พวกเราเคยสังเกตุหรือไม่ว่า ทำไมเมื่อนำเชื้อแบคทีเรียมาเก็บไว้ในสภาวะที่เหมาะสม มันจะเติบโตและแบ่งตัวอย่างไม่สิ้นสุด? ซึ่งผลนี้จะตรงข้ามกับเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงขึ้น
ในปี 1912 Alexis Carrel นักวิทยาศาสตร์ที่สถาบันร๊อกกี้เฟลเลอร์ ได้ทำการทดลอง โดยใช้เซลล์ไฟโบรบลาสต์ของไก่มาทดสอบเพื่อดูว่า มันจะสามารถแบ่งตัวได้นานแค่ไหน Carrel ได้เลี้ยงเซลล์ไฟโบรบลาสต์นี้ด้วยอาหารเหลวพิเศษที่ได้จากตัวอ่อนของไก่ โดยจะให้อาหารนี้ทุกๆ 2 – 3 วัน จำนวนเซลล์ที่มากเกินไปจะถูกคัดทิ้งเป็นระยะ เซลล์ไฟโบรบลาสต์นี้จะแบ่งตัวเพิ่มจำนวนได้นานเป็นเวลาหลายปี โดยไม่มีทีท่าว่าจะหยุด จนกระทั่ง Carrel เสียชีวิตได้ 30 ปี การทดลองนี้จึงได้หยุดลง จากการทดลองบ่งบอกว่า เซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงก็สามารถอยู่ได้เป็นเวลายาวนานเหมือนกับเซลล์ของแบคทีเรีย
ในยุคต้นของปี 1960 Leonard Hayflick ได้ทำการทดลองที่ให้ผลตรงข้ามกับของ Carrel Hayflick เขาพบว่า เซลล์ไฟโบรบลาสต์ของมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงไว้จะสามารถแบ่งตัวได้ราว 50 ครั้งเท่านั้น หลังจากนั้นก็จะหยุดการแบ่งตัว — แล้วอย่างนี้จะเชื่อใครดี?
จากการศึกษาพบว่า การทดลองของ Carrel มีความผิดพลาดทางเทคนิค โดยเขาใช้อาหารเหลวที่เลี้ยงเซลล์ไฟโบรบลาสต์ของไก่จากตัวอ่อนของไก่ ซึ่งพบว่า ในอาหารนี้มีเซลล์ไฟโบรบลาสต์ของไก่ปนมาด้วยเล็กน้อย ดังนั้นในการทดลองของเขา จึงเปรียบเสมือนว่าเขาได้ใส่เซลล์ไฟโบรบลาสต์ใหม่เข้าไปทุก 2 – 3 วันโดยที่ไม่ได้ตั้งใจ คนจึงเริ่มหันมาให้ความสนใจกับสมมุติฐานของ Hayflick แทน และได้กำหนดให้ตัวเลขสูงสุดที่เซลล์จะสามารถแบ่งตัวได้ผ่านการเพาะเลี้ยงนี้ว่าเป็น Hayflick Limit (HL)
HL เป็นโปรแกรมทางพันธุกรรมที่ถูกกำหนดไว้ เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์แบ่งตัวเพิ่มจำนวนต่อไปอีก — เมื่อมาถึงจุดๆ หนึ่ง คำถามก็คือ : -
ทำไมเซลล์ของเราจึงจำเป็นต้องมีโปรแกรม Hayflick Limit นี้ด้วยหรือ?
ครับ ตัวเลขการแบ่งเซลล์นี้มีไว้ เพื่อลดความเสี่ยงไม่ให้เซลล์เติบโตอย่างที่ควบคุมไม่ได้ จนกลายไปเป็นมะเร็ง จากการวิจัยก็พบด้วยว่า ในเซลล์มะเร็ง จะมีการสูญเสียโปรแกรมทางพันธุกรรมนี้ไป จึงเป็นเหตุให้เซลล์พวกนี้เจริญเติบโตอย่างไม่หยุดยั้ง
ต่อมาก็มีการค้นพบ กลไกสำคัญที่อยู่เบื้องหลังการทำงานของ HL โดยพบว่า ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงนั้น โครโมโซมจะถูกครอบด้วยโครงสร้าง DNA พิเศษที่เรียกว่า เทโลเมียร์ (Telomeres) ซึ่งบทบาทหลักของเทโลเมียร์ก็คือ การป้องกันส่วนปลายของโครโมโซมจากการเสื่อมสภาพ ในระหว่างที่เซลล์แบ่งตัว โครโมโซมจะจำลองตัวเองผ่านทาง DNA จากกระบวนการตามธรรมชาตินี้ บริเวณช่วงปลายของทุกเทโลเมียร์จะเป็นส่วนที่ไม่สามารถก๊อปปี้กันได้
ลองนึกถึงภาพถนน ดังรูป ที่ต้องใช้เครื่องจักรในการสร้างผิวถนน ซึ่งโดยทั่วไป เครื่องจักรนี้จะเคลื่อนย้ายได้เมื่ออยู่บนผิวถนนเท่านั้น ดังนั้นทุกครั้งที่มีการสร้างผิวถนนขึ้นมาใหม่ (โดยให้ซ้อนอยู่บนผิวเดิม) เราจะพบว่า บริเวณพื้นที่ใต้เครื่องจักรจะเป็นส่วนที่ไม่อาจจะสร้างถนนได้ ด้วยเหตุนี้ชั้นผิวถนนที่สร้างขึ้นมาใหม่นี้จะสั้นลงเรื่อยๆ ตามรูป ชั้นที่ 1 เมื่อสร้างเสร็จ เครื่องจักรจะมาอยู่ที่ตำแหน่งที่ 1 จากนั้นก็จะเริ่มสร้างชั้นผิวที่ 2 ซึ่ง ณ. จุดตรงตำแหน่งที่ 1 ที่เครื่องจักรตั้งอยู่ มันไม่สามารถสร้างที่จุดนี้ได้ มันเริ่มสร้างชั้นที่ 2 ไปตามแนวลูกศร จนถึงตำแหน่งที่ 2 จากนั้นก็เริ่มสร้างชั้นที่ 3 ต่อ จะเห็นว่าทุกชั้นที่สร้างขึ้นมาใหม่ ผิวถนนจะสั้นลงเรื่อยๆ
จึงเปรียบได้กับการแบ่งโครโมโซม ที่ช่วงปลายของเทโลเมียร์จะไม่สามารถทำการจำลองขึ้นมาได้ ดังนั้นชั้นของเทโลเมียร์ใหม่ที่เกิดขึ้น ก็จะสั้นลงไปเรื่อยๆ จนถึงจุดหนึ่ง เซลล์ก็จะไม่สามารถแบ่งตัวต่อไปได้อีก
หมายเหตุ : ตรงข้ามกับโครโมโซมของแบคทีเรียจะเป็นวงกลมและไม่มีเทโลเมียร์ ดังนั้นเชื้อแบคทีเรียจึงไม่มี HL พวกมันจึงสามารถแบ่งตัวได้เรื่อยๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด
จากข้อมูลเบื้องต้นนี้ จึงอธิบายได้ว่า เซลล์ไฟโบรบลาสต์เมื่อแบ่งตัวมาถึงครั้งที่ 50 แล้ว พวกมันจะสูญเสียความสามารถในการแบ่งตัวอีกต่อไปและเริ่มจะเข้าสู่สภาพของการเสื่อมสลายหรือชราภาพนั่นเอง
นั่นหมายความว่า กระบวนการเผาผลาญพลังงานของเซลล์จะค่อยๆ ลดลง เมื่อแบ่งตัวมาถึงจุด HL แล้ว จากนั้นพวกมันจะเริ่มมีขนาดที่ใหญ่ขึ้นและมีการสะสมของสารไลโปฟุสซิน (Lipofuscin) ซึ่งเป็นสารที่เกิดจากสารอนุมูลอิสระที่สะสมมากขึ้นแล้วมาจับตัวกับไขมัน ก่อให้เกิดความผิดปกติของสีผิวที่มีตั้งแต่สีน้ำตาลไปจนถึงสีดำกระจายไปทั่วร่างกาย
ดังนั้น ถ้าจะถามว่า ความชราภาพเป็นผลที่เกิดจากเซลล์สูญเสียความสามารถในการแบ่งตัวเมื่อมาถึงจุด HL เช่นนั้นใช่หรือไม่? — เราไม่สามารถที่จะตอบตรงๆ เช่นนั้นได้ ณ. ปัจจุบันนี้ เพราะเนื้อเยื่อบางอย่าง เช่น เซลล์ที่ผิวหนังและเซลล์ที่บุผนังเส้นเลือด HL อาจจะเป็นส่วนสำคัญตัวหนึ่งของกระบวนการชราภาพ ในขณะที่เซลล์สมอง, เซลล์ในเยื่อเรติน่า, เซลล์ประสาทและกล้ามเนื้อแทบจะไม่แบ่งตัวหรือไม่แบ่งตัวเลยก็ได้เมื่อเข้าไปใกล้จุด HL
แล้วเราจะสามารถยกเลิก Hayflick Limit นี้ได้หรือไม่?
ถ้าเอาจริง ก็น่าจะทำได้ อย่างเช่นการกลายพันธุ์ที่พบในเซลล์มะเร็ง หรือแม้แต่เชื้อไวรัสบางชนิด เช่น ไวรัสที่ทำให้เกิดหูด จะไปทำให้เซลล์ที่ติดเชื้อไวรัสชนิดนี้สามารถแบ่งตัวได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด เป็นต้น เหตุผลก็คือว่า ทุกๆ เซลล์จะมียีนที่ควบคุมการสร้างเอ็นไซม์เทโลเมียร์ เรียกว่า Telomerase โดยเอ็นไซม์นี้จะปรับฟื้นฟูเทโลเมียร์ที่สั้นให้คืนสภาพได้ และยังพบด้วยว่า เซลล์ที่มีเอ็นไซม์ Telomerase ทำงานอยู่นั้น จะสามารถแบ่งตัวได้อย่างไม่จำกัด ในเซลล์ปกติทั่วไป เอ็นไซม์นี้จะถูกกดการทำงานไว้ ทำให้เซลล์เหล่านี้แบ่งตัวได้อย่างจำกัด
ประเด็นที่น่าสนใจก็คือว่า นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่า ในสเต็มเซลล์ของตัวอ่อน กลไกการแบ่งเซลล์อย่างอิสระนี้ถูกเปิดให้ใช้งานได้ โดยผ่านทางยีน Nanog ส่วนยีนที่เกี่ยวข้องกับการเสื่อมสลายของเซลล์ก็คือ ยีน INKA ซึ่งจะควบคุมโปรตีน P16 (โปรตีนนี้มีบทบาทป้องกันไม่ให้เกิดเซลล์มะเร็ง โดยกระตุ้นให้เซลล์เกิดการเสื่อมสลาย) จากการทดลองพบว่า หนูที่ขาดโปรตีน P16 เซลล์ของมันจะเสื่อมสลายได้ช้ากว่าเซลล์ของหนูทั่วไปมาก แต่ถึงกระนั้นพวกมันก็มีช่วงชีวิตที่สั้นกว่าหนูทั่วไป เนื่องจากมีโอกาสเป็นมะเร็งได้สูงกว่ามากเช่นกัน
สรุป
การมี Hayflick Limit จะช่วยส่งเสริมให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปตามอายุ
ถ้าไม่มี HL เสียเลย พวกเราก็เสี่ยงต่อการเป็นมะเร็งที่สูงขึ้นตามมา
จำนวนการแบ่งตัวของเซลล์ เมื่อมาใกล้ถึงจุด HL ไม่ได้แน่นอนตายตัว จะมีหลายปัจจัยมาเกี่ยวข้อง ที่อาจจะเร่งหรือชะลอให้ช้าลงได้ เช่น ปัจจัยที่เร่งให้ HL เร็วขึ้น ก็คือ ปริมาณอนุมูลอิสระที่มากขึ้น ส่วนสารบางอย่างก็สามารถยืด HL ให้ยาวออกไปได้ เช่น สารสกัดจากกระเทียม เป็นต้น
โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ชาวดัทช์ได้พบว่า สารสกัดจากกระเทียมจะช่วยยืด HL ออกไปและเพิ่มการทำงานของเซลล์ไฟโบรบลาสต์ที่ชั้นผิวหนังได้
นอกจากนี้ก็มี กรดวิตามินเอ (Retinoic acid) สามารถยืดขยาย HL ออกไปได้เกือบ 50% ทีเดียว!
ล่าสุดนักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Geron ได้ทำการจำลองยีนที่ควบคุมเอ็นไซม์ Telomerase ในเซลล์ไฟโบรบลาสต์ เขาพบว่า เซลล์นั้นมี HL ที่ยืดยาวออกไป โดยที่ไม่แสดงอาการว่าจะมีการเสื่อมสลายของเซลล์เลย และเซลล์นั้นยังคงดูกระชุ่มกระชวยและอ่อนวัยอยู่ตลอด!
แล้วพวกเราจะสามารถใช้ประโยชน์จากความรู้ได้อย่างไรเพื่อยืดขยาย Cellular Clock ออกไปให้นานที่สุดได้ โดยที่ไม่มีผลเสียตามมา? มีความเป็นไปได้สูง ในอนาคตอันใกล้นี้ จากการนำความรู้ทางวิศกรรมพันธุศาสตร์มาใช้ประยุกต์ เพื่อเปลี่ยนแปลงโปรแกรมที่เกี่ยวข้องกับ Hayflick Limit ให้ยืดยาวออกไป ถึงแม้ว่าจะมีความเสี่ยงต่อการเป็นมะเร็งก็ตาม ในขณะเดียวกันนักวิทยาศาสตร์ก็กำลังหาวิธีการแยกคัดเอาเซลล์ที่เสื่อมสลายออกไปจากเนื้อเยื่อที่ดี
ปัจจุบันนี้สิ่งที่พวกเราสามารถทำได้ดีที่สุดก็คือ การหลีกเลี่ยงการแบ่งเซลล์ที่ไม่จำเป็นและหาทางยืดขยาย HL ออกไปโดยการเพิ่มสภาพแวดล้อมภายในที่เป็นมิตรต่อร่างกายเรา ซึ่งหมายความว่า พวกเราควรลดปัจจัยที่กระตุ้นให้เกิดการแบ่งเซลล์ที่ไม่จำเป็นนั้นเสีย โดยเฉพาะ อนุมูลอิสระ, การอักเสบ, สารพวก Mutagen, สารพิษและรังสี UV เป็นต้น