การพัฒนาต้นแบบชุดทดสอบเชิงสีชนิดใหม่สำหรับไวรัสทั้งชนิด DNA และ RNA เพื่อรับมือกับโรคอุบัติใหม่ในอนาคตอย่างครอบคลุม
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
กุลพัชร ชนานำ, ปกิตตา เกรียงเกษม, คุณัชญ์ คงทอง
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
วันเสด็จ เจริญรัมย์, เกียรติภูมิ รอดพันธ์
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
โคโรนาไวรัส ซึ่งเป็น RNA virus สาเหตุของโรค Covid-19 ได้แพร่ระบาดไปรอบโลก ส่งผลให้มีผู้ป่วย และผู้เสียชีวิตจำนวนมาก อย่างไรก็ดี บนโลกของเรานั้นมีจุลชีพหลายกลุ่ม ทั้ง DNA virus และ RNA virus แบคทีเรีย และ พาราไซต์ที่เป็นสาเหตุของโรคติดต่าง ๆ ทั้งในคน สัตว์ และ พืช เป็นต้น และหนึ่งในวิธีรับมือกับการระบาดได้อย่างทันท่วงที คือ การตรวจโรคให้ไว รู้ผลเร็ว ราคาจับต้องได้ ใช้งานง่าย และมีความแม่นยำสูง สามารถเข้าถึงทุกกลุ่มประชากรได้ แต่วิธีการตรวจทางห้องปฏิบัติการในปัจจุบัน เช่น PCR ยังไม่ตอบโจทย์ความต้องการดังกล่าว ในขณะที่ชุดตรวจอย่างง่าย เช่น Antigen Test Kit (ATK) ก็ยังมี sensitivity ที่ต่ำอยู่ ด้วยเหตุนี้ คณะผู้ทำโครงงานจึงเกิดแนวความคิดที่จะพัฒนาชุดทดสอบภาคสนามอย่างง่ายที่สามารถตรวจสอบได้ทั้ง DNA virus RNA virus และจุลชีพอื่น ๆ โดยข้ามข้อจำกัดของชุดตรวจในปัจจุบันที่กล่าวมาข้างต้นด้วยหลักการของ Colorimetric Reverse Transcription Loop-mediated Isothermal Amplification หรือ Colorimetric RT-LAMP เพื่อการรับมือกับโรคติดเชื้อ และโรคที่อาจอุบัติขึ้นใหม่ได้อย่างครอบคลุม และเพื่อป้องกันการติดเชื้อของคณะผู้จัดทำจากตัวเชื้อที่ใช้ในการพัฒนาชุดทดสอบ คณะผู้จัดทำจึงได้เลือก Tilapia Lake Virus หรือ TiLV ซึ่งระบาดในปลานิลและปลาทับทิมเท่านั้น ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ มาเป็นโมเดลในการพัฒนาชุดทดสอบภาคสนามอย่างง่าย
การพัฒนาโครงงานประกอบด้วย 3 ส่วน คือ 1) การพัฒนาวิธีสกัด DNA และ RNA อย่างง่าย 2) การพัฒนาชุดตรวจเปลี่ยนสีในขั้นตอนเดียว (one-step, colorimetric RT-LAMP) สำหรับตรวจเชื้อเป้าหมาย และ 3) การประดิษฐ์กล่องกักเก็บความร้อนแบบพกพา ที่จะเป็น Novel Test Kit เพื่อใช้ในภาคสนามร่วมกับชุดตรวจที่พัฒนาขึ้น
ในส่วนที่ 1 เราได้วิธีการสกัดสารพันธุกรรมที่ใช้งานง่ายกว่าและถูกกว่าวิธีมาตรฐานทางห้องปฏิบัติการ (TRizolTM reagent) กล่าวคือใช้เวลาเพียง 5 นาที ด้วยต้นทุนราคาต่ำกว่าหนึ่งบาทต่อตัวอย่างและไม่ต้องใช้เครื่องมือซับซ้อนใด ๆ ในส่วนที่ 2 เราได้พัฒนาสีบ่งชี้ปฏิกิริยาชนิดใหม่ (dye#19.1 KMF) ที่เหมาะสำหรับการใช้งานใน colorimetric RT-LAMP กล่าวคือจะเปลี่ยนสีจากน้ำเงินเข้มเป็นสีเขียวอ่อนเมื่อทำปฏิกิริยากับตัวอย่างส่งตรวจที่มีเชื้อเป้าหมายภายใต้การบ่มที่ 63 ℃ 45 นาที ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ชุดตรวจที่พัฒนาขึ้น สามารถตรวจไวรัสเป้าหมายได้น้อยที่สุดคือ 10 อนุภาค (copies)/ปฏิกิริยา และไม่เกิดผลบวกปลอมกับเชื้ออื่น ๆ เมื่อทดสอบกับตัวอย่างจริงจำนวน 75 ตัวอย่าง แบบ Blind Test พบว่ามีความน่าเชื่อถือ ทางสถิติอยู่ที่ 96.00% เมื่อเทียบกับวิธี RT-PCR มาตรฐาน
นอกจากนี้เพื่อพิสูจน์ (proof-of-concept) ว่าชุดตรวจที่พัฒนาขึ้นสามารถประยุกต์ใช้ตรวจโรคติดเชื้ออื่น ๆ ได้ เราได้ลองปรับองค์ประกอบน้ำยา colorimetric RT-LAMP เล็กน้อย โดยเปลี่ยนเพียงตัวตรวจจับเชื้อ TiLV (primer) เป็นตัวตรวจจับเชื้ออื่น ๆ เช่น วัณโรค (ตัวแทน แบคทีเรีย), COVID-19 (ตัวแทน RNA virus ก่อโรคในคน), Scale Drop Disease Virus (SDDV) (ตัวแทน DNA virus ก่อโรคในสัตว์) และ Phytoplasma (ตัวแทน พาราไซต์ก่อโรคในพืช) พบว่าสามารถตรวจโรคเหล่านั้นได้อย่างแม่นยำ แสดงให้เห็นว่าชุดตรวจเชิงสีที่พัฒนาขึ้นสามารถใช้เป็นต้นแบบในการตรวจโรคติดเชื้อต่าง ๆ ได้เป็นอย่างดี
ในส่วนที่ 3 เราสามารถได้ประดิษฐ์กล่องเก็บความร้อนพกพาโดยใช้งบประมาณ ไม่เกิน 1000 บาท ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าในการทำงาน แต่ให้ประสิทธิภาพไม่ด้อยไปกว่ากล่องให้ความร้อนเชิงพาณิชย์ (commercial heating block) ที่มีราคาหลักหมื่น หรือเครื่อง Thermal cycler ที่มีราคาหลักแสน ในการใช้ร่วมกับชุดตรวจที่พัฒนาขึ้น ซึ่งนำไปสู่การทดสอบภาคสนาม การตรวจคัดกรอง หรือการตรวจเชิงรุกที่ไม่ต้องพึ่งพาอุปกรณ์ทางห้องปฏิบัติการที่ราคาแพงได้
ต้นทุนการตรวจต่อตัวอย่าง โดยรวมน้ำยาในการสกัดสารพันธุกรรมและน้ำยาทำ colorimetric RT-LAMP อยู่ที่ 90-100 บาท โดยใช้เวลารวมไม่เกิน 1 ชั่วโมงในการตรวจและจะทราบผลการทดสอบได้อย่างรวดเร็วโดยการอ่านผลด้วยตาเปล่า ซึ่งถือว่าถูกกว่าและรวดเร็วกว่าวิธีมาตรฐาน RT-PCR อยู่ 4-5 เท่า และที่สำคัญที่สุดคือ สามารถปรับไปใช้ในการตรวจโรคอื่น ๆ อย่างง่ายดาย แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการเป็นต้นแบบชุดตรวจสำหรับรับมือกับโรคที่จะอุบัติใหม่ในอนาคตได้อย่างครอบคลุม