Degenerasi diskus intervertebralis merupakan salah satu penyebab utama low back pain yang ditandai oleh hilangnya tinggi diskus, pembentukan fisura, cell clustering dan kematian sel serta penurunan kemampuan pengikatan cairan di diskus intervertebralis. Komponen fleksibilitas diskus intervertebralis secara drastis menurun.
Pada level Molekular, terjadi penurunan produksi aminoglikan yang menyebabkan peningkatan enzim degradasi matriks seperti metalloproteinase 1, 3, 9, dan 13 serta sitokin seperti IL-1 ß. Sel – sel dalam diskus juga mengalami disfungsi sehingga terapi berbasis sel atau stimulasi sel imatur lokal dapat menyajikan pendekatan lebih biologis untuk meregenerasi diskus atau setidaknya memperlambat degenerasinya dan sebagai pelengkap metode pengobatan saat ini. Strategi pengobatan berbasis seluler dapat dilakukan dengan implantasi sel – sel autolog ke dalam nukleus pulposus yang mengalami degenerasi atau stimulasi induksi regenerasi in situ melalui stimulasi oleh faktor endogen yang sesuai.
Untuk merealisasikan terapi regeneratif secara biologis, diperlukan sumber sel yang sesuai. Pada penelitian uji klinis terandomisasi yang dilakukan oleh Gilbert, et al (2013) didapatkan adanya penurunan nyeri dan peningkatan hidrasi diskus oleh terapi menggunakan sel analog ini.
Pada diskus intervertebralis terdapat sel – sel stem dan progenitor yang dapat dideteksi menggunakan marker permukaan sel dalam jaringan. Beberapa marker permukaan sel stem dan progenitor yang terdapat dalam diskus
intervertebralis adalah Oct ¾ yang merupakan faktor transkripsi yang ekspresinya penting dalam hal self-renewal dan kemampuan multipotensinya seperti telah dijelaskan di bab sebelumnya. CD90 (Thymocyte differentiation antigen 1 (THY-1)) merupakan glikoprotein yang terekspresi pada stem sel mesenkim dan Stromal sel antigen 1 (STRO-1) merupakan marker stem sel mesenkim yang berhubungan dengan pertumbuhan jaringan dan regenerasi. Selain itu, proses signaling NOTCH juga berperan dalam menentukan nasib sel ke arah diferensiasi atau proliferasi. JAGGED 1 merupakan ligand terhadap NOTCH signaling yang berhubungan dengan komunikasi antar stem sel. Pada penelitian oleh Brisby dkk (2013), didapatkan adanya ekspresi gen Oct ¾ dan STRO-1 pada 86,67 % sampel, CD105 pada 93,3 % sampel, dan CD90 serta NOTCH1 pada 100% sampel diskus intervertebralis.
Namun, sumber sel nukleus pulposus dari diskus intervertebralis yang mengalami degenerasi tidak cukup bila digunakan untuk keperluan regenerasi karena peningkatan ekspresi enzim degradasi, berkurangnya ekspresi matriks protein dan penuaan seluler.
Sumber sel progenitor autolog yang bisa dipakai saat ini adalah stem sel mesenkim yang dapat diisolasi secara mudah dari beberapa sumber yaitu sumsum tulang atau sel adiposa yang membelah cepat dan memiliki kemampuan berdiferensiasi menjadi turunan sel mesenkim. Beberapa penelitian menunjukkan bukti kemampuan sel mesenkim untuk berdiferensiasi menjadi sel NP-like yang mendekati sifat biologis sel nukleus pulposus. Implantasi sel mesenkim sumsum tulang pada model kelinci ke diskus yang mengalami degenerasi menunjukkan
pembalikan proses degenerasi dibandingkan dengan yang tidak diberikan terapi. Dan hasil ini dilaporkan memberikan hasil yang hampir sama dengan terapi fusi vertebralis (Gilbert et al, 2013; Richardson et al, 2007).
Sel nukleus pulposus memiliki fenotipe chondrocyte-like dengan marker gen kondrogenik (kolagen tipe II alpha 1 (COL2A1), aggrecan (ACAN), dan regio Y sex determining (SRY)-box 9 (SOX9)). Stem sel mesenkim (MSC) dapat mengalami diferensiasi diskogenik ke arah fenotipe NP-like dengan marker CA12 dan Cytokeratin (Gilbert et al, 2013; Richardson et al, 2007).
Untuk menginduksi diferensiasi diskogenik dari MSC, beberapa hal yang dapat dilakukan adalah dengan penambahan faktor pertumbuhan (Growth Factors) atau kombinasi dengan kultur yang dikondisikan agar mirip dengan lingkungan in vivo jaringan asalnya. Beberapa faktor pertumbuhan seperti TGF-ß, IGF-1, FGF-2, BMP-7 dan marker spesifik NP (GDF-5) dapat menginduksi diferensiasi MSC ke arah sel dengan fenotipe NP-like. Stimulasi diferensiasi diskogenik MSC dapat juga diperoleh melalui kultur kontak langsung dengan sel diskus intervertebralis sehingga sel MSC yang terimplantasi dalam sel diskus dapat memberikan efek parakrin yang dapat membantu mengembalikan fungsi sel diskus menjadi normal kembali dan membantu proses repair (Gilbert et al, 2013).
Gambar 25. Skema Tissue Engineering Stem Sel Mesenkim
b. Aspek Klinis
Terapi berbasis MSC telah menunjukkan efek regenerasi yang potensial terhadap jaringan diskus intervertebralis pada studi hewan. Terdapat peningkatan tinggi diskus dan hidrasinya serta deposisi ECM. Pada uji klinis manusia, terapi regeneratif ini memiliki efikasi terapi terhadap low back pain. Lebih dari 40% penderita low back pain memiliki etiologi degenerasi diskus, dan beberapa uji klinis yang dilakukan pada manusia menunjukkan adanya peningkatan indeks skor untuk nyeri dan disabilitas serta kandungan air pada diskusnya. Studi ini menyatakan bahwa injeksi MSC secara umum aman, meskipun terdapat risiko kebocoran dan pembentukan osteofit perifer (Gilbert et al, 2013)
Human MSC dapat diisolasi dengan aspirasi iliac crest, kemudian disentrifugasi dalam tabung preparat (Ficoll; Becton Dicksson). Kemudian MSCs
dibenihkan dalam konsentrasi 200x103 cell/cm2 dan dikultur dalam Dulbecco’s Modified Eagle medium dengan glukosa yang rendah. Medium ini kemudian disuplementasikan dengan 2mM L-glutamine 100 U/mL/0.1 mg/mL penicillin/Streptomycin (PAA Labs), 10 ng/mL B-fibroblast growth factor (invitrogen), dan 10% serum manusia. Kemudian pada konfluen 90%, MSCs dipisahkan menggunakan larutan trypin/ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), kemudian dibenihkan kembali dalam konsentrasi 15x103 cell/cm2 (Brisby et al, 2013; Wang et al, 2014).
Pada saat implantasi sel, diperlukan rangka biomaterial (Scaffold) yang memiliki karakteristik lingkungan yang sesuai terhadap proses pembentukan sel baru. Inkorporasi sel ke dalam rangka biomaterial dapat membantu kelangsungan hidup sel post implantasi, membantu transduksi terhadap beban mekanis yang penting dalam sintesis matriks dan menginduksi diferensiasi MSC. Beberapa jenis biomaterial ideal yang bisa dipakai untuk terapi regeneratif terhadap degenerasi diskus intervertebralis adalah biomaterial yang mirip dengan NP (hydrated gelatinous substance) yaitu pentosan polysulophate-incorporated polyethylene glycol (PEG)/hyaluronan, ferulic acid-gelatin chitosan/glycerophosphate, laminin-functionalized PEG dan type II Collagen-hyaluronan (Gilbert et al, 2013).
Strategi aplikasi MSCs ini adalah melalui diferensiasi in vivo dan in vitro. Diferensiasi in vivo dimana MSCs berada dalam keadaan tidak berdiferensiasi, kemudian diimplantasi ke dalam diskus dan dibiarkan untuk berdifernsiasi disana dengan stimulasi faktor lokal. Namun cara ini memiliki kekurangan yaitu tidak bisa menyingkirkan kemungkinan diferensiasi lain yang tidak diinginkan. Sedangkan diferensiasi in vitro dilakukan diferensiasi sebelum dilakukan implantasi sehingga diferensiasi MSCs dapat diarahkan ke lineage condrogenik atau diskogenik, ditambahkan growth factors. Hal ini menyebabkan MSCs menjadi lebih stabil dan resisten terhadap trans-diferensiasi dalam kondisi non kondrogenik.
Untuk mendiferensiasikan MSCs ke ara diskogenik, perlu dilakukan regulasi gen spesifik yaitu dengan upregulasi ekspresi SOX9 dan ekspresi gen matriks spesifik kondrogenik. Ini dapat dilakukan dengan co-culture, gene manipulation, or use scaffold. System kultur 3 dimensi dengan media yang
mengandung TGF-3, BMP (untuk meningkatkan diferensiasi kondrogenik yang dimediasi TGF-3) dan dexamethasone. System kultur ini merupakan kondisi fundamental yang diperlukan untuk in vitro diferensiasi.
Gambar 26. Skema isolasi dan kultur stem sel mesenkim dari sumsum tulang
System co-culture dilakukan dengan mengkulturkan/mengintroduksikan antara MSCs dengan diskus yang sehat dalam media khusus untuk merangsang diferensiasi diskogenik. Sedangkan gene manipulasi diakukan dengan menggunakan media adenovirus atau lentiviral.
Dan yang terakhir dapat menggunakan scaffold. Scaffold merupakan biomaterial dengan matriks hydrogel yang dapat berfungsi meningkatkan survival MSCs setelah implantasi sampai dengan 14 hari dibandingkan dengan implantasi langsung sehingga tidak gampang terjadi kebocoran (leakage). Scaffold yang diperlukan harus bersifat non-imunogenik, biodegradable, biocompatible dan dapat tahan terhadap lingkungan mikro dalam diskus. Biomaterial yang dapat digunakan bervariasi dengan hydrogel berbasis kolagen, Has, GAGs, agarose, gelatin dan alginate.
Metode isolasi MSCs dilakukan dengan sentrifugasi sel MSCs yag telah diaspirasi dengan menggunakan Ficoll-Paque gradient yang diikuti dengan penambahan growth factors. Setelah itu dilakukan purifikasi ekstra dengan immune-depletion atau monoclonal antibody. Kemudian dilanjutkan dengan kultur sesuai prosedur di atas dalam kondisi hipoksia (2-5% O2).
Outcome yang diharapkan menggunakan terapi ini adalah reduksi nyeri kronik > 50% dalam 12 bulan, minimal nyeri residu dala 12 bulan, dan reduksi dalam penggunaan anti nyeri. Disamping itu juga diharapkan terjadi peningkatan fungsional yaitu reduksi disabilitas dengan Oswestry disability indeks. Peningkatan stabilitas diskus juga diketahui dengan melihat adanya reduksi
pergerakan translasi diskus melalui radiografi. Dan yang terakhir dari segi keamanan. Terapi ini menjanjikan karena memiliki tingkat keamanan (safety) yang cukup tinggi sehingga dapat digunakan sebagai pilihan terapi.
BAB III
KESIMPULAN DAN SARAN
a. Kesimpulan
1. Stem Cell didefinisikan secara fungsional sebagai suatu sel yang memiliki kapasitas untuk memperbarui diri (self-renew) dan juga kemampuan untuk membentuk sel – sel yang berdiferensiasi
2. Pada orang dewasa, MSC pada sumsum tulang digunakan sebagai suplai progenitor untuk kepentingan turnover normal dan repair-regeneration dari jaringan tubuh yang mengalami kerusakan. Beberapa aspek klinis MSC yang penting dalam hal terapi regeneratif adalah untuk Bone Repair, Cartilage Repair, Regenerasi Sumsum Tulang, Regenerasi Otot, menginduksi jalur adiposit untuk keperluan bedah plastic, Repair Tendon dan Terapi Gen
3. Low back pain merupakan suatu gejala bukan penyakit. Dasar patologis nyeri dapat berasal sesuatu di dalam spinal atau lesi diluar spinal.
4. Terapi berbasis MSC telah menunjukkan efek regenerasi yang potensial terhadap jaringan diskus intervertebralis pada studi hewan. Terdapat peningkatan tinggi diskus dan hidrasinya serta deposisi ECM. Pada uji klinis manusia, terapi regeneratif ini memiliki efikasi terapi terhadap low back pain
b. Saran
1. Diperlukan kajian, studi dan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan pemahaman terhadap terapi regenerative sebagai pilihan terapi pada LBP terutama terapi berbasis sel seperti pada Stem Cell
2. Penelitian terhadap manusia perlu dikaji lebih dalam terkait aspek medikolegalnya
3. Terapi stem sel merupakan terapi yang sangat menjanjikan untuk rejuvenasi sel yang mengalami kerusakan sehingga diperlukan studi dan penelitian lebih banyak dan multisenter untuk mendapatkan aspek klinis yang diharapkan sesuai dengan evidence based.
KEPUSTAKAAN
1. Appasani et al, 2011. Stem Cells & Regenerative Medicine. From Molecular Embryology to Tissue Engineering. Humana Press, Springer Science; pp 3-19 2. Habib N.A., Levicar N., Gordon M.Y., Jiao L., Fisk N. 2007. Stem Cell repair and
Regeneration. Imperial College Press, London. 2nd ed.
3. Lim H.A., 2006. Multiplicity Yours. Cloning, Stem Cell Research, and Regenerative Medicine. World Scientific, British Library; pp. 122
4. Vogelstein B, Bloom B., Goodman C., King P.A., Mackhann G., Weisfeldt M., Merikangas K.R., 2003. Stem Cells and The Future of Regenerative Medicine. Commitee on the Biological and Biomedical Applications of Stem Cell Research. National Academy Press, Washington D.C.
5. Lanza R., Gearhart J., Hogan B., Melton D., Pedersen R., Thomson J., Thomas E., D., West M., 2006. Essentials of Stem Cell Biology. Elsevier Academic Press. USA; 1-471
6. Marshak D.R., Gardner R.L., Gottlieb D., 2001. Stem Cell Biology. Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York.;pp 349
7. Hima B.A., Srilatha B., 2011. Potency of Various Types of Stem Cells and Their Transplantation. J Stem Cell Res Ther.:1;3; pp 1-6
8. Shi Y., Clegg D.O., 2008. Stem Cell Research and Therapeutics. Springer Science and Business Media. USA. pp 271
9. Singer K.P., Giles L.G.F., 2000. Clinical Anatomy and Management of Low Back Pain. Butterworth-Heinemann, Oxford Boston. Vol 1.
10. Dagenais S., Haldeman S., 2012. Evidence-Based Management of Low Back Pain. Mosby Elsevier, USA.
11. Vemuri M., Chase L., Rao M., 2011. Mesenchymal Stem Cell Assays and Applications. Humana Press, Springer Science and Business Media.
12. Baharvard et al, 2009. Trends in Stem Cell Biology and Technology. Humana Press, Springer Science and Business Media.
13. Raj P., 2008. Intervertebral Disc: Anatomy-Physiology-Pathophysiology-Treatment. Pain Service. World Institute of pain:8;1. Pp 18-44
14. Wang et al., 2014. Utilization of Stem Cells in Alginate for Nucleus Pulposus Tissue Engineering. Tissue Engineering: 20:5-6.
15. Gilbert H., Hoyland J.A., Richardson S.M., 2013. Stem Cell Regeneration of Degenerated Intervertebral Discs: Current Status (Update). Current Pain Headache Rep: 17:377
16. Brisby H. et al, 2013. The Presence of Local Mesenchymal Progenitor Cells in Human Degenerated Intervertebral Discs and Possibilities to Influence These In Vitro: A Descriptive Study in Humans. Stem Cells and Development:22.5; 804-813.
17. Haufe S., Mork A., 2006. Intradiscal Injection of Hematopoetic Stem Cells in a Attempt to Rejuvenate the Intervertebral Discs. Stem Cells and Development: 15:136-137
18. Richardson, Mobasheri A., Freemont A.J., Hoyland J.A., 2007. Intervertebral Disc Biology, Degeneration, and Novel Tissue Engineering and Regenerative Medicine Therapies. Histol Histopathol: 22:1033-1041
19. McGill S., 2012. Low Back Disorders. Evidence-Based Prevention and Rehabilitation. 2nd ed.
20. Wong D., Transfeldt E., 2007. Macnab’s Backache, 4th
ed. Lippincott Williams & Wilkins, Minnesotta USA.