสียหรือแตกหักแม้ว่าการรักษาโดยใช้กระดูกของผู้ป่วยเองจะมีการตอบสนองที่ดีกว่า แต่กรณีของผู้ป่วยโรคกระดูกพรุนการใช้กระดูกของผู้ป่วยจะไม่มีความแข็งแรงพอ เพราะผู้ป่วยโรคนี้กระดูกจะเปราะบาง เกิดการแตกหักได้ง่ายจึงไม่เหมาะที่จะนำกระดูกของผู้ป่วยมาใช้ในการรักษา  หรือในกรณีที่รับบริจาคกระดูกมาก็อาจมีผลข้างเคียงเกิดขึ้นได้หากร่างกายเกิดการต่อต้าน  หรือกรณีใช้กระดูกเทียมแต่ก็ไม่ใช่กระดูกจริง ข้อเสียคือ มีสารพิษหรือสารก่อมะเร็งในร่างกายได้ และด้วยสมบัติทางกลที่แตกต่างกันระหว่างกระดูกเทียมและกระดูกจริงส่งผลให้ผู้ป่วยจะต้องกลับมาเปลี่ยนกระดูกทุกๆ 10 ปี” 

 

ดังนั้น เพื่อเพิ่มแรงกระตุ้นการเกิดกระดูกใหม่ให้เร็วขึ้น ทีมนักวิจัยฯ เริ่มจากทำการทดลองโดยใช้ Tissue engineering ซึ่งเป็นการนำสเต็มเซลล์ของผู้ป่วยมาเพาะเลี้ยง เพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์กระดูกให้เพิ่มมากขึ้นในห้องแล็บ โดยใส่สารเหนี่ยวนำสเต็มเซลล์ เพื่อให้เกิดเซลล์กระดูกหรือที่เรียกว่าออสติโอบลาสต์(Osteoblast) จากนั้นนำมาเลี้ยงในโครงสร้างสังเคราะห์สามมิติก็จะได้กระบวนการของเซลล์กระดูกใหม่ซึ่งมีลักษณะสีขาว เรียกว่า Calcification  เมื่อได้กระดูกที่มีปริมาณและความหนาแน่นตามความต้องการแล้วก็จะนำไปใส่ให้กับผู้ป่วยต่อไป ซึ่งวิธีนี้ผู้ป่วยจะได้กระดูกจริง 100% แต่เซลล์กระดูกที่สร้างขึ้นใหม่นี้ใช้เวลาเติบโตประมาณ 2 เดือนยังถือว่าช้า  จึงได้หาวิธีเพื่อกระตุ้นเร่งเซลล์ให้สร้างกระดูกใหม่ได้เร็วขึ้นอีก โดยอาศัยความรู้ทางวิศวกรรมเครื่องกลเข้ามาช่วยพัฒนาการเติบโตของกระดูกให้เร็วขึ้น  

 

นักวิจัยด้านวิศวกรรมชีวภาพ อธิบายว่า “ ศาสตร์วิศวกรรมเนื้อเยื่อ หรือ Tissue engineering” มีข้อดีคือผู้ป่วยจะได้กระดูกจริง100% เพราะเราใช้สเต็มเซลล์ของผู้ป่วยโดยตรง ทีมวิจัยได้ศึกษาธรรมชาติของกระดูก พบว่ากระดูกคนเราจะมีลักษณะคล้ายกับฟองน้ำซึ่งจะมีช่องว่างที่มีขนาดเล็กมากมาย เซลล์กระดูกก็จะเกาะตามช่องว่างนั้นๆ และข้างในตัวกระดูกเองจะมีของเหลวอยู่ เมื่อคนเราเดิน หรือเล่นกีฬา ของเหลวนั้น ก็จะมีการเคลื่อนตัวไหลเข้าออกตามจังหวะ การเคลื่อนไหวนี้เองจะเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการสร้างกระดูกใหม่ขึ้น ซึ่งเราจะเห็นได้จากนักกีฬาหรือผู้ที่ออกกำลังกายมีโอกาสที่กระดูกจะเติบโตมากกว่าผู้ที่ไม่ค่อยได้ออกกำลังกาย  

 

เมื่อทีมวิจัยได้เรียนรู้ถึงธรรมชาติการเติบโตของกระดูกแล้ว จึงทำการออกแบบเครื่องกลใช้ในการวิจัย โดยนำคอลลาเจนมาผลิตเป็นแม่แบบในการเลี้ยงเซลล์ เรียกว่า Scaffold เพราะกระดูกของคนเราผลิตจากคอลลาเจน 30% จากนั้นทำการถ่ายเซลล์กระดูกลงไปใน Scaffold  เซลล์กระดูกก็จะเกาะตามช่องว่าง และใส่อาหารเลี้ยงเซลล์ลงไป หลังจากนั้นนำเซลล์ใส่ในเครื่องกระตุ้นที่คิดค้นขึ้น โดยจะติดกับแผ่นที่เรียกว่าเพียโซอิเลคทริก (piezoelectric material) ซึ่งเป็นแผ่นที่สามารถเคลื่อนตัวขึ้นลงได้ด้วยพลังงานไฟฟ้าทำให้เกิดแรงอัดและแรงดึง เมื่อแผ่นเพียโซเคลื่อนไหว วัสดุ Scaffold ก็จะได้รับแรงอัดและแรงดึงสลับกันไป ทำให้เกิดการเคลื่อนที่เข้าออกของของเหลวภายในโครงสร้าง ซึ่งก็จะทำให้เกิดกระดูกใหม่เร็วขึ้นนั่นเอง 

 

 การศึกษานี้เป็นการศึกษาอิทธิพลของการกระตุ้นหรือการเคลื่อนไหวของเฟียโซที่โหมดต่างๆว่ามีผลอย่างไรกับการเกิดกระดูกใหม่ จะต้องใช้ความเร็วในการกระตุ้นเท่าไหร่  และมีรูปแบบอย่างไรถึงเหมาะสม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด จึงต้องมีการกำหนดการเคลื่อนตัวของเพียโซ ซึ่งขั้นตอนนี้มีความสำคัญอย่างมาก”

 

ทีมวิจัยฯ ยังทดลองต่อไป โดยหวังว่าจะสามารถเพิ่มความเร็วในการเกิดของกระดูกได้อีก โดยค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแสงอาทิตย์กับมนุษย์ โดยเริ่มทำการศึกษาเกี่ยวกับแสงว่ามีผลต่อการแบ่งตัวเซลล์เพิ่มหรือไม่ และมีผลต่อการเกิดกระดูกใหม่หรือไม่ นายชัยยง  เล่าว่า เราเลือกแสงสีต่างๆ ที่ความเข้มแสงต่างๆ มาทดลอง กระตุ้นการเกิดกระดูกใหม่ และได้ค้นพบว่า แสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะบางชนิดสามารถกระตุ้นการเกิดกระตุ้นใหม่ให้เร็วขึ้นจากเดิมถึง 2 เท่า จากนั้นจึงนำอุปกรณ์ทางกล คือ กด-ดึง และแสง มาผนวกเข้าด้วยกัน กลายเป็น “เครื่องกระตุ้นเซลล์กระดูกพลังงานกลและพลังงานแสง”  ซึ่งกว่าจะพัฒนาเครื่องดังกล่าว ต้องใช้เวลาในการคิดค้นและวิจัย จนมั่นใจในผลการทดลองนานเกือบ 4 ปี

 

นอกจากองค์ความรู้ที่ได้ข้างต้น ทีมวิจัยสมาร์ทแล็บยังได้พัฒนาต่อยอดผลิต “เครื่องตรวจวัดความหนาแน่นของมวลกระดูกด้วยแสงโดยไม่ต้องทำลายเนื้อเยื่อ” ใช้เวลาพัฒนานานกว่า 2 ปี ถือเป็นนวัตกรรมที่ 

 

มจธ.พัฒนาขึ้นได้เป็นผลสำเร็จสามารถนำไปใช้งานได้จริงรายแรกของโลก โดยเทคโนโลยีนี้ทำงานด้วยแสง สามารถวัดความหนาแน่นของมวลกระดูกได้ 3 จุด คือ บริเวณข้อมือ , ข้อเท้า และบริเวณก้นกบ เป็นบริเวณผิวหนังของร่างกายที่มีความบางที่สุด ซึ่งจะช่วยให้แสงผ่านได้ง่ายและสามารถวัดค่ามวลกระดูกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งทีมวิจัยฯ ตั้งเป้าให้เครื่องดังกล่าวเข้าถึงกลุ่มเป้าหมาย โดยเฉพาะกลุ่มผู้สูงอายุและผู้หญิง สามารถตรวจเองได้ง่ายๆ ตามบ้าน ลดความเสี่ยงจากการตรวจด้วยวิธีการเอ็กซ์เรย์เหมือนที่ผ่านมา และยังมีราคาถูก ง่ายต่อการใช้งานอีกด้วย

 

ด้าน ผศ.ดร.อนรรฆ ขันธะชวนะ หัวหน้าทีมวิจัย กล่าวเสริมว่า ที่ผ่านมา มจธ. ได้พยายามที่จะพัฒนาเทคโนโลยีในการรักษาโรคกระดูก โดยการนำโจทย์ทางการแพทย์มาเป็นตัวตั้ง แต่นำความรู้ทางด้านวิศวกรรมและชีวภาพเข้ามาพัฒนาเพื่อตอบโจทย์ให้กับวงการแพทย์  ซึ่งจะส่งผลดีต่อสังคมส่วนรวม การพัฒนาเครื่องกระตุ้นเซลล์กระดูกนี้ จะช่วยให้ในอนาคต คนไม่ต้องผ่าตัด ดามเหล็ก แต่จะเป็นการนำกระดูกที่ถูกสร้างขึ้นในห้องทดลองแล้วนำไปปลูกถ่ายในร่างกายคนได้จริงและสามารถช่วยให้ผู้ป่วยได้รับการรักษาที่เร็วขึ้น

 สิ่งเหล่านี้คือความฝันที่อยากเห็นผลเป็นรูปธรรม ขณะนี้อยู่ระหว่างการทดลองร่วมกับแพทย์ในโรงพยาบาล ในส่วนของเครื่องวัดมวลกระดูกด้วยแสงนั้น เดิมการตรวจวัดความหนาแน่นของกระดูกที่สร้างขึ้นใหม่จะต้องใช้วิธีทำลายเนื้อเยื่อกระดูกจำนวนมาก ทำให้ต้องสูญเสียเนื้อเยื่อที่เลี้ยงมาก และใช้เงินลงทุนสูง  จึงเป็นที่มาของทีมวิจัยฯ ที่ต้องหารหาวิธีการตรวจเนื้อเยื่อกระดูกแบบไม่ต้องทำลาย จนพบว่า การตรวจเนื้อเยื่อด้วยแสงนั้น ไม่จำเป็นต้องตัดเนื้อเยื่อออกมาวัดทำให้เสียหาย และยังไม่ทำลายผลึกไฮดรอกซี่อะพาไทน์ ซึ่งเป็นตัวการการเกิดกระดูกใหม่ 

 

ทั้งนี้ เครื่องวัดมวลกระดูกที่พัฒนาขึ้น นอกจากทำงานด้วยแสงแล้ว ยังใช้ง่าย ราคาถูก และมีความแม่นยำสูงจากการเปรียบเทียบกับเครื่องที่ใช้ตามโรงพยาบาลที่มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง แต่เนื่องจากตัวเครื่องที่พัฒนาขึ้นนี้ยังไม่สวยงาม เป็นเพียงเครื่องต้นแบบ ขณะนี้อยู่ระหว่างขอทุนวิจัยเพิ่ม เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพให้มีความแม่นยำยิ่งขึ้น และพัฒนารูปแบบเครื่องให้มีความสวยงามขึ้น สามารถพกพา หรือนำไปใช้ได้สะดวกยิ่งขึ้น