ดีเอ็นเอเผยตัวฆาตกรในสมองของคุณ

โดย 0000000

แพทย์หาสาเหตุไม่ได้ว่าเกิดอะไรขึ้นกับเด็กหญิงวัย 14 ปี เธอเข้าโรงพยาบาลในฤดูร้อนของปี 2015 ด้วยอาการไข้รุนแรงและปวดศีรษะ ผ่านไป 2-3 วัน เธอเริ่มคลุ้มคลั่ง พูดได้เป็นประโยค สั้นๆ ไม่เกิน 3 คำ และไม่ตอบสนองเวลามีคนพูดด้วย อาการบ่งชี้ว่าเป็นเยื่อหุ้มสมองอักเสบ ซึ่งอาจเกิดได้จากจุลินทรีย์ก่อโรคมากกว่า 100 ชนิด และแต่ละอย่างก็ต้องใช้วิธีรักษาที่แตกต่างกันนักวิทยาศาสตร์ต้องหาสาเหตุเพื่อจะได้ให้ยาที่ถูกต้อง ดังนั้นจึงต้องเริ่มทดสอบมากมาย

การทดสอบแต่ละอย่างทำมาเฉพาะเพื่อหาสาเหตุแต่ละประเภท แพทย์ทดสอบทีละอย่างๆ แต่การทดสอบทั้งหมดให้ผลเป็นลบ เด็กหญิงติดเชื้ออะไรบางอย่างที่โจมตีเฉพาะสมอง ซึ่งเป็นเรื่องที่พบได้ยาก อาจมีการทดสอบหาเชื้อโรคนี้ แต่แพทย์ยังไม่รู้ว่าต้องหาอะไร หลังผ่านไป 19 วัน ก็ยอมแพ้และได้ตัดสินใจส่งตัวอย่างของเหลวในน้ำหล่อเลี้ยงสมองและไขสันหลังของเด็กหญิงไปให้ห้องปฏิบัติการชีวเคมีของโจ เดริซี แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก สหรัฐ ซึ่งการทดสอบแบบใหม่กำลังอยู่ในขั้นตอนที่จะปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์การแพทย์

การทดสอบแยกแยะจุลินทรีย์

เดริซี บอกว่า นี่คือ “มารดาแห่งการทดสอบทั้งปวง” มันไม่เหมือนการทดสอบที่แพทย์ใช้ เพราะไม่ได้จำเพาะเจาะจงกับเชื้อชนิดเดียว แต่สามารถสแกนตัวอย่างเพื่อหาหลักฐานทุกอย่างที่อยู่ในนั้นได้ และสามารถแยกแยะระหว่างแบคทีเรีย เชื้อราสัตว์ หรือกระทั่งปรสิตได้ด้วย

แต่สิ่งสำคัญที่สุดเกี่ยวกับการทดสอบนี้ คือ มันไม่ได้ทำหน้าที่เป็นสัญญาณเตือนภัยเท่านั้น แต่ถ้าเจอกับผู้บุกรุก มันจะแจ้งชื่อผู้บุกรุกออกมาทันที ทำให้แพทย์วินิจฉัยและเริ่มการรักษาที่ถูกต้องสอดคล้องกับการเตือนนั้นได้ เหมือนกับการแจ้งตำรวจทันทีทันควันว่าใครกำลังบุกรุก และบอก
ที่อยู่ให้กับตำรวจโดยตรง

อาการของเด็กหญิงค่อยๆ แย่ลง มีทั้งอาการชัก ตัวแข็งทื่อ แขนและขาสั่น เดริซีกับทีมงาน คือ ไมเคิล วิลสัน เริ่มทำการวิเคราะห์น้ำหล่อเลี้ยงสมองและไขสันหลังนั้น ซึ่งมีเกลือ น้ำตาล ฮอร์โมน ไขมัน และโปรตีน 2-3 ชนิด รวมถึงเซลล์เม็ดเลือดขาวด้วย แต่นักวิทยาศาสตร์ทั้งคู่กำลังมองหาสิ่งอื่น พวกเขาสนใจในหลักฐานทางพันธุกรรมที่หลุดรอดออกมาจากเซลล์ในสมองของเด็กหญิง

เมื่อเซลล์สมองตายมันจะสลายตัว ซากที่เหลือจะไหลออกจากสมองมากับน้ำหล่อเลี้ยงสมองและไขสันหลัง ดังนั้นมันจึงเป็นที่ที่จะหาหลักฐานเกี่ยวกับสารพันธุกรรมของเซลล์ได้ ไม่เพียงแต่ยีนจากตัวเด็กหญิงเท่านั้น หากยังรวมถึงเชื้อระบาดต่างๆ ที่อาจเข้าไปถึงสมอง และนั่นคือยีน “แปลกปลอม” ที่เดริซีกับวิลสันกำลังมองหา

นักวิทยาศาสตร์ช่วยผู้ป่วย 300 คน

ด้วยการทดสอบแบบใหม่ของเดริซี แพทย์ไม่จำเป็นต้องเดาอีกต่อไปแล้วว่าอะไรทำให้เกิดการติดเชื้อหรือค่อยๆ ทดสอบไปทีละอย่าง จึงสามารถรักษาเวลาอันมีค่าเอาไว้ได้ อย่างในกรณีของเด็กหญิงวัย 14 ปี มีความเสี่ยงที่การทดสอบมากมายจะไม่ให้ผลอะไร นั่นจึงเป็นเหตุผลว่า ทำไมใน
ผู้ป่วยเยื่อหุ้มสมองอักเสบหรือไขสันหลังอักเสบจำนวนกว่าครึ่ง แพทย์ไม่สามารถหาได้ว่า เชื้อที่ก่อให้เกิดโรคคืออะไร

การระบุสาเหตุของโรคคือกุญแจสู่สุขภาพดีของผู้ป่วย ถ้าติดเชื้อแบคทีเรียในสมองก็ใช้ยาปฏิชีวนะต่อกรได้ แต่ยาเหล่านี้จะไม่มีผลอะไรเลยกับไวรัส ส่วนยาฆ่าเชื้อราก็ไม่มีประโยชน์เลย เมื่อใช้กับเยื่อหุ้มสมองอักเสบที่เกิดจากพยาธิที่เป็นปรสิต

ในปี 2013 เดริซีและวิลสันใช้วิธีทดสอบใหม่ เป็นครั้งแรกเพื่อระบุเชื้อที่แพทย์วินิจฉัยไม่ได้ถ้าใช้วิธีการปกติ นับแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์ทั้งสองและทีมก็ช่วยเหลือผู้ป่วยและแพทย์มากกว่า 300 คน เพื่อวินิจฉัยโรคที่วินิจฉัยได้ยาก

พวกเขาทั้งคู่ได้รับความช่วยเหลือจาก ชาลส์ชิว ซึ่งก็มาจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก เหมือนกัน รวมถึงคนอื่นๆ ด้วย จึงทำให้วิธีวิเคราะห์นี้เป็นระบบ สามารถทำได้โดยอัตโนมัติมากขึ้น นับตั้งแต่เดือน ก.ค. 2017 แพทย์ชาวอเมริกันสามารถสั่งให้วิเคราะห์ผู้ป่วยของตนทางอินเทอร์เน็ตในราคาราว 2,400 ดอลลาร์สหรัฐ แพทย์แค่ต้องเก็บตัวอย่างจากผู้ป่วยแช่แข็งไว้ แล้วส่งไปยังซานฟรานซิสโกใช้เวลาเพียง 72 ชั่วโมง ตัวอย่างก็จะมาถึง แพทย์จะรู้เลยว่าเชื้อคืออะไร

การตัดต่อจีโนมช่วยให้ดีเอ็นเอเป็นระเบียบ

ในห้องปฏิบัติการ เดริซีและทีมงานของเขากำลังวิเคราะห์ตัวอย่างจากเด็กสาววัย 14 ปี ของเหลวปริมาณเพียงเล็กน้อยมีดีเอ็นเออยู่นับล้านๆ แต่นักวิทยาศาสตร์สนใจแค่ส่วนเล็กๆ ส่วนเดียว คือส่วนที่มาจากจุลินทรีย์ก่อโรค เพราะฉะนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงต้องคัดกรองเอาดีเอ็นเอของเด็กสาวออกไป ซึ่งทำได้โดยใช้เทคโนโลยีตัดต่อจีโนมอย่างคริสเปอร์ (CRISPR)

คริสเปอร์เป็นเหมือนเครื่องมือตัดต่อในระดับโมเลกุลที่สามารถออกแบบให้ตัดลำดับดีเอ็นเอเฉพาะได้ ทีมของเดริซีเลือกตัดลำดับที่แตกต่างกัน 266 ลำดับที่พบได้ทั่วไปในมนุษย์ แต่พบได้น้อยมากในสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ยีนที่มีลำดับแบบมนุษย์เหล่านี้จะถูกคัดกรองทิ้งไปตั้งแต่ขั้นต้นๆ ของกระบวนการ ดังนั้น “ตัวรบกวน” ทางพันธุกรรมจำนวนมากจึงถูกคัดทิ้งไปจากตัวอย่าง ทำให้เห็นส่วนของยีนที่แปลกประหลาดได้ชัดขึ้นจากการทดลองของเดริซี กระบวนการนี้ได้ตัดเอาลำดับดีเอ็นเอที่ไม่ต้องการออกไปจากตัวอย่างราว 1 ใน 3 ทำให้การระบุดีเอ็นเอของเชื้อแปลกหน้าทำได้ดีขึ้น 4 เท่า

แม้จะทำให้ชัดขึ้นได้แล้ว แต่ตัวอย่างก็ยังคงมีลำดับดีเอ็นเอเหลืออยู่อีกเกือบ 8 ล้านส่วน ซึ่งมากกว่าร้อยละ 99.99 เป็นดีเอ็นเอของเด็กหญิง นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องอ่านลำดับดีเอ็นเอทั้งหมดอย่างละเอียดแม่นยำเพื่อหาลำดับเล็กจิ๋วที่มาจากเชื้อก่อนหน้านี้ การทำเช่นนี้จะต้องอ่านไปทีละส่วนๆ ทำให้ใช้เวลานานมาก แต่วิธีใหม่ที่ เรียกว่า mNGS (metagenomic Next-Generation Sequenceing) ทำให้หาลำดับของดีเอ็นเอถึงราว 20 ล้านส่วนได้ในเวลาเดียวกัน และทำให้คอมพิวเตอร์บันทึกทุกลำดับเอาไว้ได้

พูดสั้นๆ ก็คือนักวิทยาศาสตร์จะใช้วิธีลอกเอาสายหนึ่งของดีเอ็นเอออกมา ทำให้เอนไซม์เริ่มสร้างสายที่หายไปขึ้นมาใหม่ เมื่อเป็นอย่างนี้แล้ว กล้องและคอมพิวเตอร์ก็จะสามารถติดตามจับตาดูการสร้างสายเดี่ยวของดีเอ็นเอขึ้นมาได้ทุกๆ เส้น อุปกรณ์นี้สามารถตรวจดูได้ว่ามีการเพิ่มเบสไหนในดีเอ็นเอเข้าไป และเพิ่มโดยมีลำดับอย่างไร ผลก็คือคอมพิวเตอร์จะบันทึกลำดับเบสของดีเอ็นเอทุกๆ เส้นเอาไว้ได้

ทีมของเดริซีจึงมีข้อมูลมหาศาล เป็นลำดับนับล้านๆ ที่ประกอบไปด้วยตัวอักษร A T C และ G ขั้นต่อไปก็คือการกำจัดยีนของมนุษย์ที่เหลืออยู่ออกไปด้วยการใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อน คอมพิวเตอร์จะกรองลำดับได้ชั่วโมงละหลายล้านส่วน มันจะเปรียบเทียบลำดับนั้นกับฐานข้อมูลยีนของมนุษย์ขนาดใหญ่ ทำให้หาดีเอ็นเอของเด็กสาวได้แล้วคัดทิ้งไปในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็จะเหลือลำดับดีเอ็นเอเพียงเล็กน้อย แล้วก็นำมาเปรียบเทียบกับลำดับของเชื้อนับพันๆ จนกระทั่งเดริซีมีรายชื่อที่สมบูรณ์ของเชื้อที่อาจเป็นสาเหตุทำให้เกิดอาการป่วยกับสมองของเด็กสาว

ยุงเป็นพาหะนำเชื้อหายาก

รายชื่อเชื้อนั้นมีอยู่ 4 ชนิด คือ ไวรัสที่โจมตีเพียงยาสูบ สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว แบคทีเรียในดินชนิดหนึ่ง และไวรัสเวสต์ไนล์ (West Nile virus) 3 ชนิดแรกไม่เป็นอันตรายและอาจไม่ได้ก่อให้เกิดการติดเชื้อในสมองของเด็กหญิง แต่ชนิดที่ 4 คือไวรัสเวสต์ไนล์นั้นต่างไป มันสัมพันธ์กับไวรัสซิกา ไวรัสไข้เลือดออก และไวรัสไข้เหลือง และมักจะโจมตีมนุษย์ ปกติแล้วไวรัสเวสต์ไนล์ ทำให้เกิดอาการคล้ายไข้หวัด แต่ในกรณีที่พบได้ไม่บ่อยนัก ไวรัสนี้ก็สามารถทะลุเข้าไปโจมตีเซลล์สมองได้

ทีมของเดริซีติดต่อกับแพทย์ของเด็กหญิงทันที พวกเขาใช้วิธีเก่า คือการทดสอบที่มีเป้าหมายเป็นการทดสอบที่ออกแบบมาเพื่อหาไวรัสเวสต์ไนล์โดยเฉพาะ ผลออกมาเป็นบวก วิธีอันล้ำหน้าของเดริซี “ยิงโดนเป้า” อีกครั้งหนึ่ง ทุกอย่างเริ่มเป็นเหตุเป็นผล เพราะ 2 วันก่อนเด็กหญิงจะมีอาการครั้งแรก เธอไปตั้งแคมป์ฤดูร้อนริมทะเลสาบเล็กๆ ในอุทยานแห่งชาตินอกเมืองลอสแองเจลิส เมื่อเธอมาถึงโรงพยาบาล เธอมีรอยยุงกัดขนาดใหญ่ที่ขา แพทย์ไม่ได้สนใจรอยนั้นในตอนนั้น แต่ไวรัสอาจเข้าสู่ร่างกายผ่านยุงที่ติดเชื้อ

ปัจจุบันไม่มีวิธีรักษาที่มีประสิทธิภาพสำหรับไวรัสเวสต์ไนล์ แต่อาการของเด็กหญิงก็ดีขึ้น เธอกลับไปเรียนและอาการดีทีเดียว แต่เธอยังมีปัญหาในการพูดและการทรงตัว ยาในอนาคตอาจทำให้เธอกำจัดเชื้อนี้ได้ทั้งหมด แต่การวินิจฉัยของเดริซีก็มีส่วนสำคัญสำหรับเธอ ไม่เช่นนั้นแพทย์อาจจะรักษาเธอด้วยยาที่อาจเป็นอันตราย แต่ไม่มีผลอะไรเลยก็ได้

ก่อนการวินิจฉัย แพทย์ได้รักษาเด็กสาวด้วยยาปฏิชีวนะปริมาณสูงและยาต้านไวรัสเริมและเอพสไตน์-บาร์ 5 ขนาน ยาทั้งหมดอาจก่อให้เกิดผลข้างเคียงอันตรายได้ แต่ไม่มียาตัวไหนต่อกรกับไวรัสเวสต์ไนล์ได้เลย ถ้าแพทย์ทั่วไปสามารถใช้วิธีทดสอบของเดริซีได้ง่าย การวินิจฉัยก็อาจเกิดเร็วขึ้นหลายสัปดาห์ และโอกาสของเด็กหญิงที่จะฟื้นตัวเร็วก็น่าจะมากขึ้น

การทดสอบยังเผยให้รู้เรื่องมะเร็งด้วย

จนถึงบัดนี้แพทย์ได้รับอนุญาตให้ใช้วิธีทดสอบนี้ วิเคราะห์น้ำหล่อเลี้ยงสมองและไขสันหลังเท่านั้น ดังนั้นถ้าไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงก็จะใช้เฉพาะกับการติดเชื้อในสมอง แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังต่อสู้เพื่อแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้สามารถนำมาใช้ได้กับโรคอื่นๆ อีกมากมาย ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา บทความทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับเรื่องนี้ในแต่ละปีเพิ่มขึ้นถึง 5 เท่า

ตามแผนแล้วแพทย์สามารถใช้ทั้งเลือด เนื้อเยื่อ ปัสสาวะ อุจจาระ และตัวอย่างจากระบบทางเดินหายใจมาวิเคราะห์ นั่นแปลว่าภายในเวลาไม่กี่วันก็จะรู้ได้ว่าต้นเหตุของอาการปอดบวมหรือติดเชื้อในกระแสเลือดนั้นเกิดจากเชื้ออะไรได้บ้าง

ทีมของเดริซีกำลังทดลองโครงการใหม่ว่าด้วยการติดเชื้อที่ตา ซึ่งด้วยวิธีเดิมๆ นั้นวินิจฉัยยาก ผู้ป่วยคนหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ตรวจมีการติดเชื้อที่ตาอยู่นาน 16 ปี และมีแพทย์มาตรวจหลายคน แต่ไม่มีใครวินิจฉัยได้แม่นยำเลย นักวิทยาศาสตร์ทั้งคู่จากซานฟรานซิสโกนำตัวอย่างจากลูกตาของผู้ป่วยไปตรวจ พบว่าในชิ้นส่วนยีน 12,111,540 ชิ้น มี 10 ชิ้นที่มาจากไวรัสรูเบลลา (Rubella virus) ซึ่งปกติแล้วทำให้เกิดโรคหัด

อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่ได้จำกัดเฉพาะกับโรคติดเชื้อ แต่ยังใช้เพื่อตรวจดูโรคที่เกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ในยีนของผู้ป่วยได้ด้วย โดยหลักการแล้วนักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีเดียวกัน แต่แทนที่จะเปรียบเทียบชิ้นส่วนของยีนตัวอย่างกับลำดับของดีเอ็นเอจากเชื้อแปลกปลอม ก็นำมาเปรียบเทียบกับการกลายพันธุ์ของจุลินทรีย์ก่อโรคที่รู้จักแทน ในปี 2016 นักวิทยาศาสตร์นามว่า เดวิด ดายเมนต์ ใช้วิธีนี้หาสาเหตุของโรคทางพันธุกรรมของทารกเพิ่งคลอดจำนวน 8 คน ซึ่งปกติแล้วหากใช้วิธีเดิมๆ จะอธิบายไม่ได้

มะเร็ง ซึ่งเป็นโรคที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมร้ายกาจที่สุดก็ตรวจได้ด้วยเช่นกัน มะเร็งอาจพัฒนาจากการกลายพันธุ์ที่ได้รับสืบทอดมาหรือเป็นการกลายพันธุ์ใหม่ไปเลย ก่อนหน้านี้แพทย์ต้องตรวจดูยีนของผู้ป่วยทีละส่วนๆ เพื่อค้นหาการกลายพันธุ์ วิธีใหม่สามารถสแกนคนได้หลายพันยีน
พร้อมๆ กัน นักวิทยาศาสตร์กำลังก้าวต่อไปเพื่อใช้วิธีของเดริซีในการวินิจฉัยโรคมะเร็งปอด มะเร็งต่อมลูกหมาก รวมทั้งมะเร็งที่ปานต่างๆ