1

TERAPI GEN BERBASIS SEL PUNCA UNTUK PASIEN DENGAN DEGENERASI DISKUS INTERVERTEBRALIS: SEBUAH HARAPAN

BARU

Raditya Bagas Wicaksono*

*Fakultas Kedokteran Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto, IndonesiaE-mail: rbwicaksonoo@gmail.com

AbstractLow back pain and ischialgia were major health problems. They were signs and symptoms of intervertebral disc degeneration. Patients with these conditions would have low quality of life which will disturb their daily life productivity. Current therapies were not effective enough to perfectly cure their underlying problems. Hence, effective therapy was needed to cure both the underlying problems and symptoms in patient with intervertebral disc degeneration. The aim of this study was to explain molecular aspects of stem cell based gene therapy for patients with intervertebral disc degeneration. The method used in this study was literature review method, which integrated 24 relevant scientific articles in the discussion. It could be concluded that stem cell based gene therapy with bone marrow mesenchymal stem cell injection could increase the proliferation rate as well as differentiation among the intervertebral disc tissue. The introduction of genetic-manipulated mesenchymal stem cell could increase the intervertebral disc hydration. These facts showed that the gene therapy could possibly become a new hope for the more effective and target-matched therapy that we all wanted to achieve.Key words : Therapy, gene, stem cell, mesenchymal cell, intervertebral disc.

AbstrakNyeri punggung bawah dan ischialgia merupakan masalah kesehatan yang sering ditemukan. Kedua kondisi tersebut menunjukkan adanya degenerasi diskus intervertebralis (DIV). Pasien dengan degenerasi DIV memiliki kualitas hidup yang rendah sehingga mengganggu produktivitas mereka dalam kehidupan sehari-hari. Terapi yang telah ada saat ini kurang efektif dalam membantu pasien sembuh sempurna dari kondisi medis yang dialaminya. Untuk itu diperlukan terapi yang efektif dalam mengobati penyebab utama dan gejala pada pasien dengan degenerasi DIV. Tujuan penulisan ini adalah untuk menjelaskan mengenai aspek molekular penggunaan terapi gen berbasis sel punca untuk pasien degenerasi DIV. Metode penulisan artikel ilmiah ini adalah metode telaah pustaka, yaitu membahas 24 artikel ilmiah yang relevan dalam diskusi. Dapat disimpulkan bahwa terapi gen berbasis sel punca dengan injeksi sel mesenkim medulla osseus mampu meningkatkan proliferasi dan diferensiasi menjadi jaringan DIV dan meningkatkan hidrasi DIV sehingga penatalaksanaan ini dapat menjadi harapan baru bagi terapi yang lebih efektif dan tepat sasaran.Kata kunci : Terapi, gen, sel punca, sel mesenkim, diskus intervertebralis.

2

Pendahuluan

Nyeri punggung bawah (NPB) merupakan masalah kesehatan di

masyarakat yang mengganggu secara klinis, sosial, dan ekonomi (Freynhagen et

al., 2006). Insidensi NPB setiap tahunnya bertambah sekitar 15-20% jumlah

populasi. Sebanyak 60-80% manusia pernah mengalami NPB selama hidupnya.

Penelitian oleh Persatuan Dokter Saraf seluruh Indonesia (PERDOSSI) di klinik

neurologi Rumah Sakit Ciptomangunkusumo Jakarta pada tahun 2002

menunjukkan jumlah kasus NPB adalah 15,6% (Lubis, 2003). Sebanyak 1,6%

sampai 43% dari pasien dengan NPB di seluruh dunia juga mengalami ischialgia

(Kaki dan Youseif, 2005). Ischialgia dan NPB merupakan gejala khas dari hernia

nukleus pulposus (HNP) lumbal. Hernia nukleus pulposus merupakan kondisi

terdesaknya nukleus pulposus dari diskus intervertebralis (DIV) melalui bagian

annulus fibrosus. Penyakit HNP disebabkan oleh degenerasi DIV yang sering

terjadi terutama pada segmen cervical dan lumbal (Choy, 2000). Pasien HNP

dengan kondisi degenerasi DIV memiliki nyeri yang konsisten dan mempengaruhi

kualitas hidup. Rendahnya kualitas hidup pada pasien degenerasi DIV

menyebabkan mereka tidak bisa menjalankan hidup secara maksimal

(Abdurachim, 2007). Pasien yang menjalani terapi konservatif maupun terapi

operatif masih dapat mengalami nyeri dan rekurensi hernia akibat degenerasi DIV

yang masih berjalan (Choy, 2000; Erbayraktar et al., 2002). Untuk itu diperlukan

terapi yang efektif dalam mengobati penyebab utama dan gejala pada pasien

dengan degenerasi DIV.

Apabila pasien degenerasi DIV tidak mendapatkan terapi terbaik untuk

mengatasi gejala dan penyebabnya, maka pasien akan mengalami peningkatan

3

pengeluaran akibat biaya medis, penurunan produktivitas, dan kehilangan

pendapatan (McCarberg dan Billington, 2006; Katz, 2006). Terapi gen dalam

kasus ortopedi sudah mulai diteliti dan menunjukkan hasil yang signifikan.

Namun belum terdapat penelitian yang menganalisis terapi gen pada jaringan

kartilago, misalnya pada diskus intervertebralis (Paesold et al., 2007). Tujuan

penulisan ini adalah untuk menjelaskan mengenai aspek molekular penggunaan

terapi gen berbasis sel punca untuk pasien degenerasi DIV. Penulisan ini diharap

mampu memberikan pemicu bagi peneliti di Indonesia untuk melakukan

penelitian eksperimental preklinis untuk mempersiapkan penerapan terapi gen

berbasis sel punca untuk pasien degenerasi DIV di masa mendatang. Harapan

selanjutnya penulisan ini dapat memberi pertimbangan pemerintah untuk

mendukung perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di Indonesia,

khususnya dalam membantu menyediakan terapi terbaik bagi pasien degenenerasi

DIV sehingga dapat membantu meningkatkan kualitas hidup mereka.

Metode

Penulisan artikel ilmiah ini menggunakan metode telaah pustaka

(literature review). Penulis melakukan penelusuran artikel ilmiah yang sesuai

dengan kata kunci berikut: therapy, gene, stem cell, intervertebral disc.

Penelusuran menggunakan basis data Google Scholar dan Pubmed. Seluruh artikel

yang dapat diakses penuh serta menggunakan bahasa Inggris dimasukkan dalam

pembahasan artikel ilmiah ini. Total artikel ilmiah yang dibahas adalah 24 artikel.

Artikel ilmiah dibahas secara umum sehingga tidak ada syarat khusus serta tidak

melalui analisis statistik khusus dalam pembahasannya.

4

5

Diskusi

Morfologi Degenerasi DIV

Diskus intervertebralis (DIV) merupakan suatu struktur anatomis yang

menyatukan corpus vertebrae. DIV tersusun atas nukleus pulposus di bagian

tengah yang dikelilingi oleh annulus fibrosus dan cartilaginous end plate (CEP).

Nukleus pulposus adalah massa gelatinosa yang tersusun oleh campuran air, gel

agrekanproteoglikan, serta jaringan serat elastin dan kolagen tipe II. Annulus

fibrosus merupakan susunan 15-25 lamela konsentris yang terdiri dari kolagen

tipe I (Palepu et al., 2012). Kandungan proteoglikan yang bersifat osmotik mampu

membuat DIV bertahan terhadap kompresi, sehingga DIV dapat bergerak lentur

dan menjadi komponen tumpuan beban tubuh pada vertebrae (Raj, 2008; Schnake

et al., 2006). Penuaan pada pasien serta adanya kondisi mekanik tertentu mampu

mempercepat degenerasi DIV.

Faktor mekanik yang dapat menyebabkan proses degenerasi pada DIV

antara lain mengangkat beban berat, getaran berlebihan, imobilisasi, dan trauma

pada vertebrae (Palepu et al., 2012). Faktor penuaan yang terjadi di dalam tubuh

berperan melalui penurunan suplai nutrisi menuju DIV yang akan menyebabkan

penurunan hidrasi DIV dan perubahan struktur biokimiawi proteoglikan (Zeller et

al., 2006). Kondisi tersebut menurunkan tekanan hidrostatik dan tinggi DIV,

sehingga terjadi gangguan distribusi beban. Selanjutnya, annulus fibrosus akan

menerima beban tubuh berlebihan sehingga kelenturannya berkurang dan mudah

mengalami robekan saat terjadi peningkatan kompresi. Robekan annulus fibrosus

dapat menyebabkan herniasi nukleus pulposus sehingga menyebabkan penurunan

tinggi DIV (Adams dan Roughley, 2006; Palepu et al., 2012).

6

Perbandingan antara DIV yang normal dan yang mengalami degenerasi

dapat dilihat di gambar 1. Degenerasi DIV dapat dilihat melalui pemeriksaan

Magnetic Resonance Imaging (MRI), seperti yang dijelaskan dalam tabel 1.

Gambar 1. Perbandingan DIV normal (A dan C) dan DIV yang mengalami degenerasi (B dan D). Perbedaan tampak secara makroskopis (A dan B) maupun

secara mikroskopis (C dan D) (Paesold et al., 2007).

Tabel 1. Klasifikasi derajat degenerasi DIV berdasarkan pemeriksaan MRI (Pfirrmann et al., 2014).

Derajat Struktur DIVPerbedaan nukleus

dan annulusIntensitas sinyal Tinggi DIV

I Homogen, putih terang

Jelas Hiperintensitas, sama intensitasnya dengan LCS

Normal

II Tidak homogen dengan atau tanpa pita horizontal

Jelas Hiperintensitas, sama intensitasnya dengan LCS

Normal

III Tidak homogen, keabuan

Tidak jelas Intermediat Normal s.d. sedikit menurun

IV Tidak homogen, abu kehitaman

Hilang Intermediat s.d. hipointensitas

Normal s.d. menurun sedang

V Tidak homogen, hitam

Hilang Hipointensitas Rongga DIV kolaps

7

Etiologi Degenerasi DIV

Faktor mekanik

Penelitian Palepu et al. pada tahun 2012 menunjukkan beberapa kondisi

yang memperkuat degenerasi DIV secara mekanik, seperti mengangkat beban

berat, getaran berlebihan, imobilisasi, dan trauma pada vertebrae. Namun masih

terdapat beberapa penelitian sebelumnya yang tidak berhasil menunjukkan adanya

hubungan kausatif yang konsisten antara faktor mekanik dengan degenerasi DIV.

Hal ini menunjukkan kerumitan patogenesis degenerasi DIV yang bersifat

multifaktorial (Paesold et al., 2007).

Faktor genetik

Predisposisi familial terbukti berkontribusi sebanyak 52-74% terhadap

kejadian degenerasi DIV. Gen yang diturunkan secara herediter adalah

polimorfisme gen pengkode protein penyusun matriks ekstraseluler, antara lain

gen pengkode agrekan, gen pengkode kolagen (tipe I, II, dan IX), gen pengkode

cartilage intermediate layer protein, serta gen pengkode matrix

metalloproteinase-3 (MMP-3). Mutasi genetik pada gen pengkode interleukin-1

(IL-1) dan IL-6 juga memiliki hubungan dengan peningkatan risiko degenerasi

DIV, walaupun masih terdapat inkonsistensi hasil pada penelitian lainnya

(Paesold et al., 2007). Penelitian lain mengungkap pengaruh gen pengkode

Akt/PKB kinase terhadap deteriorasi DIV yang lebih cepat (Pasku et al., 2011).

Faktor nutrisi

Gangguan pasokan nutrisi seperti glukosa dan oksigen menuju DIV

merupakan faktor yang paling signifikan dalam proses degenerasi DIV. Secara

anatomis, DIV merupakan jaringan avaskular, sehingga keperluan metabolisme

8

sel diperoleh melalui pembuluh darah di ligamen yang berdekatan serta melalui

kapiler di corpus vertebrae. Adanya kalsifikasi CEP pada proses penuaan menjadi

penghalang difusi nutrisi ke dalam jaringan DIV sekaligus mempersulit

pembuangan sisa metabolisme jaringan DIV (misalnya asam laktat). Akumulasi

asam laktat yang diperparah dengan rendahnya konsentrasi oksigen menyebabkan

kondisi asam akibat penurunan pH dalam jaringan DIV. Kondisi asam akan

menghambat sintesis proteoglikan. Kepadatan sel matriks akan berkurang hingga

mencapai ambang batas terendah yang menyebabkan proses degenerasi DIV

menjadi ireversibel dan dapat berlanjut menjadi HNP (Adams dan Roughley,

2006; Paesold et al., 2007; Palepu et al., 2012; Wei et al., 2014).

Terapi Saat Ini

Secara garis besar, penatalaksanaan pasien dengan degenerasi DIV dibagi

menjadi terapi konservatif dan terapi operatif. Terapi konservatif yang diberikan

meliputi berbagai macam pilihan seperti obat-obatan analgesik, fisioterapi,

penguatan punggung, dan istirahat dalam rangka memberi kesempatan DIV untuk

melakukan regenerasi alamiah. Sayangnya, sebanyak 20% pasien degenerasi DIV

akan mengalami nyeri kronis (minimal 3 bulan) dimana 5% dari mereka akan

membutuhkan terapi operatif (Wei et al., 2014).

Terapi operatif yang dilakukan bertujuan untuk memberikan dukungan

fisik (support) bagi vertebrae melalui pemasangan implan post

diskektomi/laminektomi (Chan dan Gantenbein-Ritter, 2012). Dukungan fisik

yang diberikan melalui alat tambahan yang dimasukkan dalam struktur anatomis

vertebrae diharapkan mampu mempertahankan gerakan alami segmen vertebrae

9

yang mengalami gangguan. Namun, terapi operatif yang sudah dilakukan tidak

menjamin pasien sembuh sempurna. Sebanyak 5-15% pasien postoperatif dapat

mengalami rekurensi hernia nukleus pulposus akibat degenerasi DIV yang tetap

progresif (Erbayraktar et al., 2002; Swartz dan Trost, 2003; Wei et al., 2014).

Terapi Gen Berbasis Sel Punca

Mekanisme kerja sel punca

Jaringan DIV memiliki kecepatan regenerasi yang rendah dan terbatas,

sehingga perlu adanya dukungan proliferasi jaringan tersebut. Hal ini diharapkan

mampu mengatasi peningkatan apoptosis sel di dalam jaringan DIV sekaligus

membantu mencegah penurunan densitas matriks lebih lanjut. Sel punca

mesenkim dewasa (adult mesenchymal stem cells atau disingkat MSC) bersifat

multipoten dan banyak dijumpai di medulla ossea. Sel MSC mampu digunakan

secara bebas, mampu berproliferasi dan berdiferensiasi menjadi berbagai jaringan

matur, mampu membantu respon imun tubuh, serta tidak menimbulkan

kontroversi etik seperti pada sel punca embrional. Mekanisme kerja utama MSC

adalah melalui proliferasi dan diferensiasi menjadi sel penyusun jaringan DIV

sehingga meningkatkan pembentukan matriks ekstraseluler. Selain itu MSC

mampu menstimulasi regenerasi jaringan melalui sekresi growth factors (GF) dan

melawan respon imun sebagai dampak positif kemampuan imunomodulator yang

dimilikinya (Chan dan Gantenbein-Ritter, 2012; Drazin et al., 2012; Wei et al.,

2014).

10

Implementasi terapi gen berbasis sel punca

Diferensiasi sel MSC menjadi sel serupa penyusun nucleus pulposus

dapat diperoleh melalui manipulasi genetik dengan menambahkan faktor

transkripsi esensial SOX9. Faktor ini berguna dalam pembentukan kolumna

vertebrae saat perkembangan embryonal. Penambahan faktor SOX9 terbukti

meningkatkan ekspresi protein dan gen kondrogenik (Wei et al., 2014).

Penggunaan karier tertentu seperti asam hialuronat dalam transplantasi sel MSC

membantu daya tahan hidup sel MSC dalam lingkungan DIV yang cenderung

hiponutrisi (Chan dan Gantenbein-Ritter, 2012).

Gambar 2. Langkah pemanfaatan sel MSC (Paezold et al., 2007)

Pemanfaatan sel MSC sebagai terapi gen bagi pasien degenerasi DIV

telah dilakukan dalam penelitian preklinis maupun penelitian klinis pada manusia.

Beberapa penelitian pada hewan yang menggunakan sumber sel MSC dari

medulla osseus dan diberikan kepada hewan coba melalui gel aleokolagen mampu

menunjukkan efek peningkatan diferensiasi jaringan DIV, diferensiasi menjadi

kondrosit, serta induksi sel notokondral (Sakai et al., 2003; Sakai et al., 2006;

Yang et al., 2009; Drazin et al., 2012). Penelitian tahap klinis fase satu pada 10

pasien NPB kronis dan degenerasi lumbal dilakukan dengan menggunakan

11

autolog sel MSC medulla osseus yang diekspansi secara in vitro dan diinjeksi ke

dalam nucleus pulposus DIV yang mengalami degenerasi. Injeksi tersebut tidak

memerlukan operasi mayor. Sembilan puluh persen pasien mengalami

pengurangan rasa nyeri dan peningkatan hidrasi DIV. Penelitian selanjutnya

adalah 100 pasien degenerasi DIV yang mendapatkan injeksi tunggal sel MSC

medulla osseus yang dienkapsulasi dalam asam hialuronat. Hasil penelitian

tersebut adalah terbuktinya keamanan terapi dan diakui oleh Food and Drug

Association (Orozco et al., 2011; Wei et al., 2014). Langkah penggunaan sel

MSC medulla osseus meliputi pengambilan sel mesenkim dari sum-sum tulang,

kemudian dilakukan induksi dan diferensiasi secara in vitro menjadi sel

progenitor/sel terdiferensiasi yang kemudian akan diinjeksikan ke dalam DIV

melalui karier seperti asam hialuronat (Paesold et al., 2007). Ilustrasi pemanfaatan

sel MSC dapat dilihat di gambar 2.

Kesimpulan

Terapi gen berbasis sel punca yang dilakukan dengan injeksi sel MSC

medulla osseus terbukti secara in vitro dan in vivo mampu bekerja secara spesifik

pada jaringan DIV, sehingga terapi ini memberikan harapan baru dalam

penatalaksanaan degenerasi DIV yang lebih efektif.

Ucapan Terimakasih

Penulis mengucapkan terimakasih kepada para peneliti yang telah

mengunggah artikel ilmiahnya secara gratis sehingga dapat diakses bebas untuk

mendukung penulisan ini.

12

Daftar Pustaka

Abdurachim K, Kalim H, Radi B. 2007. Penilaian Kualitas Hidup Pasien Pasca Bedah Pintas Koroner Yang Menjalani Rehabilitasi Fase III. Jurnal Kardiologi Indonesia. 28: 189-196.

Adams MA dan Roughley PJ. 2006. What is intervertebral disc degeneration, and what causes it?. Spine. 31 (18): 2151–2161.

Chan SCW, Gantenbein-Ritter B. 2012. Intervertebral disc regeneration or repair with biomaterials and stem cell therapy – feasible or fiction?. Swiss Medical Weekly; 142: w13598.

Choy DS. 2000. Familial incidence of intervertebral disc herniation: An hypothesis suggesting that laminectomy and discectomy may be counterproductive. Journal of Clinical Laser Medicine and Surgery. 18(1): 29-32.

Drazin D, Rosner J, Avalos P, Acosta F. 2012. Stem Cell Therapy for Degenerative Disc Disease. Advances in Orthopedics; 961052.

Erbayraktar S, Acar F, Tekinsoy B, Acar U, Guner EM. 2002. Outcome analysis of reoperations after lumbar discectomies: a report of 22 patients. Kobe Journal of Medical Science. 48: 33–41.

Freynhagen R BR, Gockel U, Tölle TR. 2006. painDETECT: A new screening questionnaire to identify neuropathic components in patients with back pain. Current Medical Research and Opinion. 22: 1911-1920.

Kaki AM, Youseif E. 2005. Identifying neuropathic pain among patients with chronic low-back pain: use of the leeds assessment of neuropathic symptoms and signs pain scale. Regional Anesthesia and Pain Medicine. 30: 422.e1-422.e9.

Katz JN. 2006. Lumbar Disc Disorders and Low-Back Pain: Socioeconomic Factors and Consequences. Journal of Bone Joint Surgery America. 88(suppl 2): 21-24.

Lubis I. 2003. Epidemiologi Nyeri Punggung Bawah dalam Nyeri Punggung Bawah. Kelompok Studi Nyeri Perhimpunan Dokter Spesialis Saraf (PERDOSSI). 1-2.

McCarberg BH, Billington R. 2006. Consequences of neuropathic pain: quality-of-life issues and associated costs. The American Journal of Managed Care. 12(9 Suppl): S263-S268.

Orozco L, Soler R, Morera C, et al. 2011. Intervertebral disc repair by autologous mesenchymal bone marrow cells: a pilot study. Transplantation; 92: 822-828.

Paesold G, Nerlich AG, Boos N. 2007. Biological treatment strategies for disc degeneration: potentials and shortcomings. European Spine Journal; 16: 447-468.

13

Palepu V, Kodigudla M, Go VK. 2012. Biomechanics of Disc Degeneration. Advances in Orthopedics, 726210: 1-17.

Pasku D, Soufla G, Katonis P, Tsarouhas A, Vakis A, Spandidos DA. 2011. Akt/PKB isoforms expression in the human lumbar herniated disc: correlation with clinical and MRI findings. European Spine Journal. 20(10): 1676–1683.

Pfirrmann CWA, Metzdorf A, Zanetti M, Hodler J, Boos N. 2001. Magnetic Resonance Classification of Lumbar Intervertebral Disc Degeneration. Spine; 26(17): 1873-1878.

Raj PP. 2008. Inter vertebral disc: anatomy-physiology-pathophysiology-treatment. Pain Practice, 8 (1): 18–44.

Sakai D, Mochida J, Iwashina T, et al. 2006. Regenerative effects of transplanting mesenchymal stem cells embedded in atelocollagen to the degenerated intervertebral disc. Biomaterials; 27: 335-345.

Sakai D, Moichida J, Yamamoto Y, et al. 2003. Transplantation of mesenchymal stem cells embedded in Atelocollagen gel to the intervertebral disc: a potential therapeutic model for disc degeneration. Biomaterials; 24: 3531-3541.

Schnake KJ, Putzier M, Haas NP, Kandziora F. 2006. Mechanical concepts for disc regeneration. European Spine Journal. 15 (3): S354–S360

Swartz KR, Trost GR. 2003. Recurrent Lumbar Disc Herniation. Neurosurgical Focus. 15(3).

Wei A, Shen B, Williams L, Diwan A. 2014. Mesenchymal stem cells: potential application in intervertebral disc regeneration. Translational Pediatrics; 3(2): 71-90.

Yang F, Leung VY, Luk KD, et al. 2009. Mesenchymal stem cells arrest intervertebral disc degeneration through chondrocytic differentiation and stimulation of endogenous cells. Molecular Therapy 2009;17:1959-66

Zeller JL, Burke AE, Glass RM. 2006. Herniated Lumbar Disks. The Journal of the American Medical Association. 296(20): 2512.