นวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์

บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (Buckminsterfullerene) หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า บัคกี้บอล (Bucky ball) เป็นสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม (C60) เชื่อมต่อกันเป็นรูปทรงกลมคล้ายกับลูกฟุตบอล จัดเป็นสารในกลุ่มฟูลเลอรีนส์ (fullerenes, Cn) ซึ่งเป็นอัญรูป (allotrope) แบบที่สามของคาร์บอนต่อจากเพชรและกราไฟต์ บัคกี้บอลมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุลประมาณ 1 นาโนเมตร ประกอบด้วยวงหกเหลี่ยมของคาร์บอน (hexagons) จำนวน 20 วง และวงห้าเหลี่ยม (pentagons) จำนวน 12 วง โดยที่บัคกี้บอลถือว่าเป็นโมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีรูปทรงสมมาตรที่สุดเท่า ที่มนุษย์เคยค้นพบจนถึงปัจจุบัน

ในขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังพากันค้นหาแนวทางในการนำเอาบัคกี้บอลมาใช้ ประโยชน์ในด้านต่างๆ กันอย่างมากมาย ทั้งนี้เป็นเพราะว่าบัคกี้บอลมีคุณสมบัติเชิงฟิสิกส์และเคมีที่แปลกประหลาด หลายประการ ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้เป็นยารักษาโรคได้หลายชนิด และใช้เป็นพาหนะนำส่งยาแบบนำวิถี (drug delivery) นอกจากนี้ยังสามารถนำบัคกี้บอลไปใช้ประโยชน์ในด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronic) ทั้งนี้เนื่องจากบัคกี้บอลมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) แต่ถ้ามีการเจือกลุ่มโมเลกุลบัคกี้บอลด้วยอะตอมของโลหะอัลคาไลน์ จะทำให้กลุ่มโมเลกุลบัคกี้บอลมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด (superconductor) นอกจากนี้ยังมีการใช้บัคกี้บอลเป็นส่วนประกอบหลักในการพัฒนาเซลล์สุริยะแบบ ไดแอด (Dyads) รวมทั้งการใช้บัคกี้บอลเป็นตัวบรรจุอะตอมโลหะและโมเลกุลของก๊าซชนิดต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน เป็นต้น

หลังจากการค้นพบบัคกี้บอล นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจำนวนมากต่างก็พากันศึกษาคุณสมบัติในด้านต่างๆ ของบัคกี้บอลกันอย่างมโหฬาร หนึ่งในนั้นก็คือการศึกษาสรรพคุณทางยาของบัคกี้บอล ซึ่งมีบริษัทประกอบธุรกิจเทคโนโลยีชีวภาพชื่อ ซี ซิกตี้ (C sixty Inc.) ของสหรัฐฯ เป็นแกนนำในการศึกษาทางด้านนี้ ผลจากการศึกษาที่ได้จนถึงปัจจุบันนี้ พอจะสรุปสรรพคุณทางยาของบัคกี้บอลได้ดังนี้

1. สรรพคุณในการเป็นยาต่อต้านไวรัส (Antivirals)

ในปี ค.ศ. 1993 นักวิทยาศาสตร์พบว่าอนุพันธ์ของบัคกี้บอลชนิดหนึ่ง (MSAD-C60) มีฤทธิ์ในการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ โปรตีเอส (protease) ของไวรัสเอชไอวี (HIV) หรือ ไวรัสเอดส์ได้ และจากการตรวจสอบโดยละเอียดพบว่าอนุพันธ์ของบัคกี้บอลชนิดนี้จะมีครึ่งชีวิต (half-life) อยู่ในกระแสเลือด 6.8 ชั่วโมง โดยที่เมื่อเข้าไปในกระแสเลือดแล้วอนุพันธ์ชนิดนี้จะกระจายตัวเข้าไปจับกับ โปรตีนในไซโตพลาสซึม และจากการนำเอาเทคนิคสร้างแบบจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์มาช่วยในการออกแบบยา รักษาโรคเอดส์ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเคราะห์อนุพันธ์ของบัคกี้บอลขึ้นมาใหม่อีกสอง ชนิดที่มีความเฉพาะเจาะจงในการจับกับบริเวณเร่งปฏิกิริยา (active site) ของเอนไซม์โปรตีเอสของไวรัสเอดส์ได้มากขึ้นเกือบ 50 เท่าตัว

ในช่วงปลายปี ค.ศ. 1998 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าอนุพันธ์ของบัคกี้บอลบางชนิดสามารถทำลายเชื้อไวรัส ได้โดยอาศัยปฏิกิริยาแบบใช้แสง(photodynamic reaction) ในการปลดปล่อยซิงเกล็ตออกซิเจน (singlet oxygen, 1O2) ออกมาเพื่อใช้ในการทำลายเปลือกหุ้ม (enveloped) ของไวรัส จากการทดลองเติมอนุพันธ์ของบัคกี้บอลลงในสารละลายบัฟเฟอร์ที่มีไวรัสเอสเอ ฟวี (Semliki Forest virus, SFV) หรือไวรัสวีเอสวี (vesicular stomatitis virus, VSV) แขวนลอยอยู่ และให้แสงในช่วงวิซิเบิล (visible light) เป็นวลา 5 ชั่วโมง พบว่าไวรัสเอสเอฟวีจะหมดสมรรถภาพในการก่อโรคโดยสิ้นเชิง นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียนยังพบว่าอนุพันธ์ของบัคกี้บอลอีกชนิด หนึ่งคือ ฟูลเลอโรไพโรลิโดน (fulleropyrrolidone) มีฤทธิ์ในการฆ่าเชื้อไวรัสโดยใช้ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยแสงเช่นเดียวกัน

สารต่อต้านไวรัสเอชไอวีที่เป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอล ชื่อ ซีเอสดีเอฟวัน (CSDF1) ของบริษัทซีซิกตี้ได้ถูกออกแบบให้สามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โปรตีเอส ของไวรัสเอดส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้สารชนิดนี้ยังถูกสังเคราะห์ให้ละลายน้ำได้ดีมาก (200 กรัมต่อลิตร) และสามารถถูกขับออกจากร่างกายได้อย่างรวดเร็วโดยการปัสสาวะ ทำให้สารซีเอสดีเอฟวันมีความเป็นพิษกับเซลล์ร่างกายค่อนข้างต่ำกว่ายารักษา โรคเอดส์ที่ใช้กันในปัจจุบัน ซึ่งจากการทดสอบความเป็นพิษของสารชนิดนี้ในหนูทดลองพบว่ามีความเป็นพิษต่ำ (LD50 เท่ากับ 800 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม)

2. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย (Antibacterials)

คาร์บอกซีฟูลเลอรีน (carboxyfullerene) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่ละลายน้ำได้ดี สามารถนำมาใช้รักษาหนูทดลองที่ป่วยเป็นโรคเยื่อหุ้มสมองอักเสบ (meningitis) ที่มีสาเหตุมาจากการติดเชื้อแบคทีเรีย E. coli ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และจากการตรวจสอบโดยละเอียดพบว่าหนูที่ได้รับการรักษาโดยใช้สารคาร์บอกซีฟู ลเลอรีนจะมีปริมาณของทีเอ็นเอฟ อัลฟา (tumor necrosis factor alpha, TNF-alpha) และปริมาณของอินเตอร์ลิวคิน-วัน เบต้า (interleukin-1beta, IL-1β) น้อยกว่าหนูที่ไม่ได้รับการรักษา นอกจากนี้สารคาร์บอกซีฟูลเลอรีนยังมีฤทธิ์ยับยั้งการเพิ่มอัตราการซึมผ่าน ของสารต่างๆ บริเวณทำนบกั้นระหว่างกระแสโลหิตและเซลล์สมอง (blood-brain barrier) ซึ่งมีสาเหตุมาจากความเป็นพิษของเชื้อ E. coli ได้

นอกจากนี้อนุพันธ์ของบัคกี้บอลอีกชนิดหนึ่งคือ ฟูลเลอรีนที่มีประจุบวกและละลายน้ำได้ มีฤทธิ์ในการยับยั้งการเจริญของเชื้อ Mycobacterium tuberculosis ซึ่งเป็นสาเหตุของวัณโรคได้ ส่วนคาร์บอกซีฟูลเลอรีนมีฤทธิ์ในการยับยั้งการเจริญของเชื้อ Streptococcus pyogenes จากการทดสอบในระดับหลอดทดลอง และเมื่อทดสอบการออกฤทธิ์ในหนูทดลองพบว่าคาร์บอกซีฟูลเลอรีนสามารถเพิ่ม ประสิทธิภาพของเซลล์เม็ดเลือดขาวชนิด นิวโทรฟิลส์ (neutrophils) ในการกำจัดเชื้อแบคทีเรียชนิดเดียวกันนี้ได้ และจากงานวิจัยเพิ่มเติมทำให้ทราบว่าการที่อนุพันธ์ของบัคกี้บอลสามารถ ยับยั้งแบคทีเรียแกรมบวก (Gram-positive bacteria) ได้นั้นเนื่องมาจากอนุพันธ์เหล่านี้สามารถแทรกตัวลงไปที่บริเวณผนังเซลล์ของ แบคทีเรียซึ่งจะส่งผลให้ผนังเซลล์ของแบคทีเรียเสียสภาพและทำให้แบคทีเรียตาย ในที่สุด

3. สรรพคุณในการต่อต้านมะเร็งและเนื้องอก (Tumor/Anti-Cancer therapy)

คุณสมบัติพิเศษอีกประการหนึ่งของบัคกี้บอลคือสารชนิดนี้สามารถถูกเร่ง ปฏิกิริยาด้วยแสง ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ให้ในการรักษาโรคมะเร็งและเนื้องอกแบบใช้แสง (photodynamic tumor therapy) ได้ อนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่มีโมเลกุลเชื่อมติดกับพอลิเอทธิลีนไกลคอล (C60-polyethylene glycol) เมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสงจะมีฤทธิ์ในการทำลายเซลล์มะเร็งได้โดยไม่มีผลข้าง เคียงกับเซลล์ร่างกายที่ปกติ จากผลการทดลองพบว่าอนุพันธ์ชนิดนี้เข้มข้น 0.424 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม โดยให้พลังงานแสงเท่ากับ 1011 จูลต่อตารางเมตร จะสามารถกำจัดเซลล์มะเร็งให้ได้อย่างสมบูรณ์ จากการทดสอบในหลอดทดลองพบว่าฟูลเลอรีน-พอลิเอทธิลีนไกลคอล สามารถยับยั้งการเจริญของเซลล์เพาะเลี้ยงชนิดฮีลาเอสสาม (HeLa S3 cell lines) ซึ่งจัดว่าเป็นเซลล์มะเร็งชนิดหนึ่งได้ นอกจากนี้ยังมีรายงานว่าอนุพันธ์แบบฟูลเลอรีน-พอลิเอทธิลีนไกลคอลยังสามารถ กำจัดเซลล์มะเร็งชนิดไฟโบรซาร์โคมา (fibrosarcoma tumors) ในหนูทดลองและที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเม็ดเลือดแดงได้

พอลิไฮดรอกซีฟูลเลอลีน (C60(OH)24) เป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่ละลายน้ำได้ดี และมีฤทธิ์ในการยับยั้งการเจริญของเซลล์มะเร็งโดย
1.) ยับยั้งการประกอบตัวของไมโครทิวบูล (microtubule) ของเซลล์มะเร็ง
2.) ยับยั้งการสร้างไมโตติกสปินเดิล (mitotic spindle) ของเซลล์มะเร็ง ซึ่งคล้ายกับการออกฤทธิ์ของยาแทกซอล (taxol) ที่ใช้รักษาโรคมะเร็งในปัจจุบันนี้

นอกจากนี้ยังมีการออกแบบวิธีการนำส่งยาต่อต้านมะเร็งที่เป็นอนุพันธ์ของบัค กี้บอลไปยังเซลล์มะเร็งแบบนำวิถี (anticancer delivery system) โดยการบรรจุอนุพันธ์ของบัคกี้บอลเอาไว้ภายในแคปซูลแบบไลโปโซม (liposome) โดยที่ทางบริษัทซี ซิกตี้ ซึ่งเป็นผู้ผลิตได้ตั้งชื่อทางการค้าว่า “บัคกี้โซมส์ (buckysomes)”

4. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านการตายของเซลล์ (Anti-apoptosis agents)

บัคกี้บอลมีคุณสมบัติในการสะเทินความเป็นพิษของอนุมูลอิสระและสามารถยับยั้ง ขั้นตอนการตายโดยอัตโนมัติ (apoptosis) ของเซลล์ได้เป็นอย่างดี จากการศึกษาโดยละเอียดพบว่า คาร์บอกซีฟูลเลอรีน ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอล สามารถยับยั้งการตายของเซลล์ได้โดยการขัดขวางการส่งสัญญาณของ ทรานสฟอร์มมิ่ง โกรว์ท แฟคเตอร์-เบต้า (Transforming growth factor-beta, TGF-ß) ซึ่งเป็นตัวการในการชักนำให้เซลล์เข้าสู่ระยะการตายแบบอัตโนมัติ นอกจากนี้คาร์บอกซีฟูลเลอรีนยังสามารถป้องกันเซลล์ผิวหนังไม่ให้ถูกทำลาย ด้วยรังสียูวีบี(UVB) และจากสภาวะออกซิเดชันต่างๆ ได้เป็นอย่างดี

โครงสร้างโมเลกุลของอนุพันธ์คาร์บอกซีฟูลเลอรีน (hexacarboxylic acid-C60) ซึ่งมีฤทธิ์ในยับยั้งการตายของเซลล์ Hep3B ได้โดยการขัดขวางการส่งสัญญาณของสาร TGF-ß ได้

แต่สิ่งที่น่าสนใจมากกว่า คือ การที่ค้นพบว่าอนุพันธ์ของบัคกี้บอล คือ ฟูลเลอรีนอล (fullerenol) และคาร์บอกซีฟูลเลอรีนสามารถยับยั้งการตายของเซลล์ประสาทที่สัมผัสกับสารพิษ หลายชนิดที่นำมาทดสอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีความหวังในการที่จะนำเอาอนุพันธ์ของบัคกี้บอลเหล่านี้ ไปรักษาผู้ที่ป่วยด้วยโรคร้ายแรงที่เกี่ยวข้องกับระบบประสาทเช่น โรคอัลไซเมอร์ (Alzheimer’s disease) และโรค ALS หรือที่เรียกว่าโรค Lou Gehrig ต่อไปในอนาคต โดยที่บริษัทซีซิกตี้กำลังทดสอบการออกฤทธิ์ของอนุพันธ์ของบัคกี้บอลในการ รักษาโรค ALS และโรคพาร์คินสัน (Parkinson’s disease) ในมนุษย์อยู่ในขณะนี้

5. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidants)

อนุพันธ์ของบัคกี้บอลหลายชนิดมีคุณสมบัติในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระ ยกตัวอย่างเช่น ฟูลเลอรีนอลส์ (fullerenols) คาร์บอกซีฟูลเลอรีน พอลิอัลคิลซัลโฟเนตฟูลเลอรีน (polyalkylsulfonated C60 ) เฮกซา(ซัลโฟบิวทิล)ฟูลเลอรีน (hexa(sulphobutyl)fullerene) และกรดฟูลเลอรีน-ไดมาโลนิก (C60-dimalonic acid) โดยที่อนุพันธ์ของบัคกี้บอลเหล่านี้สามารถป้องกันความเป็นพิษของอนุมูลอิสระ ต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และคูมีนไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (cumene hydroperoxide) ซึ่งสามารถทำความเสียหายให้กับเซลล์ปกติได้ และจากการทดสอบประสิทธิภาพในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระพบว่า อนุพันธ์ของบัคกี้บอลมีความสามารถในการต่อต้านอนุมูลอิสระสูงกว่า ไวตามินอี (vitamin E) หลายร้อยเท่าตัวเลยทีเดียว นอกจากนี้อนุพันธ์ชนิด โมโนมาโลเนตฟูลเลอรีน (C60 monomalonate) สามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ ไนตริกออกไซด์ซินเทส (nitric oxide synthase, nNOS) ของเซลล์ประสาทได้อย่างเฉพาะเจาะจง

อนุพันธ์ของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนมีคุณสมบัติในการเป็นสารต่อต้านอนุมูล อิสระ สามารถสะเทินความเป็นพิษของอนุมูลอิสระกลุ่ม reactive oxygen species (ROS) ทำให้เซลล์สิ่งมีชีวิตไม่ได้รับความเสียหายจากการถูกทำลายโดยอนุมูลอิสระ

อย่างไรก็ตาม ทุกสิ่งทุกอย่างย่อมมีทั้งข้อดีและข้อเสียอยู่ในตัวเองทั้งสิ้น บัคกี้บอลก็หลีกหนีความจริงข้อนี้ไปไม่พ้นเช่นเดียวกัน เพราะเมื่อต้นปี ค.ศ. 2004 ดร. อีวา โอเบอร์ดอสเตอร์ (Eva OberdÖrster) ได้รายงานผลการตรวจสอบความเป็นพิษของบัคกี้บอลไว้ในการประชุมของสมาคมเคมี อเมริกัน (American Chemical Society) ว่าบัคกี้บอลสามารถชักนำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของไขมัน (lipid peroxidation) ซึ่งจะนำไปสู่การทำลายเยื่อหุ้มเซลล์สมองของปลาที่ใช้ในการทดลอง นอกจากนี้เขายังพบว่า บัคกี้บอลมีความเป็นพิษต่อสัตว์น้ำขนาดเล็กๆ เช่น ไรน้ำ อีกด้วย ดร. โอเบอร์ดอสเตอร์ ได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ด้วยว่าการที่ บัคกี้บอล เข้าไปสะสมในสัตว์น้ำเล็กๆ เหล่านี้ได้ อาจจะทำให้บัคกี้บอลมีโอกาสเข้าไปสะสมอยู่ในห่วงโซ่อาหารของสิ่งมีชีวิตใน น้ำ และมีโอกาสเข้ามาสู่มนุษย์ในท้ายที่สุดได้

ดังนั้น ทางออกที่ดีที่สุดในการนำบัคกี้บอลมาใช้ประโยชน์ในทางการแพทย์และทาง เภสัชกรรม คือ ต้องทำความเข้าใจคุณสมบัติต่างๆ ของบัคกี้บอลให้ถ่องแท้เสียก่อน รวมทั้งต้องตรวจสอบความเป็นพิษของบัคกี้บอลอย่างเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจเสีย ก่อนว่าอนุพันธ์ต่างๆ ของบัคกี้บอลมีความปลอดภัยต่อสิ่งมีชีวิต ก่อนที่จะปล่อยให้มีการใช้อย่างแพร่หลาย