เทคนิคการถ่ายภาพระดับโมเลกุลในการตรวจวัดปอดติดเชื้อ
ดร.จินตมัย สุวรรณประทีป ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)
ผู้ป่วยโรคทางเดินหายใจ โดยเฉพาะกลุ่มที่อยู่ในสภาวะต้องใช้เครื่องช่วยหายใจนั้นมีแนวโน้มที่จะติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ เช่น เชื้อนิวมอเนียในระบบทางเดินหายใจในระหว่างการรักษาในโรงพยาบาล ซึ่งการติดเชื้อดังกล่าวนี้ค่อนข้างจะมีความยากลำบากในการตรวจประเมินการติดเชื้อ ซึ่งการประเมินนี้ถือว่ามีความสำคัญ เนื่องจากจะสามารถให้การรักษาได้ในระยะเริ่มต้นอย่างทันท่วงทีก่อนที่จะเกิดความรุนแรงที่อาจส่งผลให้เกิดอันตรายต่อชีวิตได้ เทคนิคการตรวจประเมินการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบในปอดในปัจจุบันมักจะเป็นการเก็บตัวอย่างในปอดของผู้ป่วยด้วยเทคนิค Bronchoalveolar lavage (BAL) ซึ่งเป็นการส่องกล้องเพื่อฉีดของเหลวเข้าไปยังทางเดินหายใจส่วนล่างและดูดกลับมา ทำให้จะได้เซลล์และสารต่าง ๆ จากถุงลมและหลอดลมส่วนปลาย และนำตัวอย่างที่ได้ไปส่งตรวจเพาะเชื้อแบคทีเรีย อย่างไรก็ตาม เทคนิคดังกล่าวจะใช้เวลาค่อนข้างนานเป็นวันในการเพาะเชื้อ อีกทั้งอาจจะเกิดการปนเปื้อนของตัวอย่างจากสิ่งมีชีวิตอื่นในบริเวณหลอดลมได้ ซึ่งอาจทำให้เกิดความผิดพลาดในการตรวจประเมินด้วยเทคนิคดังกล่าว นอกจากนี้อาจมีการตรวจวิเคราะห์ด้วยเทคนิคพีซีอาร์ แต่เทคนิคดังกล่าวยังคงมีข้อจำกัดจากความไวที่มากเกินไป และมักจะทำให้เกิดผลบวกที่ผิดพลาดในการวิเคราะห์ ซึ่งเทคนิคดังที่กล่าวนี้อาจส่งผลทำให้ผู้ป่วยที่ไม่ได้เกิดการติดเชื้อจริงต้องเข้ารับการรักษาด้วยยาปฏิชีวนะโดยไม่จำเป็น
ด้วยข้อจำกัดดังกล่าว ทีมวิจัยจากสหราชอาณาจักรจึงได้พัฒนาเทคนิคในการประเมินการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบในปอดที่มีความรวดเร็วและแม่นยำด้วยการใช้เทคนิคการถ่ายภาพระดับโมเลกุล (Optical molecular imaging) ร่วมกับการใช้สารฟลูออเรสเซนต์แบบจำเพาะต่อเชื้อแบคทีเรียแกรมลบผ่านทางการส่องกล้อง (endomicroscopy) สำหรับการประเมินการติดเชื้อในหลอดลมส่วนปลาย โดยสารดังกล่าวประกอบไปด้วยสองส่วนหลักด้วยกันคือ ส่วนที่ทำหน้าที่ในการจับกับเป้าหมายซึ่งก็คือเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ และส่วนที่สามารถเรืองแสงเพื่อทำหน้าที่ในการรายงานการตรวจพบ โดยในส่วนแรกนั้นเป็นเปปไทด์ที่มีชื่อว่าพอลิมัยซิน (polymyxins: PMX) ซึ่งสามารถสร้างขึ้นในธรรมชาติโดยเชื้อแบคทีเรีย Paenibacillus polymyxa และมีความเฉพาะเจาะจงในการจับกับไขมันประเภท A ของสารพวกไลโปพอลิแซกคาร์ไรด์ที่ผนังเซลล์ของแบคทีเรียแกรมลบ ในขณะที่ส่วนที่สองคือ สารเรืองแสงฟลูออเรสเซนต์ในกลุ่ม 7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole (NBD) ซึ่งจะมีการเรืองแสงเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม โดยเมื่อสารฟลูออเรสเซนต์แบบจำเพาะต่อเชื้อแบคทีเรียแกรมลบนี้ (NBD-PMX) เข้าไปจับกับผนังเซลล์ของแบคทีเรียก็จะทำให้เกิดการเรืองแสงที่เพิ่มมากขึ้น เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของสภาพความเป็นขั้วของผนังเซลล์ ซึ่งจากการทดลองเพาะเลี้ยงเชื้อแบคทีเรียในห้องปฏิบัติการร่วมกับสารฟลูออเรสเซนต์ดังกล่าว พบว่าสารนี้มีความเฉพาะเจาะจงต่อเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ โดยจะพบว่าเกิดการเรืองแสงขึ้นมาอย่างชัดเจน ในขณะที่จะไม่พบการเรืองแสงในแบคทีเรียแกรมบวก เมื่อนำสารดังกล่าวไปทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์และเนื้อเยื่อในหนูทดลองที่ระดับ 600 เท่าของปริมาณที่ใช้งานในมนุษย์ พบว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนัก การเปลี่ยนแปลงทางเคมี ทางโลหิตวิทยา หรือทางจุลกายวิภาค แต่อย่างใด นอกจากนี้ในการทดสอบความคงตัวทางเคมีของสารในน้ำอุณหภูมิ -20 องศาเซลเซสเป็นระยะเวลา 24 เดือน พบว่ายังคงมีความคงตัวที่ดี
ภาพแสดงโครงสร้างทางเคมีของสารฟลูออเรสเซนต์ที่จำเพาะต่อเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ NBD-PMX[1]
ภาพแสดงการเรืองแสงเป็นสีเขียวขึ้นมาของสาร NBD-PMX ที่ความเข้มข้น 1 ไมโครโมลาร์ เมื่อเข้าไปจับกับแบคทีเรียแกรมลบ P. aeruginosa, K. pneumoniae, E. coli, H. influenzae, A. baumannii และ S. maltophilia แต่จะไม่เกิดการเรืองแสงในกรณีของแบคทีเรียแกรมบวก methicillin-sensitive S. aureus (MSSA), methicillin-resistant S. aureus (MRSA) และ S. pneumoniae โดยระดับของการเรืองแสงนั้นจะแตกต่างกันไปตามชนิดของแบคทีเรียดังแสดงในกราฟ[1]
เมื่อผ่านการทดสอบในห้องปฏิบัติการแล้วพบว่าเทคนิคดังกล่าวไม่แสดงความเป็นพิษ มีความเฉพาะเจาะจงและมีความไวในการตรวจจับเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ ทีมวิจัยจึงทำการทดสอบในปอดของแกะทดลองเพื่อเป็นการจำลองเทคนิคการทำงานในอวัยวะที่มีขนาดใกล้เคียงกับมนุษย์ เพื่อให้ทราบถึงแนวทางการดำเนินการในการตรวจประเมินเมื่อนำไปใช้งานในผู้ป่วยจริง โดยการจำลองใส่เชื้อแบคทีเรียทั้งแกรมบวกและแกรมลบเข้าไปในปอดของแกะทดลอง จากนั้นจึงใส่สารเรืองแสงฟลูออเรสเซนต์ที่จำเพาะต่อแบคทีเรียแกรมลบตามเข้าไปในปริมาณต่ำ (ต่ำกว่า 100 ไมโครกรัม) และทำการถ่ายภาพด้วยการส่องกล้อง พบว่าสามารถตรวจจับการจับตัวของสาร NBD-PMX กับแบคทีเรียแกรมลบ P. aeruginosa, K. pneumoniae และ E. coli และเกิดการเรืองแสงขึ้นอย่างชัดเจน แต่จะไม่เกิดการเรืองแสงในกรณีของแบคทีเรียแกรมบวก S. aureus (MSSA), S. aureus (MRSA) และ S. pneumoniae
ภาพแสดงการทดลองการตรวจจับเชื้อแบคทีเรียแกรมลบในปอดของแกะทดลองด้วยเทคนิคที่พัฒนาขึ้น[1]
ภาพถ่ายในปอดของแกะทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถตรวจวัดการเรืองแสงของสาร NBD-PMX เมื่อเข้าไปจับตัวกับแบคทีเรียแกรมลบที่ใส่เข้าไปในปอดของแกะทดลอง แต่จะไม่เกิดการเรืองแสงในกรณีของแบคทีเรียแกรมบวก[1]
จากการศึกษาทางคลินิกเบื้องต้นในกลุ่มผู้ป่วยอาสาสมัครที่เป็นโรคหลอดลมโป่งพองจำนวน 6 คน โดยใช้เทคนิคดังกล่าวในการประเมินการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ โดยการใส่สารฟลูออเรสเซนต์แบบจำเพาะต่อเชื้อแบคทีเรียแกรมลบปริมาณต่ำ โดยใช้สายสวนหัวใจในระหว่างขั้นตอนการส่องกล้องหลอดลม และทำการถ่ายภาพทันที นอกจากนี้ยังมีการเก็บตัวอย่างของเหลวในถุงลมและหลอดลมส่วนปลาย และนำไปเพาะเลี้ยงเชื้อเพื่อตรวจสอบชนิดของเชื้อแบคทีเรียควบคู่กันไปด้วย พบว่าสามารถตรวจพบการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบประเภท K. pneumoniae และ H. influenzae ในปอดของผู้ป่วยอาสาสมัครได้สำเร็จและสอดคล้องกับผลการเพาะเชื้อของอาสาสมัครแต่ละราย นอกจากนี้ทีมวิจัยยังได้ทดลองในผู้ป่วยที่อยู่ในระหว่างการใช้เครื่องช่วยหายใจจำนวน 7 คน และสามารถตรวจพบเชื้อแบคทีเรียแกรมลบในผู้ป่วยดังกล่าวเช่นเดียวกัน ซึ่งเทคนิคนี้ใช้เวลาในการตรวจวัดเพียงประมาณ 15 นาที
ภาพถ่ายในปอดของผู้ป่วยอาสาสมัครด้วยเทคนิคการตรวจวัดการเรืองแสงของสาร NBD-PMX เมื่อเข้าไปจับตัวกับแบคทีเรียแกรมลบ[1]
ถึงแม้ว่าทีมวิจัยจะประสบความสำเร็จในการแสดงให้เห็นถึงความรวดเร็วและความไวในการใช้เทคนิคที่พัฒนาขึ้นนี้ในการตรวจจับเชื้อแบคทีเรียแกรมลบทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและทางคลินิกในผู้ป่วยกลุ่มเล็ก แต่การศึกษานี้ยังคงต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมทั้งในผู้ป่วยอาสาสมัครจำนวนที่มากขึ้น และทดสอบในระยะยาวมากขึ้น นอกจากนี้ทีมวิจัยยังคงต้องพัฒนาเทคนิคการวัดให้ครอบคลุมชนิดของแบคทีเรียมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรียแกรมลบเองที่ยังคงไม่สามารถตรวจจับแบคทีเรีย P. mirabilis ซึ่งก่อให้เกิดการติดเชื้อนิวมอเนียในผู้ป่วยเช่นเดียวกันได้ รวมไปถึงความสามารถในการตรวจจับแบคทีเรียแกรมบวก ซึ่งถึงแม้จะไม่ใช่เชื้อแบคทีเรียก่อโรคหลัก แต่ก็อาจมีผลให้เกิดการติดเชื้อนิวมอเนียได้เช่นเดียวกัน ซึ่งหากทีมวิจัยสามารถพัฒนาให้สามารถตรวจจับเชื้อแบคทีเรียได้อย่างครอบคลุมและหลากหลายก็จะสามารถนำไปใช้งานจริงอย่างมีประสิทธิภาพในอนาคต และอาจนำมาทดแทนเทคนิคการประเมินการติดเชื้อในปอดต่าง ๆ ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันได้
เอกสารอ้างอิง
- A. R. Akram, et. al. (2018) Sci. Transl. Med. 10(464), pii: eaal0033.
- https://www.ed.ac.uk/inflammation-research/news-events/2018/bacterial-imaging-probe-safe-for-use
- https://proteus.ac.uk/clinical/molecular-imaging/
