PENUAAN RETINA

Sistem syaraf pusat mengalami remodelling pada saat terjadi berbagai proses fisiologis, seperti perkembangan, pembelajaran, dan penuaan. Penuaan pada sistem saraf pusat merupakan fenomena yang alami, sebagai penyebab kerusakan fungsi yang bersifat progresif dan irreversible. Proses ini dicirikan dengan hilangnya neuron pada region tertentu, penurunan dalam melepaskan neurotransmitter, dan kerusakan fungsi koognitif. Beberapa agen penyebab proses tersebut antara lain stres oksidatif dan akumulasi protein yang berubah fungsi menjadi pemacu aktivitas proteolitik.

Retina merupakan bagian dari sistem saraf pusat yang memiliki tipe neuron dan koneksi yang dikenal sangat detil dan terdapat marker berupa sel yang spesifik dalam jumlah yang banyak. Berbagai subtipe retina terdapat dalam beberapa retina mamalia. Retina merupakan target sensitif yang potensial mengalami degenerasi yang dipengaruhi oleh usia (penuaan). Secara khusus, fotoreseptor dicirikan dengan aktivitas metabolisme dengan kecepatan yang sangat tinggi, yang selalu terpapar oleh cahaya dan sangat sensitif terhadap kerusakan oleh cahaya.

Degenerasi parsial dan melemahnya fungsi fotoreseptor sel batang yang dipengaruhi oleh usia telah banyak diteliti pada retina mencit. Reduksi jumlah sel ganglion merupakan pengaruh dari penuaan. Pengetahuan mengenai jalur retina normal sangat terbatas dalam menjelaskan adanya modifikasi struktural pada bagian dalam retina yang diduga merupakan konsekuensi dari terjadinya penuaan. Sirkuit retina merupakan perubahan plastis sebagai konsekuensi dari degenerasi fotoreseptor, berupa proses degenerasi neuron dan berakibat pada terbentuknya koneksi yang baru. Sebagai contoh, adanya proses degenerasi cepat dari fotoreseptor batang pada mencit rd1 berasosiasi dengan hilangnya dendrit batang bipolar, redistribusi reseptor glutamat, dan mengurangi kompleksitas komunikasi sel secara horisontal. Pada bentuk lain degenerasi retina, sel bipolar batang menunjukkan perubahan kontak dengan sel konus dan pembentukan sulur baik pada sel horisontal maupun fotoreseptor yang teramati pada mencit mutan yang kehilangan sinapsis fotoreseptor fungsional. Perubahan yang sama juga terjadi pada retina yang mengalami penuaan. Hasil studi terkait dengan hal ini menunjukkan adanya penyimpangan proses neuron bipolar batang sebagai konsekuensi dari penuaan. Deteksi adanya penuaan pada retina dapat dilakukan dengan menggunakan teknik imunokimia, mikroskopi elektron, dan mikroskopi konfokal.

Studi mengenai penuaan retina menunjukkan adanya kelas neuron yang kedua pada retina mencit, yaitu sel horisontal dan bipolar batang mengalami proses pertumbuhan yang menyimpang menuju lapisan luar inti sel (ONL), berupa pembentukan sulur pada sel bipolar batang. Proses pemanjangan sel bipolar batang dan sel horisontal terjadi secara terus menerus dan berkembang selama tahun kedua usia mencit. Proses penyimpangan ini juga dicirikan dengan gradien spasial dengan jumlah yang meningkat dari bagian tengah ke tepi retina. Gradien spasial menggambarkan adanya banyak tipe degenerasi retina. Hasil studi menunjukkan bahwa bagian tepi retina paling sensitif terhadap penuaan. Penyimpangan proses menyebabkan struktur normal sinapsis pada ONL berubah menjadi ektopik. Proses pemanjangan sel batang bipolar dan sel horisontal selama tahun hidup mencit dapat dinterpretasikan sebagai perubahan plastis.

Terdapat kesesuaian spasial yang spesifik antara pre dan post marker pada ujung sulur. Struktur pre sinaptik yang mengandung Bassoon, Kinesin 2 dan sinaptophysin secara berdampingan membentuk klaster yang positif terhadap reseptor pre sinaptik mGluR6, yang merupakan reseptor 6 glutamat metabotropik, spesifik pada jalur ONL. Hasil positif terhadap pelabelan mGluR6 yang dipengaruhi oleh aktivitas reseptor, menunjukkan bahwa sinapsis ektopik fungsional. Analisis mikroskopi elektron menunjukkan adanya struktur normal sinapsis ektopik, yang berada diantara invaginasi lengkungan batang, yang berpindah ke bagian luar retina, diantara lapisan inti sel di bagian luar.

Proses penyimpangan digambarkan pada berbagai penelitian mengenai degenerasi retina hewan model. Sebagai contoh, sulur dendrit bipolar batang terdapat pada percabaan pelepasan retina pada hewan model yang mengalami retinitis pigmentosa, pada mencit RCS, yang mengalami mutasi terhadap Bassoon dan Caf1. Beberapa penelitian menggambarkan adanya remodelling retina kedua yang disebabkan oleh degenerasi fotoreseptor, seperti hipertropi sel Muller, migrasi neuron ke sisi ektopik dan pembentukan koneksi baru di sepanjang retina. Analisis percobaan hasil induksi dan pewarisan degenerasi retina menjelaskan adanya penggantian fenotipe selluler dan morfologi neural retina. Remodelling jalur batang digambarkan melalui mencit rd1 yang mengalami mutasi pada gen spesifik batang yang menyebabakan kematian sel batang pada hari ke-10 setelah kelahiran. Sel bipolar batang menunjukkan retraksi dendritik dan akson ujungnya tertahan pada struktur sinaptik yang immature. Modifikasi juga terjadi pada sirkuit konus, baik pada sel konus maupun dendrit sel horisontal pada mencit rd1 muda yang membentuk sulur akson yang baru dan retraksi dendrit sel konus bipolar terjadi terus menerus. Selama degenerasi sel batang pada manusia, sel batang yang bertahan, sel horisontal, dan sel amakrin terjadi pemanjangan akson yang tidak normal di sepanjang retina.

Reorganisasi yang bersifat progresif pada jalur sel batang, sebagai konsekuensi dari hilangnya fotoreseptor dan perubahan pada konektivitas sinaptik diantara fotoreseptor dan target selnya pada dua model degenerasi fotoreseptor, seperti mencit albino homozigot P23H line 1 dan mencit RCS (royal college surgeon). Adanya degenerasi fotoreseptor dipengaruhi oleh modifikasi perangkat sinaptik yang menghubungkan  fotoreseptor dengan neuron kedua, yaitu sel batang dan sel konus bipolar, serta sel horisontal.

Proses penyimpangan melibatkan neuron pada bagian dalam retina yang secara langsung berhubungan dengan fotoreseptor seperti dijelaskan dengan percobaan pada hewan model mencit mutan pada protein Bassoon sitometrik pre sinaptik. Protein ini merupakan komponen pita fotoreseptor yang kehilangan Bassoon karena bassoon tidak tertambat pada zona aktif pre sinaptik yang mencegah perkembangan fungsi sinaptik secara benar. Sel bipolar batang dan sel horisontal pada retina mutan bassoon membentuk sulur pada ONL dan terjadi proses penyimpangan disepanjang layer fotoreseptor menunjukkkan sisi sinaptik ektopik.

Karakteristik dan mekanisme yang mendorong terjadinya proses penyimpangan pertumbuhan pada ONL yang dipengaruhi penuaan masih belum dapat dijelaskan secara lengkap. Hipotesis yang baru dapat disusun melalui informasi adanya pemanjangan proses penyimpangan diikuti dengan disfungsi fotoreseptor. Walaupun tidak ada kehilangan fotoreseptor yang nyata pada retina mencit tua, ada kemungkinan bahwa neuron kedua yang tumbuh abnormal merupakan dampak awal secara langsung dari disfungsi fotoreseptor yang dipengaruhi oleh usia yang tidak menujukkan tingkat kematian sel yang signifikan. Kerusakan fungsional dari retina mencit ditunjukkan pada mencit berusia 17 bulan, yang pada ERG menunjukkan penurunan gelombang amplitudo yang signifikan dibandingkan mencit muda. Modifikasi struktural yang terdapat pada penelitian awal pada mencit mutan yang mengalami kehilangan fungsi protein Bassoon. Walaupun mutan ini tidak menunjukkan adanya degenerasi fotoreseptor, struktur sinaptik pada bagian luar retina menunjukkan abnormalitas utama, termasuk pita yang terapung bebas pada lengkungan sel batang, sehingga sinapsis sel batang tidak fungsional. Hal ini menyebabkan perubahan pada sel batang bipolar. Sel bipolar dan horisontal mutan Basson menunjukkan adanya sulur pada ONL yang membentuk struktur berupa sinapsis. Jumlah ektopik sinapsis dan proses pembentukan sulur secara gradual meningkat terus menerus, baik pada mutan Bassoon maupun mencit tua. Faktor yang berbeda hanyalah remodelling yang terdeteksi pada pada mutan bassoon dan remodelling mencit yang bersifat temporal. Pada mutan Basoon, modifikasi terjadi selama tahap awal kehidupan mencit, yang meningkat terus selama tahun kedua dari usia mencit. 

Sumber :

Terzibasi, E., Calamusa, M., Novelli, E., Domenici, L., Strettoi, E., and Cellerino, E. 2009. Age-dependent remodelling of retinal circuitry. Neurobiology of Aging. Vol. 30 : 819-828.

TRANSPORT AKTIF

Sel memiliki kemampuan untuk memasukkan maupun mengeluarkan molekul-molekul penyusun sel dengan melawan gradien konsentrasi molekul tersebut. Proses ini membutuhkan energi, sehingga disebut sebagai transport aktif. Dalam mekanismenya, transport aktif memerlukan adanya protein transporter khusus dalam membran yang berperan untuk menggerakkan molekul melewati membran. Transport aktif tidak hanya terjadi pada membran plasma, tetapi juga pada membran semua organel yang berada di sitoplasma. Salah satu tipe transport aktif adalah Pompa Na⁺ - K⁺ . Mekanisme dalam sistem transport ini secara langsung menggunakan ATP untuk menggerakkan ion masuk ke dalam atau keluar sel dengan melawan gradien konsentrasinya. Lebih dari sepertiga energi dari sel hewan digunakan untuk transport ion Na⁺ dan K⁺. Sel hewan pada umumnya mempunyai konsentrasi Na⁺ di dalam sel lebih rendah dari lingkungannnya dan konsentrasi K⁺ di dalam sel lebih tinggi dari lingkungannya. Sel menjaga perbedaan konsentrasinya melalui suatu sistem pompa untuk memasukkan ion Na⁺  dan mengeluarkan ion K⁺ secara aktif. Protein yang berperan sebagai transporter Na⁺ dan K⁺ melalui membran disebut sebagai pompa Na⁺ – K⁺. Karakteristik penting pompa Na⁺ – K⁺ adalah proses pengangkutan ion Na⁺ dan K⁺ dari konsentrasi rendah ke konsentrasi tinggi dengan menggunakan energi berupa ATP untuk mengatur pompa Na⁺ - K⁺. Pompa Na⁺-K⁺ bekerja melalui sejumlah perubahan konformasi dalam protein transmembran, yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Tahap I

Tiga molekul ion Na⁺ berikatan dengan protein transporter pada sisi sitoplasmik dan menyebabkan adanya perubahan konformasi protein transporter.

b.   Tahap II

    Pada tahap ini, perubahan konformasi protein transporter memungkinkan protein mengikat molekul ATP dan memecahnya menjadi ADP + Pi. Molekul ADP dilepaskan, tetapi gugus fosfat berikatan dengan protein yang menyebabkan protein mengalami fosforilasi.

c.       Tahap III

Fosforilasi protein transporter menginduksi perubahan konformasi protein yang kedua. Proses ini menyebabkan translokasi 3 molekul Na⁺ keluar dari sel melalui membran.

d.      Tahap IV

Konformasi protein transporter yang baru menyebabkan protein mempunyai afinitas tinggi terhadap ion K⁺. Dua molekul ion K⁺ akan berikatan dengan protein trasporter pada sisi non sitoplasmik, bersamaan dengan proses pelepasan ion Na+ ke lingkungan.

e.       Tahap V

Pengikatan ion K⁺ menyebabkan perubahan konformasi protein transporter dan  mengakibatkan disosiasi ikatan fosfat.

f.       Tahap VI

Gugus fosfat yang terlepas akan berikatan kembali dengan ADP dan membentuk ATP, sehingga konformasi protein transporter kembali seperti semula. Konformasi ini mempunyai afinitas yang rendah terhadap ion K⁺, sehingga 2 molekul ion K⁺  terdisosiasi dari protein dan berdifusi ke dalam sel. Kembalinya konformasi protein transporter seperti semula, menyebabkan protein tersebut mempunyai afinitas tinggi terhadap ion Na⁺. Pada saat ion Na⁺ terikat, protein transporter menginisiasi siklus berikutnya. Dalam setiap siklus pompa Na⁺-K⁺,  terdapat 3 ion Na⁺ yang keluar dan 2 ion K⁺ masuk ke dalam sel.  

Efek Fisiologis Transplantasi Neural Stem Sel

1.      Efek Immunosupressif transplantasi neural stem sel

Neural stem sel memberikan efek terapeutik dengan mengganti sel yang hilang secara langsung. Transplantasi jarang menghasilkan transplant yang membentuk diferensiasi terminal neuron. Hal ini menjadi kendala untuk mengaplikasikannya dalam penggantian sel, namun juga dapat memberi dampak positif sebagai komponen biologis.

Indikasi pertama dari efek anti-inflamatori neural stem sel didapatkan melalui percobaan transplantasi pada mencit dalam Experimental Autoimmmune Encephalomyelitis (EAE). Hasil penelitian menunjukkan transplantasi intraventrikuler neural stem sel mampu mengurangi inflamasi otak tanpa demielinasi. Adanya efek positif dari transplantasi neural stem sel dimediasi oleh efek anti-inflamatori. Penelitian selanjutnya menunjukkan komponen immunomodulator neural stem sel dalam EAE pada mencit memberikan hasil yang baik terhadap inflamasi otak dalam hewan yang ditransplantasikan dengan berkurangnya demielinasi dan hilangnya akson. Efek immunomodulatori oleh neural stem sel memacu apoptosis sel T helper tipe I menjadi bergeser ke sel T helper tipe II. Efek imunosupressif yang non spesifik menyebabkan neural stem sel mengaktivasi proliferasi sel T. Masuknya neural stem sel secara transient pada organ limfoid periferal, akan berinteraksi dengan sel T untuk mereduksi encephalitogenisitasnya. Hal ini menunjukkkan bahwa efek positif injeksi neural stem sel intravenus dalam EAE dimediasi oleh mekanisme immunosupressif menghasilkan pengurangan sel imun yang berinfiltrasi ke sistem saraf pusat dan menyebabkan kerusakan sistem saraf pusat secara perlahan. Percobaan kokultur yang menyerupai interaksi secara langsung dari sel nodus limfe dan neural stem sel in vivo menunjukkan penghambatan nyata dalam EAE, aktivasi sel T, dan proliferasi neural stem sel. Efek supresif neural stem sel pada sel T disertai dengan supresi secara nyata oleh sitokin proinflamatori. Mekanisme antiinflamatori non spesifik mungkin hal yang penting dalam aplikasi terapi transplantasi dalam mediasi imun terhadap suatu penyakit, sehingga mampu melindungi sistem saraf pusat inang dan sel cangkok dari serangan imun yang berlebih.

Penelitian terbaru menunjukkan efek imunosupressif yang sama pada stromal sel sumsum tulang belakang dalam EAE, sebagai sumber sel lain yang potensial untuk terapi Multiple Sclerosis (MS). Sel stromal sumsum tulang dapat berasal dari pasien, yang dibiakkan secara in vitro dan direintroduksi secara intrathecal sebagai cangkok autolog. Data klinis awal dalam terapi ini tidak menunjukkan gejala  komplikasi.

2.      Efek neuroprotektif neural stem sel

Efek imunosupressif dari neural stem sel yang ditransplantasikan melindungi otak dari dampak proses penghilangan sel akibat autoimun dalam EAE. Efek neuroprotektif secara umum dapat diamati dalam model percobaan terhadap penyakit nonautoimun yang lain. Neural stem sel membantu neuron dopaminergis dari sistem mesostriatal pada hewan percobaan Rodentia yang menderita Parkinson. Penemuan ini menunjukkan bahwa neural stem sel memberikan mekanisme terkait untuk mengatasi disfungsi neuron. Efek ini penting dalam penyakit neurologis yang lain. Neural stem sel yang ditanam pada biodegradable scaffold sintetik dan dicangkok ke sumsum tulang belakang mencit dewasa menginduksi peningkatan pergerakan hewan dengan reduksi nekrosis pada sekeliling parenkim melalui pencegahan inflamasi, pembentukan karang glia dan hilangnya sel sekunder ekstensif.

 Penemuan terkini dalam percobaan mencit dengan Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) menunjukkan pergeseran target terapeutik dari transplantasi neural stem sel dari penggantian neuron ke pembelahan neuron. Efek neuroprotektif dari transplantasi neural stem sel teramati pada percobaan terhadap penyakit neurodegradasi yang lain. Pada mencit mutan yang mengalami degenerasi neuron Purkinje, memiliki kemampuan bertahan hidup selama 4-5 minggu. Neural stem sel yang ditransplantasikan membantu fungsi sel Purkinje inang dan meningkatkan koordinasi gerakan. Injeksi subretina dari neural stem sel manusia memungkinkan perlindungan menyeluruh pada penglihatan hewan percobaan yang menderita degenerasi retina. Oleh sebab itu, prinsip yang penting untuk menggunakan komponen neuroprotektif neural stem sel dalam kajian klinis adalah langkah awal untuk mengimbangi respon imunologis degeneratif atau patogenesis traumatis. Hal ini penting untuk mencegah atau memperlambat perkembangan penyakit dan mengurangi kebutuhan untuk penggantian sel berikutnya.

3.      Efek neurotropik transplantasi neural stem sel

Kemampuan reparasi sel degeneratif yang tidak memadai pada sistem saraf pusat dihasilkan dari ketidakmampuan progenitor lokal untuk merespon secara tepat penyakit yang ada, mengganti sel yang rusak, dan juga hilangnya kemampuan regenerasi dari akson yang rusak. Terapi neural stem sel merupakan salah satu cara penyembuhan dengan cara meningkatkan kemampuan otak inang untuk memperbaiki sendiri sel-sel yang rusak atau hilang.

Transplantasi neural stem sel setelah pemotongan sumsum tulang dewasa, akan menginduksi lingkungan yang permisif untuk regenerasi akson. Seperti pada pola regenerasi retina, transplantasi neural stem sel memacu pertumbuhan neurit pada saraf optis. Pada beberapa kasus, efek ini dimediasi melalui induksi matriks metalloproteinase yang mendegradasi penghalang matriks ekstraseluler. Adanya molekul tersebut pada permukaan sel memungkinkan akson berkembang di sepanjang karang glial.

Transplantasi sel olfaktori yang terselubungi, pada sumsum tulang belakang yang terpotong juga mampu memacu regenerasi aksonal dalam saluran serat panjang dan mengembalikan fungsi yang hilang. Mekanisme ini melalui pembentukan jalur yang lurus , sehingga pertumbuhan akson melalui saluran neural bersifat permisif. Hal ini dapat memacu perkembangan sel akson yang menjulur, remielinasi, dan vaskularisasi luka pada sumsum tulang. Pembentukan kembali substansi endogenous dari penggabungan struktur otak dapat diamati pada saat neural stem sel ditransfer oleh biodegradable scaffolder ke daerah degenerasi otrak ekstensif yang disebabkan hipoksia.

Penelitian terkini menunjukkan neural stem sel yang ditransplantasikan dapat meningkatkan neurogenesis endogenus dalam kondisi patologis. Mencit yang diekspos opioid sebelum lahir mengurangi kemampuan untuk belajar dan berasosiasi dengan reduksi neurogenesis. Transplantasi neural stem sel meningkatkan fungsi belajar dan neurogenesis otak inang pada Hippocampus. Efek neurotropik yang mirip tampak pada penuaan fisiologis. Neurogenesis dalam sel granula yang bergerigi pada pertengahan umur, setelah ditransplantasi dengan neural stem sel mampu menstimulasi neural stem sel endogenus dalam zona subgranuler untuk memproduksi sel granula bergerigi yang baru. Molekul yang mungkin berperan dalam peningkatan endogenus otak adalah neurotrophin. Pengaturan majemuk neurotrophin sebagai mediator dalam regulasi siklus sel, ketahanan sel dan diferensiasi selama pembiakan dan masa dewasa membuat molekul tersebut berpotensi dalam regulasi endogenus untuk proliferasi neural stem sel dan diferensiasi otak yang terluka. Sebagai contoh, neurothrophin yang disekresikan oleh neural stem sel membantu pemacuan akson kortikospinal setelah ditambahkan pada sistem kokultur organotipik yang mengandung potongan korteks otak dan sumsum tulang belakang.

   

Daftar Pustaka

Ben Shaanan TL. Ben-Hur T. Yanai J. Transplantation of neural progenitor enhances production of endogenous cells in the impaired brain. Mol Psychiatry. 2008. 12 : 221-231.

Eistein O, Finstein N, Vaknin L, et al. Neural precursor attenuate encephalomyelitis by peripheral imunosuppression. Ann Neurol. 2007. 61(3) : 209-218.

Einstein C, Ben-Hur T. The changing face of neural stem cell theraphy in neurological diseases. Arch Neurol. 2008. 65 : 4.

Fiona E, O’Keefee, Scott SA, et al. Induction of A9 dopaminergic neurons from neural stem cells improve motor function in an animal model of Parkinson’s disease. Brain. 2008. 131 : 630-641.

Karissis D, Kassis I, Kurkalli BG, Slavin S. Immunomodulation and neuroprptection with mesenchymal bone marrow stem cells (MSCs) : a supressed treatment for multiple sclerosis and other neuroimmunological/neurodegenerative disease. J  Neurol Sci. 2008: 265.

Levesque MF, Neuman T, Rezak M. Therapeutic microinjection of autologous adult human neural stem cells and differentiated neurons for parkinson’s disease ; five-year post-operative outcome. The Open Stem Cell Journal. 2009. 1 : 20-29. (1-2) : 131-135.

Lindvall O, Kokaia Z. Stem cells for the treatment of neurological disorders. Nature. 2006. 441(7097): 1094-1096.

Raisman G, li Y. Repair of neural Pathways by olfactory ensheating cells. Nat Rev Neurosci. 20009. 8(4) : 312-319.

Smart N. Riley PR. The stem cell movement. Cir Res. 2008. 102 : 1155-1168.