Research

ชีววิทยาเชิงระบบ (Systems Biology) คืออะไร และมีความสำคัญอย่างไร

ชีววิทยาเชิงระบบ คือการศึกษาความสัมพันธ์ทางชีววิทยาของสิ่งต่างๆที่เชื่อมโยงกันในระดับโมเลกุล ยีน โปรตีน จนถึงลักษณะการแสดงออกของสิ่งมีชีวิต เพื่อความเข้าใจในเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ ซึ่งมีความเชื่อมโยงกันเป็นระบบขนาดใหญ่ และมีความซ้บซ้อนสูง ดังนั้นการศึกษาชีววิทยาเชิงระบบ จึงต้องมีความเข้าใจพื้นฐานในสหสาขาวิชา และนำข้อมูลมาประมวลผลเชื่อมโยงกันด้วยเทคโนโลยีทางคอมพิวเตอร์และสถิติ เนื่องจากข้อมูลจากการศึกษาชีววิทยาเชิงระบบนั้นมีขนาดใหญ่มาก เทคโนโลยีอย่าง big data และ machine learning จึงมีความสำคัญ เพื่อให้เห็นภาพกว้างของระบบของสิ่งมีชีวิต โดยชีววิทยาเชิงระบบนั้นจะแบ่งการศึกษาออกเป็นหลายระดับ เช่น ระดับยีน ดีเอ็นเอ (genomics), ระดับอาร์เอ็นเอ (transcriptomics), ระดับโปรตีน (proteomics), และระดับของการแสดงออกในสิ่งมีชีวิต (phenomics) เป็นต้น

ในสิ่งมีชีวิตนั้นมีกลไกการควบคุมในหลายๆระดับ อาทิ ในระดับยีน ระดับโปรตีน และในแต่ละระดับก็มีความเชื่อมโยงกัน และมีความเชื่อมโยงในระหว่างระดับที่ต่างกัน เช่น จากระดับโปรตีน โปรตีนบางตัวมีการเติมหมู่เมทิลลงบน DNA หรือโปรตีน Histone เพื่อควบคุมการแสดงออกของระดับยีน ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า epigenetics ดังนั้นการศึกษาชีววิทยาเชิงระบบทำให้เราเข้าใจความซับซ้อนในสิ่งมีชีวิตในภาพใหญ่ และหากมีความผิดปกติเกิดขึ้น ก็สามารถตรวจพบได้รวดเร็วทันที และสามารถต่อยอดไปถึงการเข้าใจในกลไกของโรค เช่น โรคมะเร็ง โรคภูมิแพ้ตนเอง โรคอัลไซเมอร์ ซึ่งจะนำไปสู่การพัฒนาการรักษาโรคในวิธีแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

Proteomics

Cancer Neoantigen Vaccine and Proteomic Technology

Our center is specialized on various approaches in shortgun proteomics. We are particularly interested in cancer and immunology models. Currently our works are toward using proteomics by a high resolution orbitrap mass spectrometer in a combination with computational biology to provide deep understanding of how proteins in the cell and related signaling pathways are regulated. This includes post-translational modifications (PTMs), such as phosphorylation, ubiquitination, acetylation, etc. An orthogonal High-pH reverse phase separation is used to achieve the deep proteome. Also we perform several quantitaive approaches, including dimethyl labeling and 10-plex Tandem Mass Tag (TMT) to provide more insights about protein abundance changes.

โปรตีโอมิกส์ (proteomics) คือการศึกษาโมเลกุลโปรตีนจำนวนมากทั้งระบบ ทำการตรวจวัดโปรตีนหลายชนิดได้พร้อมกันในคราวเดียว เพื่อวัดปริมาณและรูปแบบการแสดงออกของโปรตีนทุกชนิด โดยโปรตีโอมิกส์สามารถลงลึกได้มากถึงระดับการศึกษาโปรตีนทุกชนิดที่พบได้ในเซลล์ (whole proteome) ที่เป็นผลผลิตของยีนทั้งหมด (whole genome) โดยใช้เทคนิคทางโครมาโตกราฟี (liquid chromatography) เพื่อแยกโปรตีนตามลักษณะต่างๆ เช่น ความเป็นขั้ว จากนั้นใช้แมสสเปกโตรเมทรี (mass spectrometry) เพื่อวิเคราะห์ชนิดและปริมาณของโปรตีน โดยเทียบกับฐานข้อมูลของโปรตีน (protein database) เทคนิคทางโปรตีโอมิกส์นี้สามารถตรวจพบโปรตีนได้นับหมื่นชนิดในการตรวจวัดเพียงครั้งเดียว ทำให้เห็นภาพรวมได้ว่าโปรตีนทั้งเซลล์ทำงานเชื่อมโยงกันอย่างไร และเกิดความผิดปกติกับโปรตีนอะไรบ้างที่ก่อให้เกิดโรค เช่น โรคมะเร็ง และโปรตีนที่มีความผิดปกติส่งผลกับโปรตีนอื่น และสร้างความเสียหายให้กับเซลล์และร่างกายอย่างไร

ปัจจุบัน เทคนิคทางโปรตีโอมิกส์มีความสำคัญในการศึกษาในด้านการแพทย์เป็นอย่างมาก เพราะเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดความเข้าใจในบ่อเกิดของโรคในระดับโมเลกุล นอกจากการตรวจวัดชนิดของโปรตีนแล้ว โปรตีโอมิกส์ยังสามารถต่อยอดในการศึกษาการจับเพื่อออกฤทธิ์ของยา การจับกันระหว่างตัวยาแะโปรตีนเป้าหมาย (protein drug target) การหาโมเลกุลที่เป็นตัวบ่งชี้ของโรค (biomarker) การพัฒนาหาวิธีรักษาโรคแบบใหม่ (new therapeutic targets) ซึ่งจะนำมาสู่การวินิจฉัยโรคที่มีความรวดเร็วและแม่นยำมากขึ้น การรักษาโรคมีประสิทธิภาพมากขึ้น

Sequencing

High-throughput Sequencing, Genomics, and Trascriptomics

More information is coming soon.

การศึกษาโมเลกุลดีเอ็นเอ (DNA) และ อาร์เอ็นเอ (RNA) ทั้งระบบ เพื่อถอดรหัสทางพันธุกรรมและวัดปริมาณการแสดงออกของยีน (gene) ทุกยีน

Bioinformatics

Computational Biology and Bioinformatics

Bioinformatics เป็นศาสตร์ทางชีวสารสนเทศ ที่นำโปรแกรมคอมพิวเตอร์เข้ามาใช้กับงานทางด้านชีววิทยาโมเลกุล (Molecular Biology) เพื่อบริหารจัดการข้อมูลด้านชีววิทยาที่ที่มีจำนวนมหาศาลและมีความซับซ้อนโดยช่วยในการเก็บรวบรวม วิเคราะห์ คำนวณ ประเมิน และแปลผลข้อมูล จากเครือข่ายสารสนเทศ โดยสามารถใช้ในการตอบปัญหาต่างๆในทางชีววิทยา หรือ ทำการสร้างแบบจำลองต่างๆจากข้อมูลเหล่านั้นเพื่อทำนายความเป็นไปได้ในทางชีววิทยา โดยสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับการศึกษาวิจัยได้หลากหลายด้าน และยังทำทำให้เกิดศาสตร์ใหม่ต่อมา เช่น จีโนมิกส์ (Genomics), โปรตีโอมิกส์ (Proteomics), เมตาบอโลมิกส์ (Metabolomics) เป็นต้น

นำข้อมูลทางชีววิทยาที่เกี่ยวกับชีวสารสนเทศศาสตร์ (Bioinformatics) เช่น ข้อมูลรหัสทางพันธุกรรม, ข้อมูลลำดับรหัสของโปรตีน, ข้อมูลปริมาณของชีวโมเลกุลชนิดต่างๆ รวมถึงระดับการแสดงออกของยีน (gene) มาทำการจัดเรียงลำดับรหัสของโปรตีน จัดโครงสร้างของโปรตีน ทำนายโครงสร้างของโปรตีน หรือ เพื่อสร้างแบบจำลองโปรตีน เป็นต้น ซึ่งในปัจจุบันมีฐานข้อมูลและเครื่องมือทางชีวสารสนเทศที่เป็นประโยชน์จำนวนมาก

ชีวสารสนเทศศาสตร์จัดว่ามีความสําคัญทางการแพทย์เป็นอย่างมาก โดยสามารถเข้าใจความหมายของรหัสพันธุกรรม ศึกษารูปแบบการแสดงออกของของยีนทั้งหมดในระดับ Transcriptome และในระดับโปรตีน proteome ในสภาวะต่างๆของเซลล์ และสามารถศึกษา metabolic pathway แบบองค์รวมของเซลล์ (metabolomics) รวมทั้งศึกษาวิเคราะห์โครงสร้างโปรตีนจากรหัสพันธุกรรม ซึ่งจะช่วยให้สามารถเข้าใจสาเหตุของการเกิดโรคต่างๆรวมถึงยีนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดโรค เพื่อทําให้สามารถค้นคว้าพัฒนาวิธีการตรวจวินิจฉัยโรคหรือการค้นหายาใหม่ๆ และทํานายการเกิดโรคได้อย่างถูกต้อง อีกทั้งยังสามารถทำนายการตอบสนองต่อยาของคนไข้รายบุคคล เพื่อให้เกิดการรักษาได้รวดเร็ว แม่นยําและมีประสิทธิภาพ

Antibody

Antibody Research and Development

การวิจัยและพัฒนาแอนติบอดีด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดเพื่อการวินิจฉัยและรักษาโรคแบบใหม่

แอนติบอดี หรือ immunoglobulin (Ig) เป็นสารประเภทโปรตีนขนาดใหญ่ มีลักษณะโครงสร้างคล้ายรูปตัววาย (Y shape) ถูกผลิตขึ้นโดยระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายทั้งในมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดต่างๆ ทำหน้าที่เพื่อตรวจจับและทำลายฤทธิ์ของสิ่งแปลกปลอมที่เข้าสู่ร่างกาย (pathogen) เช่น แบคทีเรีย ไวรัส หรือ สารพิษต่างๆ แอนติบอดีแต่ละชนิดจะมีความสามารถในการจับกับโมเลกุลเป้าหมายที่จำเพาะ (epitope) ของสิ่งแปลกปลอมที่เป็นอันตรายต่อร่างกาย (antigen) โดยอาศัยบริเวณส่วน fragment antigen-binding (Fab) fragment ที่ปลายทั้งสองข้างของแอนติบอดี โดยส่วน Fab นี้จะมีการจัดเรียงตัวของกรดอะมิโนที่เป็นส่วนประกอบของโปรตีนหลากหลายเป็นหลายล้านแบบ ทำให้ร่างกายมีชนิดของแอนติบอดีจำนวนมหาศาล ที่มีคุณสมบัติสามารถจับกับโมเลกุลเป้าหมายของสิ่งแปลกปลอมต่างๆ ได้อย่างจำเพาะ โดยไม่มีการจับกับโมเลกุลปกติของร่างกาย

เมื่อมีสิ่งแปลกปลอมบุกรุกเข้าสู่ร่างกาย เซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันชนิดต่างๆ จะถูกกระตุ้น โดยหนึ่งในนั้นคือ B cell ซึ่งเมื่อเกิดการจับกันของ B cell receptor กับสิ่งแปลกปลอมที่จำเพาะ จะส่งผลให้เกิดการกระตุ้นทำให้ B cell เปลี่ยนแปลงเป็น plasma cell ที่สามารถผลิตแอนติบอดีชนิดนั้นๆ ออกมาได้จำนวนมาก แอนติบอดีที่ได้จะหลั่งออกมานอก B cell เข้าสู่กระแสเลือดแล้วไปจับกับโมเลกุลของสิ่งแปลกปลอม ส่งผลให้เกิดการทำลายสิ่งแปลกปลอมผ่านกลไกต่างๆ เช่น ทำให้เกิดการตกตะกอนของสารพิษทำให้หมดความเป็นพิษ หรือเมื่อเกิดการจับแล้วจะอาศัยส่วน fragment crystallizable (Fc) region ของแอนติบอดีทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปกระตุ้นเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันอื่นๆ ให้มาทำลายสิ่งแปลกปลอมนั้นต่อไป

ด้วยความสามารถของแอนติบอดีที่มีความไวต่อการจับกับโมเลกุลเป้าหมายชนิดต่างๆ ได้อย่างจำเพาะ ทำให้มีการนำแอนติบอดีมาทำการประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆ จำนวนมาก เช่น การทำวิจัยทางวิทยาศาสตร์ มีการใช้ แอนติบอดีเป็นส่วนประกอบในเทคนิคการทดลองหลากหลายชนิด และในทางด้านการแพทย์แอนติบอดีก็มีบทบาทสำคัญ โดยมีการนำมาประยุกต์ใช้ในการตรวจวินิจฉัยโรค (diagnostic antibody) และที่สำคัญยิ่งคือการประยุกต์ใช้แอนติบอดีเพื่อการรักษาโรค (therapeutic antibody) ซึ่งถือเป็นแนวทางการรักษาโรคแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงและมีผลข้างเคียงต่ำในปัจจุบัน

แอนติบอดีเพื่อการวินิจฉัย (Diagnostic Antibody)

เนื่องด้วยความสามารถของแอนติบอดี ในการทำปฏิกิริยาจับกับโมเลกุลเป้าหมายได้อย่างจำเพาะทำให้เกิดการประยุกต์ใช้แอนติบอดีในการวินิจฉัยด้านต่างๆ จำนวนมาก โดยเฉพาะในด้านการแพทย์ เทคนิดการตรวจวินิจฉัยหลากหลายชนิดที่มีแอนติบอดีเป็นองค์ประกอบหลักในการทำปฏิกริยา เพื่อตรวจวัดสิ่งที่สนใจนั้นเป็นเทคนิคที่มีความไวและความแม่นยำสูง และมีความสำคัญอย่างมากในการทำให้ได้มาของข้อมูลที่จำเป็นสำหรับแพทย์ในการเลือกใช้ยาและวิธีการต่างๆ ในการรักษาคนไข้ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการรักษาสูงสุด

เทคนิคการตรวจวินิจฉัยทางการแพทย์ที่อาศัยแอนติบอดีเป็นองค์ประกอบหลักนั้น มีความสำคัญในหลายๆกระบวนการของการรักษาผู้ป่วย ตั้งแต่ขั้นตอนการวินิจฉัยโรคเพื่อระบุโรคที่ผู้ป่วยเป็น เช่นโรคติดเชื้อ เทคนิคเหล่านี้สามารถใช้ตรวจเพื่อระบุชนิดของเชื้อโรคหลายชนิด ทั้งเชื้อไวรัสและแบคทีเรียได้อย่างแม่นยำ หรือใช้ในการวินิจฉัยโรคมะเร็งโดยเซลล์มะเร็งแต่ละชนิดมักจะมีการแสดงออกของโปรตีน หรือ biomarker ที่แตกต่างจากเซลล์ปกติ การใช้แอนติบอดีที่สามารถจับกับโปรตีนเหล่านี้ได้อย่างจำเพาะ จะช่วยทำให้สามารถระบุชนิดของมะเร็งในผู้ป่วยแต่ละคนได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากเนื่องจากมะเร็งแต่ละชนิดจะมีการตอบสนองต่อยาแต่ละตัวแตกต่างกัน การวินิจฉัยที่ถูกต้องแม่นยำจะส่งผลต่อการเลือกวิธีการรักษาและประสิทธิภาพของการรักษาโดยตรง นอกจากการตรวจเพื่อระบุโรคแล้วเทคนิคเหล่านี้ยังมีความสำคัญ ต่อการตรวจวัดสารชีวะโมเลกุลต่างๆ ในร่างกาย เช่น ใช้เป็นส่วนประกอบของเทคนิคในการระบุชนิดและจำนวนของเซลล์เม็ดเลือดชนิดต่างๆ ตรวจวัดระดับฮอร์โมน หรือระดับของโปรตีนต่างๆ ในร่างกาย ซึ่งจะทำให้หมอสามารถประเมิณค่าต่างๆ ของร่างการผู้ป่วย การดำเนินไปของโรค การตอบสนองต่อยา เพื่อใช้ประกอบการรักษาให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด นอกจากการใช้แอนติบอดีเพื่อการวินิจฉัยในโรงพยาบาลแล้ว ก็ยังมีการพัฒนาชุดทดสอบขนาดเล็กเพื่อความสะดวกในการใช้งาน เช่น ชุดทดสอบการตั้งครรภ์ซึ่งเป็นเทคนิคที่อาศัยแอนติบอดีเป็นองค์ประกอบหลักเช่นกัน

นอกเหนือจากด้านการแพทย์ก็ยังมีการประยุกต์ใช้แอนติบอดีเพื่อการวินิจฉัยในด้านอื่นๆ อีกเช่นในทางอาหาร ก็ได้มีการประยุกต์ใช้ Antibody เพื่อใช้ในการทดสอบสารพิษ โลหะหนักหรือสารตกค้างต่างๆ ในอาหาร เป็นต้น

แอนติบอดีเพื่อการรักษาโรค (Therapeutic Antibody)

ในปัจจุบันการรักษาโรคชนิดต่างๆ โดยใช้ therapeutic antibody นั้นมีความสำคัญและได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นอย่างสูง เนื่องจากเป็นแนวทางการรักษาโรคแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงและมีผลข้างเคียงต่ำ โดย therapeutic antibody นั้นนับเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ทางด้านเภสัชกรรมที่มีอัตราการเติบโตสูงที่สุด และเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าทางการตลาดสูง โดยในปี พ.ศ. 2559 ห้าจาก 20 อันดับแรกของสินค้าด้านเภสัชกรรมที่มียอดขายสูงที่สุด คือยากลุ่ม therapeutic antibody โดยมียอดขายรวมกันมากกว่า 20,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐอเมริกา

นับถึงปัจจุบันมี therapeutic antibody มากกว่า 30 ชนิดที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาจนสามารถนำมาใช้รักษาผู้ป่วยได้ โดยส่วนใหญ่ใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง โรคทางระบบภูมิคุ้มกันและใช้ในการรักษาอาการอักเสบ เนื่องด้วยความสามารถในการจับกับโมเลกุลเป้าหมายได้อย่างจำเพาะ ทำให้การรักษาด้วย therapeutic antibody นั้นให้ผลการรักษาที่ดีและมีผลข้างเคียงน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการรักษาด้วยยาเคมีบำบัดหรือการใช้ยากดภูมิคุ้มกันชนิดต่างๆ

การวิจัยเพื่อพัฒนา therapeutic antibody ชนิดใหม่ๆ เป็นหนึ่งในงานวิจัยที่สำคัญและเป็นที่นิยม โดยในปัจจุบันมีการลงทุนมหาศาลจากหน่วยงานต่างๆ ในระดับนานาชาติทั้งจากภาครัฐและภาคเอกชน เพื่อทำการวิจัยพัฒนา therapeutic antibody ชนิดใหม่ที่สามารถประยุกต์ใช้ในการรักษาโรคต่างๆ โดยโรคมะเร็ง เป็นหนึ่งในโรคที่มีความสำคัญ ที่มีความพยายามประยุกต์ใช้ therapeutic antibody ต่อโมเลกุลเป้าหมายต่างๆ เพื่อรักษาโรคมะเร็ง เช่น การพัฒนา therapeutic antibody ในกลุ่มที่เป็น Checkpoint inhibitor ซึ่งเป็น therapeutic antibody กลุ่มที่มีความสำคัญมาก โดย therapeutic antibody ในกลุ่มนี้จะจับกับโมเลกุล immune checkpoint (PD1, PD-L1, CTLA4) ซึ่งหน้าที่ในการยับยั้งการทำงานของเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกัน ทำให้เซลล์มะเร็งหลบหนีจากการทำลายจากเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันได้ ดังนั้นการยับยั้งการทำงานของโมเลกุลเหล่านี้จะส่งเสริมให้เซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันเข้าทำลายเซลล์มะเร็งได้อย่างจำเพาะ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อเซลล์ปกติอื่นๆ ในร่างกาย โดยในปัจจุบัน therapeutic antibody กลุ่มที่เป็น Checkpoint inhibitor หลายตัวนั้นประสบความสำเร็จในการทดลองในมนุษย์ และได้มีการนำไปใช้ในการรักษาโรคมะเร็งหลากหลายชนิด นอกจากนี้ยังมีความพยายามในการพัฒนา therapeutic antibody เพื่อการรักษาโรคมะเร็งผ่านทางกลไกอื่นๆ เช่น พัฒนา therapeutic antibody ที่มีความสามารถในการจับกับโปรตีนที่ผิวเซลล์มะเร็งที่เป็นเป้าหมายได้อย่างจำเพาะและชักนำให้เซลล์มะเร็งเกิดการตายลง หรือช่วยกระตุ้นให้เซลล์ภูมิคุ้มกันของร่างกายจู่โจมทำลายเซลล์เป้าหมาย หรือการพัฒนา therapeutic antibody ที่มีความสามารถในการจับกับโมเลกุลที่กระตุ้นให้เกิดการสร้างหลอดเลือด ส่งผลให้เกิดการยับยั้งการสร้างหลอดเลือดใหม่ที่ไปเลี้ยงเซลล์มะเร็ง (Angiogenesis inhibitors) เป็นต้น

นอกเหนือจากโรคมะเร็งก็ยังมีการวิจัยเพื่อประยุกต์ใช้ therapeutic antibody เพื่อการรักษาโรคอื่นๆ เช่น โรคติดเชื้อต่างๆ ทั้งจากเชื้อแบคทีเรียและเชื้อไวรัส หรือการประยุกต์ใช้เป็นยาลดไขมัน และโรคอื่นๆ อีกหลายชนิด