1 POTENSI SEL PUNCA (STEM CELL) UNTUK MEMPERBAIKI CACAT LAHIR DI MASA DEPAN dr. Ahmad Aulia Jusuf, AHK, PhD Bagian Histologi Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia 2008 PENDAHULUAN Pada dekade terakhir perhatian dan penelitian tentang potensi sel punca (stem cell) untuk mengobati dan memperbaiki penyakit-penyakit atau kelainan-kelainan yang tak mungkin lagi untuk diobati dan diatasi dengan obat-obatan atau tindakan operatif mengalami kemajuan yang amat pesat. Penyakit–penyakit atau kelainan yang potensial untuk di obati atau di perbaiki dengan sel punca adalah cacat lahir (birth defect) baik yang bersifat genetik maupun non genetik, degeneratif, trauma, keganasan dan sebagainya1. Selain itu sel punca juga digunakan dalam penelitian-penelitian guna mencari obat-obat baru pada tingkat laboratorium maupun untuk mempelajari patogenesis penyakit2,3. Tentu saja penelitian, penggunaan dan pengembangan stem cell ini tidak terlepas dari potensi nilai bisnis yang akan diraih manakala stem cell ini sudah dapat digunakan untuk mengobati penyakit-penyakit atau kelainan-kelainan pada penderita dan ditemukannya obat-obat baru. Uraian dibawah ini akan membahas secara singkat tentang cacat lahir (birth defect), sel punca (stem cells) dan potensi sel punca dalam terapi cacat lahir. CACAT LAHIR (BIRTH DEFECT/CONGENITAL DEFECT) Cacat lahir (birth defects/ congenital defect/ congenital condition) adalah kelainan yang muncul pada saat lahir dan dapat menyebabkan kecacatan fisik atau mental atau kematian. Cacat lahir ini dapat berdampak pada kelainan struktur, fungsi atau metabolisma4,5,6. Setiap tahun kira-kira 7, 9 juta anak di seluruh dunia (kira-kira 6% dari seluruh kelahiran di dunia) dilahirkan dengan cacat lahir yang serius akibat kelainan genetik atau penyebab pasca konsepsi lainnya seperti alkohol, rubella, sifilis, defisiensi yodium dan sebagainya. Menurut Center for Disease Control and Prevention (CDC) USA di Amerika Serikat setiap tahun terdapat ________________________________________________________________________ ** Dipresentasikan pada Acara National Seminar and Workshop: Reducing Birth Defect, Meeting the challenge in Developing Countries, Aula Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia, Minggu 19 Oktober 2008 2 kira-kira 3% dari anak yang lahir menderita berbagai jenis cacat lahir dan kira-kira 1 dari setiap 5 bayi dengan cacat lahir tersebut akan mengalami kematian pada tahun pertama kehidupan4,5,6. Jenis cacat lahir yang dapat terjadi sangat bervariasi yang meliputi kecacatan struktur (misalnya cacat jantung, cacat tabung saraf, kelainan genital, sumbing, clubfoot cerebral palsy dan sebagainya), kecacatan metabolik (misalnya phenylketon uria) atau kombinasi keduanya4,5,6. Cacat lahir ini dapat terjadi pada setiap tahapan kehamilan. Akan tetapi kebanyakan cacat lahir terjadi mulai pada usia trimester pertama masa kehamilan, yang merupakan masa terpenting untuk perkembangan organ-organ tubuh seperti otak dan medula spinalis. Penyebab cacat lahir hingga kini umumnya tidak diketahui. Salah satunya adalah faktor genetik yang disebabkan oleh perubahan pada gen atau kromosom yang mempengaruhi perkembangan normal (misalnya Down syndrome, sickle cell anemia, dll). Disamping faktor genetik cacat lahir juga dapat disebabkan oleh faktor-faktor lain seperti usia ibu hamil lebih dari 35 tahun, merokok, penyakit diabetes melitus, pemakaian obat-obatan yang bersifat teratogenik, infeksi rubela pada trimester pertama, intake asam folat yang tidak adekuat selama masa perikonsepsi, defisiensi yodium pada makanan ibu hamil, konsumsi alkohol dan sebagainya4,5,6. Pemberian vaksinasi (measles, mumps, rubela dan sebagainya) pada ibu hamil harus dipertimbangkan dengan hati-hati karena vaksin mengandung virus hidup yang dilemahkan yang mungkin dapat menyebabkan terjadinya cacat lahir akibat virus yang menjadi aktif. Vaksinasi sebaiknya dilakukan pada ibu sebelum hamil. Cacat lahir umumnya dapat dideteksi pada masa pranatal. Akan tetapi bila hal ini tidak terdeteksi pada masa pranatal dapat diketahui dari pemeriksaan-pemeriksaan pasca natal. Akan tetapi ada juga cacat lahir yang tidak terdeteksi hingga masa anak-anak bahkan hingga dewasa. Pemeriksaan pra natal (Ante natal care) merupakan salah satu upaya untuk mendeteksi terjadinya cacat lahir. Pada ante natal care dapat dilakukan pemeriksaan darah, ultrasonogram (USG) dan sebagainya. Bila pada ANC ditemukan adanya indikasi terjadinya cacat lahir dapat disarankan untuk melakukan test diagnostik pranatal (Amniocentesis, Chronionic villus sampling/CVS, Percutaneus umbilical blood sampling)4,5,6 Beberapa cacat lahir dapat diterapi atau dikoreksi melalui tindakan bedah misalnya sumbing, atau non bedah misalnya dengan penyuntikan komponen darah (immunoglobulinRhogam) untuk mengobati penyakit Rhesus pada newborn, pemberian obat-obat jantung kepada ibu yang mengandung janin dengan cacat jantung dan suplemen vitamin pada ibu-ibu yang mengandung janin dengan defisiensi ensim4,5,6. Pada beberapa kasus bedah pranatal digunakan untuk memperbaiki sumbatan saluran kemih, cacat tabung saraf (misalnya spina bifida), dan hernia diaphragmatika bawaan (congenital diaphragmatic hernia)4. Akan tetapi tindakan bedah 3 pranatal ini masih memerlukan pengalaman dan riset lebih jauh. Selain itu banyak juga cacat lahir yang tidak dapat diterapi atau meninggal pada usia yang sangat dini. Cacat lahir yang menyebabkan terjadinya gangguan mental akan berlangsung terus menerus sepanjang hidup. Beberapa upaya lain yang dapat dilakukan untuk mencegah terjadinya cacat lahir4,5,6 misalnya pemberian asam folat pada ibu hamil semasa kehamilannya, pengontrolan kadar gula darah pada ibu dengan diabetes melitus sebelum hamil, mengatasi obesitas pra hamil, tidak merokok, tidak mengkonsumsi minuman beralkohol dan obat-obatan yang berpengaruh terhadap terjadinya cacat lahir dan sebagainya. SEL PUNCA (STEM CELLS) Sel punca (stem cells)7,8,9,10adalah sel yang tidak/belum terspesialisasi yang mempunyai kemampuan/potensi untuk berkembang menjadi berbagai jenis sel-sel yang spesifik yang membentuk berbagai jaringan tubuh. Sel punca mempunyai 2 sifat yang khas yaitu 1. Differentiate yaitu kemampuan untuk berdifferensiasi menjadi sel lain. Sel punca mampu berkembang menjadi berbagai jenis sel yang khas (spesifik) misalnya sel saraf, sel otot jantung, sel otot rangka, sel pankreas dan lain-lain 2. Self regenerate/self renew yaitu kemampuan untuk memperbaharui atau meregenerasi dirinya sendiri. Sel punca mampu membuat salinan sel yang persis sama dengan dirinya melalui pembelahan sel. Gambar-1 Sifat/karakter sel punca yaitu differentiate dan self regenerate/renew 4 Berdasarkan pada kemampuannya untuk berdifferensiasi stem cells dibagi menjadi 5,6,8 Gambar-2 Totipotent dan pluripotent stem cells 1. Totipotent yaitu sel punca yang dapat berdifferensiasi menjadi semua jenis sel. Yang termasuk dalam stem cell totipotent adalah zigot. Sel-sel ini merupakan sel embrionik awal mempunyai kemampuan untuk membentuk berbagai jenis sel termasuk membentuk satu individu yang utuh. Disamping mempunyai kemampuan untuk membentuk berbagai sel pada embrio sel totipotent juga dapat membentuk sel-sel yang menyusun plasenta. 2. Pluripotent yaitu sel punca yang dapat berdifferensiasi menjadi 3 lapisan germinal (ectoderm, mesoderm, dan endoderm) tetapi tidak dapat menjadi jaringan ekstraembrionik seperti plasenta dan tali pusat. Yang termasuk stem cells pluripotent adalah embryonic stem cells. 3. Multipotent yaitu sel punca yang dapat berdifferensiasi menjadi banyak jenis sel misalnya hemopoetic stem cells yang terdapat pada sumsum tulang yang mempunyai kemampuan untuk berdifferensiasi menjadi berbagai jenis sel yang terdapat dalam darah seperti eritrosit, lekosit dan trombosit. Contoh lainnya adalah neural stem cells yang mempunyai kemampuan berdifferensiasi menjadi sel saraf dan sel glia. 4. Unipotent yaitu sel punca yang hanya dapat menghasilkan 1 jenis sel. Berbeda dengan non stem cells, stem cells mempunyai sifat masih dapat mempebaharui atau meregenerasi diri (self-regenerate/self renew) Contohnya erythroid progenitor cells hanya mampu berdifferensiasi menjadi sel darah merah. 5 Gambar-3 Multipotent dan unipotent stem cells pada sumsum tulang Berdasarkan sumbernya stem cell dibagi menjadi5,6,8 1. Zigot yaitu pada tahap sesaat setelah sperma bertemu ovum (fertilisasi) 2. Embryonic stem cells yaitu sel-sel punca yang diperoleh dari inner cell mass dari suatu blastocyst (embrio yang terdiri atas 50-150 sel, kira-kira hari ke-5 pasca pembuahan). Embryonic stem cells biasanya didapatkan dari sisa embrio yang tidak dipakai dari IVF (in vitro fertilization). Penggunaan embryonic stem cells ini hingga kini masih menjadi isu etik yang kontroversial. Sel stem ini mempunyai sifat dapat berkembang biak secara terus menerus dalam media kultur optimal pada kondisi tertentu dan dapat diarahkan untuk berdifferensiasi menjadi berbagai sel yang terdifferensiasi seperti sel jantung, sel kulit, neuron, hepatosit dan sebagainya. 3. Fetus yang dapat diperoleh dari klinik aborsi 4. Stem cell darah tali pusat 11,12 yaitu sel punca yang diambil dari darah plasenta dan tali pusat segera setelah bayi lahir. Stem cells dari darah tali pusat merupakan jenis hematopoetic stem cells dan ada yang menggolongkan kedalam adult stem cells. Sampai saat ini ada 2 tipe stem cells yang telah ditemukan dalam darah tali pusat yaitu hematopoetic stem cells, dan mesenchymal stem cells. Selain kedua jenis stem cells tersebut di dalam darah tali pusat masih ada beberapa tipe lain yang telah ditemukan seperti neuron like stem cells, tetapi hal ini masih memerlukan penelitian lebih lanjut. Darah tali pusat mempunyai immunogenicity yang lebih rendah, isolasinya tidak 6 membutuhkan prosedur yang invasif dan untuk transplantasi tidak membutuhkan 100% ketepatan HLA (human leucocyte antigen) Gambar -4 Embryonic Stem Cells Gambar-5 Umbilical cord blood 5. Adult stem cells yaitu sel punca yang diambil dari jaringan dewasa, misalnya a. Sumsum tulang Ada 2 jenis stem cells pada sumsum tulang yaitu 1) hematopoetic stem cells yaitustem cells yang akan berkembang menjadi berbagai jenis sel darah 2) stromal stem cells atau disebut juga mesenchymal stem cell b. Jaringan lain pada dewasa seperti pada susunan saraf pusat, adiposa (jaringan lemak), otot rangka, pancreas 7 Gambar-6 Adult Stem Cells Gambar-7 Plastisitas Stem Cells Adult stem cell mempunyai sifat plastis artinya selain berdifferensiasi menjadi sel yang sesuai dengan jaringan asalnya adult stem cells juga dapat berdifferensiasi menjadi sel jaringan lain, misalnya neural stem cells dapat berubah menjadi sel darah, stromal stem cell dari sumsum tulang dapat berubah menjadi sel otot jantung dan sebagainya. 8 POTENSI SEL PUNCA DALAM TERAPI CACAT LAHIR Salah satu hal yang menjadi masalah dalam tindakan koreksi cacat lahir adalah tersedianya jaringan yang dapat menggantikan jaringan yang ”hilang” tersebut. Sel punca yang merupakan sel asal dari berbagai jaringan diharapkan dapat menyediakan jaringan yang diperlukan untuk tindakan koreksi cacat lahir tersebut. Saat ini para ahli sedang memfokuskan perhatian pada penggunaan sel punca dalam terapi cacat lahir. Dr. Dario Fauza13,14,15 pada Boston’s Children’s Hospital mengatakan bahwa operasi koreksi cacat lahir secara bedah sering sulit dilakukan karena adanya komplikasi seperti infeksi pasca bedah yang mengancam kehidupan. . Anak-anak yang lahir dengan malformasi trakea tetap tidak dapat bertahan dilakukan hidup walaupun operasi dengan telah menggunakan Dario Fauza (kiri) dan Amir Kaviani memeriksa jaringan tulang rawan yang diambil dari pertumbuhan jaringan baru dari sel-sel fetus yang diambil pada usia dini kehamilan bagian lain tubuh. Sel punca diharapkan dapat membentuk tulang rawan trakea yang baru yang dapat dipakai untuk memperbaiki cacat lahir tersebut. Keuntungan lain dari penggunaan sel punca ini adalah tulang rawan tersebut dapat bertahan terhadap reaksi penolakan tubuh penderita. Dario dan kawannya Amir Kaviani13,14,15 berusaha untuk mendapatkan dan menumbuhkan jaringan pengganti (repair tissue) dari fetus sendiri. Sel punca diperoleh melalui biopsi pada usia kehamilan 16-18 minggu, lalu sel punca tersebut ditumbuhkan pada cetakan jaringan dan hasil cetakan itu kemudian digunakan untuk memperbaiki cacat lahir. Akan tetapi insersi jarum panjang kedalam fetus selama tindakan biopsi dapat merusak janin atau menyebabkan terjadinya kelahiran prematur. Untuk mengatasi hal ini Dario Fauza dan Kaviani berusaha untuk mendapatkan sel punca yang berasal dari plasenta atau cairan amnion. Cairan amnion seperti darah tali pusat (umbilical cord blood) telah diketahui mengandung sel-sel punca yang dapat digunakan untuk memperbaiki cacat lahir yang berat. Saat ini dr. Dario juga sedang mencoba menggunakan sel punca untuk membentuk jaringan tulang yang dapat digunakan untuk memperbaiki spina bifida segera setalah bayi lahir dengan menggunakan prosedur bedah. Pada pertemuan American Academy of Pediatric tahun 2005 Dr. Dario Fauza14 mengatakan "We conclude that the placenta is another sources of fetal cells that can be used for tissue engineering," 9 Dr. Simon Hoerstrup16 dari Cardiovascular Research and Division of Regenerative Medicine, University Hospital di Zurich menngunakan sel punca yang didapatkan dari cairan amnion untuk membuat katup jantung. Hoerstrup mempresentasikan penemuannya pada American Heart Association’s Annual Meeting di Chicago tahun 2006. Menurut Hoestrup 1% dari bayi dengan cacat lahir mempunyai kelainan pada jantung dan 1/3 nya membutuhkan operasi katup jantung. Pada Juni 2008 para Ahli di Hangzhou, China telah berhasil mengobati seorang anak Amerika berusia 6 tahun yang telah mengalami kebutaan sejak umur 3 tahun dengan menggunakan stem cell yang diambil dari darah tali pusat (umbilical cord blood). Sel punca ini disuntikkan ke tubuh gadis tersebut secara spinal dan intravena. Kebutaan pada gadis tersebut disebabkan oleh kelainan bawaan yang dikenal sebagai septo-optic dysplasia, suatu kelainan bawaan yang ditandai oleh tidak berkembangnya nervus opticus, defisiensi satu atau lebih hormon hipofisa dan tidak terbentuknya jaringan otak yang terletak pada garis tengah. Pada beberapa kasus juga dapat disertai terjadinya gangguan intelektual. Para dokter berusaha untuk membentuk kembali nervus optikus, yaitu saraf yang menghubungkan retina dengan otak. Setelah mendapat terapi sel punca penglihatan gadis tersebut mengalami peningkatan secara bertahap17. Gupta dan kawan-kawan pada Juli 2005-2006 menyuntikan sel punca (stem cells) kedalam arteri hepatika dan vena porta pada 12 pasien anak berusia 1.5 -9 bulan yang menderita sirosis hepatik kongenital. Lima pasien meninggal karena penyakit sirosis hepatisnya. Dari tujuh pasien yang bertahan hidup selama 1 tahun pengamatan, 6 pasien mengalami peningkatan fungsi hati. Cui L, Liu B18dan kawan-kawan tahun 2007 menggunakan adipose derived stem cells (ASCs) yang mempunyai kemampuan untuk berdifferensiasi menjadi jaringan tulang untuk menutup lubang pada tulang kepala anjing dan mendapatkan penutupan tulang yang berlubang lebih cepat daripada yang tak diberi ASCs. APAKAH CACAT LAHIR YANG BERSIFAT GENETIK DAPAT DIPERBAIKI DENGAN MENGGUNAKAN SEL PUNCA (STEM CELL)\? Pertanyaan di atas merupakan hal yang sangat menggelitik dan menjadi harapan tidak saja untuk tenaga medis tetapi juga untuk pasien dengan cacat lahir yang bersifat genetik. Cacat lahir yang bersifat genetik (misalnya anemia bulan sabit/ sickle cell anemia) sekarang ini dapat didiagnosa secara akurat sejak saat yang paling dini yaitu sejak di dalam kandungan dengan memeriksa DNA fetus dengan menggunakan bahan yang diambil dari vilus khorialis atau dari amnionsintesis. 10 Dari sejumlah besar cacat lahir yang bersifat genetik tersebut ada beberapa yang secara potensial dapat diperbaiki dengan menggunakan terapi sel punca. Terapi ini diberikan setelah lahir dengan cara transplantasi sumsum tulang. Akan tetapi keberhasilan transplantasi sumsum tulang ini terkendala oleh adanya beberapa faktor seperti tidak adanya donor sel punca, reaksi penolakan donor transplant oleh sistem imun bayi, dan rusaknya sumsum tulang yang telah ditransplantasikan kepada bayi karena penyakit tertentu. Untuk mengatasi reaksi penolakan oleh sistem imun bayi, transplantasi sumsum tulang sebelum lahir merupakan salah satu solusi karena pada masa fetus sistem imun belum berkembang secara sempurna. Strategi untuk mentransplantasi sel punca normal kepada fetus yang mempunyai sel punca dengan cacat genetik pada saat graft tidak ditolak dapat digunakan untuk sejumlah cacat genetik (lihat tabel di bawah)19. Inherited Genetic Diseases Treatable with Stem Cells -thalasemia major Hemoglobinopathi -thalasemia major sickle cell anemia Severe combined immunodeficiency syndrome Bare lymphocyte syndrome Chronic granulomatous Immunodeficiency disease Wiskott-Aldrich syndrome Infantile agranulocytosis (Kostman’s syndrom) Lazy leukocyte syndrome (neutrophil actin deficiency) Neutrophl membrane GP-180 deficiency Agammaglobulinemia X-linked lymphoproliferative syndrome X-linked hyper-IgM syndrom Inborn errors of Metabolism Hurler’s disease (MPS-12) (a-iduronidase deficiency) Hurler-Scheie syndrome Hunter disease (MPS-II) (iduronidase sulfatase deficiency) Sanfillippo B (MPS-IIIB) (a-glycosaminidase Mucopolysaccharidoses deficiency) Morquio (MPS-IV) (hexosamine-6 sulfatase deficiency) Maroteaux-Lamy syndrome (MPS-VI) (arylsulfatase B deficiency) Sly syndrome (MPS-VII) (b-glucuronidase defiency) Fabry disease (a-galactosidase A defiency) Gaucher disease (glucocerebrosidase deficiency) Krabbe disease (galactosylceramidase deficiency) Metachromatic leukodystrophy (arylsulfatase A 11 Mucolipidoses Other Hematopoietic disease deficiency) Niemann-Pick disease (sphingomyelinase deficiency) Adrenal leukodystrophy I-cell mucolipidosis II Osteopetrosis Diamond-Blackfan syndrome Fanconia anemia Penyuntikan sel punca hematopoetik (hematopoetic stem cell) kedalam fetus domba dan monyet telah berhasil dilakukan dan ternyata donor sel punca tersebut dapat bertahan lama. Akan tetapi strategi ini baru dapat dicobakan pada manusia pada beberapa kasus. Hasil yang diperoleh dari tindakan ini tergantung pada jenis penyakitnya. Hal terpenting yang harus dipertimbangkan adalah keakuratan diagnosis dan konseling genetik tentang konsekuensi dari kecacatan genetic tersebut, Pertimbangan untuk melakukan intervensi sebelum lahir adalah sebagai berikut 1. kecacatan genetic menyebabkan kerusakan berkelanjutan terhadap fetus yang hanya dapat dicegah dengan terapi sedini mungkin 2. kecacatan memerlukan transplantasi sel punca hematopoetik dan hal ini lebih dilakukan sebelum lahir. Keuntungan transplantasi sel punca intra uteri adalah adanya toleransi imunologik fetus yang disebabkan oleh belum sempurnanya sistem imun fetus, sehingga pemberian imunosupresan tidak dibutuhkan lagi. Kerugian dari prosedur ini adalah adanya resiko akibat tindakannya sendiri yaitu pada saat menyuntikan sel-sel donor kedalam abdomen fetus yang sangat kecil atau penyuntikan kedalam aliran darah. Kerugian lainnya adalah kemungkinan terjadinya infeksi atau transplant tidak bekerja baik. RUJUKAN 1. Why are stem cells inportant , http://www.explorestemcells.co.uk 2. McNeish, J. (2004) Embryonic Stem Cells in Drug Discovery Nat. Rev. Drug Discov. 3, 70-80 3. Davila, J.C., Cezar, G.G., Thiede, M., Strom, S., Miki, T., Trosko J. (2004) Use and Application of Stem Cells in Toxicology. Toxicol. Sci. 79, 214-223 4. Daigneault R, Rafiur Ariganjoye, Birth Defect, http://www.yourtotalhealth.ivillage.com 5. Linda Nicholson, Birth Defect, http:// www.kidshealth.org 6. Birth Defect, Causes, Symptoms, Diagnosis and Prevention, http:// www.medicinenet.com 12 7. The Stem cells-stem cell information-the official National Institute of Health Resource for Stem cell Research 8. Anatomy 101: Stem Cells-Reeeve Irvine Research Center- http://www.reeve.uci.edu/anatomy /stemcells.php 9. Sell, S. (2004) Stem cells. Stem Cell Handbook ed. by Sell, S. 1-18. 10. Stem Cells-Wikipdia- http://en.wikipedia.org/wiki/stem cell 11. Jurga M, et al. Neurogenic potential of human umbilical cord blood: neural like stem cells depend on previous long term culture condition . J. Neurosci Res 2006: 83: 627-37 12. Bradley MB, Cairo MS. Cord blood immunology and stem cells transplantation. Human Immunol. 2005: 66: 431-46 13. Goldberg C, New birth defect treatment studied. Hub Scientists test use of fetal cell, May 14 2006, http://www.boston.com 14. Abraham C, Hope for Fixing Birth Defects; New Technique Uses Custom-Made Tissue Grown from Unborn Child's Own Fetal Cells, October 10, 2005 http//www.stemcell news.com 15. Cromie W.J, New technique could repair severe birth defects. http//www.hno.harvard.edu 16. Gardner A, Amniotic Stem Cells Offer Hope against Congenital Heart Defects November 14, 2006. http://www explorestemcells.co.uk 17. Brad Fischer , Stem cell treatment in China helps restore girl's sight, 16 Juni 2008, htpp//www.dailynewstranscript.com. 18. Cui L, Liu B, Liu G, Zhang W, Cen L, Sun J, Yin S, Liu W, Cao Y., repair of cranial bone defect with adipose derived stem cells and coral scaffold in a canine model. Biomaterials. 2007 Dec;28(36):5477-86. 19. Inherited Genetic Diseases Treatable With Stem Cell, htpp//www.fetus.ucsfmedicalcenter.org