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.

Aplikasi Neural Stem Sel untuk Terapi Penyakit Neurologis

Pendahuluan

Penyakit neurologis merupakan proses kerusakan sel pada neuron dan sumsum tulang yang bersifat irreversible, karena sel tidak mampu mengalami regenerasi secara spontan. Berbagai kendala dalam penyembuhan penyakit neurologis antara lain disebabkan kompleksitas struktur dan fungsi sistem saraf pusat dewasa. Sistem saraf pusat merupakan muara dari berbagai sel yang berpotensi mengalami regenerasi, namun sistem saraf pusat tidak selalu  mampu mengendalikan keseluruhan sel tersebut secara efektif.

Kajian biologis mengenai neural stem sel menunjukkan adanya potensi penggunaan neural stem sel untuk terapi penyakit neurologis. Neural stem sel dapat dijadikan sebagai sumber tanpa batas dari kultur sel neuron dan glia untuk kebutuhan terapi, terkait dengan  kemampuan restoratif dan multipotensialitasnya. Pendekatan terapeutik untuk penyakit neurologis dengan cara meningkatkan jumlah dan fungsi regenerasi sel secara endogenus atau introduksi sel teregenerasi ke penderita penyakit neurologis melalui transplantasi. Transplantasi neural stem sel sebagai cara untuk mengganti sel yang rusak atau hilang pada sistem saraf pusat.  Neural stem sel dan prekursor sel neural dapat diisolasi dari sistem saraf pusat embrionik atau dewasa, dan aman untuk dibiakkan secara kimiawi dalam media kultur untuk periode jangka panjang.

Data dari beberapa penelitian terbaru menunjukkan adanya efek positif dari transplantasi neural stem sel terhadap hewan percobaan, antara lain penghilangan inflamasi, melindungi sel saraf dari degenerasi, dan meningkatkan proses penyembuhan endogenus. Efek positif dari transplantasi neural stem sel ditunjukkan melalui penelitian terhadap beberapa hewan percobaan untuk terapi berbagai penyakit neurologis seperti stroke, cidera sumsum tulang, penyakit Huntington, Parkinson, Multiple Sclerosis (MS), dan Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). Penelitian terbaru berupa mekanisme reparasi menunjukkkan hasil dan prospek yang baik dalam penyembuhan penyakit neurologis. Pengembangan potensi neural stem sel untuk terapi penyakit neurologis meliputi empat aspek penting yang akan dijelaskan sebagai berikut.

Transplantasi neural stem sel untuk mengganti sel degeneratif

Disfungsi neurologis dalam sistem saraf pusat pada umumnya disebabkan terjadinya kerusakan atau degenerasi sel, dan dapat menyebabkan sel tersebut hilang. Terapi neural stem sel bertujuan untuk mengganti sel atau jaringan yang rusak atau hilang. Prinsip dasar dalam penggantian sel merupakan perlekatan generasi sel yang terspesialisasi secara spesifik untuk setiap penyakit neurologis.

 Indikasi awal bahwa sel otak memungkinkan untuk dilakukan penggantian didapatkan dari hasil percobaan terhadap hewan model yang menderita Parkinson. Data percobaan pencangkokkan secara intrastriatal terhadap fetal Rodentia dan Primata menunjukkan, neuron dopaminergis yang berasal dari Mesencephalon ventral mampu melakukan kontak sinapsis dan mampu melepasakan dopamine, serta mengurangi simptom Parkinson. Pengujian klinis pada transplantasi jaringan Mesencephalon fetus manusia terhadap pasien Parkinson sejak tahun 1987, menunjukkan peningkatan kesembuhan pada beberapa pasien. Studi awal tersebut mendorong para peneliti untuk mengakaji lebih jauh mengenai sisi aktif pencangkokan yang optimum, dosis sel yang dicangkokkan, rejeksi cangkok, dan berbagai efek lain yang muncul.

Pada perkembangan penelitian mengenai terapi Parkinson diketahui bahwa jaringan Mesencephalon fetus bukan merupakan sumber neuron dopamine yang memadai untuk dapat ditransplantasikan. Hal ini kurang bersesuaian dengan prinsip etika biomedis, sebab dibutuhkan empat fetus untuk terapi setiap pasien . Sehingga perlu dikembangkan metode yang mampu menunjukkan secara spesifik neuron yang dapat secara selektif dibiakkan dari neural stem sel dewasa. Sampai pada perkembangan selanjutnya, diketahui bahwa stem sel dari jaringan non neural dapat mengalami transdiferensiasi menjadi progeni sel neural. Selain itu, sel stroma sumsum tulang juga dapat digunakan sebagai marker neural, walaupun tidak sepenuhnya mampu melakukan semua fungsi neuronal.

Penelitian terbaru menunjukkan sumber generasi massa sel dari sel neural yang terspesialisasi adalah stem sel embrionik. Melalui prekondisi yang memadai dalam kultur, stem sel embrionik manusia dan mencit dapat ditumbuhkan secara in vitro. Stem sel embrionik juga dapat digunakan untuk membiakkkan kultur yang diperkaya dengan sel dopaminergis, neuron motorik, oligodendrosit, dan sel retina.

Stem sel neuron mencit yang membentuk neuron motorik, mampu membentuk sinapsis fungsional dengan serat otot dan membentuk akson ke arah ventral, setelah neural stem sel ditransplantasikan ke motoneuron yang terluka pada mencit dewasa. Pembiakan dari stem sel embrionik untuk generasi neuron dopaminergis manusia dapat dilakukan secara in vitro.  Namun terdapat  kendala dalam pencangkokan terhadap hewan percobaan, antara lain rendahnya ketahanan sel yang ditransplantasikan. Hal ini merupakan kendala utama dalam aplikasi terapi sel untuk penyakit Parkinson. 

Penyakit Huntington juga merupakan salah satu penyakit yang menjadi target aplikasi neural stem sel . Penyakit Huntington merupakan penyakit degeneratif lokal yang melibatkan sistem neuronal yang spesifik. Ketahanan generasi sel asam  γ-aminobutirat-ergis lebih baik dibandingkan dengan sel dopaminergis dalam percobaan klinis stem sel embrionik manusia, sehingga mampu membentuk progenitor neuronal dan berkembang lebih cepat dalam proses terapi.

Terapi penggantian sel untuk penyakit stroke atau cidera sumsum tulang belakang  merupakan tantangan besar karena stem sel neural harus mengganti sejumlah tipe sel saraf, menginduksi remielinasi akson, dan memperbaiki lintasan saraf. Penelitian terbaru menunjukkan neural stem sel dari fetus manusia yang ditransplantasikan ke otak Rodentia yang menderita stroke, mampu bertahan, bermigrasi, dan berdiferensiasi menjadi berbagai tipe neuron dan glia.

Penyakit neurologis yang lain seperti MS tidak terbatas pada kondisi patologis  suatu sisi atau sistem. Hal ini menjadi pertimbangan penting untuk menentukan pencangkokan sel yang sesuai. Dalam terapi MS, target yang tepat adalah sel bermielin, yang apabila ditransplantasikan secara efisien, akan terjadi remielinasi sel fokal yang rusak karena demielinasi. MS merupakan penyakit multifokal kronis yang membutuhkan penelitian klinis lebih lanjut melalui Experimental Autoimmmune Encephalomyelitis (EAE). Prekursor sel neural dikultur dalam bentuk neurosphere, yang mampu bertahan pada jangka panjang dalam organ ventrikuler hewan dan merespon induksi dalam EAE untuk bermigrasi dalam saluran neural dan berintegrasi dengan jaringan. Oleh sebab itu, transplantasi sel intrathecal dan intraventrikuler merupakan pendekatan yang cukup memadai untuk pencangkokan sel karena membawa sel mendekati periventrikular dan traktus spinalis yang bertanggung jawab untuk penyakit MS. Sel neural yang ditransplantasikan dapat bermigrasi ke sisi aktif penyakit ke arah yang ditandai dengan inflamasi. Fraksi kecil suplai neural stem sel secara intravena mungkin dapat melewati barrier darah  otak menuju sisi aktif penyakit. Progenitor oligodendrosit manusia yang ditransplantasikan mampu menginduksi mielinasi secara luas pada hewan model yang menderita penyakit demielinasi. Sistem saraf pusat yang berkembang memberikan lingkungan yang lebih permisif untuk migrasi sel dan remielinasi. Penelitian ini menunjukkan neural stem sel dapat menginduksi remielinasi akson yang mengalami demielinasi dalam EAE.

Penyakit degeneratif yang lain pada sistem saraf pusat dewasa seperti pada penyakit Alzheimer dan ALS mempunyai keterbatasan komponen inflamatori dan lingkungan yang tidak permisif untuk proses regeneratif. Oleh sebab itu, prospek terapeutik penggantian sel, migrasi sel yang tepat, dan integrasi ke lintasan neural yang ada harus dapat dikendalikan. 

Penutup

Secara prinsip, faktor penting dalam terapi penggantian sel adalah tahap perkembangan yang optimal dari sel yang ditransplantasikan. Sel yang akan ditransplantasikan harus sesuai dengan spesialisasi sel traget dan mempunyai plastisitas terhadap prekursornya, hal ini penting untuk integrasi dalam sistem saraf pusat secara efektif.