งานบริการวิชาการและวิจัย

ประโยชน์กับชุมชน-สังคม-ประเด็นร้อน

การวิเคราะห์เครือข่ายทางชีววิทยา – เพื่อนำไปสู่การค้นหายีนและยาที่สำคัญในการรักษาผู้ป่วยโรคโควิด 19 ที่มีอาการรุนแรง

                    ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. กิติพร พลายมาศ                  ภาควิชาคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

         แม้ว่าจะมีการพัฒนาวัคซีนและยาต้านไวรัสของเชื้อโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ (SARS-CoV-2) ที่ก่อให้เกิดโรคโควิด 19 ผู้ป่วยบางรายยังคงมีอาการแทรกซ้อนที่รุนแรงจากภาวะ cytokine storm ซึ่งต้องได้รับการดูแลอย่างใกล้ชิดในหอผู้ป่วยภาวะวิกฤต (Intensive Care Unit, ICU) โดยภาวะ cytokine storm เกิดจากการกระตุ้นเซลล์เม็ดเลือดขาวที่มากเกินไปจากการติดเชื้อทำให้มีการหลั่งของ proinflammatory cytokine ที่มากเกินพอ ทำให้เกิดการบาดเจ็บของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย อาจทำให้อวัยวะต่าง ๆ เกิดภาวะล้มเหลว (multiple organ failure) และทำให้ผู้ป่วยเสียชีวิตได้ ดังนั้นการค้นหายีนที่สำคัญ ตัวบ่งชี้ชีวภาพ (biomarkers) และยาที่เกี่ยวข้องกับการเกิด cytokine storm ในผู้ป่วยโรคโควิด 19 จึงมีความสำคัญในการลดความรุนแรงของโรคดังกล่าว โดยปัจจุบันนี้ข้อมูลทางโอมิกส์ต่าง ๆ (multiomics) และองค์ความรู้ทางด้านชีวสารสนเทศ (Bioinformatics) และชีววิทยาเชิงระบบ (Systems Biology) ได้มีส่วนสำคัญในการวิเคราะห์กลไกการเกิดโรคและการรักษาที่เฉพาะมากขึ้นซึ่งเป็นไปตามหลักการแพทย์แม่นยำ (Precision medicine) นอกจากนี้ในโรคที่มีการอุบัติใหม่นั้น การพัฒนายาใหม่เพื่อรักษาโรคดังกล่าวต้องใช้ระยะเวลาในการสังเคราะห์ยา การทดลองในระดับเซลล์ สัตว์ทดลอง และผู้ป่วย ซึ่งค่อนข้างกินระยะเวลาในการวิจัยที่นาน และมีโอกาสเกิดความล้มเหลวได้ง่าย ดังนั้นกระบวนการทางคอมพิวเตอร์โดยการนำยาเดิมที่มีอยู่แล้วที่ใช้รักษาโรคหนึ่งมารักษาอีกโรคหนึ่ง หรือที่เรียกว่า Drug repurposing จึงมีประโยชน์ในการรักษาโรคอุบัติใหม่เนื่องจากลดระยะเวลาในการทำวิจัยและยาดังกล่าวยังมีความปลอดภัยเนื่องจากเป็นยาที่ใช้อยู่แล้ว

            ผศ. ดร. กิติพร พลายมาศ  (ภาพที่ 1) ภาควิชาคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และคณะได้นำข้อมูลการแสดงออกของยีนจากทรานสคริปโตมิกส์ (transcriptomics) ของเม็ดเลือดขาว (leukocyte) ที่เก็บจากตัวอย่างเลือดของผู้ป่วยโรคโควิด 19 ที่มีอาการรุนแรง โดยข้อมูลดังกล่าวได้มาจาก Gene Expression Omnibus (GEO) DataSets ของฐานข้อมูล National Center for Biotechnology Information หรือ NCBI โดยนำยีนที่มีการแสดงออกอย่างมีนัยสำคัญมาสร้างเป็นเครือข่ายข้อมูลทางชีววิทยา (biological network) เพื่อสร้างเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนที่สัมพันธ์กับระบบภูมิคุ้มกันด้วยวิธีการแพร่ทางเครือข่าย (Network diffusion) ดังภาพที่ 2 เพื่อใช้เป็นเครือข่ายต้นแบบหลักในการศึกษาและเป้าหมายในการกระตุ้นภูมิคุ้มกันเพื่อรักษาผู้ป่วยโรคโควิดที่มีอาการรุนแรงได้ ต่อมาทีมผู้วิจัยได้พัฒนาและรวมรวมข้อมูลหลายระดับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการวิเคราะห์และหาเป้าหมายของยา โดยการนำข้อมูลทรานสคริปโตมิกส์รวมกับเครือข่ายทางชีววิทยาอีก 3 เครือข่าย อันได้แก่ เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน (protein-protein interaction (PPI) network) เครือข่ายการควบคุมของยีน (gene regulatory network) และเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างยาและยีน (drug-gene interaction network) (ภาพที่ 3)

                โดยเครือข่ายทางชีววิทยาดังกล่าวจะนำไปใช้ในการวิเคราะห์ยีน ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ และยาที่สำคัญในผู้ป่วยโรคโควิด 19 ที่มีอาการรุนแรงโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์และขั้นตอนวิธี (algorithm) ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับชีวสารสนเทศ จากการวิเคราะห์เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนพบว่ายีนที่สำคัญในเม็ดเลือดขาวที่ส่งผลให้มีความรุนแรงของโรคโควิด 19 ได้แก่ CDC25A,  GUSB, MYBL2, และ SDAD1 ซึ่งเป็นยีนที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งตัวของเซลล์ และการสลายสารประกอบที่อยู่ภายนอกเซลล์ (extracellular matrix หรือ ECM) นอกจากนี้ตัวบ่งชี้ชีวภาพที่สนใจจะเป็นประเภท microRNA (miRNA) ที่ได้จากการวิเคราะห์เครือข่ายการควบคุมของยีน ได้แก่ hsa-miR-6792-5p, hsa-let-7b-5p, hsa-miR-34a-5p, hsa-miR-92a-3p, และ hsa-miR-146a-5p จากการวิเคราะห์เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างยาและยีนที่สำคัญในการก่อให้เกิดความรุนแรงของโรคโควิด 19 พบว่า doxorubicin และ camptothecin สามารถนำใช้ในการลดความรุนแรงของโรคได้

ภาพที่ 2 เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนที่สัมพันธ์กับระบบภูมิคุ้มกันในผู้ป่วยโรคโควิด 19 ที่มีอาการรุนแรง

ภาพที่ 3 ขั้นตอนการวิเคราะห์เครือข่ายทางชีววิทยาเพื่อหายีน ตัวบ่งชี้ และยาที่สำคัญในผู้ป่วยโรคโควิด 19 ที่มีอาการรุนแรง

ภาพที่ 4  รศ. ดร. ธัญญดา รุ่งโรจน์มงคล  ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

               นอกจากนี้คณะผู้วิจัยยังได้รับความร่วมมือจาก รศ. ดร. ธัญญดา รุ่งโรจน์มงคล (ภาพที่ 4) ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ในการวิเคราะห์โครงสร้าง 3 มิติที่จำลองการจับกันระหว่างยาที่ได้จากการวิเคราะห์เครือข่าย และโปรตีนที่สังเคราะห์มาจากยีนที่สำคัญที่กล่าวไปข้างต้นโดยวิธี molecular docking ซึ่งผลจากการจำลองทางคอมพิวเตอร์พบว่ายาดังกล่าวสามารถจับกับโปรตีนที่สนใจได้

               ข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์ทางชีวสารสนเทศและชีววิทยาเชิงระบบมีความสำคัญในการวิจัยทางการแพทย์ การจำลองและวิเคราะห์โดยใช้โมเดลคณิตศาสตร์และคอมพิวเตอร์สามารถลดระยะเวลาและค่าใช้จ่ายในการวิจัยทั้งในด้านเซลล์ สัตว์ทดลอง และในระดับผู้ป่วยได้ นอกจากนี้ข้อมูลความรุนแรงของโรคโควิด 19 ที่ได้จากการวิเคราะห์เครือข่ายชีววิทยาในหลายระดับสามารถนำไปวิจัยต่อยอดทางการแพทย์ในระดับคลินิกได้

ภาพที่ 5 ผลงานวิจัยของ ผศ.ดร.กิตติพร พลายมาศ ได้รับเลือกเป็น COVER ของวารสาร Journal of Personalized Medicine ฉบับที่ 12 (7) เดือนกรกฏาคม ปี 2565 https://www.mdpi.com/journal/jpm

เอกสารอ้างอิง

Pakorn Sagulkoo, Hathaichanok Chuntakaruk, Thanyada Rungrotmongkol, Apichat Suratanee, and Kitiporn Plaimas, Multi-Level Biological Network Analysis and Drug Repurposing Based on Leukocyte Transcriptomics in Severe COVID-19: In Silico Systems Biology to Precision Medicine, J. Pers. Med. 2022, 12(7), 1030; https://doi.org/10.3390/jpm12071030. (ภาพที่ 5)

Pakorn Sagulkoo, Apichat Suratanee and Kitiporn Plaimas, Immune-Related Protein Interaction Network in Severe COVID-19 Patients toward the Identification of Key Proteins and Drug Repurposing. Biomolecules 12: 690. https://doi.org/10.3390/biom12050690.

ข้อมูลภาพประกอบจาก  :  ผศ.ดร.กิติพร พลายมาศ และ นพ.ภากร สกุลคู

เรียบเรียงข้อมูลโดย  :   ผศ.ดร.สิทธิพร ภัทรดิลกรัตน์  ผศ.ดร.กิติพร พลายมาศ  นพ.ภากร สกุลคู และคุณธนัฎฐา สุทธิมาศ งานวิจัยและบริการวิชาการ คณะวิทยาศาสตร์ งานวิจัยและบริการวิชาการ คณะวิทยาศาสตร์

เผยแพร่ :  วันที่ 26 กรกฎาคม 2565

📢📢**ประชาสัมพันธ์ บริการใหม่!!! จาก งานวิจัยและบริการวิชาการ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เพื่อเพิ่ม KPI ภาควิชา/CE-RU-STAR** 📢📢

👉อาจารย์ที่สนใจสามารถนัดสัมภาษณ์เพื่อให้ข้อมูลข่าว หรือ ส่งข่าวสั้นมาได้ที่ลิ้ง https://forms.gle/7rpAGtXRP2QTCAX79 หรือ สแกน QR code ด้านล่างนี้

👉สอบถามเพิ่มเติมติดต่อ งานวิจัยและบริการวิชาการ คุณธนัฏฐา สุทธิมาศ โทรศัพท์ 02-2185128