บัค กี้บอล…ยา มหัศจรรย์ แห่ง ยุคนา โน

1. บัคกี้บอล…ยามหัศจรรย์ แห่งยุคนาโน จัดทำโดย นางสาวรัชฎาพร อินทปัตย์ รหัส 56070262 คณะสาธารณสุขศาสตร์ การจัดการสุขภาพชุมชนเสนอ ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชัย บุญเจือ

2. บัคกี้บอล บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (Buckminsterfullerene) หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า บัคกี้บอล (Bucky ball) เป็นสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม (C60) เชื่อมต่อกันเป็นรูปทรงกลมคล้ายกับลูกฟุตบอล จัดเป็นสารในกลุ่มฟูลเลอรีนส์ (fullerenes, Cn) ซึ่งเป็นอัญรูป (allotrope) แบบที่สามของคาร์บอนต่อจากเพชรและกราไฟต์บัคกี้บอลมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุลประมาณ 1 นาโนเมตร ประกอบด้วยวงหกเหลี่ยมของคาร์บอน (hexagons) จำนวน 20 วง และวงห้าเหลี่ยม (pentagons) จำนวน 12 วง โดยที่บัคกี้บอลถือว่าเป็นโมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีรูปทรงสมมาตรที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยค้นพบจนถึงปัจจุบัน

3. การค้นพบบัคกี้บอล ย้อนกลับไปเมื่อ ค.ศ. 1985 ศ.ดร. ฮาร์โรลด์โครโต้ (Harold Kroto) นักฟิสิกส์ด้านอวกาศแห่งมหาวิทยาลัยซัสเซ็ก (University of Sussex) สหราชอาณาจักร กำลังวางแผนงานวิจัยเพื่อทำการศึกษาโครงสร้างของกลุ่มสารประกอบคาร์บอนที่น่าจะพบในบริเวณบรรยากาศรอบๆ ดาวยักษ์แดง (Giant red star) ดวงหนึ่งที่อยู่ห่างจากโลกไปเป็นระยะทางประมาณ 1 พันล้านปีแสง..! แต่เนื่องจากที่ห้องทดลองของโครโต้ นั้นไม่มีอุปกรณ์ที่มีศักยภาพเพียงพอที่จะทำงานวิจัยนี้ได้เพียงลำพัง เขาจึงตัดสินใจเดินทางไปทำงานวิจัยร่วมกับ ศ.ดร. ริชาร์ดสมอลลีย์ (Richard Smalley) และ ศ.ดร. โรเบิร์ตเคิร์ล (Robert Curl) ณ มหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice university) สหรัฐอเมริกา ระหว่างการทดลองโดยการจำลองสภาพบรรยากาศของดาวยักษ์แดงขึ้นมาโดยการใช้แสงเลเซอร์ความร้อนสูงยิงไปยังกราไฟต์ เพื่อให้สารประกอบคาร์บอนรูปแบบต่างๆ กลายเป็นไอระเหยขึ้นมาในบรรยากาศที่เป็นก๊าซฮีเลียม หลังจากปล่อยให้ไอระเหยของโมเลกุลคาร์บอนรูปแบบต่างๆ เย็นลงและจับตัวกันเป็นโครงสร้างโมเลกุลรูปแบบต่างๆ 

4. การค้นพบบัคกี้บอล นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่านต่างก็ประหลาดใจมากที่พบว่าโครงสร้างโมเลกุลคาร์บอนที่พบเกือบทั้งหมดมีรูปร่างเป็นทรงกลมเหมือนลูกฟุตบอลที่ประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่านได้ตั้งชื่อรูปทรงกลมนี้ว่า “บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน” เพื่อให้เกียรติแด่ มร. บักมินสเตอร์ฟูลเลอร์ (Buckminster Fuller) สถาปนิกและวิศวกรชื่อดังแห่งยุค ค.ศ. 1960 ซึ่งเป็นผู้ออกแบบอาคารและสิ่งก่อสร้างรูปโดมทรงกลมที่มีลักษณะคล้ายกับลูกฟุตบอลขนาดใหญ่อันเลื่องชื่อหลายแห่ง และเมื่อทำการศึกษาเพิ่มเติม พบว่าบัคกี้บอลมีความเสถียรสูงมากและมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดทั้งทางกายภาพและทางเคมีหลายประการ นอกจากนี้ยังสามารถพบบัคกี้บอลได้ในธรรมชาติอีกด้วย เช่น ในเขม่าของเทียนไขและไส้ตะเกียงน้ำมันก๊าซ ผลจากการค้นพบครั้งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 1996 

5. การนำเสนอบัคกี้บอลผ่านรูปแบบต่างๆการนำเสนอบัคกี้บอลผ่านรูปแบบต่างๆ ตัวอย่างอาคารรูปโดมที่ออกแบบโดย มร. บัคมินสเตอร์ฟูลเลอร์ ภาพหน้าปกนิตยสารไทม์เป็นรูปการ์ตูนล้อเลียนใบหน้าของ มร. บัคมินสเตอร์ฟูลเลอร์

6. ขั้นตอนการค้นพบและตรวจสอบบัคกี้บอลขั้นตอนการค้นพบและตรวจสอบบัคกี้บอล ส่วนประกอบและขั้นตอนการทำงานของอุปกรณ์ที่ริชาร์ดสมอลลีย์ ใช้ในการสังเคราะห์และตรวจสอบบัคกี้บอล แมสสเปกตรัมของบัคกี้บอลที่ริชาร์ดสมอลลีย์ และทีมงาน ค้นพบโดยบังเอิญจากการระเหยกราไฟต์ด้วยแสงเลเซอร์พลังงานต่ำ ซึ่งทำให้ทีมนักวิจัยทราบว่าโมเลกุลบัคกี้บอลประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอมเชื่อมต่อกัน

7. สรรพคุณทางเภสัชกรรมของบัคกี้บอลสรรพคุณทางเภสัชกรรมของบัคกี้บอล • สรรพคุณในการเป็นยาต่อต้านไวรัส (Antivirals) • สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย (Antibacterials) • สรรพคุณในการต่อต้านมะเร็งและเนื้องอก (Tumor/Anti-Cancer therapy)  • สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านการตายของเซลล์ (Anti-apoptosis agents)  • สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidants) 

8. 1. สรรพคุณในการเป็นยาต่อต้านไวรัส (Antivirals) สารต่อต้านไวรัสเอชไอวีที่เป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอล ชื่อ ซีเอสดีเอฟวัน (CSDF1) ของบริษัทซีซิกตี้ได้ถูกออกแบบให้สามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์โปรตีเอสของไวรัสเอดส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้สารชนิดนี้ยังถูกสังเคราะห์ให้ละลายน้ำได้ดีมาก (200 กรัมต่อลิตร) และสามารถถูกขับออกจากร่างกายได้อย่างรวดเร็วโดยการปัสสาวะ ทำให้สารซีเอสดีเอฟวันมีความเป็นพิษกับเซลล์ร่างกายค่อนข้างต่ำกว่ายารักษาโรคเอดส์ที่ใช้กันในปัจจุบัน ซึ่งจากการทดสอบความเป็นพิษของสารชนิดนี้ในหนูทดลองพบว่ามีความเป็นพิษต่ำ (LD50 เท่ากับ 800 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม)

9. 1. สรรพคุณในการเป็นยาต่อต้านไวรัส (Antivirals) ภาพจำลองแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของบัคกี้บอลสามารถกีดขวางบริเวณเร่งปฏิกิริยา (active site) ของเอชไอวี-วัน โปรตีเอส (HIV-1 protease) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะส่งผลให้ไวรัสเอชไอวีไม่สามารถเพิ่มจำนวนได้ 

10. 2. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย (Antibacterials) คาร์บอกซีฟูลเลอรีน (carboxyfullerene) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่ละลายน้ำได้ดี สามารถนำมาใช้รักษาหนูทดลองที่ป่วยเป็นโรคเยื่อหุ้มสมองอักเสบ (meningitis) ที่มีสาเหตุมาจากการติดเชื้อแบคทีเรีย E. coli ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และจากการตรวจสอบโดยละเอียดพบว่าหนูที่ได้รับการรักษาโดยใช้สารคาร์บอกซีฟูลเลอรีนจะมีปริมาณของทีเอ็นเอฟอัลฟา (tumor necrosis factor alpha, TNF-alpha) และปริมาณของอินเตอร์ลิวคิน-วัน เบต้า (interleukin-1beta, IL-1β) น้อยกว่าหนูที่ไม่ได้รับการรักษา นอกจากนี้สารคาร์บอกซีฟูลเลอรีนยังมีฤทธิ์ยับยั้งการเพิ่มอัตราการซึมผ่านของสารต่างๆ บริเวณทำนบกั้นระหว่างกระแสโลหิตและเซลล์สมอง (blood-brain barrier) ซึ่งมีสาเหตุมาจากความเป็นพิษของเชื้อ E. coliได้

11. 2. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย (Antibacterials) โครงสร้างโมเลกุลของฟูลเลอโรไพร์โรลิดีนส์ (Fulleropyrrolidines) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่มีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญของเชื้อ Mycobacterium tuberculosis ที่เป็นสาเหตุของโรควัณโรคได้ 

12. 3. สรรพคุณในการต่อต้านมะเร็งและเนื้องอก (Tumor/Anti-Cancer therapy)  คุณสมบัติพิเศษอีกประการหนึ่งของบัคกี้บอลคือสารชนิดนี้สามารถถูกเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ให้ในการรักษาโรคมะเร็งและเนื้องอกแบบใช้แสง (photodynamic tumor therapy) ได้ อนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่มีโมเลกุลเชื่อมติดกับพอลิเอทธิลีนไกลคอล (C60-polyethylene glycol) เมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสงจะมีฤทธิ์ในการทำลายเซลล์มะเร็งได้โดยไม่มีผลข้างเคียงกับเซลล์ร่างกายที่ปกติ จากผลการทดลองพบว่าอนุพันธ์ชนิดนี้เข้มข้น 0.424 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม โดยให้พลังงานแสงเท่ากับ 1011จูลต่อตารางเมตร จะสามารถกำจัดเซลล์มะเร็งให้ได้อย่างสมบูรณ์ จากการทดสอบในหลอดทดลองพบว่าฟูลเลอรีน-พอลิเอทธิลีนไกลคอล สามารถยับยั้งการเจริญของเซลล์เพาะเลี้ยงชนิดฮีลาเอสสาม (HeLa S3 cell lines) ซึ่งจัดว่าเป็นเซลล์มะเร็งชนิดหนึ่งได้ นอกจากนี้ยังมีรายงานว่าอนุพันธ์แบบฟูลเลอรีน-พอลิเอทธิลีนไกลคอลยังสามารถกำจัดเซลล์มะเร็งชนิดไฟโบรซาร์โคมา (fibrosarcoma tumors) ในหนูทดลองและที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเม็ดเลือดแดงได้ พอลิไฮดรอกซีฟูลเลอลีน (C60(OH)24) เป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอลที่ละลายน้ำได้ดี และมีฤทธิ์ในการยับยั้งการเจริญของเซลล์มะเร็งโดย 1.) ยับยั้งการประกอบตัวของไมโครทิวบูล (microtubule) ของเซลล์มะเร็ง 2.) ยับยั้งการสร้างไมโตติกสปินเดิล (mitotic spindle) ของเซลล์มะเร็ง ซึ่งคล้ายกับการออกฤทธิ์ของยาแทกซอล (taxol) ที่ใช้รักษาโรคมะเร็งในปัจจุบันนี้ 

13. 4. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านการตายของเซลล์ (Anti-apoptosis agents) บัคกี้บอลมีคุณสมบัติในการสะเทินความเป็นพิษของอนุมูลอิสระและสามารถยับยั้งขั้นตอนการตายโดยอัตโนมัติ (apoptosis) ของเซลล์ได้เป็นอย่างดี จากการศึกษาโดยละเอียดพบว่า คาร์บอกซีฟูลเลอรีน ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของบัคกี้บอล สามารถยับยั้งการตายของเซลล์ได้โดยการขัดขวางการส่งสัญญาณของ ทรานสฟอร์มมิ่ง โกรว์ทแฟคเตอร์-เบต้า (Transforming growth factor-beta, TGF-ß) ซึ่งเป็นตัวการในการชักนำให้เซลล์เข้าสู่ระยะการตายแบบอัตโนมัติ นอกจากนี้คาร์บอกซีฟูลเลอรีนยังสามารถป้องกันเซลล์ผิวหนังไม่ให้ถูกทำลายด้วยรังสียูวีบี(UVB) และจากสภาวะออกซิเดชันต่างๆ ได้เป็นอย่างดี 

14. 4. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านการตายของเซลล์ (Anti-apoptosis agents) โครงสร้างโมเลกุลของอนุพันธ์คาร์บอกซีฟูลเลอรีน (hexacarboxylic acid-C60) ซึ่งมีฤทธิ์ในยับยั้งการตายของเซลล์ Hep3B ได้โดยการขัดขวางการส่งสัญญาณของสาร TGF-ß ได้ 

15. 5. สรรพคุณในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidants)  จากการทดสอบประสิทธิภาพในการเป็นสารต่อต้านอนุมูลอิสระพบว่า อนุพันธ์ของบัคกี้บอลมีความสามารถในการต่อต้านอนุมูลอิสระสูงกว่า ไวตามินอี (vitamin E) หลายร้อยเท่าตัวเลยทีเดียว นอกจากนี้อนุพันธ์ชนิด โมโนมาโลเนตฟูลเลอรีน (C60monomalonate) สามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ ไนตริกออกไซด์ซินเทส (nitric oxide synthase, nNOS) ของเซลล์ประสาทได้อย่างเฉพาะเจาะจง 

16. อ้างอิง ลับสมอง. บัคกี้บอล…ยามหัศจรรย์แห่งยุคนาโน. [ออฟไลน์]. เข้าถึงได้จาก: http://www.vcharkarn.com/varticle/276 ฟิสิกส์ราชมงคล. บัคกี้บอล. [ออฟไลน์]. เข้าถึงได้จาก: http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/159/index159.htm