MIT ใช้ AI พัฒนาสูตรวัคซีน mRNA ให้ทนร้อนได้สำเร็จ เก็บที่อุณหภูมิห้องได้นาน 1 ปี ทดลองแล้วยังกระตุ้นภูมิคุ้มกันได้เหมือนเดิม

ทีมนักวิจัยจาก Massachusetts Institute of Technology (MIT) ใช้ AI ช่วยปรับสูตรวัคซีน mRNA ให้ทนความร้อนได้ดีขึ้นอย่างมาก วัคซีนสูตรใหม่คงสภาพได้นานถึง 1 ปีเมื่อเก็บที่อุณหภูมิห้อง และอยู่ได้ 2 เดือนแม้เก็บไว้ที่ 37 องศาเซลเซียส ที่สำคัญคือผลทดลองในหนูพบว่ายังกระตุ้นภูมิคุ้มกันได้ไม่ต่างจากวัคซีนโควิด-19 สูตรใกล้เคียงกับของ Moderna

วัคซีนชนิด Messenger RNA (mRNA) พิสูจน์ประสิทธิภาพมาแล้วในช่วงโควิด-19 และตอนนี้กำลังถูกพัฒนาต่อไปใช้กับโรคอื่นอีกมาก รวมถึงมะเร็ง แต่จุดอ่อนใหญ่ที่ยังแก้ไม่ตกคือต้องเก็บในความเย็นจัด งานวิจัยชิ้นนี้ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Biotechnology จึงเป็นความพยายามปลดล็อกข้อจำกัดดังกล่าว โดยมี AI เป็นตัวเร่งให้ทีมหาสูตรที่ต้องการเจอได้เร็วกว่าเดิมหลายเท่า

RNA เปราะแค่ไหน ถึงต้องเก็บไว้ที่ติดลบ 80 องศา

RNA เป็นโมเลกุลที่เปราะบางและเสื่อมสลายง่าย นักวิจัยจึงห่อหุ้มไว้ด้วยอนุภาคนาโนไขมัน หรือ Lipid Nanoparticles (LNP) ซึ่งทำหน้าที่เหมือนเกราะกันไม่ให้ RNA สลายตัว และช่วยพา RNA เข้าไปในเซลล์ได้ ถึงอย่างนั้น วัคซีนที่ใช้ LNP ก็ยังต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิติดลบ 20 ถึงติดลบ 80 องศาเซลเซียส ทำให้ขนส่งไปยังพื้นที่ที่ไม่มีระบบห้องเย็นรองรับได้ยาก

หากวัคซีนทนความร้อนได้มากขึ้น นอกจากจะกระจายไปได้กว้างขึ้นแล้ว ยังเปิดทางให้พัฒนาวัคซีนรูปแบบใหม่ เช่น แผ่นแปะเข็มจิ๋ว (Microneedle Patches) ที่มีเข็มขนาดเล็กบรรจุวัคซีนอยู่หลายร้อยเข็ม เมื่อแปะลงบนผิว เข็มจะละลายและปล่อยวัคซีนเข้าสู่ร่างกาย

ที่ผ่านมานักวิจัยพยายามเติมสารช่วยในตำรับ (Excipients) อย่างน้ำตาล เกลือ หรือพอลิเมอร์ ลงไปใน LNP เพื่อเพิ่มความคงตัว ทีมของ Ana Jaklenec หัวหน้าคณะวิจัยจาก Koch Institute for Integrative Cancer Research ของ MIT และศาสตราจารย์ Robert Langer เคยพัฒนา LNP ที่ใช้พอลิเมอร์ช่วยให้ทนความร้อนได้มาแล้ว แต่สูตรนั้นต่างจากสูตรที่ได้รับอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐฯ หรือ Food and Drug Administration (FDA) ซึ่งใช้ในวัคซีนโควิด-19 ของ Moderna และ Pfizer อยู่เล็กน้อย โจทย์ของงานวิจัยครั้งนี้จึงเป็นการทำให้สูตรที่ FDA อนุมัติแล้วทนความร้อนได้เอง

ติดทางตันอยู่หลายเดือน จน AI เข้ามาย่นเวลาเหลือไม่กี่สัปดาห์

ทีมเริ่มจากการนำสารช่วยที่เคยได้ผลในงานก่อนหน้ากลับมาใช้ แต่กลับไปต่อไม่ได้ Ana เล่าว่า "เราพยายามคัดกรองสารช่วยที่เคยใช้ทำให้ LNP คงตัวได้สำเร็จมาก่อน แต่มันไม่ได้ผลเลย เป็นช่วงที่ทีมท้อใจมาก"

ทางออกคือการหันไปใช้การเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning) โดยทีมจับมือกับนักวิจัยจาก Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) ของ MIT พัฒนาอัลกอริทึมที่ทำนายผลได้จากชุดข้อมูลขนาดเล็กมาก 

Mina Konaković Luković ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ประจำ CSAIL ระบุว่าทีมเคยใช้อัลกอริทึมนี้กับงานออกแบบการทดลองอัตโนมัติมาหลายแบบ แต่ไม่เคยใช้กับโจทย์ชีววิทยาอย่างความคงตัวของวัคซีนมาก่อน 

"ที่น่าประหลาดใจคืออัลกอริทึมเข้าใกล้สูตรที่คงตัวได้เร็วมาก ใช้เพียงไม่กี่รอบ แทนที่จะต้องค้นหาทุกความเป็นไปได้อย่างที่ปกติต้องทำ"

กระบวนการเริ่มจากการคัดกรองสารช่วยที่ FDA อนุมัติแล้วเกือบ 50 ชนิด ทีมผสมสารแต่ละชนิดเข้าไปใน LNP ที่บรรจุ mRNA สำหรับสร้างโปรตีนลูซิเฟอเรสจากหิ่งห้อย (Firefly Luciferase) ซึ่งทำให้เซลล์เรืองแสงได้ ยิ่งเซลล์เปล่งแสงออกมามาก ก็แปลว่าสารช่วยชนิดนั้นปกป้อง mRNA ได้ดี

จากนั้นทีมเลือกสารช่วยที่มีแววที่สุด 5 ชนิด แล้วให้ AI ทำนายสัดส่วนการผสมที่จะทำให้ LNP สูตรใกล้เคียงกับของ Moderna คงตัวได้ดีที่สุด ทีมทดสอบในเซลล์ครั้งละ 2 สูตรตามที่ AI แนะนำ ป้อนผลกลับเข้าไปให้อัลกอริทึมทำนายรอบใหม่ วนแบบนี้อยู่หลายรอบจนได้สูตรที่ดีพอจะนำไปทดลองในสัตว์ ทั้งกระบวนการใช้เวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์

Khanh Tran นักวิจัยหลังปริญญาเอกและผู้วิจัยหลักของงานนี้ ย้อนเล่าว่า 

"ก่อนจะนำอัลกอริทึม AI มาใช้ เราใช้เวลาหลายเดือนทดสอบการผสมแบบต่าง ๆ และคัดกรองสารช่วยทุกตัวที่หาได้ แต่ก็ไม่มีสูตรไหนทำให้คงตัวได้ 100 เปอร์เซ็นต์"

Ana สรุปจุดเด่นของแนวทางนี้ว่า 

"ความงดงามของอัลกอริทึมนี้คือใช้กับชุดข้อมูลขนาดเล็กได้ การทดลองเป็นพัน ๆ ครั้งทำได้ยากมาก อัลกอริทึมนี้จึงช่วยให้เราได้สูตรที่มีคุณสมบัติตามต้องการได้ง่ายขึ้น ซึ่งในกรณีนี้คือความคงตัว"

เก็บที่อุณหภูมิห้อง 1 ปี ภูมิคุ้มกันยังขึ้นเท่าสูตรต้นแบบ

เพื่อทดสอบความทนร้อน ทีมใช้ LNP สูตรใหม่บรรจุแอนติเจน (Antigen) โควิด-19 ในรูป mRNA แล้วทำให้แห้งด้วยการอบแห้งแบบสุญญากาศ (Vacuum Drying) ก่อนนำไปเก็บที่ 37 องศาเซลเซียสนาน 2 เดือน หรือที่อุณหภูมิห้องนาน 1 ปี ผลคือหนูที่ได้รับวัคซีนซึ่งผ่านการเก็บระยะยาวแล้ว มีการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันเทียบเท่ากับหนูที่ได้รับวัคซีนใน LNP สูตรใกล้เคียงกับของ Moderna

ทีมยังนำสูตรนี้ไปทำเป็นแผ่นแปะเข็มจิ๋วแบบของแข็งที่ส่งแอนติเจนของไวรัส SARS-CoV-2 ได้ และพบว่ากระตุ้นภูมิคุ้มกันได้ใกล้เคียงกับวัคซีน RNA แบบฉีด

Jinbi Tian นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและผู้วิจัยหลักอีกคน ระบุว่า 

"แนวทางของเราไม่ได้ขยายขอบเขตการใช้งานแค่วัคซีน mRNA แต่รวมถึงยารักษาโรค และแพลตฟอร์มนำส่งยาขั้นสูงอย่างอนุภาคควบคุมการปลดปล่อยยา (Controlled-release Particles) หรือแผ่นแปะเข็มจิ๋ว ซึ่งต้องการสูตรที่อยู่ในสภาพของแข็งหรือคงตัวได้ที่อุณหภูมิสูง"

ใช้ได้กับสูตรแบบ Pfizer และต่อยอดไปยัง mRNA ชนิดอื่น

อัลกอริทึมเดียวกันยังช่วยเพิ่มความคงตัวให้ LNP สูตรอื่นได้ด้วย รวมถึงสูตรใกล้เคียงกับที่ Pfizer ใช้ในวัคซีนโควิด-19 ซึ่งใช้สารช่วยชุดเดียวกับที่ทีมพัฒนาสำหรับสูตรแบบ Moderna ต่างกันเพียงสัดส่วนการผสม ทีมวิจัยระบุว่าเมื่อได้สูตรทนร้อนสำหรับ LNP แต่ละแบบแล้ว ก็สามารถนำไปใช้บรรจุ mRNA ชนิดใดก็ได้

ผลการทดลองที่เผยแพร่ครั้งนี้ยังอยู่ในระดับเซลล์และสัตว์ทดลอง โดยมี Ana Jaklenec และ Robert Langer เป็นผู้วิจัยอาวุโส ส่วนหนึ่งของงานวิจัยได้รับทุนสนับสนุนจาก Gates Foundation

ที่มา: MIT News