Knowledge Sharing ชุมชนแห่งการเรียนรู้...

ไมโครเช็คอาร์เรย์สำหรับตรวจเชื้อแบคทีเรียก่อโรคปนเปื้อนในกระบวนการผลิตอาหาร

          ปัจจุบันเชื้อแบคทีเรียที่ปนเปื้อนในกระบวนการผลิตอาหารสามารถก่อให้เกิดผลเสียต่อสุขภาพของผู้บริโภคได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเป็นเชื้อแบคทีเรียที่เป็นพิษหรือสามารถทำให้เกิดโรคในมนุษย์ เช่น เชื้อ Salmonella, E. coli, Listeria ฯลฯ การบริโภคอาหารที่ปนเปื้อนด้วยเชื้อแบคทีเรียเหล่านี้อาจทำให้เกิดการติดเชื้อในระบบทางเดินอาหาร  ซึ่งสามารถทำให้เกิดอาการอักเสบ, อาการท้องเสีย, อาการอาเจียน, หรือแม้กระทั่งภาวะป่วยรุนแรงได้ การป้องกันการปนเปื้อนเชื้อแบคทีเรียในอาหารเป็นสิ่งสำคัญเพื่อรักษาสุขภาพของผู้บริโภคและป้องกันการระบาดของโรคต่างๆ รองศาสตราจารย์ ดร.เติมศักดิ์ ศรีคิรินทร์ ทีมวิจัยศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ได้ศึกษาปัญหาที่เกิดจากเชื้อจุลชีพก่อโรคที่ปนเปื้อนในอาหาร และได้รับการสนับสนุนโครงการต่อยอดทุนวิจัยเพิ่มเติมจาก งบประมาณสนับสนุนจากโครงการวิจัย “ปั้นดาว”สำนักงานโครงการพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี , กองประสานและส่งเสริมการใช้ประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์วิจัยและนวัตกรรม (กปว.),สำนักงานปลัดกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สป.อว.) ในการวิจัยโครงการไมโครเช็คอาร์เรย์สำหรับตรวจเชื้อแบคทีเรียก่อโรคปนเปื้อนในกระบวนการผลิตอาหาร ครั้งนี้ จากปัญหาที่เกิดจากเชื้อจุลชีพก่อโรคที่ปนเปื้อนในอาหาร ถือเป็นสิ่งคุกคามต่อสายการผลิตอาหารสมัยใหม่ที่ใช้หล่อเลี้ยงผู้คนทั่วโลก ก่อให้เกิดผลกระทบต่อเศรษฐกิจ ในระดับมหาภาคของกลุ่มประเทศผู้ผลิตและส่งออกอาหารรายใหญ่ เช่น ประเทศไทย จีน เวียดนาม เป็นต้น

         ไม่เพียงแค่เกิดความเสียหายต่อเศรษฐกิจ หากแต่ยังมีผลเสียต่อด้านสุขภาพของผู้บริโภคที่รับประทานอาหารที่มีการเปื้อนเชื้อแบคทีเรียเข้าไป ทำให้เกิดอาการเจ็บป่วย ในบางกรณีอาจมีอาการเจ็บป่วยฉับพลัน และรุนแรงซึ้งนำไปสู่การเสียชีวิตได้ ในแต่ละปีอุตสาหกรรมการผลิตอาหารทั่วโลกได้รับผลกระทบจากการตรวจพบเชื้อแบคทีเรียปนเปื้อนในอาหารไม่น้อยกว่า 30 ครั้งต่อปี เฉลี่ยเดือนละ 2 ครั้งดังตัวอย่างล่าสุด ที่ประเทศสหรัฐอเมริกาที่มีการตรวจพบเชื้อซาลโมเนลล่า (Salmonella) ในเนื้อวัวและเชื้อ E.coli ในผัก และผลไม้ ซึ่งมีการประมาณการมูลค่าความเสียหายไม่ต่ำกว่า 9.4 หมื่นล้านบาท สำหรับประเทศไทยเองก็มีการตรวจพบการปนเปื้อนของเชื้อซาลโมเนลล่าในผลิตภัณฑ์อาหารที่ส่งออกไปจำหน่ายในกลุ่มประเทศสหภาพยุโรป ซึ่งมีความเสียหายไม่ต่ำกว่า 100 ล้านบาท เช่นเดียวกัน จากรายงานขององค์การอนามัยโลก (WHO) และศูนย์ควบคุมโรคของสหรัฐอเมริกา (CDC) พบว่าการปนเปื้อนของเชื้อแบคทีเรียในปี 2560 มีแนวโน้มสูงขึ้นถึง 96% เมื่อเปรียบเทียบกับค่าเฉลี่ยในปี 2557-2559 และสามารถเกิดการปนเปื้อนได้ในทุก ๆ ขั้นตอนอาทิเช่น การเก็บเกี่ยววัตถุดิบการขนส่งวัตถุดิบ หรือกระบวนการ ที่ใช้ในการผลิตอาหารเป็นต้น  ดังนั้นการพัฒนากระบวนการตรวจเชื้อปนเปื้อนเหล่านี้จึงมีความจำเป็นต่อการสร้างมาตรฐานความปลอดภัยทางอาหารแก่ผู้บริโภคทั่วทุกมุมโลก นอกจากนี้ยังเป็นการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันให้แก่อุตสาหกรรมอาหารของประเทศในตลาดอาหารโลกได้อีกทางหนึ่งด้วย ปัจจุบันวิธีการตรวจวิเคราะห์เชื้อแบคทีเรียปนเปื้อนในผลิตภัณฑ์อาหารหรือในสายการผลิตอาหาร เช่น โต๊ะที่สัมผัสอาหาร สายพานการผลิตหรือภาชนะที่สัมผัสอาหาร ล้วนแล้วแต่ยังคงใช้วิธีการเพาะเลี้ยงเชื้อ ซึ่งมีความล่าช้า ใช้เวลา 3-5วัน ในการทราบผลตรวจวิเคราะห์ ทำให้เกิด down time ของกระบวนการผลิต หากมีเทคนิค ที่สะดวกและรวดเร็วจะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อกระบวนการผลิต เพราะจากสถิติที่มีการตรวจพบการปนเปื้อนของเชื้อแบคทีเรียก่อโรคในอาหาร เพิ่มมากขึ้นถึง 96%ในปี 2560ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น

            ยิ่งเป็นการเน้นย้ำถึงผลกระทบของปัญหาการตรวจวิเคราะห์ที่ใช้อยู่ว่ามีประสิทธิภาพเพียงพอหรือไม่ กระทบต่อความเชื่อมั่นด้านความปลอดภัยทางอาหารของผู้บริโภคที่มีต่ออุตสาหกรรมอาหารทางทีมผู้วิจัยจึงได้ทำการพัฒนาเทคนิค DNA biochip สำหรับตรวจเชื้อแบคทีเรีย Salmonella spp. และ Listeria monocytogenes        ในกระบวนการผลิตอาหาร ซึ่งใช้เวลาเพียง 3ชั่วโมง โดยเน้นการตรวจในตัวอย่าง swab test จากสิ่งแวดล้อมในระบบที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตอาหาร เช่น ภาชนะหรือสายพานการผลิต จากการสำรวจตลาดในกลุ่มบริษัท ห้องปฏิบัติการตรวจวิเคราะห์ (servicing laboratory) และโรงงานอาหาร ปัจจุบันพบว่ากลุ่มผู้ผลิตอาหารได้ให้ความสนใจในการตรวจติดตามที่ต้นทางของสาเหตุการปนเปื้อนมากขึ้น เพื่อเป็นการป้องกันการปนเปื้อนและลดความเสียหายอันอาจเกิดขึ้นอย่างทันท่วงที เพิ่มเติมจากการที่แต่เดิมมีการเน้นตรวจแค่ผลิตภัณฑ์อาหารที่ผ่านกระบวนการผลิตเสร็จแล้วเพียงอย่างเดียวโดยทางทีมผู้วิจัยได้ทำการศึกษาและพัฒนาการสร้าง DNA chip ที่สามารถให้ผลการตรวจวิเคราะห์เชื้อหลายสายพันธุ์ได้พร้อมกันใน 1ตัวอย่าง (multiplex detection) ช่วยเร่งผลลัพธ์ของกระบวนการทดสอบให้เร็วขึ้นแต่ได้ผลการทดสอบที่เทียบเท่ากับวิธีมาตรฐานเดิม (bacterial culture) ในระยะเวลาที่สั้นลงถึง 30เท่าเหลือเพียง 3ชั่วโมง (จากเดิมต้องใช้ระยะเวลาอย่างน้อย 3วัน) ลดต้นทุนในการตรวจวิเคราะห์จากเดิมได้ถึง 50%เมื่อเทียบกับราคาชุดตรวจ commercial (1ตัวอย่าง/เทส/1 เชื้อ) และมีวิธีการใช้งานที่ไม่ซับซ้อน ทีมวิจัยได้พัฒนากระบวนการผลิต DNA biochip ที่ใช้เทคโนโลยีทางชีววิทยาและวิศวกรรมเพื่อสร้างชิปที่ใช้ในการตรวจสอบและวิเคราะห์ DNA หรือ RNA ของอินทรีย์ต่าง ๆ โดยมีการจับเกี่ยวกับการสร้างโครงสร้างของ DNA หรือ RNA บนพื้นผิวของชิป ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบและวิเคราะห์สารพันธุกรรมได้อย่างรวดเร็วและมีความแม่นยำสูงการผลิต DNA biochip เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ใช้เทคโนโลยีการผลิตชิปอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างชิปที่สามารถใช้ในการวิเคราะห์ DNA หรือ RNA ในการตรวจสอบโรคหรือการวิเคราะห์พันธุกรรมต่าง ๆ ซึ่งมีการใช้ในงานวิจัยทางการแพทย์ การตรวจสอบความสมบูรณ์ของ DNA หรือ RNA และการวิเคราะห์สารพันธุกรรมในการวินิจฉัยโรคต่าง ๆ 

           เทคโนโลยี DNA biochip นี้จะช่วยเพิ่มมูลค่าให้แก่อุตสาหกรรมการผลิตอาหารของประเทศ ให้สามารถแข่งขันในเวทีอาหารโลก ผลิตสินค้าอาหารและส่งออกจำหน่ายได้เร็วขึ้นและยังเป็นการยกระดับคุณภาพและมาตรฐานความปลอดภัยทางอาหารที่ทั้งในประเทศและทั่วโลกให้ความสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่มประเทศที่นิยมนำเข้าสินค้าอาหารจากประเทศไทย อาทิเช่น กลุ่มประเทศในเครือสหภาพยุโรป (EU) และประเทศสหรัฐอเมริกา วิธีการทำงานของ microcheck array จะเริ่มจากการนำตัวอย่างที่ได้จากการเก็บตัวอย่างแบบ swab ในรูปของสารละลายแล้วมาทำการผสมกับ enrichment media เพื่อเพิ่มปริมาณเชื้อ บ่มทิ้งไว้ 18-24ชั่วโมง ตามข้อกำหนดวิธีมาตรฐานของ ISO หรือ BAM (ขึ้นกับวิธีการที่แต่ละโรงงานหรือห้องปฏิบัติการที่รับตรวจวิเคราะห์จะเลือกใช้ แต่วิธีการที่ทางผู้วิจัยพัฒนาขึ้นได้พัฒนาให้ครอบคลุมวิธีกาทั้งหมดแล้ว) จากนั้นจึงทำการสกัดดีเอ็นเอออกจากตัวอย่างที่ผ่านการ enrichment แล้ว เพื่อให้ได้ดีเอ็นเอต้นแบบ (DNA template) ของเชื้อที่แบคทีเรียมีการปนเปื้อนมาในตัวอย่าง จากนั้นจึงนำไปผสมกับชุดน้ำยา multiplex PCR สำเร็จรูปที่ได้มีการออกแบบไพรเมอร์ที่จำเพาะกับยีนที่บ่งชี้ว่าเป็นเชื้อสายพันธุ์ต่าง ๆ นั้นนำเข้าเครื่อง Thermal cycler เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการจึงนำ PCR product ที่ได้มาทำการบ่มกับแผ่น microcheck array ที่พร้อมใช้งาน จากนั้นทำการล้าง unbound และย้อมสีฟลูออเรสเซนท์ เมื่อเสร็จสิ้นจึงทำการล้าง unbound และอ่านผลสัญญาณฟลูออเรสเซนท์ที่ได้ โดยขอบเขตการดำเนินงาน นี้จะเป็นการต่อยอดนำ DNA biochip ที่ผลิตภายใต้การควบคุมสภาวะการผลิตที่เหมาะสม นำไปทดสอบการใช้งานจริงกับกลุ่ม partner ที่เป็น potential users เป้าหมายในการใช้งาน สามารถที่จะผลิตและควบคุมคุณภาพการผลิตของ DNA biochip ให้เป็นไปตามสภาวะจริงของการผลิตที่เป็นไปตามที่กำหนดใน ISO และได้รับการรับรอง ISO9001เรียบร้อยแล้ว นอกจากนี้ยังได้ทำงานทดสอบร่วมกับ strategic partner ได้ 3แห่ง ประกอบไปด้วย service laboratory 2แห่งและ รูปที่ 1แผ่น DNA chip ที่ทางทีมวิจัยได้พัฒนาขึ้น

              โดยสรุปผลการทดสอบประเมินประสิทธิภาพทำให้กลุ่ม potential users มีความสนใจ โดยให้ความเห็นว่าเป็นเทคโนโลยีที่มีความแม่นยำ ช่วยลดระยะเวลาในการตรวจและมีศักยภาพที่จะทำเป็น multiplex platform ได้เพิ่มเติมในอนาคต โดยแนะนำให้ทำเป็นแบบ customized ให้ตรงกับความต้องการของกลุ่มลูกค้า ทีมวิจัยได้นำ DNA biochip ที่ผลิตภายใต้การควบคุมสภาวะการผลิตที่เหมาะสมไปทดสอบการใช้งานจริงกับ potential user จำนวน 3ราย (เกินกว่าเป้าหมายที่วางแผนไว้เพียง 2ราย) ได้รับการยอมรับว่าสามารถตอบโจทย์ของอุตสาหกรรม ทั้งเรื่องความแม่นยำ และการลดระยะเวลาในการตรวจ และควรนำผลการทดสอบตลาด วิเคราะห์และวางแผนการตลาดสู่การดำเนินงานเชิงพาณิชย์ ซึ่งปัจจุบันบริษัท เซโนสติกส์ จำกัด อยู่ระหว่างการเจรจาขออนุญาตให้ใช้สิทธิในผลงานวิจัยและพัฒนาจากมหาวิทยาลัยมหิดล และอยู่ระหว่างการหารือกับบริษัท ALS ในการนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ ต่อไป