High-LET radiation enhanced cell death (Radiasi High LET

High-LET radiation enhanced cell death
(Radiasi High LET meningkatkan kematian sel)
Sarianoferni *, Endah Wahjuningsih**
* Radiology Department Faculty of Dentistry Hang Tuah University
** Oral Biology Department Faculty of Dentistry Hang Tuah University
Abstract
High LET radiation is a selective radiotherapy, being effective for the treatment of
advanced malignancies in head and neck regions. It directly damages DNA by causing
double-stranded breaks. The level of localized DNA damage caused by Ionizing radiation
(IR) is believed to increase with elevating LET values of radiation.
More than 50% of neoplasms have defects in the apoptotic machinery. Among the
best characterized of these abnormalities are the increased expression of mutations in the
tumor-suppressor gene TP53, which encodes tumor protein p53. This gene, called the
“guardian of the genome,” initiates apoptosis in response to DNA damage induced by
radiation. Cell inactivation induced by IR with different LET's have shown that high LET
radiation is more effective than low LET X-rays regarding the yield of apoptosis and
reproductive death.
We hope this studies can give support basic science for the dentist about the treatment
of head and neck malignancies.
Key Words : High LET radiation, p53, apoptosis
Korespondensi : Laboratorium Radiologi Kedokteran Gigi Universitas Hang Tuah,
Jl. Arif Rahman Hakim No. 150 Surabaya, Telp. (031) 5945864, 5912191
Abstrak
Radiasi high LET merupakan terapi radiasi pilihan yang efektif untuk perawatan
keganasan pada daerah kepala dan leher. Radiasi ini menyebabkan kerusakan secara
langsung pada DNA dengan cara double-stranded breaks. Kerusakan DNA yang
disebabkan oleh radiasi ionisasi meningkat dengan meningkatnya energi yang ditransfer
(Linier Energy Transfer).
Lebih dari 50% keganasan mengalami gangguan pada proses apoptosis. Salah satu
yang paling khas pada keadaan ini adalah meningkatnya ekspresi mutasi dari tumor
suppressor gene TP53, yang mengkode protein p53. Gen ini disebut sebagai “guardian of
the genome,” yang memulai apoptosis sebagai respon terhadap kerusakan DNA yang
diinduksi antara lain oleh radiasi. Inaktivasi sel yang disebabkan oleh radiasi ionisasi
dengan LET yang berbeda menunjukkan bahwa radiasi high LET lebih efektif
dibandingkan dengan low LET. Harapan kami tulisan ini dapat memberi dukungan ilmu
dasar bagi dokter gigi mengenai perawatan keganasan kepala dan leher.
1 Pendahuluan
Interaksi antara partikel bermuatan dengan atom-atom yang menyusun jaringan
merupakan fase awal dimana terjadi interaksi fisis yang menyebabkan terlontarnya elektron
pada kulit terluar dari atom. Keadaan ini dikenal sebagai proses ionisasi. Dalam lingkup
biologik, terpajannya jaringan pada sinar pengion akan mengawali reaksi kimiawi dan
berakhir berupa terjadinya reaksi jaringan yang pada gilirannya akan memperlihatkan efek
klinis (1,2,3).
Sifat radiasi yang dapat berinteraksi dengan bahan biologi dapat digunakan sebagai
terapi keganasan. Radiasi yang digunakan untuk terapi (radioterapi) adalah berupa partikel
berenergi yang akan menimbulkan proses ionisasi bila melewati berbagai materi termasuk
materi biologi, radiasi ini juga dikenal sebagai radiasi korpuskuler. Radiasi ini mempunyai
massa dan bermuatan sehingga daya tembusnya relatif pendek dibandingkan dengan radiasi
kelompok gelombang elektromagnetik. Daya tembus radiasi korpuskuler bervariasi
tergantung energinya (1,2,3).
Radiasi pengion, baik partikel maupun gelombang elektromagnetik, yang
berinteraksi dengan jaringan hidup akan mendeposit seluruh energinya ke seluruh bagian
sel
(2)
. Proses ionisasi pada materi biologi kemudian akan diikuti oleh efek biologi, dan
dapat menimbulkan kematian sel atau kecacatan DNA (deoxyribo nucleic acid).
Mekanisme kerusakan sel akibat radiasi ionisasi ada dua cara yaitu secara langsung dan
tidak langsung. Radiasi High LET menyebabkan kematian sel, secara langsung, mengenai
unsur yang penting yaitu DNA yang terdapat pada inti sel, untuk itu tidak tergantung dari
radikal bebas dalam merusak DNA (3,4).
DNA adalah struktur subsel yang paling peka terhadap radiasi dibandingkan
struktur yang lain. Kerusakan DNA dapat memicu aktivasi dan stabilisasi p53. p53 adalah
mediator sentral dalam merespon kerusakan DNA dan stress sel, yang diharapkan
mempunyai peranan penting terhadap sensitivitas tumor terhadap stimulus apoptosis seperti
radiasi. Hasil akhir aktivitas p53 adalah apoptosis dan cell cycle arrest (1,5).
2 Dasar Aplikasi Klinis Radiobiologi
Sebagian besar ionisasi terjadi sepanjang lintasan elektron berkecepatan tinggi, yang
memindahkan sejumlah energi ke dalam jaringan. Banyaknya energi yang ditransfer dalam
satuan jarak lintas sinar dalam materi biologi disebut sebagai Linear Energy Transfer
(LET), dengan kata lain jumlah energi yang dipindahkan oleh radiasi ke obyek yang
diradiasi per unit panjang arah perjalanan melalui obyek tersebut. LET terbagi menjadi dua
yaitu Low Linear Energi Transfer (Low LET) dan High Linear Energy Transfer (High
LET). Yang termasuk dalam Low LET antara lain sinar X, sinar gamma. Dan yang termasuk
High LET adalah proton, neutron, charge particles(3,6) .
Low LET maupun High LET sudah cukup lama digunakan untuk terapi suatu
keganasan. High LET yang merupakan sinar pengion berupa partikel berenergi tinggi akan
menyebabkan kerusakan pada rantai ganda DNA, juga jaringan sehat disekitarnya dengan
cakupan radiasi yang pendek. Radiasi ini sangat membantu perawatan keganasan
disamping radiasi konvensional dan kemoterapi. Pada radiasi Low LET interaksi radiasi
yang dihasilkan relatif lebih jauh antara satu dengan yang lain dan tersebar diseluruh sel(7).
Partikel-partikel dengan cakupan radiasi yang pendek, memungkinkan ionisasi yang
luas sepanjang jalur yang dilalui. Oleh karena itu, radiasi High LET tidak membutuhkan
dosis yang banyak untuk membunuh sel. Dengan demikian dosis yang diperlukan untuk
membunuh suatu sel lebih kecil dibandingkan dengan radiasi Low LET(7).
Efek radiasi ionisasi yang terjadi karena kerja elektron yang terbentuk oleh High
LET, akan langsung berinteraksi dengan rantai DNA mengakibatkan terjadinya kerusakan
atau kecacatan inti beserta sel komponennya. Dengan demikian DNA dari sel tersebut akan
mengalami fragmentasi dan akhirnya sel mengalami kematian (8).
Efek radiasi Low LET menjelaskan bahwa radiasi yang memajan tubuh individu
akan mempengaruhi komponen air yang ada di dalam sel, sehingga terbentuklah suatu
bahan yang dikenal sebagai radikal bebas, radiasi ionisasi berinteraksi dengan bahan
biologi melalui proses yang bertahap, diawali dengan tahap fisik dan berakhir dengan tahap
biologik. Radikal bebas yang terbentuk dapat memicu kematian sel
(8)
. Pada tahap awal
(tahap fisik), absorbsi radiasi pengion dengan hasil berupa eksitasi dan ionisasi molekul
atau atom penyusun bahan biologi. Tahap kedua yaitu tahap fisikokimia, tahap dimana
3 atom atau molekul yang tereksitasi atau terionisasi mengalami reaksi-reaksi sehingga
terbentuk radikal bebas yang tidak stabil. Lebih dari 60% tubuh manusia terdiri dari air.
Oleh karena itu peranan air sangat besar dalam menentukan hasil akhir efek radiasi. Efek
langsung pada molekul atau atom penyusun tubuh hanya memberikan sumbangan yang
kecil bagi akibat biologi akhir dibandingkan efek tak langsung melalui media air. Absorbsi
tenaga radiasi oleh air akan menghasilkan radikal bebas yang sangat reaktif dan toksik
melalui radiolisis air. Tahap ketiga yaitu tahap kimia dan biologi, tahap ini ditandai dengan
terjadinya reaksi radikal bebas dan peroksida dengan molekul-molekul organik sel untuk
menimbulkan keseimbangan efek kimia akhir. Tahap biologis, yang ditandai dengan
terjadinya tanggapan biologis yang bervariasi tergantung molekul penting mana yang
bereaksi dengan radikal bebas dan peroksida yang terjadi sebelumnya. Proses ini
berlangsung beberapa puluh menit hingga beberapa puluh tahun tergantung pada tingkat
kerusakan sel yang terjadi. Kerusakan yang terjadi dapat meluas dari skala seluler ke
jaringan, ke organ bahkan dapat menimbulkan kematian (8).
Aktivasi p53 akibat kerusakan DNA
Radiasi pada sel dapat mengakibatkan perubahan penting pada sifat biologik sebuah
sel. DNA merupakan salah satu faktor teramat penting dalam kehidupan makhluk hidup
adalah merupakan molekul target(2). p53 adalah mediator sentral dalam merespon
kerusakan DNA dan stress sel, p53 dinobatkan sebagai tumor suppressor gene karena
mempunyai peranan yang sangat besar dengan serangkaian fungsi untuk melindungi sel
dari kerusakan DNA (5,9). p53 mengalami mutasi pada lebih dari 50% tumor dan mengalami
hambatan fungsi pada sebagian tumor yang lain. Hal ini terjadi karena p53 berperan besar
dalam mengatur siklus sel, perbaikan DNA, dan aktivasi bax. (Rotter). p53 juga
mempunyai peranan penting pada pertumbuhan sel, proliferasi dan mutasi, atau delesi pada
gen p53yang menyebabkan resistensi terhadap terapi kanker (10,11).
Struktur p53 terdiri atas gugus N-transaktivasi, gugus kaya prolin, gugus DNAbinding spesifik, gugus tetramerisasi, dan ekor basic C-terminal. Gugus N-terminal
transaktivasi berguna untuk pengaturan stabilitas p53 di dalam sel, gugus kaya prolin
berguna untuk menekan pertumbuhan sel, gugus DNA binding spesifik berguna untuk
4 menempelnya p53 pada DNA dimana penempelan ini berefek menghambat proses
transkripsi, dan gugus ekor basic C-terminal berfungsi untuk menempelnya p53 pada rantai
tunggal dimana hal ini menyebabkan p53 dapat berfungsi lebih lanjut pada proses
berhentinya siklus sel, aktivasi GADD45 pada proses perbaikan DNA, dan aktivasi bax
pada apoptosis. Serangkaian fungsi inilah yang membuat p53 dinobatkan sebagai tumor
suppressor gene (5).
Dalam sel yang tenang kadar p53 akan dijaga untuk tetap stabil rendah dan tidak
aktif. Pada dasarnya jenis p53 ini (wildtype p53) memiliki waktu paruh yang sangat singkat,
yaitu sekitar 20-30 menit sehingga jarang terdeteksi pada sel yang tidak mengalami stres.
Bila sel mengalami stres akibat bahan-bahan perusak DNA seperti radiasi, hipoksia,
hipoglikemia, maka p53 akan mengalami stabilisasi sehingga memiliki masa hidup lebih
lama guna mengatur berhentinya siklus sel, perbaikan DNA dan apoptosis (12).
Aktivasi p53 sebagai respon terhadap kerusakan DNA akibat radiasi maupun agen
toksik lainnya menyebabkan penghentian siklus sel pada fase G1. Pada radiasi p53 tidak
secara langsung menyebabkan berhentinya G1 tetapi melalui teraktivasinya p21WAF1
suatu inhibitor CDK (cyclin dependent kinase), walaupun ada mekanisme lain yang belum
jelas. Bahkan dilaporkan bahwa aktivasi p53 berakibat berhentinya G2 (melalui aktivasi
bax dan menghambat aktifitas gen-gen yang anti-apoptosis seperti Bcl-2, Bcl-xl, dan Bcl-w.
akhirnya diperoleh fakta bahwa radiasi menyebabkan aktivasi p53 yang berakibat
berhentinya siklus sel atau apoptosis. Mutant p53 telah kehilangan kemampuan ini,
sehingga memungkinkan terjadinya proliferasi sel yang telah mengalami kerusakan DNA
(12)
.
Telah dijelaskan bahwa untuk menjalankan fungsi p53 membutuhkan serangkaian
transkripsi yang spesifik untuk menyebabkan penghentian siklus sel,dan dapat melalui
beberapa jalur melalui transkripsi dependent maupun independent. Terhentinya siklus pada
fase G1 atau apoptosis sangat tergantung pada mekanisme yang terlibat (12).
Respon biologi terhadap radiasi High LET dan Low LET
Pelepasan energi dari sinar pada materi biologi yang dilalui, yang terjadi secara
random akan menyebabkan perubahan-perubahan akibat radiasi pada setiap molekul dalam
5 sel. Penyebab utama kerusakan sel atau kematian sel adalah kerusakan DNA. Kerusakan
DNA yang terjadi akibat radiasi ionisasi adalah single atau double strand breaks rantai
DNA, perubahan atau kehilangan basa-basa pembentuk DNA, terjadi cross links antara
DNA dengan protein kromosom. Kerusakan-kerusakan yang terjadi akan menginduksi
proses repair baik yang sempurna maupun tidak sempurna. Pada derajat kerusakan tertentu
terutama pada double strand breaks tidak dapat dilakukan proses repair, dengan akibat sel
akan diprogram untuk mati yang dikenal sebagai proses apoptosis(3,4,6).
Jaringan juga dapat memberikan respon yang berbeda terhadap radiasi High LET
maupun Low LET dengan adanya oksigen, hal ini disebut dengan Oxygen-Enhancement
Ratio (OER). OER pada radiobiologi merupakan peningkatan kemampuan pengobatan
atau peningkatan efek dari radiasi ionisasi dengan adanya oksigen. Pengaruh ini sangat
besar pada radiasi ionisasi Low LET. Jika sejumlah populasi sel tumor mengalami hipoksia
sepanjang fraksinasi radioterapi, High LET akan lebih efektif dibandingkan Low LET (4, 13).
Linier energy transfer yang berbeda dapat menyebabkan respon biologi yang
berbeda, kondisi ini dinyatakan dalam relative biological effectiveness (RBE). Dosis yang
sama pada radiasi dengan LET yang berbeda dapat menghasilkan efek biologi yang berbeda
pula. Ada sejumlah bahan kimia yang dapat merubah respon sel terhadap radiasi. Salah satu
bahan kimia yang mempunyai efek sangat besar terutama pada terapi radiasi adalah
oksigen. Karena efeknya yang sangat universal, respon sel terhadap radiasi dengan adanya
oksigen diberikan nama yang spesifik yaitu oxygen effect (4, 13) .
Adanya oksigen bertindak sebagai radikal bebas ketika radiasi berinteraksi dengan
molekul air. Perbaikan terhadap kerusakan yang disebabkan oleh radiasi tidak
dimungkinkan karena adanya oksigen. Oksigen menyebabkan kerusakan yang diakibatkan
oleh radiasi menjadi permanen. Efek oksigen sangat besar dan penting pada radiasi Low
LET (sinar x dan gamma). Pada kondisi dimana tumor dalam keadaan hypoxic atau tetap
dalam keadaan hipoksia sepanjang perjalanan fraksinasi radioterapi, maka radiasi High LET
lebih efektif dibandingkan radiasi Low LET(4, 13).
RBE adalah pengukuran kerusakan yang disebabkan oleh radiasi ionisasi, dimana
radiasi High LET lebih tinggi dibandingkan radiasi low LET
(4)
. RBE yang tinggi pada
radiasi High LET disebabkan karena kerusakan yang terjadi pada DNA adalah double
6 stranded dan kerusakan yang terjadi tidak dapat diperbaiki, sehingga memungkinkan untuk
kondisi jaringan yang radioresisten, terutama pada tumor yang mempunyai pertumbuhan
lambat yang resisten terhadap radiasi low LET (13).
Diskusi
Yamakawa pada penelitiannya menggunakan human gingival cancer cells (Ca9-22
cells) yang terdapat mutant p53 (mp53) kemudian diiradiasi dengan X-rays C-ion (13-100
KeV/µm) atau Fe-ion beams (200KeV/µM). Hasil menunjukkan sensitifitas yang tinggi
dengan
menyebabkan
meningkatnya
jumlah
apoptosis.
Sehingga
Yamakawa
menyimpulkan radiasi high LET meningkatkan apoptosis dibandingkan dengan radiasi low
LET dengan cara aktifasi Caspase 3 melalui Caspase 9 dengan adanya mp53 (14).
Takahashi et al melaporkan bahwa wild type p53 lebih sensitif terhadap radiasi
dibandingkan mutant type p53. Meskipun mutasi yang terjadi pada p53 dapat menyebabkan
resistensi terhadap radioterapi, kemoterapi maupun termoterapi, radiasi high LET
menyebabkan apoptosis lebih tinggi dibandingkan low LET tanpa memandang status gen
p53 pada sel kanker. Demikian juga penelitian yang dilakukan oleh oleh Sekine E. et al
yang menyatakan bahwa radiasi high LET mengakibatkan kerusakan kromosom dengan
perbaikan yang minimal dibandingkan dengan radiasi low LET radiation pada sel yang
normal(15,16).
Radiasi High LET dengan cakupan radiasi yang pendek, memungkinkan ionisasi
yang luas sepanjang jalur yang dilalui, sehingga tidak membutuhkan dosis yang banyak
untuk membunuh sel. Dengan demikian dosis yang diperlukan untuk membunuh suatu sel
lebih kecil dibandingkan dengan radiasi Low LET.
Tingkat kerusakan DNA yang ditimbulkan oleh radiasi sebanding dengan
meningkatnya energi dari radiasi yang di transfer. Inaktivasi sel yang disebabkan oleh
radiasi ionisasi dengan LET yang berbeda telah pernah diteliti, dan hasilnya bahwa radiasi
dengan High LET menunjukkan lebih efektif menimbulkan apoptosis dibandingkan Low
LET(17).
Radiasi high LET mempunyai beberapa keuntungan yaitu (i) mempunyai distribusi
dosis yang baik, (ii) mempunya RBE yang tinggi, (iii) mempunyai OER yang rendah, (iv)
7 mempunyai variasi yang cell cycle-related radiosensitivity, dan (v) kesempatan sel untuk
memperbaiki diri yang rendah. Sehingga dapat disimpulkan radiasi high LET mempunyai
lethal effect yang tinggi termasuk terhadap sel tumor yang mempunyai sifat radioresisten.
Hal ini berarti radiasi high LET mempunyai sifat dapat mengakibatkan kerusakan pada sel
tumor dengan efek yang minimal pada jaringan sehat sekitarnya (10).
Daftar Pustaka
1.
White. Pharoah, M.J. Oral Radiology Principles and Interpretation.5th Ed., Mosby Comp.,
2004; 1-5, 25-32.
2.
Susworo R. Dasar-dasar radioterapi. Tata laksana radioterapi penyakit kanker. Penerbit
Universitas Indonesia. Jakarta. 2006.hlm 1, 6-12.
3.
Erawati D. Prinsip dasar onkologi radiasi. Pelatihan radiografer radioterapi RSU Dr. Sutomo
Surabaya. 2006; 1-13.
4.
Brower V. Carbo Ion therapy to debut in Europe. Jn ci.oxfordjournal. org. 2011 Oct;
101: 74-6.
5.
Cotran RS, Kumar V, Collins T. Robbins pathologic basis of
disease,7th ed.
Philadelphia: WB Saunder Company. 2003: 28-33, 209-12.
6.
Kiang JG, Garrison BR, Gorbunov NV. Radiation Combined Injury: DNA Damage, Apoptosis,
and Autophagy. Adaptive Medicine 2010; 2(1): 1-10.
7.
Allen BJ. Internal high linear energy transfer (LET) targeted radiotherapy for cancer.
Phys Med Biol. 2006 Jul 7;51(13):R327-41.
8.
Sudiana IK, 2008. Patobiologi molekuler kanker. Jakarta: Salemba Medika, hlm 45-60.
9.
Fujita Y. et al. Role of p53 mutation in the effect of boron neutron capture therapy on
oral squamous cell carcinom. Radiation Oncology 2009, 4:63.
10. Mori E., Takahashi A., Yamakawa. High LET heavy ion radiation induces p53independent apotosis. J.Radiant. Res. 2009; 50: 37-42.
11. Rouach EY. The p53 tumour suppressor gene: a mediator of a G1 growth arrest and of
apoptosis. Experientia. 1996 Oct 31;52(10-11):1001-7.
12. Rotter V. Expression of the wild type p53 tumor suppressor gene in normal cells and its
deregulation in cancer cells. Cancer Research and Therapy. p.176-7.
8 13. Hall EJ., GiarcciaAJ. Radiobiology for the Radiologist. Sixth Ed. Lippincott William
and Wilkins. 2006. (7): 9, 106.
14. Yamakawa N. et al. High LET radiation enhances apoptosis in mutated p53 cells trough
Caspase-9 activation. Cancer Sci. 2008; 99 (7): 1455-9
15. Takahashi A., Matsumoto H., Yuki K., High-LET radiation enhanced apoptosis but
not necrosis regardless of p53 status. 2004 Oct; 60: 591-7.
16. Sekine E. et al. High LET heavy ion radiation induces lower numbers of initial
chromosome breaks with minimal repair than low LET radiation in normal human
cells. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. Vol.
652 ( 1), 2008: 95-101.
17. Min FL, Zhang H, Li WJ, Gao QX, Zhou GM. Effect of exogenous wild-type p53 on
melanoma cell death pathways induced by irradiation at different linear energy transfer. In
Vitro Cell Dev Biol Anim. 2005 Sep-Oct;41(8-9):284-8.
9