คณะนักวิจัยทั้งภายในและภายนอกมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ นำโดย ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ ร่วมกันศึกษา และค้นพบสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากพืชไทย (ดีบัวและกระพี้จั่น) ที่มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์ SARS-CoV-2 3CLpro เพื่อเป็นแนวทางการรักษาโรคโควิด-19: อันตรกิริยาระดับอะตอมและการยับยั้งระดับเอนไซม์ (Discovery of Thai Natural Products (Dee-Bua and Kra-Pee-Jun) as Promising SARS-CoV-2 3CLpro Inhibitors for COVID-19 Treatment: Atomistic Insight and Enzymatic Inhibition)
งานวิจัยนี้มีการประยุกต์ใช้องค์ความรู้หลากหลายด้านในการศึกษาสารออกฤทธิ์ที่สามารถยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสของไวรัส SARS-CoV-2 ทั้งทางด้านเคมีอินทรีย์ เคมีการคำนวณทางทฤษฏี และชีวเคมี
งานวิจัยแรกที่มีการค้นพบสารกลุ่มบิสเบนซิลไอโซควิโนลินแอลคาลอยด์ (bisbenzylisoquinoline alkaloid) โดยอาศัยวิธีการคัดกรองเสมือนจริง (virtual screening) เป็นตัวชี้นำหลักดังแผนภาพ 1
แผนภาพ 1 ภาพรวมแนวทางการศึกษาการค้นพบสารกลุ่มบิสเบนซิลไอโซควิโนลินแอลคาลอยด์
คณะผู้วิจัยได้รวบรวมและสร้างฐานข้อมูลสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่มีการรายงานมาก่อนหน้านี้ ทั้งหมด 326 สาร จากนั้นได้คัดกรองด้วยวิธีการโมเลกุลาร์ด็อกกิ้ง (molecular docking) กับเอนไซม์โปรติเอสหลัก (main protease) ของไวรัส SARS-CoV-2
จากนั้นนำสารที่คาดว่าค่าพลังงานอิสระในการจับต่ำที่สุด 15 สารไปจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics) เพื่อศึกษาพลวัตของสารและเอนไซม์โปรติเอสเมื่อถูกเข้าจับโดยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ ร่วมกับการคำนวณพลังงานอิสระในการจับ (binding free energy) บนพื้นฐานกลศาสตร์เชิงโมเลกุล (molecular mechanic) ด้วยวิธีการ molecular mechanics Poisson-Boltzmann surface area (MM-PBSA)
พบว่าสารในกลุ่มบิสเบนซิลไอโซควิโนลินแอลคาลอยด์ 7 สาร มีค่าพลังงานอิสระในการจับที่ต่ำกว่าสารกลุ่มอื่นๆ ซึ่งสารทั้ง 7 สารนี้ สามารถพบได้ในเมล็ดดีบัวจากต้นบัวหลวง (ชื่อวิทยาศาสตร์ Nelumbo nucifera) และเถาย่านาง (ชื่อวิทยาศาสตร์ Tiliacora triandra)
คณะผู้วิจัยได้ทำการสกัดและทำบริสุทธิ์สารเหล่านี้ และได้นำไปวิเคราะห์ฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสหลักด้วยวิธีการ enzymatic assay ผลการศึกษาค้นพบสาร isoliensinine มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสที่ความเข้มข้นระดับไมโครโมลาร์และมีความเป็นพิษต่อเซลล์ต่ำ
งานวิจัยที่สองเป็นการศึกษาศักยภาพของสารกลุ่มฟลาโวนอยด์ที่พบในพืชไทยในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสหลักของไวรัส SARS-Cov-2
ในการศึกษานี้คณะผู้วิจัยได้ใช้การคัดกรองด้วยวิธีการ enzymatic assay เป็นตัวชี้นำดังแผนภาพ 2 โดยได้คัดกรองสารฟลาโวนอยด์ 5 กลุ่ม ได้แก่ ฟลาวาโนน (flavanone) ฟลาโวน (flavone) ออโรน (aurone) ชาลโคน (chalcone) และไอโซฟลาโวน (isoflavone) ทั้งหมด 22 สาร ที่พบในพืชไทย 4 ชนิด ได้แก่ มะเกี๋ยง (ชื่อวิทยาศาสตร์ Syzygium nervosum) กระชาย (ชื่อวิทยาศาสตร์ Boesenbergia rotunda) และกระพี้จั่น (ชื่อวิทยาศาสตร์ Millettia brandisiana)
ผลการศึกษาพบว่าสารฟลาโวนอยด์ 4 สาร มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสที่ดีกว่าสารมาตรฐาน baicalein มากกว่า 3 เท่า เพื่อทำความเข้าใจถึงกลไกในการยับยั้งในระดับอะตอม คณะผู้วิจัยจึงทำการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics) เพื่อศึกษาอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นในระดับอะตอม รวมทั้งได้สร้างโมเดลความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างสารและฤทธิ์ทางชีวภาพ (quantitative structure-activity relationship, QSAR) ผลจากการศึกษานี้พบว่าสารฟลาโวนอยด์ genistein มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสได้ดีและมีความเป็นพิษต่อเซลล์ต่ำ
แผนภาพ 2 ภาพรวมแนวทางการศึกษาการค้นพบสารกลุ่มฟลาโวนอยด์
การคำนวณและจำลองเชิงโมเลกุลทั้งหมดในการศึกษาครั้งนี้ ทางคณะผู้วิจัยได้รับการสนับสนุนทรัพยากรคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง (high performance computing resources, HPC) จากระบบ ERAWAN HPC ของสำนักบริการเทคโนโลยีสารสนเทศ (ITSC) มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และระบบ LANTA supercomputer ของศูนย์ทรัพยากรคอมพิวเตอร์เพื่อการคำนวณขั้นสูง สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)
ผลลัพธ์จากการศึกษานี้สามารถบ่งชี้ถึงศักยภาพกลุ่มสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติในพืชไทยที่มีฤทธิ์ในการยับยั้งเอนไซม์โปรติเอสหลักของไวรัส SARS-CoV-2 จำนวน 2 สาร ได้แก่ isoliensinine และ genistein องค์ความรู้เหล่านี้จะเป็นพื้นฐานในการพัฒนาสารต้านไวรัสในอนาคต เพื่อใช้ในการรักษาโรคติดเชื้อไวรัสที่ไม่เพียงแค่ SARS-CoV-2 แต่ยังรวมไปถึงไวรัสในกลุ่มโคโรนาที่มีวัฏจักรชีวิต (life cycle) ที่ใกล้เคียงกัน
การศึกษานี้เป็นการศึกษาสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากพืชไทยในการต้านไวรัสจากสาร องค์ความรู้จากการวิจัยนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นในการผลิต วิจัย และพัฒนาอุตสาหกรรมยาภายในประเทศไทย มีผลให้อนาคตประเทศไทยจะมีศักยภาพในการพึ่งพาตนเอง และลดการนำเข้ายาจากต่างประเทศ นอกจากนี้ยังเป็นการใช้ประโยชน์จากพืชพรรณไม้ในประเทศให้มีประโยชน์สูงสุด
ผลงานวิจัย ทั้ง 2 ผลงาน ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร
Journal of Chemical Information
and Modeling
ผู้สนใจสามารถอ่านรายละเอียดงานวิจัยได้ที่1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.3c01477
2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.2c01309
รายชื่อนักวิจัย
งานวิจัยนี้ได้รับความร่วมมือจากนักวิจัยทั้งภายในมหาวิทยาลัยเชียงใหม่และหน่วยงานภายนอก นำโดย รองศาสตราจารย์ ดร. พุฒินันท์ มีเผ่าพันธ์ หัวหน้าห้องปฏิบัติการวิจัยเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับ รองศาสตราจารย์ ดร. พัชณี แสงทอง ห้องปฏิบัติการวิจัยชีวโมเลกุลและชีวเคมี สาขาชีวเคมีและชีวเคมีนวัตกรรม ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ โดยมีความร่วมมือกับนักวิจัยดังนี้
1. นายนพวิชญ์ คำโท๊ะ นักศึกษาระดับปริญญาเอก สังกัด ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้รับทุนโครงการปริญญาเอกกาญจนาภิเษก (คปก.)
2. ดร. ไกรกริช อุตมะ นักวิจัยหลังปริญญาเอก ตำแหน่งนักวิจัยยุทธศาสตร์เชิงรุก สังกัด สำนักงานบริหารงานวิจัย มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
3. ดร. สุริยา ตาเที่ยง นักวิทยาศาสตร์ สังกัด ภาควิชาพืชศาสตร์และปฐพีศาสตร์ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
4. ดร. ปุรเชษฐ์ ฤทธิ์ชุมพล นักวิจัยหลังปริญญาเอก ตำแหน่งนักวิจัยยุทธศาสตร์เชิงรุก สังกัด สำนักงานบริหารงานวิจัย มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
5. ดร. ณฐพร ชีชะนะ นักวิจัยหลังปริญญาเอก ตำแหน่งนักวิจัยยุทธศาสตร์เชิงรุก สังกัด สำนักงานบริหารงานวิจัย มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
6. รองศาสตราจารย์ ดร. วินิตา บุณโยดม อาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
7. รองศาสตราจารย์ ดร. นัทธี สุรีย์ อาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
8. ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. อรุณฉาย สายอ้าย อาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
9. อ.ดร. นัทธวัฒน์ เสมากูล อาจารย์ประจำภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
10. นางสาวพนิดา บุญทวี นักศึกษาระดับปริญญาเอก สังกัด ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้รับทุนทุนอธิการบดีมหาวิทยาลัยเชียงใหม่
11. นางสาวอัจฉรา จันทร์ทอง นักศึกษาระดับปริญญาโท สังกัด ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้รับทุนผู้ช่วยวิจัยและผู้ช่วยสอน (TA/RA)
นอกจากนี้คณะผู้วิจัยยังได้ร่วมกับนักวิจัยจากหน่วยงานภายนอกดังนี้
1. ศาสตราจารย์ ดร. ฉวี เย็นใจ สังกัดสาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
2. ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. วชิระ ชุ่มมงคล สังกัดสาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้
3. ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ศุภกร อาจหาญ สังกัดสาขาวิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร