Aplikasi stem cel di bidang klinik

PERAN ENDOTHELIAL PROGENITOR
CELL (EPC) UNTUK PERBAIKAN
ENDOTHEL PADA ATHEROSKLEROSIS
Prof.Dr.H.Djanggan Sargowo, dr.,Sp.PD, Sp.JP (K),
FIHA, FACC, FESC, FCAPC, FASCC
1
PERAN ENDOTHELIAL PROGENITOR CELL (EPC) UNTUK PERBAIKAN
ENDOTHEL PADA ATHEROSKLEROSIS
Djanggan Sargowo
I. PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Disfungsi atau kerusakan sel endotel memainkan peranan penting terhadap proses
patogenesis dari aterosklerosis dan trombosis. Perbaikan kembali fungsi endotel segera setelah
terjadinya jejas pada dinding arteri merupakan langkah kunci dalam upaya menghambat
perkembangan dari proses ateroslerosis dan trombosis pada pembuluh darah jantung. Beberapa
hasil penelitian menunjukkan bahwa endothelial progenitor cells (EPC) yang terdapat di dalam
sumsum tulang maupun beredar dalam pembuluh darah terbukti mempunyai hubungan yang kuat
dengan perbaikan fungsi endotel serta proses angiogenesis neovaskularisasi pembuluh darah.
Sehingga ditemukannya EPC membawa implikasi besar dalam dunia ilmiah dan kedokteran.
Dengan demikian transplantasi EPC bisa menjadi suatu alternatif terapi untuk mengatasi
kerusakan serta disfungsi endotel pembuluh darah. (Rainer Zbinden et all, 2007)
EPC dapat diisolasidari berbagai sumber, antara lain darah tali pusat darah tepi sumsum
tulang dan juga pada jaringan tubuh lainnya, seperti jaringan lemak, hati, jantung, limpa, dan
saluran pencernaan. Namun jumlah EPC yang sangat terbatas dari berbagai sumber tersebut
membatasi penggunaan EPC sebagai terapi alternatif. Oleh karena itu, diperlukan upaya untuk
memperbanyak jumlah EPC dengan cara mengkultur secara in vitro untuk memenuh ijumlah
kebutuhan dalam terapi.(J.xu at all, 2008)
Bagaimana mekanisme diferensiasi EPC, dari sumber mana saja sel punca dapat
berdeferensiasi menjadi EPC, serta faktor-faktor apa saja yang dapat menginduksi serta
menghambat proses diferensiasi saai ini belum diketahui dengan pasti.
2
II. TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Endothelial Progenitor Cell (EPC)
Beberapa hasil penelitian baik secara in vitro maupun in vivo memberikan bukti yang
meyakinkan bahwa di dalam sumsum tulang dan aliran darah tepi terdapat sel-sel yang mampu
membelah dan berdiferensiasi menjadi sel-sel endotel dan memperbaiki jaringan iskemik akibat
rusaknya dinding pembuluh darah. Sel-sel ini disebut endothelial progenitor cell (EPC). Melalui
eksperimen in vitro, telah diketahui tiga kelompok sel yang memiliki kemampuan
neovaskularisasi, antara lain kelompok EPC yang berasal dari sumsum tulang, kelompok sel
endotel dari dinding pembuluh darah yang bersikulasi di dalam darah tepi (circulating
endothelial cell/CEC), serta kelompok sel yang disebut endothelial outgrowth cell (EOC), dan
dua kelompok terakhir diperoleh dari hasil kultur sel-sel mononuklear darah tepi didalam
medium yang sesuai. (PKY Goon et all, 2006)
Secara in vivo sel-sel endotel dapat berasal HSC, common myeloid progenitor,
granulocytemacrophage progenitor, dan mesenchymal stem cell. Kemungkinan sumber EPC lain
adalah sel-sel monosit yang berperan dalam proses neovaskularisasi melalui mekanisme yang
berbeda dari keempat sumber diatas. EPC hasil diferensiasi sel monosit tidak langsung
membentuk sel endotel, tetapi bermigrasi ke perivascular space dan mensekresikan
proangiogenic cytokine, seperti Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), Human Growth
Factor (HGF), Granulocyte-Colony Stimulating Factor (G-CSF), dan Granulocyte MacrophageColony Stimulating Factor (GM-CSF). Secara morfologi EPC dari sel-sel monosit berbentuk
spindle, menyerupai sel-sel fibroblast. Sedangkan EPC yang berasal dari sumsum tulang
berbentuk seperti cobblestone, menyerupai sel endotel. (Kouros Motamed et all, 2003)
3
Gambar 1. Pluripotent SC (J. Xu. Journal Mol Medicine 2008)
II. 2 Diferensiasi Sel Punca
Pada terapi regeneratif diperlikan sel punca yang telah mengalami diferensiasi menjadi sel
yang lebih spesifik tanpa memandang dari mana sumbernya, kemudian baru di transplantasikan
ke penderita yang memerlukan. Diferensiasi menjai sel yang lebih spesifik lainnya terjadi secar
spontan jika embryonic stem cell dikultur pada media tertentu. Agar supaya aplikasi sel punca
dapat berhasil dengan baik diperlukan suatu pengaturan tertentu terhadap sel punca tersebut agar
dapat berdeferensiasi menjadi sel yang dikehendaki. Pengaturan terhadap deferensiasi sel
termasuk diantaranya bahan kimia tertentu yang dapat menginduksi proses deferensiasi menjadi
sel tertentu saat ini menjadi bahan konsep penelitian yang menarik baik secara in vitro maupun
secara in vivo. (FAN Chun-Ling et all, 2003)
Growth factor terbukti dapat menginduksi suatu proses deferensiasi dan dalam proses
deferensiasi sel, gen tertetu akan teraktifasi dan dilain pihak gen yang lain akan mengalami
inaktifasi. Dalam proses diferensiasi akan terjadi perubahan-perubahan seperti fisiologi sel,
4
ukuran, bentuk serta aktifitas metabolik, respon terhadap stimulus serta ekspresi gen, dan sebagai
hasil akhir dari proses deferensiasi akan terbentuk sel yang spesifik dan mempunyai fungsi
tertentu. (at all, 2009)
Berdasarkan kemampuan berdiferensiasi, sel punca dibagi menjadi :
1. Totipotent. Dapat berdiferensiasi menjadi semua jenis sel. Yang termasuk dalam sel
puncatotipotent adalah zigot (telur yang telah dbuahi).
2. Pluripotent. Dapat berdiferensiasi menjadi 3 lapisan germinal : ektoderm, mesoderm,
endoderm, tapi tidak dapat menjadi jaringan ekstraembryonik seperti plasenta dan tali pusat.
Yang termasuk sel puncapluripotent adalah embryonic stem cells.
3. Multipotent. Dapat berdiferensiasi menjadi banyak jenis sel. Misalnya : hematopoietic stem
cells.
4. Unipotent. Hanya dapat menghasilkan 1 jenis sel. Tapi berbeda dengan yang lainnya, sel
puncaunipoten mempunyai sifat dapat memperbaharui atau meregenerasi diri (selfregenerate/self-renew)
Sel punca hematopoetik dalam perkembangannya dapat menghasilkan sel-sel darah. Sel
tipe hematopoetik merupakan tipe sel punca yang sejak lama telah digunakan dalam terapi
keganasan darah (leukimia). Strategi terapi ini memungkinkan dilakukannya kemoterapi dosis
tinggi yang dapat mengeliminasi sel abnormal (ablasi) pada penderita keganasan. Populasi sel
yang ‘tereliminasi’ oleh kemoterapi akan digantikan oleh sel punca hematopoetik yang
ditransplanstasikan. Namun perlu diperhatikan bahwa selama populasi sel belum tergantikan,
pasien berada dalam kondisi yang sangat rentan untuk terkena infeksi sehingga diperlukan
perawatan di fasilitas isolasi yang dapat menjamin kondisi yang aseptik. Saat ini fasilitas ruang
isolasi masih jarang dimiliki oleh rumah sakit di Indonesia dan hal ini seringkali membuat biaya
transplantasi sel punca menjadi sangat tinggi.(PKY Goon et all, 2006)
Sel punca hematopoetik memiliki molekul yang khas pada permukaan selnya, yaitu
molekul glikoprotein CD34+.Molekul penanda ini dapat digunakan sebagai sarana untuk
menghitung jumlah sel punca hematopoetik yang berhasil diisolasi dari berbagai sumber di atas.
Bahkan dalam penggunaannya dalam terapi keganasan, telah ditentukan jumlah CD34+ yang
direkomendasikan oleh ASBMT (American Society for Blood and Marrow Transplatation) dan
5
ISCT (International Society for Cellular Therapy) bahwa untuk meningkatkan angka
keberhasilan engraftment dari sel yang ditransplantasikan diperlukan setidaknya 5 x 106CD34+
cells/kg berat badan. Oleh karena itu, fasilitas laboratorium terpercaya yang dapat menghitung
jumlah sel CD34+ (CD34 enumeration) menjadi mutlak diperlukan untuk trans plantasi jenis ini.
Beberapa tahun terakhir, dilaporkan bahwa + 80% dari sel punca CD34+ juga
mengekspresikan penanda CD133. Sel dalam populasi CD34+/CD133+ dikenal dengan sebutan
hemangioblast yang dalam perkembangannya dapat berdiferensiasi menjadi turunan sel
hematopoetik (heme) dan sel endotel (angio). Hemangiblast pertama kali diekstraksi dari
embryonic culture yang dimanipulasi dengan cytokine untuk di deferensiasi menjadi sel
hemapoetik atau sel endotel dan temyata hemangioblast juga dapat ditemukan pada jaringan pada
individu yang telah berkembang secara sempuma seperti pada bayi bahkan hemangioblast dapat
ditemukan sebagai sel punca pada aliran darah tepi pada individu dewasa dan sumsum tulang.
Hal ini dipertegas dengan temuan Asahara et al yang melaporkan bahwa populasi sel tersebut
merupakan sel tipe Endothelial Progenitor Cell/ EPC. Lebih lanjut, EPC merupakan sel
progenitor yang bertugas meregenerasikan sel endotel dalam pembuluh darah, Oleh karena itu,
jumlah EPC dalam sirkulasi peredaran darah dilaporkan mengindikasikan besamya risiko
terjadinya artherosklerosis maupun kejadian kardiovaskular mayor. (Hideki Kobayashi et all,
201)
11.2.1 Peranan Signal Tranduction pada diferensiasi sel
Signal transduction adalah suatu proses yang di awali oleh aktifasi reseptor yang berada di
membran (Transmembrane receptor)o\eh sinyal molekul dari luar sel, yang pada akhirnya akan
mengakibatkan molekul didalam sel mengeluarkan suatu .respon tertentu. Transmembrane
receptor terbentang pada membran sel dimana sebagian reseptor berada di luar dan sebagian
berada di dalam sel, sinyal mengikat bagian reseptor yang berada diluar sel merubah bentuknya
dan menghantarkan sinyal ke dalam sel. Beberapa molekul sinyal seperti testosteron dapat
melewati membran sel dan mengikat secara langsung reseptor yang berada di dalam sitoplasma
maupun di nukleus. Di lain fihak ada juga kaskade penghantaran sinyal di dalam sel, dimana
setiap tahap dari kaskade, sinyal akan mengalami amplifikasi, jadi pada proses signal
transduction, sinyal molekul yang kecil dari luar sel akan dapat menghasilkan respon yang besar
dan diharapkansinyal yang lebih besar dapat menghasilkan perubahan pada sel baik melalui
6
ekspresi dari DNA atau melalui aktifitas enzym di dalam sitoplasma. Proses tersebut dapat dalam
milidetik melalui ion flux, beberapa menit untuk protein atau lipid yang dimediasi oleh kaskade
kinase, beberapa jam bahkan hari jika melalui ekspresi gen.(Dhillon AS et all, 2007)
11.2.1.1 Signaling molecules
Kebanyakan signal transduction melibatkan ikatan dari signaling molecules diluar sel
dengan reseptor di permukaan sel yang secara khas akan menghadap keluar sel. Kaskade
penghantaran sinyal di dalam sel juga dapat di picu tanpa melalui reseptor di membran oleh
karena sifat lipofilik dan hidrofobik. Beberapa hormon steroid mempunyai reseptor di dalam
sitoplasma dan bekerja dengan cara mengikat reseptor pada promoter region dari steroidresponsive genes. Pada organisma multiselular beberapa molekul kecil dan polipeptida
mengkoordinasi sel melalui aktivitas biologi secara individual, berdasarkan fungsinya molekulmolekul tersebut di klasifikasikan sebagai berikut:
•
hormones (melatonin)
•
growth factors (epidermal growth factor)
•
extra-cellular matrix components (fibronectin)
•
cytokines (interferon-gamma)
•
chemokines ( RANTES)
•
neurotransmitters (acetylcholine)
•
neurotrophins ( nerve growth factor)
•
reactive oxygen species and other electronically-activated compounds
11.2.1.2 Respon seluler
Aktifitas gen, perubahan metabolisme, sel menjadi proliferasi atau mati, stimulasi atau
supresi, merupakan respon sel terhadap stimulasi dari luar sel yang memeriukan signal
transduction. Faktor-faktor transkripsi yang dihasilkan dari kaskade signal transduction dapat
mengaktifsi beberapa gen, oleh sebab itu adanya stimulus awal dapat memicu ekspresi dari
keseluruhan kelompok gen yang pada akhimya dapat mengaktivasi beberapa kondisi fisilogis
yang kompleks, termasuk diantaranya peningkatan ambilan glukosa dari sirkulasi darah oleh
7
insulin, migrasi dari neutrofil ke tempat infeksi yang di stimulasi oleh produk dari bakteri, hal
tersebut yang dikenal sebagai program genetik.
Sebagian besar sel mamalia memeriukan stimulus untuk mengontrol tidak hanya
pembelahan sel tapi juga untuk mempertahankan hidup. Tidak adanya stimulus growth factor
sel-sel akan mengalami apoptosis secara keseluruhan, untuk itu signal transduction pathway
merupakan pengendali utama proses biologi sel dan beberapa penyakit terjadi akibat dari
gangguan regulasi dari signal transduction pathway ini. (Roberts PJet all, 2010)
11.2.1.3 Tipe reseptor
Reseptor dapat di bagi menjadi dua tipe:
1. Cell-surface receptors.
2. Intracellular receptors
Ligand-gated ion channel receptors adalah reseptor yang dapat di temukan pada permukaan sel
atau di dalam sel. Ligan yang hanya berikatan dengan reseptor intracellular termasuk diantaranya
steroid hormones, thyroid hormone, retinoic acid, dan derivat dari vitamin D3. Di lain pihak ligan
yang berikatan dengan reseptor di permukaaan sel untuk menginisiasi signal tmsduction harus
melewati membran sel.
11.2.1.3.1 Cell-Surface Receptors
Reseptor pada permukaan sel merupakan bagian dari protein transmembran dan yang dapat
dikenal oleh molekul sinyal dari luar sel. Reseptor tersebut terbentang pada membran plasma
dengan satu bagian berada diluar sel dan yang lainnya berada di dalam sel (the intracellular
domain). Signal tranduction dapat terjadi sebagai hasil dari stimulasi molekul atau ligan pada
ekstraselluler domain, dan ligan tidak dapat melewati membran plasma tanda mengikat reseptor
terlebih dahulu. Ikatan antara ligan dan reseptor pada permukaan sel menstimulasi serial kejadian
di dalam sel, dimana berbeda tipe reseptor akan memberikan respon yang berbeda pula. Reseptor
secara spesifik akan mengikat ligan tertentu kemudian ligan akan mengawali transmisi sinyal
melewati membran plasma dengan cara merubah bentuk atau menyesuaikan diri sesuai dengan
model molekul tertentu, yang kemudian akan menghasilkan aktifitas enzymatik atau membuka
ikatan untuk protein sinyal yang lain di dalam sel. Sekali protein berikatan dengan reseptor
8
kemudian akan menjadi aktif dan menghantarkan sinyal kedalam sitoplasma. Padasel eukaryotic
sebagian besar protein intraseluler yang diaktifkan oleh ikatan ligan dan reseptor mempunyai
aktifitas enzymatik, enzym tersebut ternasuk tyrosine kinase G protein, small GTP ase,
serine/threonine protein kinase, phospatase, lipid kinase dan hydrolases. Beberapa camp serta
cGMP PIP, DAG dan IP3, IP3 mengatur pengeluaran kalsium intraseluler yang di keluarkan ke
sitoplasma. Protein lain berinteraksi dengan adapter protein, adapter protein memfasilitasi
interaksi diantara protein sinyal dan mengatur pembentukan komplek sinyal yang dipertukan
untuk menghasilkan respon seluler yang memadai.
Ada beberapa klas dari reseptor transmembran yang dapat mengenali molekul sinyal ekstra
seluler yang berbeda diantaranya adalah:
1 . Receptor tyrosine kinases
2. Integrins
3. G-protein coupled receptors
4. Toll-like receptors
11.2.1.3.2
Receptor Tyrosine Kinases
Receptor tyrosine kinases (RTKs) adalah protein transmembran yang mempunyai domain
intraseluler dan domain ekstraseluler yang mengikat ligan. Ada beberapa protein RTK yang di
klasifikasikan dalam subfamili tergantung dari struktur yang di miliki serta ligan spesifik,
termasuk diantaranya resptor growth factor, seperti reseptor insulin dan insulin-like receptor,
untuk mengatur sinyal biokimianya RTK membentuk dimers di dalam membran yang di
stabilisasi oleh ikatan ligan dan reseptor, kemudian interaksi antara kedua dimmer pada domain
sitoplasma akan menstimulasi autophosporilation dari tyrosine yang ada pada domain tyrosine
kinase sitoplasma dari RTK yang akhimya dapat menyebabkan perubahan konformasi.
Domain kinase dari reseptor kemudian teraktifasi mengawali kaskade phosporilasi dari
molekul sitoplasma, dan sinyal tersebut diperlukan untuk beberapa proses seluler seperti
mengontrol pertumbuhan sel, diferensiasi, migrasi serta metabolisma dari sel. Small G protein
yang terdiri dari Ras, Rho, Raf merupakan Protein yang dapat mengikat GTP, protein ini
mempunyai peran penting dalam transmisi sinyal dari RTK ke dalam selyang bertindak sebagai
9
molecular switcher yang biasanya terikat pada membran melalui gugus carboxyl dari grup
isoprenyl, dan selama aktifasi mereka bertanggung jawab dalam rekruitmen protein pada
subdomain membran yang spesifik yang berperan pada penghantaran sinyal. RTKs yang aktif
kembali mengaktifkan small G protein kemudian mengaktifkan Guanine Nucleotide Exchange
Factors seperti SOSLDan sekali aktif faktor pengubah tersebut dapat mengaktifkan small G
protein lebih banyak lagi yang akhimya dapat memperbesar sinyal awal. Jika terjadi mutasi pada
mutasi pada gentertentu dari RTK dapat menghasilkan ekspresi reseptor dalam keadaan akti terus
menerus, dan bersifat onkogenik. Integrins
Gambar 2. Diferensiasi Embrionic stem sel ( J.Xu. Jurnal Mol Medicine 2008)
An overview of integrin-mediated signal transduction, adapted from Hehlgens et al. (2007).
Integrin dihasilkan oleh beberapa macam tipe sel dan memainkan peran dalam ikatan sel
terhadap sel lain juga terhadap extracellular matrix (ECM), dan pada proses signal transduction
sinyai diterima dari komponen matriks ekstra seluler seperti misalnya fironectin, collagen dan
laminin. ligan akan berikatan dengan domain ekstraseleler dari integrin kemudian akan
menginduksi perubahan pada protein atau cluster protein di permukaan sel untuk mengawali
proses signal ransduction. Signal transduction yang di mediasi integrin ditempuh melalui
beberapa protein kinase di dalam sel demikian juga melalui molekul adaptor seperti integrinlinked kinase (ILK), focal-adhesion kinase (FAK), talin, paxillin, parvins, p130Cas, Src-family
10
kinases, and GTPases dari famili Rho, dan yang paling berperan adalah ILK. Signal tranduction
hasil kerjasama antara integrin dan TRK sangat menentukan kelangsungan hidup sel, apoptosis,
proliferasi serta diferensiasi sel.
Ada perbedaan penting antara signaling integrin pada sel yang terdapat pada sirkulasi
darah dan sel yang bukan di sirkulasi seperti sel epitel. Pada keadaan normal fisiologis integrin
yang terdapat pada permukaaan sel pada sirkulasi darah adalah dalam keadaan tidak aktif, seperti
misalnya integrin pada leukosit dalam keadaan fisiologis dijaga dalam keadaan tidak aktif, dan
integrin hanya akan merespon jika ada stimulus respon adekuat seperti misalnya dalam keadaan
inflamasi. Demikian juga pada platelet dijaga tetap tidak aktif untuk menghindari trombosis.
Dilain pihak pada sel epitel integrin di pertahanankan untuk tetap aktif untuk mengikat stromal
sel yang akan meyalurkan sinyai untuk kepentingan diferensiasi sel.
G-Prote in-Coupled Receptors
OC
Gambar 3. G - Protein - Coupled Receptors (Robert.PJ.Oncogene
2007)
X AMP
11
G-protein-coupled receptors (GPCRs) adalah famili dari integral membrane proteins yang
mempunyai tujuh membrane-spanning domains, yang berikatan dengan guanine nucleotidebinding protein (or heterotrimeric G protein).
Signal transduction yang dihasilkan oleh GPCR di mulai dari ikatan reseptor G protein
yang tidak aktif dengan ligan. Inaktif G protein merupakan heterotrimer, dimana molekul
tersebut terdiri dari tiga subunit protein yang berbeda. Yaitu Ga, Gp, and Gy. Dan sekali Gprotein-coupled receptors (GPCRs) mengenali ligan bentuk dari reseptor akan mengalami
perubahan, kemudian G protein yang akan mengakibatkan sub unit Ga berikatan dengan molekul
dari GTP untuk menjadi aktif dan mengalami disosiasi dengan sub unut protein yang lain,
disosiasi ini akan mengakibatkan G protein dapat berinteraksi dengan molekul yang lain. Pada
akhirnya G protein yang aktif akan melepaskan diri dari reseptor untuk mengawali pensinyalan
dari beberapa protein effector termasuk phosphodiesterases, adenylyl cyclases, phospholipases,
ion channels yang akan menghasilkan second messenger molecules seperti cyclic-AMP (cAMP),
cyclic-GMP (cGMP), inositol triphosphate (IP3), diacylglycerol (DAG), serta calcium (Ca2+)
ions.
Toll-Like Receptors
Toll-like receptors (TLRs) yang aktif akan menarik molekul adapter di dalam sitoplasma
dalam usaha mengawali suatu pensinyalan, ada empat molekul adapter yang terlibat dalam
proses pensinyalan diantaranya dikenal sebagai MyD88, Trap (juga di sebut Mai), Trif, dan
Tram. Molekul adapter mengaktifkan molekul lainnnya di dalam sel termasuk protein kinase
tertentu seperti (IRAKI, IRAK4, TBK1, and IKKi) yang pada akhirnya akan menginduksi atau
mensupresi gene yang terlibat dalam proses inflamasi. Secara keseluruhan ada ribuan gen yang
diaktifasi oleh TLR signaling.
11.2.1.3.3
Intracellular receptors
Reseptor intraseluler termasuk diantaranya nuclear receptor dan cytoplasmic receptors,
serta soluble protein yang terdapat pada nukleopiasma dan sitoplasma. Yang khas dari ligan
12
untuk reseptor pada nukleus adalah sifatnya yang lipofilik seperti hormon, steroid, derivat dari
vitamin A dan D. Untuk mencapai reseptor tersebut dan mengawali suatu signal transduction.
Hormon harus melewati membran plasma biasanya secara difusi pasif ikatan ligan terhadap
reseptor nukleus akan mengaktifkan transkripsi pada gen tertentu untuk memproduksi suatu
protein. Reseptor nukleus yang diaktifasi oleh hormon menempel pada hormon responsive
elemens (HREs) suatu reseptor yang spesifik untuk DNA, yang pada akhirnya akan mengaktifasi
DNA sequences pada daerah regio promoter. Aktifasi trankripsi gen oleh hormon memerlukan
waktu yang lebih lebih lama, sebagai konsekwensi efek hormon yang menggunakan reseptor
nukleus mempunyai efek yang lebih lama.
Salah satu contoh dari reseptor sitoplasma adalah reseptor untuk sistem imun. Akhir-akhir
ini dikenal sebagai NOD like receptors (NLRs) yang berinteraksi dengan ligan tertentu seperti
molekul yang dihasilkan mikroba menggunakan leucine-rich repeat (LRR). Salah satunya adalah
NOD1
dan NOD2 yang berinteraksi dengan enzym RICK kinase (RIP2 kinase) yang
mengaktifasi NF-KB signaling yang mengawali pembentukan sitokin tertentu seperti interleukin1 (3. (Carmela Ciccarelli et all. 2005)
11.2.1.4 Second Messenger
Intracellular signal transduction sebagian besar dibawa oleh molekul pembawa yang
disebut sebagai second massenger.
Kalsium
Konsentrasi kalsium didalam sitoplasma hasil sequestrasi dari retikulum endoplasmik dan
mitokondria biasanya dalam jumlah kecil, kalsium yang dilepas tersebut akan berikatan dengan
protein pembawa sinyai dan kemudian akan menjadi aktif. Ada dua reseptor/protein ion channel
yang melakukan kontrol transport kalsium lnsPTreceptoryanQ akan menghantarkan kalsium
melalui interaksi dengan inositol triphosphate. Ryanodine receptor sama dengan reseptor lnsP3
akan merangsang transport kalsium, jadi ini akan bertindak sebagai feedback mechanism, jumlah
kalsium yang rendah di dalam sitosol yang berdekatan dengan reseptor akan merangsang
13
pengeluaran kalsium lebih banyak, hal ini penting terutama untuk neuron, sel otot jantung dan
pankreas.
Kalsium dipergunakan pada berbagai macam proses diantaranya untuk kontraksi otot,
pengeluaran neurotramsmitter, demikian juga untuk proliferasi, migrasi, sekresi serta
metabolisma sel. Ada tiga jalur utama yang dapat menyebabkan aktifasi kalsium:
•
G protein-regulated pathways
•
Pathways regulated by receptor-tyrosine kinases
•
Ligand- or current-regulated ion channels
Ada dua cara yang berbeda bagaimana kalsium dapat meregulasi protein
•
A direct recognition of Ca2+ by the protein
•
Binding of Ca2+ in the active site of an enzyme.
Salah satu contoh interaksi kalsium dengan protein adalah regulasi calmodulin oleh
kalsium, sedangkan calmudulin sendiri dapat meregulasi protein lainnnya. Kompleks calmudulin
dan kalsium penting dalam proses proliferasi serta mitosis sel juga penting untu neural signal
transduction.
Lipofilik
Molekul second messenger yang lipofilik adalah derivat dari lipid yang secara normal
terletak pada membran sel. Enzym di stimulasi dengan cara mengaktifkan reseptor untuk
mengubah lipid menjadi second messenger. Diacylglycerol adalah suatulipophilic second
messenger, yang diperlukan untuk aktivasi dari protein kinase C. Ceramide, the eicosanoids, dan
lysophosphatidic acid juga merupakan lipophilic second messengers.
Nitric Oxide
Nitric oxide (NO) dapat juga bertindak sebagai second messenger yang dapat berperan
sebagai second messenger. Nitric oxide gas adalah a free radical yang dapat berdifusi melalui
membran plasma dan memberikan memberikan pengaruh pada sel di sekitamya. NO dibuat dari
arginine and oxygen melalui enzyme NO synthase, NO terutama bekerja melalui aktifasi dari
14
reseptor target, enzyme soluble guanylate cyclasejika diaktifkan akan menghasilkan second
messenger cyclic-guanosine monophosphate (cGMP).
NO juga mempunyai beberapa fungsi termasuk diantaranya relaksasi dari pembuluh darah;
regulasiexocytosis dari neurotransmitters; immune response seluler dan mengaktifkan apoptosis
denga cara mengawali signal pensinyalan yang menyebabkan phosphorilasi H2AX. (Xiaoxia
Liet all, 2010)
II.2.1.5 Major Pathways
cAMP dependent pathway pada manusia, cAMP bekerja dengan cara mengaktifkan protein
kinase A (PKA, cAMP-dependent protein kinase). MAPK/ERK pathway berikatan dengan
growth factors pada reseptor yang ada di permukaaan sel. Jalur ini sangat kompleks dan
melibatkan banyak komponen protein. Pada beberapa sel aktifasi dari jalur ini akan
menyebabkan
pembelahan
sel.
IP3/DAG
pathway:
PLC
memecah
the
phospholipidphosphatidylinositol 4,5 bisphosphate (PIP2) yielding diacyl glycerol (DAG) and
inositol 1,4,5-triphosphate (IP3). DAG tetap melekat pada membran dan IP3 dilepaskan ke dalan
sitosol.lP3 kemudian berdifusi melalui sitosol untuk mengikat IP3 receptors, saluran khusus
kalsium pada endoplasmic reticulum (ER). Dan saluran ini hanya bisa dilewati kalsium untuk
meningkatkan jumlah kalsium di dalam sel pada akhirnya akan menyebabkan kaskade di dalam
sel berubah dan aktif. (Jeong Kim et all, 2011).
II.3 MAPK Signaling
Kaskade MAPK signaling adalah suatu kaskade signaling klasik dan jalur ini akan terlibat
dalam beberapa peran biologis yang berbeda beda seperti pertumbuhan dan perkembangan
normal sel serta akan merespon stress terhadap beberap stimulus dari luar sel. Selain itu MAPK
juga terlibat dalam beberapa program sel seperti proliferasi, diferensiasi, mobilisasi sel. Ada tiga
kaskade MAPK signaling yaitu ERK, JNK and p38 MAPK pathways.
15
Gambar 4. MAPK/ERK Pathway (McCubrey. Adv Enzyme Regul 2006)
MAPK/ERK pathway adalah rangkaian protein di dalam sel yang menghubungkan signal
dari reseptor pada permukaan sel dengan DNA di dalam inti sel. Signal dimulai ketika growth
factor berikatan dengan reseptor pada permukaan sel dan berakhir ketika DNA di dalam inti sel
sudah mengekspresikan suatu protein dan menghasilkan perubhan di dalam sel, seperti misalnya
pembelahan sel. Jalur tersebut melibatkan beberapa protein termasuk diantaranya MAPK/ERK
yang terhubung dengan menambahkan group phospat ke protein yang bersebelahan dan
bertindak sebagai saklar on and off. Pada awalnya Receptor-linked tyrosine kinases seperti
epidermal growth factor receptor (EGFR) diaktifkan oleh ligan ektra seluler, ikatan antara
epidermal growth factor receptor (EGF) dengan EGFR mengaktifkan tyrosine kinase yang
merupakan Cytoplasmic domain dari reseptor, selanjutnya EGFR menjadi terphoporilasi pada
residu tyrosine. Kemudian protein GRB2 yang bertindak sebagai adaptor menghubungkan
reseptor yang sudah aktif dengan SOS suatu guanine nucleotide exchange factor yang kemudian
mentransduksi suatu signal ke small GTP binding protein (RAS, Rapi) yang pada akhirnya akan
mengaktifasi inti dari kaskade yang terdiri dari MAPKKK (Raf), MAPKK (MEK1/2) dan
terakhir MAPK (Erk). MAPK yang telah aktif akan meregulasi target yang ada di dalam sitosol
dan melakukan translokasi ke dalam inti sel yang merupakan signal untuk melakukan prolifarasi
ataupun mempertahankan kehidupan sel, selain itu ERK1/2 pathway juga memicu terjadinya
diferensiasi dari embryonic stem sel. Penghambatan dari MAPK/ERK di dalam embryonic stem
16
sel akan memblokir diferensiasi dari bermacam-macam tipe sel yang dibuktikan secara in vitro
dan in vivo termasuk diantaranya sel neural, sel endotel adiposity serta sel kortek visual.
Gambar 5. MAPK/ERK In Growth And Differentiation (Marcin.M. Exp Hematology. 2003)
Pada akhirnya efek dari aktifasi MAPK akan mempengaruhi translation dari mRNA
menjadi protein melalui proses phosporilasi Ribosomal protein kinase (RSK), kemudian RSK
yang aktif memposporilasi ribosomal protein S6. Selain mempengaruhi proses translasi MAPK
juga akan meregulasi aktifitas dari beberapa faktor transkipsi dari gen yang pentinguntuk siklus
sel.
Beberapa studi telah membuktikan bahwa VEGF dapat menginduksi diferensiasi serta ploriferasi
dari pluripotent adult stem cell menjadi hematopoetic stem cell serta cardiac myocite melalui
perantara phosporilasi MAPK/ERK, bahkan dalam penelitian in vitro MAPK/ERK telah terbukti
17
berperan terhadap proses diferensiasi embryonic sel punca menjadi neural sell yang spesifik.
Sampai saat ini apakah MAPK/ERK juga berperan dalam proses diferensiasi menjadi endotelial
cell baik dari embrionik stem cell ataupun adult stem cell masih belum terjawab melalui
penelitian baik seara invitro maupun in vivo, demikian juga apakah MAPK juga berperan
terhadap diferensiasi endothelial proginator cell dari sumber hematopoetic sel punca masih perlu
penelitian lebih lanjut (J. Xu et all 2011)
Gambar 6. M A P K Signaling (Marcin.M. Exp Hematology. (2002))
III. KESIMPULAN
Endothelial progenitor cells (EPC) yang terdapat di dalam sumsum tulang maupun
beredar dalam pembuluh darah terbukti mempunyai hubungan yang kuat dengan perbaikan
18
fungsi endotel yang memainkan peranan penting terhadap proses patogenesis dari aterosklerosis
dan trombosis. Perbaikan kembali fungsi endotel segera setelah terjadinya jejas pada dinding
arteri merupakan langkah kunci dalam upaya menghambat perkembangan dari proses
ateroslerosis dan trombosis pada pembuluh darah jantung, akan tetapi jumlah EPC yang sangat
terbatas dari berbagai sumber tersebut membatasi penggunaan EPC sebagai terapi alternatif.
Oleh karena itu, diperlukan upaya untuk memperbanyak jumlah EPC dengan cara mengkultur
secar in vitro untuk memenuhi jumlah kebutuhan dalam terapi.
Aplikasi sel punca dapat berhasil dengan baik diperlukan suatu pengaturan tertentu
terhadap sel punca tersebut agar dapat berdeferensiasi menjadi sel ysng dikehendaki. Pengaturan
terhadap deferensiasi sel termaasuk diantaranya bahan kimia tertentu yang dapat menginduksi
proses deferensiasi menjadi sel tertentu.
Beberapa studi telah membuktikan bahwa VEGF dapat menginduksi diferensiasi serta
ploriferasi dari pluripotent adult stem cell menjadi hematopoetic stem cell serta cardiac myocite
melalui perantara phosporilasi MAPK/ERK, bahkan dalam penelitian in vitro MAPK/ERK telah
terbukti berperan terhadap proses diferensiasi embryonicsel punca menjadi neural sell yang
spesifik. Sampai saat ini apakah MAPK/ERK juga berperan dalam proses diferensiasi menjadi
endotelial cell baik ari embrionik stem cell ataupun adult stem cell masih belum terjawab melalui
penelitian baik secara invitro maupun in vivo.
19
DAFTAR PUSTAKA
Abrams SL, Steelman LS, Shelton JG, Wong EW, Chappell WH, Basecke J, Stivala F, Donia M,
Nicoletti F, Libra M, Martelli AM, McCubrey JA. The Raf/MEK/ERK pathway can govern
drug resistance, apoptosis and sensitivity to targeted therapy. Cell Cycle. 2010 May; 9(9)
:1781-91.
Alexandra I. Rosa, J. Goncalves, L. Cortes, L. Bernandino, J. Malva, The Angiogenic Factor
Angopoetin-1 is a proneurogenic Peptide on Subventricular Zone Stem/Proginator cell The
journal of Nueroscience, March 31, 2010,30(13):4573-4584.
Carmela Ciccarelli, F Marampon, A. Scoglio, A. Mauro, C Giacinti P. De Cesaris, P21 WAF1
expression induced by MEK/ERK pathway activation or inhibition correlateswith growth
arrest, myogenic differentiation and onco-phenotype reversal I rhabdomyosarcoma cell
Molecular Cancer 2005,4:41.
Dhillon AS, Hagan S, Rath O, Kolch W, MAP kinase signaling pathways in cancer. Oncogene.
2007 May 14;26(22):3279-90.
FAN Chun-ling, LI Yan, GAO Ping-Jin, LIU Jian-Jun, ZHANG Xue-Jun2, ZHU Ding Liang,
Differentiation of endothelial progenitor cells from human umbilical cord blood CD 34 +
cells in vitro 1. Acta Pharmacol Sin 2003.212. Mar;24 (3):212-218.
Hideki Kobayashi, Jason M. Butler, Rebekah O’Donnell, Mariko Kobayashi, Bi-Sen Ding,
Bryant BonnerVi K. Chiu, Daniel J. Nolan, Koji Shido, Laura Benjamin, and Shahin Rafii,
Angiocrine factors from Akt-activated endothelial cells balanceself-renewal and
differentiation of haematopoetic stem cell. Nat Cell Biol. 2010 November ; 12(11):10461056.
Vasc Surg, Combination of stromal-derived factor-1alpha and vascular endothelial growth factor
gene-modified endothelial progenitor cells is more effective for ischemic neovascularization.
2009 Sep;50(3):608-16.
20
J. Xu, X.Liu.Jiang,L.Chu.H.Hao,Z. Liua,C. Verfailie, J.Zweier, K.Gupta, MAPK/ERK signaling
mediated VEGT-induced bone Marrow stem cell differentiation into endothelial cell. Journal
of molecular Medicine 2008;12;2395-2406.
Jeong Kim, C. Choi, Y.S. Cho, H.M.Chung,G.Y.Koh, Y.Mahn, S.W Park, Y.J.
Koh,J.Jeon,Y.H.Cho,Efficient differentiation of human pluripotent stem cell into functional
CD 34+ progenitor cells by combined modulation of the MEK/ERK and BMP4 signaling
pathways.www.bloodjournal.org.atharvard Libraries on January 6,2011.
James A. McCubrey, Linda S. Steelman, et al, Roles of The Raf/MEK/ERK Pathway in cell
Growth, Malignant Transformation and Drug Resistance. Biochim Biophys Acta. 2007
August;1773(8):1263-1284.
Jeong Kim, C. Choi, Y.S. Cho, H.M. Chung, G.Y.Koh, Y. Mahn, S.W Park, Y.J. Koh, J.Jeon,
Y.H.Cho, Efficient differentiation of human pluripotent stem cell into functional CD 34+
progenitor cells by combined modulation of the MEK/ERK and BMP4 signaling pathways.
www.bloodjournal.org.atharvard Libraries on January 6, 2011.
Jonathan M Hill, Gloria Zalos et all, Circulating Endothelial Cell, Endothelial Proginator Cell,
Vascular Function, and Cardiovascular Risk. The New England Journal of Medicine
2003;348:593-600.
Jong-In Park, Christopher J. Strock, Douglas W. Ball, and Barry D. Nelkin, The
Ras/Raf/MEK/Extracelluler Signal-Regulated Kinase Pathway Induces Autocrine-Paracrine
Growth Inhibition via the Leukimia Inhibitory Factor/JAK/STAT Pathway, Moleculer and
Cellular Biology, Jan. 2003, p. 543-554 Vol. 23, No.2
Kouros Motamed, D.J Blake J.C.Angello,BL Allen, Alan C.Rapraeger.SD Hauschka, EH Sage,
Fibroblast Growth Factor Receptor-1 Mediates the inhibition of Endothelial Cell Proliferation
and the Promotion of Skeletal Myoblast Differentiation by SPARC:A Role for Protein Kinase
A. Journal of Celullar Biochemistry 2003;90:408-423.
Marcin Maika, Gaston Villaire et all, Thrombopoietin, but not cytokines binding to gp 130
protein-coupled receptors, activates MAPKp 42/44, AKT, and STAT proteins in normal
human CD 34 cells, megakaryocytes, and platelets. Experimental hematology 30 (2002)
751-760
21
McCubrey JA, Steelman LS, Abrams SL, Lee JT, Chang F, Bertrand FE, Novalanic PM, Terrian
DM, Franklin RA, D’Assoro AB, Salisbury JL, Mazzarino MC, Stivala F, Libra M, Roles of
the RAF/MEK/ERK and PI3K/PTEN/AKT pathways in malignant transformation and drug
resistance. Adv Enzyme Regul.2006;46:249-79.
PKY Goon, GYH Lip, CJ Boos PS Stonelake, Circulating Endothelial Cell, Endothelial
Proginator Cell, and Endothelial Microparticles in cancer. Neoplasia. 2006 Februari;8(2):7988.
Rainer Zbinden, Mrinal Saha, Salman Rahman, Ajay M. Shah. Michael s. Marber and Cliona
Murphy, Gajen S.Kanaganayagam, Benyu Jiang, Philip J. Chowienczyk, Vascular
Dysfunction and Reduced Circulating Endothelial Progenitor Cells in Young Healthy UK
South Asian Men. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2007;27;936-942.
Robert PJ, Der CJ, Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for
the treatment of cancer. Oncogene. 2007 May 14;26(22):3291-310.
Tarek Benameur, Simon Tual-Chalot, Ramaroson Andriantsitohaina, Mari’a Carmen, Marti’nez,
PPARa is Essential for Microparticle-Induced Differentiation of Mouse Bone MarrowDerived Endothelial Progenitor Cells and Angiogenesis. PLoS ONE 5(8):e12392
Xiaoxia Li, Yngying han et all, AMP-Activated Protein Kinase Promotes the Differentiation of
Endothelial Progeninator Cell. Atherosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology,
2008;28:1789.
22