สมสกุล เผ่าจินดามุข

บนเตียงผู้ป่วยที่ปรับระดับให้อยู่ท่ากึ่งนั่งกึ่งนอน ผู้ป่วยคนหนึ่งกำมือแน่นเพื่อปั๊มเลือดให้ไหลสู่หลอดแก้ว ที่ต้องใช้ถึงสองหลอดสำหรับให้แพทย์ตรวจหาเบาหวาน การแข็งตัวของเลือด ไขมัน และอีกหลายรายการ พอได้เลือดครบทั้งสองหลอดแล้ว พยาบาลได้นำเอาตัวอย่าง เลือดส่งไปตรวจยังห้องฝั่งตรงข้าม และกลับมาบอก ให้ผู้ป่วยรายนั้นรอ ผลตรวจประมาณหนึ่งชั่วโมง แต่ในอนาคตอันใกล้ เลือดเพียงหยดเดียวหรืออาจจะน้อยกว่านั้น เมื่อถูกหยดลงไปบนแผ่นชิพขนาดไม่กี่ตารางนิ้วก็สามารถบอกข้อมูลทุกอย่างเกี่ยวกับบุคคลผู้นั้นในเวลาไม่กี่วินาที ด้วยกระบวนการอยางเดียวกันกับห้องปฏิบัติการขนาดหลายตารางเมตร

ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ นักวิจัยด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ และเครื่องกลจุลภาคของศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิสก์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือเนคเทค กล่าวถึงแนวโน้มดังกลาวว่ายังเป็นเรื่องใหม่สำหรับประเทศไทย ขณะเดียวกันนับว่าเป็นงานวิจัยที่มีประโยชน์สำหรับประเทศไทย อย่างมากด้วยโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อรัฐบาลตั้งเป้าให้ไทยเป็น "ศูนย์สุขภาพแห่งเอเชีย" ด้วยแล้ว เทคโนโลยี Lab On Chip หรือ ห้องปฏิบัติการบนชิพ น่าจะเป็นเทคโนโลยีที่สนับสนุน จุดมุ่งหมายของประเทศได้

ห้องปฏิบัติการบนชิพเป็นเทคโนโลยีที่เกิดจากการผสมผสาน ความรู้ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ เคมี ชีววิทยา และกลศาสตร์เข้าด้วยกัน หรือที่เรียกว่า ไบโอเมมส์ (BioMEMs) เป็นการนำเอาเครื่องกลจุลภาคมาใช้ทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพเป็นหลัก และมีความเกี่ยวโยงกับนาโนไบโอเทคด้วย เนื่องจากปริมาณสิ่งที่ใช้ทดสอบหาสาร อย่างเช่น เลือด บนไบโอเมมส์นั้นใช้ในระดับน้อยกว่านาโนลิตร ดังนั้น เทคโนโลยีสำหรับทำห้องแล็บบนชิพนี้จึงมีความเกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยีทางหนึ่งด้วย LAB on chip system เป็นชิพที่สามารถจำลองการทำงานของห้องปฏิบัติการ

MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) เป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานระบบกลไกขนาดเล็กและระบบวงจรรวมทางอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกัน โดยได้รับการพัฒนาให้เป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กมาก เพื่อให้ทำงานด้วยความละเอียดในการวัด ตรวจจับ และแจ้งข้อมูลในระดับที่มีความละเอียดสูงและแม่นยำ นอกจาเมมส์จะถูกพัฒนาให้ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ อาทิ ใช้เป็นเซ็นเซอร์วัดแรงกระแทกในรถยนต์แล้ว ยังสามารถนำมาใช้ในด้านการแพทย์ด้วย หรือที่เรียกว่า ไบโอเมมส์ "ขนาดของตลาดอุปกรณ์ประเภทชุดตรวจสำเร็จรูปในไทยมีประมาณ 2,000 ล้านบาทต่อปี อย่างที่ผ่านมามีบริษัทที่ทำชุดตรวจสำหรับตรวจไข้หวัดนก เอชไอวี หรือ ยาบ้า ของไทยอยู่เหมือนกัน เป็นต้น แต่มีความสามารถในการผลิตได้ไม่ถึง 5% ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่จะนำเข้ามาถึง 95%" ดร.อดิสร กล่าว

โจทย์ที่รัฐบาลตั้งเป้าให้ไทยเป็น "ศูนย์สุขภาพแห่งเอเชีย" และเป็น "ครัวของโลก" นี่เอง เป็นโจทย์ที่นักวิจัยมองว่า จำเป็นที่จะต้องศึกษาและพัฒนา ห้องปฏิบัติการบนชิพเพื่อรองรับกับความต้องการของตลาด ดร.อดิสร มองว่า ประเทศไทยมีข้อได้เปรียบประการหนึ่งคือ โรคที่ปรากฏขึ้นในไทยเป็นโรค ที่ไม่เหมือนกับที่เกิดในต่างประเทศ เช่น โรคเฉพาะเขตร้อน เช่น ไวรัสตับอักเสบ เป็นต้น ตามสถิติในประเทศไทยมีไวรัสตับอักเสบชนิด ซี อยู่ด้วย นอกเหนือจากชนิดบี ที่พบส่วนใหญ่ นอกจากนี้ ยังมีโรคธาลัสซีเมีย หรือเลือดจาง ซึ่งเป็นโรคท้องถิ่นที่มีคนไทยจำนวนไม่น้อยป่วยเป็นโรคนี้ "ประเมินว่ามีคนไทยเป็นโรคธาลัสซีเมียประมาณ 1 ล้านคน ซึ่งบางคนไม่รู้ว่าเป็น หรือเป็นชนิดไหน เพราะฉะนั้น ถ้าเราสามารถทำชุดตรวจที่สามารถแก้ปัญหาโรคเหล่านี้ได้ก็จะเป็นประโยชน์กับประเทศ" ดร.อดิสร นักวิจัยที่จบการศึกษาทางด้านไมโครอิเล็กโทรแมคานิคัลซิสเต็ม หรือเมมส์โดยตรงจากมหาวิทยาลัยโคโลราโดกล่าว

เมื่อเทียบขนาดตลาดของไบโอเมมส์ทั่วโลก พบว่าเทคโนโลยีด้านนี้มีอัตราเติบโตค่อนข้างเร็ว โดยมีขนาดของตลาดคาดการณ์ประมาณ 3,300 ล้านดอลลาร์ในปี 2547 หรือมีอัตราการเติบโตถึงปีละ 65% นับเป็นอัตราที่สูงมาก ปัจจุบัน ชุดตรวจสามัญประจำบ้าน หรือที่เรียกว่า พอยต์ ออฟฟ แคร์ (Point of care) เริ่มมีสินค้าวางจำหน่ายในตลาดแล้วและหาซื้อได้สะดวก อย่างเช่น กลูโคส เซ็นเซอร์ ที่สามารถหาซื้อได้ตามร้านวัตสันในราคาเครื่องละไม่กี่พันบาท " อุปกรณ์ประเภทนี้ใช้สะดวกและสามารถวัดค่าได้ทันที ไม่ว่าจะอยู่ที่บ้าน ที่ทำงาน หรืออยู่โรงพยาบาล ไม่จำเป็นต้องรอผลการตรวจจากห้องแล็บอีกที อุปกรณ์ประเภทนี้มีขนาดตลาดถึง 3,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ในปีที่ผ่านมา"

ในต่างประเทศ งานวิจัยทางด้านนี้มีอัตราเติบโตสูงขึ้นทุกปี โดยมีบริษัทที่ทำด้านแล็บออนชิพราว 400 บริษัททั่วโลก อาทิ บริษัทไมโครนิคส์ (เรดมอนด์ ซึ่งตั้งอยู่ในมลรัฐวอชิงตันสหรัฐ) ผู้ผลิตวงจรรวมสำหรับใช้กับชุดตรวจสารเหลวที่มีขนาดเท่ากับบัตรเครดิต อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถผสมสารเหลวขนาดเล็กมาก แล้ววิเคราะห์บนแผ่นชุดตรวจและรู้ผลได้ทันที อีกบริษัทหนึ่งคือ บริษัทนาโนเจน ตั้งอยู่ในซานดิเอโก ผลิตชุดตรวจหาสารพันธุกรรมอย่างดีเอ็นเอ และอาร์เอ็นเอ โดยชุดตรวจนี้จะมีช่องขนาดเล็กนับร้อยช่อง โดยใช้กระแสไฟฟ้าในการควบคุมการไหลและรวมของสารในแต่ละช่องสำหรับตรวจสอบสาร

ห้องปฏิบัติการบนชิพ เป็นชิพที่จำลองการทำงานในห้องแล็บไว้บนแผ่นชิพ โดยจะมีท่อขนาดเล็กมากขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับเส้นผม ท่อจิ๋วนี้เป็นช่องสำหรับให้ของเหลวไหลลงไปตามทาง เพื่อไปผสมกัน หรือไปทำปฏิกิริยากับสารทดสอบหาเชื้อ หรือเพิ่มปริมาณสารดีเอ็นเอ ฯลฯ โดยมีการทำงานเหมือนกับระบบที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ เปรียบเสมือนกับเป็นห้องปฏิบัติการที่ย่อส่วนลงเหลือไม่กี่ตารางนิ้ว

ปัจจุบัน มีบริษัทเอกชนได้นำเทคโนโลยีแล็บออนชิพมาจำหน่ายเป็นเชิงพาณิชย์แล้วคือ บริษัท Agilent Technologies ที่ขายระบบ Agilent 2001 Bio-analyser ระบบที่ใช้เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการบนชิพแห่งแรกในโลก ระบบที่บริษัท Agilent พัฒนาขึ้นมานี้เป็นระบบที่ใช้ตรวจสารดีเอ็นเอ โดยใช้หยดเลือดลงบนชิพ จากนั้นจึงนำชิพไปเสียบลงบนเครื่องอ่านที่มีขนาดเท่ากับคอมพิวเตอร์ เครื่องอ่านชิพจะแจ้งข้อมูลเกี่ยวกับดีเอ็นเอของผู้ตรวจให้ทราบในเวลาอันรวดเร็ว เกี่ยวกับโรคต่าง ๆ ที่เจ้าของเลือดมีแนวโน้มที่จะเป็น

"ข้อดีของห้องปฏิบัติการบนชิพก็คือ ใช้ตัวอย่างสำหรับตรวจสอบน้อยลง เดิมเวลาเราตรวจเลือดจะต้องเจาะเลือดคราวละหลอด หรือในบางครั้งต้องใช้ถึงสองหลอด แต่ในอนาคตการเจาะเลือดมาตรวจจะใช้ตัวอย่างเลือดเพียงนิดเดียว หรือหยดเดียว เพื่อทำการวัดสิ่งเดียวกันนี้ นอกจากใช้ตัวอย่างน้อยลงแล้ว สารเคมีที่ใช้วัดก็น้อยลงด้วย อย่างเช่นสารเคมีที่ใช้วัดเลือด เพื่อให้รู้ค่าต่างๆ เดิมถ้าใช้เลือดเป็นหลอด ก็ต้องใช้สารทดสอบมาก แต่ถ้าใช้เลือดน้อยลงสารที่ใช้ทดสอบจะน้อยลง" ดร. อดิสร อธิบาย

นอกจากนี้ เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการบนชิพยังช่วงลดต้นทุน และช่วยลดเวลาการทำความสะอาดอุปกรณ์ด้วย จากเดิมเมื่อใช้หลอดเก็บตัวอย่าง ต้องนำกลับไปฆ่าเชื้อโรคด้วยระบบผ่านไอน้ำร้อนเพื่อนำกลับมาใช้อีก แต่เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการบนชิพนี้สามารถใช้แล้วทิ้งได้ เนื่องจากต้นทุนถูกมาก และเมื่อผลิตในปริมาณมากๆ อาจถูกกว่าเข็มฉีดยาด้วยซ้ำ ขณะเดียวกัน ความผิดพลาดที่อาจเกิดจากการทำงานของคนจะลดน้อยลงด้วย จากเดิมที่ต้องใช้นักวิจัยประจำห้องแล็บทำการผสมสารตามขั้นตอนต่างๆ เพื่อตรวจหาว่ามีโรคอะไรบ้าง แต่เมื่อใช้เทคโนโลยีแล็บออนชิพ เครื่องจะทำการทดลองแบบอัตโนมัติ ความผิดพลาดของคนก็จะน้อยลงในการทำการทดลองต่างๆ "แล็บออนชิพส่วนใหญ่จะทำด้วย โพลิเมอร์ หรือแก้ว เนื่องจากสารประเภทนี้ ไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมี และสารอินทรีย์ เนื้อเยื่อ และเลือด หรือที่เรียกว่า bio compatibility อีกประการหนึ่งคือวัสดุประเภทนี้ราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับซิลิกอน และง่ายที่จะสร้าง สร้างเป็นแม่แบบและปั๊มแม่แบบพลาสติกได้ ทำให้ต้นทุนการผลิตถูกลง" นักวิจัยประจำศูนย์นาโนเทคขยายความ

ปัจจุบัน การใช้งานแล็บออนชิพมีอยู่มากมาย ส่วนการใช้งานที่ได้รับความสนใจมากที่สุดอย่างหนึ่งคือ ดีเอ็นเอ หรือโปรตีนชิพ เป็นชิพที่เมื่อหยดเลือดลงบนชิพแล้วจะสามารถวิเคราะห์ดีเอ็นเอได้ บริษัทยักษ์ใหญ่ที่ทุ่มเทเงินจำนวนมหาศาลทำด้านนี้ ได้แก่ บริษัทไอทีอย่าง ฮิตาชิ ไอบีเอ็ม และเอชพี ทั้งนี้ ตามคาดการณ์ของบริษัท ฟรอสต์ แอลด์ ซัลลิแวนระบุว่าขนาดตลาดของดีเอ็นเอชิพในปี 2547 มีขนาด 2,600 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ขณะที่ บริษัท ไบโออินไซท์ ประเมินว่าในปี 2548 จะมีขนาดตลาด 950 ล้านดอลลาร์ ขณะเดียวกัน จำนวนการยื่นขอจดสิทธิบัตรที่เกี่ยวกับห้องปฏิบัติการบนชิพในแต่ละเดือนมีจำนวนถึง 365 สิทธิบัตรต่อเดือน และอัตราการเติบโตของแล็บออนชิพสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วง 4-5 ปีที่ผ่านมา ในส่วนของเนคเทค กำลังพัฒนาชุดตรวจเพื่อใช้วัดโรคชนิดต่างๆ หรือใช้ตรวจวัดคุณภาพอาหาร และสภาพแวดล้อม "เราได้พัฒนาชุด microfluid โดยใช้โพลิเมอร์เป็นหลัก และพัฒนาไมโครฮีตเตอร์ พีซีอาร์บนชิพสำหรับเพิ่มจำนวนดีเอ็นเอ เพรสเซอร์เซ็นเซอร์ สำหรับความดันในหลอดเลือด และเซ็นเซอร์วัดแรงสำหรับเครื่องมือช่วยในการผ่าตัด"

ดร. อดิสรกล่าวว่า เทคโนโลยีที่ใช้ทำไบโอเมมส์ เป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้ทำวงจรรวม หรือเทคโนโลยีซิลิกอน โดยแบบพิมพ์ที่ได้จะนำมาทำเป็นแม่แบบสำหรับทำโพลิเมอร์อีกทอดหนึ่ง ในชุดของอุปกรณ์ที่เป็นห้องปฏิบัติการบนชิพนั้นจะมีท่อสำหรับนำสารทดสอบวิ่งไปตามทาง แต่เนื่องจากท่อที่มีขนาดเล็กพอกับเส้นผมมีผลต่อการไหลของเหลวที่แตกต่างจากการไหลในท่อขนาดใหญ่ที่เห็นกันทั่วไป "ปรากฏการณ์ต่างๆ มันเปลี่ยนไปหมด อย่างเช่น การไหลของเหลวในท่อเล็กๆ สารเคมีจะไม่ผสมกันแต่จะไหลซ้อนกันเป็นชั้นๆ ถ้าเป็นท่อขนาดใหญ่เราสามารถเอาสารสองตัวไปผสมกันได้โดยตรง แต่เมื่อท่อมีขนาดเล็กลง การที่ของเหลวมาผสมกันมันเป็นไปไม่ได้แล้ว ของเหลวเปลี่ยนแปลงไปเป็นลักษณะที่เรียกว่า ลามินา โฟลว์" นักวิจัยอธิบาย

ธรรมชาติการไหลของๆ เหลวมีสองลักษณะ ได้แก่ Turbulence Flow ในท่อขนาดใหญ่ ของเหลวที่มาผสมกันจะเกิดการกวนกันของสารผสมกันได้โดยง่าย ส่วน Lamina Flow เป็นการไหลในท่อขนาดเล็ก ซึ่งการไหลจะไหลของสารต่างชนิดจะไหลเป็นชั้นไม่กวนกัน ดังนั้น จึงต้องออกแบบให้ท่อมีลักษณะคดเคี้ยวเหมือนงู เพื่อให้สารผสมกัน ไหลไปตามท่อ เลี้ยวเบนคดเคี้ยวไป นอกจากนี้ เพื่อให้ของเหลวไหลไปตามท่อต่างๆ ได้จำเป็นต้องใช้ปั๊มเพิ่มแรงดัน การเพิ่มแรงดันในท่อขนาดเล็ก นักวิจัยจะใช้กระแสไฟฟ้าดันให้ของเหลวไหลไปตามท่อด้วยหลักการที่เรียกว่า Electro-Osmotic Pump โดยจ่ายกระแสไฟฟ้าไปที่ปลายท่อทั้งสองด้าน ดังนั้น ของเหลวที่มีไอออนอยู่จะพยายามวิ่งไปตามขั้วที่ตรงข้าม เช่น ไอออนลบ จะวิ่งไปทางขั้วบวก จะพาให้ของเหลววิ่งไปตามท่อด้วย

นอกจากการศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับ โพลิเมอร์ที่ใช้ทำชิพ การออกแบบวงจร การศึกษาระบบปั๊มในรูปแบบต่างๆ แล้ว เนคเทคยังได้ดำเนินการเพื่อพัฒนาพีซีอาร์ชิพสำหรับใช้เพิ่มจำนวนดีเอ็นเอ ซึ่งเป็นพื้นฐานในการทำดีเอ็นเอชิพด้วย "ปัจจุบันเครื่องทำพีซีอาร์จะเป็นเครื่องขนาดเท่ากับคอมพิวเตอร์ และมีหลอดสำหรับดีเอ็นเอเข้าไป แล้วใส่ในเครื่องซึ่งจะมีช่องสำหรับเพิ่มอุณหภูมิตามขั้นตอนต่างๆ ในการเพิ่มแยกสายและจับคู่ดีเอ็นเอใหม่ อุปกรณ์ดังกล่าวมีราคาสูง พีซีอาร์ชิพ จะมีกระบวนการและการให้ความร้อนผ่านกระแสไฟฟ้าเหมือนการทำพีซีอาร์ด้วยเครื่อง แต่เร็วกว่าและถูกกว่า การทำพีซีอาร์ถือเป็นพื้นฐานของการทำดีเอ็นเอชิพ ดังนั้น การทำพีซีอาร์ชิพจึงเป็นสิ่งที่เนคเทควางเป้าหมายที่จะพัฒนาเป็นลำดับแรก" ดร.อดิสรกล่าวถึงทิศทาง อีกผลงานหนึ่งที่อยู่ระหว่างการวิจัยและพัฒนาของหน่วยวิจัยเครื่องกลจุลภาคของเนคเทคคือ การพัฒนา Cantilever-based anosensor เป็นเซ็นเซอร์ที่ใช้คานขนาดเล็ก ที่ด้านบนของคานเคลือบด้วยทองคำ และคานถูกเคลือบด้วยสารกระตุ้นแอนติบอดีที่ไวต่อภูมิคุ้มกันโรคบางโรค เมื่อของเหลววิ่งไหลผ่านเข้าไป และมีคู่แอนติเจนแอนติบอดีที่ตรงกันจะเกิดการจับตัว เมื่อจับตัวจะเกิดการโค้งงอของคาน ทำให้สามารถวัดว่ามีการจับตัวเกิดขึ้นหรือไม่ และเป็นขั้นตอนหนึ่งที่ใช้ในการตรวจหาสารของแล็บออนชิพ

เนคเทคยังได้ศึกษาไมโครฮีตเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิสำหรับทำพีซีอาร์ เพื่อดูว่าเมื่อฮีตเตอร์มีขนาดเล็กลง การกระจายตัวของความร้อนจะมีลักษณะแตกต่างอย่างไร และได้ยังทำ micro-needle array เป็นชุดเข็มขนาดเล็กที่ใช้เทคนิคของไอซีมาทำเข็มที่มีขนาดเล็กมากๆ โดยที่ปลายเข็มมีขนาดเท่ากับ 10 นาโนเมตร สามารถเอาไปใช้ร่วมกับแล็บออนชิพ และเป็นเทคนิคในการนำสารเข้ามายังชิพ ดร.อดิสรกล่าวด้วยว่า เนคเทคได้ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยและภาคเอกชน อาทิ มหาวิทยาลัยมหิดล จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าบางมด เป็นต้น

ที่มา : กรุงเทพธุรกิจ (SciTech) ฉบับวันที่ 30 กันยายน 2547