อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

เด็กน้อยและผู้ใหญ่กลัวเข็มมีเฮ…หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์เข็มฉีดยาจิ๋วที่แทงผิวหนังแล้วไม่เจ็บ โดยได้แรงบันดาลใจจากยุงเพศเมีย แมลงจอมยุ่งที่สร้างความรำคาญและเป็นพาหะนำโรค

ถาม : ทำไมต้องเป็นยุงตัวเมีย?

ตอบ:

นักวิทยาศาสตร์พบว่า ยุงตัวเมียกินอาหารโดยใช้ปาก (proboscis) แทงไปที่เหยื่อเพื่อดูดเลือด รับรู้เสียงจากความถี่ด้วยหนวด (antennas) รับรสชาติขององค์ประกอบต่างๆ ในอากาศ เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ด้วยเส้นคล้ายหนวดที่ยื่นออกมาจากบริเวณปาก (maxillary palps) รับรู้ภาพด้วยตา และเคลื่อนที่ด้วยปีกและขา แต่ส่วนใหญ่ใช้ปีก

ลักษณะของยุงโดยรวม (บน) ลักษณะที่แตกต่างของยุงเพศเมียและเพศผู้ (กลางและล่าง)

อย่างไรก็ดี ยุงเพศผู้และเมียมีลักษณะบางอย่างที่ไม่เหมือนกัน ยุงเพศผู้มีขนาดเล็กกว่าเพศเมีย มีเส้นคล้ายหนวดที่ยื่นออกมาจากบริเวณปากยาวกว่า มีหนวดเป็นพวงดกกว่า รับรู้ความถี่เสียงที่ต่างกัน โดยเพศผู้รับรู้เสียงการบินของตัวเมียเนื่องจากต้องการหาคู่ ลักษณะของปากก็ต่างกันเนื่องจากอาหารที่ชอบไม่เหมือนกัน โดยยุงเพศเมียต้องใช้ปากแทงเหยื่อเพื่อดูดเลือดสำหรับใช้สร้างความเจริญเติบโตให้แก่ไข่สำหรับขยายพันธุ์ ในขณะที่ยุงเพศผู้ดูดน้ำหวานจากพืชเป็นอาหาร ดังนั้น สมบัติของปากในการทิ่มแทงเหยื่อจึงหมดไป

ถาม : ลักษณะปากของยุงเพศเมียเป็นอย่างไร?

ตอบ:

ภายใต้ปากเล็กยาวประกอบด้วยเข็มแหลมขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เกื้อหนุนกันถึง 6 เข็ม (fascicle) ได้แก่

  • เลบรัม (Labrum) เป็นเข็มที่ใหญ่ที่สุด มีลักษณะเป็นท่อปลายแหลมคม มีความยืดหยุ่นสูงสามารถโค้งงอได้ถึง 90 องศาใช้สำหรับดูดเลือด
  • แมกซิลลา (maxilla) จำนวน 1 คู่ อยู่ในตำแหน่งด้านข้างของเลบรัม ที่ปลายเข็มแมกซิลลาจะมีลักษณะคล้ายฟันเลื่อยทำหน้าที่ช่วยให้เข็มทั้งหมดยึดติดกับเหยื่อทันทีที่เจาะเข้าไป
  • แมนดิเบิล (mandible) จำนวน 1 คู่ อยู่ในตำแหน่งด้านข้างของเลบรัม ทำหน้าที่ยึดเนื้อเยื่อของเหยื่อไว้ช่วยให้แทงง่ายขึ้น
  • ไฮโปฟาริงซ์ (hypopharynx) เป็นเข็มที่ใช้สำหรับปล่อยน้ำลาย ซึ่งมีประโยชน์หลายอย่าง เช่น เป็นเหมือนยาชาที่ทำให้เหยื่อไม่รู้สึกเจ็บ ช่วยให้เลือดของเหยื่อไม่แข็งตัวเมื่อสัมผัสกับอากาศ ทำให้เส้นเลือดขยายตัว ขัดขวางการทำงานของภูมิคุ้มกัน และเป็นสารหล่อลื่นในขณะที่แทงเข้าผิวหนัง เข็มนี้ยังเป็นช่องทางแพร่เชื้อไวรัสและปรสิตให้แก่เหยื่อด้วย

นอกจากนี้ ยังมีเลเบียม (labium) ซึ่งเป็นส่วนที่หุ้มเข็มทั้งหมด ผิวของเลเบียมประกอบด้วยเกล็ด และขนที่บริเวณปลาย ขนนี้ช่วยในการหาตำแหน่งที่เหมาะสม เนื่องจากปลายของเลเบียมทื่อจึงไม่ได้ใช้แทงเข้าผิวหนังเหยื่อ แต่มีส่วนสำคัญในการช่วยพยุงเข็มในขณะที่แทงเหยื่อ หากปราศจากเลเบียมมัดของเข็มทั้งหมดจะไม่สามารถแทงผ่านเหยื่อได้ ซ้ำยังงออีกด้วย

โครงสร้างปากของยุง (ซ้าย) ลักษณะของเข็มถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนนิง (ขวา)

ถาม : ยุงกัดทำไมไม่เจ็บ?

ตอบ:

เมื่อยุงบินไปเกาะผิวเหยื่อ มันจะใช้เลเบียมหาตำแหน่งที่เหมาะสม จากนั้นเริ่มแทงเหยื่อด้วยมัดของเข็มทั้ง 6 แท่งหรือฟาสซิเคิล โดยอาศัยการเคลื่อนที่แบบสั่นที่ความถี่ 15 เฮิร์ตซ์ ซึ่งทั้งปลายของแมนดิเบิลที่คมกริบ ฟันเลื่อยของแมกซิลลา รวมถึงแรงสั่นช่วยให้การแทงเหยื่อง่ายโดยที่เหยื่อไม่รู้สึกตัว หลังจากที่แทงเหยื่อไฮโปฟาริงซ์จะปล่อยน้ำลายที่มีสารที่ทำให้รู้สึกชาบริเวณใต้ผิวหนัง

เมื่อฟาสซิเคิลแทงถึงความลึกที่เหมาะสม ยุงจะเริ่มค้นหาเส้นเลือดด้วยเซ็นเซอร์ที่อยู่บริเวณปลายของเลบรัม ซึ่งเลบรัมมีความยืดหยุ่นสามารถงอได้ถึง 90 องศาและหมุนได้ทุกทิศทาง เมื่อพบเส้นเลือด ยุงจะอาศัยการสั่นอีกครั้ง แต่ครั้งนี้เปลี่ยนความถี่ลดลงเหลือเพียง 5 เฮิร์ตซ์ เพื่อให้เลบรัมเจาะเข้าเส้นเลือด จากนั้นก็ดูดเลือดจนอิ่มหมีพีมัน ก่อนจะปล่อยน้ำลายออกมาอีกครั้งเพื่อป้องกันเลือดแข็งตัวเพื่อดึงฟาสซิเคิลออก และเมื่อฟาสซิเคิลออกจากผิวหนังก็จะหดตัวเข้าไปในเลเบียม

ถาม : เข็มฉีดยาเลียนแบบปากยุงมีลักษณะอย่างไร?

ตอบ:

จากการศึกษากลไกการดูดเลือดและสมบัติเชิงกลของปากยุงตัวเมียสายพันธุ์ Aedes vexans นักวิทยาศาสตร์จึงเสนอเข็มฉีดยาเลียนแบบปากยุงเป็นตามภาพคือ มีช่องสำหรับปล่อยยาชา ปลายเข็มสำหรับดูดเลือดหรือฉีดยามีลักษณะคล้ายฟันเลื่อย ซึ่งทั้งหมดนี้ถูกหุ้มในปลอก ในลักษณะเดียวกับไฮโปฟาริงซ์ เลบรัม แมกซิลลา และเลเบียม ตามลำดับ

ลักษณะของเข็มที่เลียนแบบปากยุง และกลไกการทำงาน

เข็มฉีดยานี้ทำจากวัสดุวิสโคอีลาสติกเพื่อต้องการให้มีสมบัติเชิงกลเหมือนเลบรัมคือมีเกรเดียนต์ของวัสดุทั้งในแนวตามยาวและตามขวางซึ่งเปลี่ยนตามความถี่ที่ใช้ในการสั่น กลไกการทำงานก็คล้ายกับปากยุงคือ แทงเข็มที่ปลายเป็นฟันเลื่อยเข้าผิวหนังโดยใช้การเคลื่อนที่แบบสั่น พร้อมกับปล่อยยาชาบริเวณใต้ผิวหนัง จากนั้นจึงดูดเลือดหรือฉีดยาให้แก่ผู้ป่วยตามต้องการ

ถาม :ลักษณะพิเศษของเข็มฉีดที่ออกแบบมีประโยชน์ในแง่ใด?

ตอบ:

ปลายเข็มที่เป็นฟันเลื่อย และการเคลื่อนที่แบบสั่นจะช่วยให้เข็มแทงเข้าผิวหนังได้ง่ายขึ้น

เข็มสำหรับปล่อยยาชาและการใช้วัสดุที่มีสมบัติเชิงกลแตกต่างจากปลายเข็มถึงโคนเข็มจะช่วยลดความเจ็บ

ปลายเข็มมีสมบัติเชิงกลแตกต่างกันในแนวขวางและมีความแข็งตึงมากขึ้นตามความถี่ช่วยป้องกันปลายเข็มจากการโก่งงอและเสียรูป

แหล่งข้อมูลและภาพประกอบ

• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616118305940?via%3Dihub
• https://www.kqed.org/science/728086/how-mosquitoes-use-six-needles-to-suck-your-blood
• https://newatlas.com/mosquito-micro-needle/55207/
• https://www.digitaltrends.com/cool-tech/mosquito-microneedle-ohio-state/
• https://www.nea.gov.sg/corporate-functions/resources/research/wolbachia-aedes-mosquito-suppression-strategy/wolbachia-aedes-mosquito-suppression-strategy-how-it-works

Scroll Up