TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Hallmarks Kanker
2.1.4. Induksi angiogenesis
Angiogenesis memegang peranan penting dalam kehidupan manusia mulai dari pertumbuhan janin, reproduksi hingga penyembuhan luka atau perbaikan jaringan. Proses multi tahap ini secara sederhana diumpamakan seperti tombol on – off sinyal antara faktor angiogenik, komponen matriks ekstraseluler dan sel endotel. (Yoo dan Kwoon, 2013) Dalam keadaan normal angiogenesis ini bersifat sementara. Sedangkan dalam pertumbuhan kanker, proses angiogenesis ini tetap aktif. (Hanahan dan Weinberg, 2011)
Angiogenesis adalah proses pertumbuhan pembuluh darah fisiologik dan alamiah dari jaringan yang telah ada. Angiogenesis menjadi patologik bila keseimbangan jalur molekuler pengendalinya terganggu dan proses ini merupakan komponen penting dalam pertumbuhan kanker. (Ribeiro, et al., 2018)
Sebagaimana dengan sel normal, sel kanker juga membutuhkan nutrisi dan oksigen serta membuang sisa metabolisme dan karbon dioksida. Untuk memenuhi kebutuhan ini, kanker membentuk pembuluh darah baru melalui proses angiogenesis. (Hanahan dan Weinberg, 2011). Diagram angiogenesis kanker dan jalur sinyal angiogenesis dapat dilihat pada gambar 2.3 dan 2.4.
Gambar 2.4. Jalur molekuler utama angiogenesis (Wilson, LaBonte dan Lenz, 2013)
Sel normal dalam tubuh terletak tidak lebih dari 100 – 200 μM dari kapiler dimana masih memungkinkan difusi oksigen dan nutrisi. Bila ingin tumbuh lebih besar, massa jaringan harus didukung oleh angiogenesis untuk mencukupi kebutuhan metabolismenya. (Li, et al., 2012; El-Kenawi dan El-Ramessy, 2013)
Kanker berawal dari nodul tanpa pembuluh darah dan bertahan dalam kondisi dorman selama beberapa tahun tanpa ada gejala klinis. Dapat tumbuh hingga berukuran 1-3 mm3 karena difusi oksigen dan nutrisi masih memadai. Agar tumbuh lebih besar lagi atau bermetastase, ia harus mengaktifkan angiogenic switch untuk memulai proses angiogenesis. (Mirossay, Viranska dan Mojzis, 2018)
Kebanyakan kanker dengan volume 1-3 mm3 akan menetap insitu beberapa bulan hingga beberapa tahun tanpa pertumbuhan pembuluh darah baru.
Pada kondisi ini kanker disebut dalam situasi angiogenik. Bila ia ingin tumbuh, ia harus pindah dari kondisi angiogenik ini. Tanpa pembuluh darah baru
hipoksia akibat pertumbuhan kanker memegang peranan penting dalam angiogenesis. (Yoo dan Kwoon, 2013)
Angiogenesis juga merupakan faktor prognostik dari beberapa jenis kanker karena berhubungan dengan peningkatan penyebaran sel kanker dalam sirkulasi dan metastase. Beberapa jenis molekul seperti reseptor permukaan, faktor pertumbuhan dan enzim juga berperan dalam proses ini. (Benazzi, et al., 2014)
Banyak faktor yang terlibat dalam pengendalian keseimbangan antara stimulasi dan inhibisi angiogenik. Vascular Endothelial Growth Factor Receptor (VEGFR), tirosin kinase, metionin amino peptidase–2 (MetAP-2), p53, tubulin, cyclooxygenase-2 (COX-2) dan MMP secara langsung atau tidak langsung mempengaruhi angiogenic switch. (Zhong dan Bowen, 2006)
Dikenal tujuh jenis faktor pertumbuhan pembuluh darah yaitu VEGF A-E dan placental growth factor1-2 (PIGF 1-2). Faktor pertumbuhan ini memberikan efek melalui sinyal pada reseptor tirosin kinase di permukaan sel endotel.
Reseptor kinase di permukaan endotel ini dikenal sebagai VEGFR. (Gavalas, et al., 2013)
Selama proses angiogenesis, sel endotel sebagai pelapis dinding pembuluh darah membelah sampai lima puluh kali lebih cepat dari sel endotel normal.
Pembuluh darah kanker ini bersifat lebih permiabel, aliran darahnya tidak baik dengan bentuk tidak beraturan. (Bergers dan Benjamin, 2003)
Pematangan pembuluh darah baru ini oleh suatu protein penting yaitu platelet derived growth factor (PDGF). Dikenal empat jenis PDGF yaitu PDGF A-D yang akan berikatan dengan reseptor spesifiknya platelet derived growth factor receptor (PDGFR). Bekerja sama dengan VEGF untuk mempromosi
pembentukan dan menstabilkan pembuluh darah baru. (Gavalas, et al., 2013).
Proses stimulasi pembentukan pembuluh darah baru dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Aktifasi angiogenesis oleh faktor pertumbuhan dalam lingkungan mikro kanker (Gavalas, et al., 2013)
Pembuluh darah merupakan jalur utama metastase karena sel kanker yang lepas dari kanker primer akan memasuki sistim sirkulasi dan terdampar di organ jauh. Pada kebanyakan kanker densitas pembuluh darah dijadikan indikator prognostik dari potensi metastase. (Zetter, 1998)
Pembentukan tunas pembuluh darah baru atau angiogenesis baik pada organ normal maupun kanker dimulai dengan aktifasi sel endotel oleh ikatan faktor pertumbuhan spesifik dengan reseptornya. Setelah aktifasi sel endotel kapiler terjadi degradasi membrana basalis. Kemudian sel endotel pada puncak tunas bermigrasi ke arah sinyal angiogenik yang dihasilkan oleh kanker. Sel ini berproliferasi membentuk tunas kemudian berhubungan dengan tunas pembuluh darah lain di sekitarnya. (Benazzi, et al., 2014; Mirossay, Viranska dan Mojzis, 2018; Ribeiro, et al., 2018)
Ekspresi endothelial tissue factor (TF) endogen secara intrakrin menginduksi sinyal untuk meng-switch-on angiogenesis pada microvascular endothelial cells (mECs). Selanjutnya mECs teraktifasi secara parakrin melepaskan TF-rich microvascular endothelial microparticles (mEMPs) yang akan menginduksi pembentukan pembuluh darah baru pada jaringan iskemia.
(Arderiu, Pena dan Badimon, 2015)
Angiogenesis kanker dikendalikan oleh produksi stimulator angiogenesis seperti keluarga fibroblast growth factor (FGF) dan keluarga VEGF. Kanker dapat mengaktifasi penghambat angiogenesis seperti angiostatin dan endostatin yang dapat memodulasi angiogenesis baik pada kanker primer maupun metastase.
(Zetter, 1998)
Pembentukan tunas pembuluh darah baru ini merupakan proses invasif.
Sel endotel harus menembus dinding pembuluh darah dan jaringan sekitar.
Diperlukan enzim proteolitik untuk memberi kesempatan sel bermigrasi. Enzim yang paling berperan adalah MMPs. MMP2 dan MMP9 merupakan MMPs yang dominan. Enzim ini akan hanya melisiskan membrana basalis pembuluh darah dan merusak matriks interstitial yang akan ditembus oleh tunas pembuluh darah baru ini. (Benazzi, et al., 2014; Mirossay, Viranska dan Mojzis, 2018)
Proses angiogenesis ini penting dalam tahap akhir karsinogenesis karena memungkinkan kanker tumbuh dengan ukuran melebihi 1-3 mm3, menginvasi jaringan sekitar dan bermetastase. Peran angiogenesis dalam proses pertumbuhan kanker telah diketahui sejak beberapa dekade yang lalu. Gambar mikroskopis angiogenesis dapat dilihat pada gambar 2.6. (Sharma, et al., 2001)
Tanpa proses pembentukan pembuluh darah baru ini, massa kanker tetap dorman. Dalam kondisi anangiogenik ini terjadi keseimbangan antara proliferasi dan apoptosis. Menghambat angiogenesis akan menyebabkan kematian sel kanker. (Benazzi, et al., 2014; Ribeiro, et al., 2018)
Gambar 2.6. Angiogenesis. (Sharma, et al., 2001)
Sejumlah makrofag menyekresikan bFGF, TNF dan VEGF yang berhubungan dengan angiogenesis kanker. Angiogenesis ditentukan oleh keseimbangan antara proses penginduksi dan penghambat. Jalur epidermal growth factor (EGFR) dan VEGFR memegang peranan penting dalam pertumbuhan kanker padat dan juga pada kanker hematologik. (Yoo dan Kwoon, 2013;
Saryeddine, et al., 2016)
Pada awalnya diduga pembentukan pembuluh darah baru terjadi setelah kanker tumbuh membesar dan melakukan invasi. Namun kenyataannya faktor pertumbuhan angiogenik sudah dijumpai semenjak masa prainvasif. (Benazzi, et al., 2014)
Banyak molekul endogen berperan dan dikenal sebagai faktor angiogenik yang merangsang pembentukan pembuluh darah baru. Sebaliknya proliferasi
angiogenesis. Dalam keadaan normal , pada dasarnya terjadi keseimbangan kedua faktor ini. (Li, et al., 2012). Faktor faktor angiogenik dan antiangiogenik dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel. 2.1. Faktor angiogenik dan antiangiogenik (Li, et al., 2012) Faktor angiogenik Faktor antiangiogenik
Angiogenin Angiopoietin-2 (in the absence of VEGF)
Angiopoietin-1 Angiostatin
Del-1 Antithrombin III fragment
Fibroblst growth factor-1 (acidic FGF, FGF-1) Arresten Fibroblst growth factor-2 (acidic FGF, FGF-2) Canstatin
Follistatin Chondromodulin I
Granulocyte-colony-stimulating factor (G-CSF) Connective tissue growth factor (CTGF) Hepatocyte growth factor/scatter factor (HGF/SF) Decorin
Interleukin-3 (IL-3) Endorepellin
Interleukin-8 (IL-8) Endostatin
Intermedin Fibronectin 20-kDa fragment
Keratinocyte growth factor (FGF-7) Interferron – α,β, and γ
Leptin Interleukin-4 (IL-4)
Midkine Interleukin-10 (IL-10)
Neuregulin Interleukin-12 (IL-12)
Osteogenic protein-1 Interferon-inducible protein-10 (IP-10) Placental growth factor (PlGF) Kringle 5
Platelet-derived endothelial-cell growth factor (PD-ECGF)
Metastatin Platelet-derived growth factor (PDGF) METH-1
Pleiotrophin METH-2
Progranulin 2-Methoxyestradiol
Proliferin Osteopontin cleavage product
Transforming growth factor-α (TGFα) PEX
Transforming growth factor-β (TGFβ) Pigment epithelium-derived factor (PEDF) Kanker necrosis factor-α (TNF-α) Plasminogen activator inhibitor (PAI) Vascular endothelial growth factor/vascular
Proliferasi pembuluh darah terjadi bila ekspresi faktor angiogenik meningkat, atau ekspresi faktor penghambat berkurang. Proliferasi juga terjadi bila kedua faktor ini muncul bersamaan. (Li, et al., 2012)
Faktor angiogenik dapat dikelompokkan menjadi: (Yoo dan Kwoon, 2013) 1. Faktor pertumbuhan terlarut seperti faktor pertumbuhan fibroblast asam dan basa (aFGF dan bFGF) dan VEGF yang berhubungan dengan pertumbuhan dan proliferasi sel endotel.
2. Faktor penghambat yang menghambat diferensiasi sel endotel seperti transforming growth factor β (TGFβ), angiogenin dan beberapa bahan lain dengan berat molekul rendah.
3. Cytokine pengikat matriks ekstraselular penyebab proteolisis seperti angiostatin, trombospondin dan endostatin
Pembuluh darah baru dari proses angiogenesis dikenal dalam beberapa bentuk. Yang terpenting adalah vaskulogenesis yaitu pembentukan pembuluh darah dari sel endotel. Disamping itu dikenal juga angiogenesis yaitu pembentukan jaringan kapiler baru dari cabang cabang kapiler. Bentuk lain adalah vaskulogenik mimikri yaitu aliran darah dalam pembuluh tanpa sel endotel.
Sedangkan kooptasi pembuluh darah adalah keadaan dimana kanker pada awalnya menggunakan pembuluh darah inang yang telah ada tanpa merangsang angiogenesis dan selanjutnya memanfaatkan pembuluh darah inang ini sebagai pembuluh darahnya. (Benazzi, et al., 2014)
Kanker dapat menggunakan semua variasi pembentukan pembuluh darah baru ini untuk mempertahankan kehidupannya. Dalam satu kanker dapat dijumpai satu variasi ini atau beberapa variasi secara bersamaan. (Benazzi, et al., 2014)
Vaskulogenik mimikri merupakan pilihan proses jalur alternatif sel kanker untuk memenuhi perfusinya tanpa sel endotel. Proses ini berhubungan dengan penurunan tingkat harapan hidup penderita kanker karena dapat menggagalkan pengobatan anti angiogenesis yang bekerja menghambat proliferasi sel endotel.
(Racordon, et al., 2017)
Angiogenesis dalam pertumbuhan kanker tidak terkendali dan tidak dibatasi oleh waktu. Fase pembuluh darah ditandai dengan pembentukan pembuluh darah baru yang mempermudah proliferasi kanker, invasi lokal dan metastase hematogen. Pada melanoma malignum sekresi berbagai jenis cytokine angiogenenik seperti VEGF-A, placental growth factor 1 & 2 (PGF-1 dan 2) , interleukin 8 (IL-8) dan TGF-1 oleh sel melanoma mempromosi pertumbuhan pembuluh darah baru. (Ria, et al., 2010)
Angiogenesis telah menjadi perhatian sebagai target pengobatan kanker.
Faktor pertumbuhan telah terindentifikasi memainkan peranan penting dalam pengendalian angiogenesis. Faktor pertumbuhan ini antara lain VEGF, PDGF dan angiopoitein/Tie 2 reseptor. Protein ini memegang peranan penting dalam jalur molekuler yang kompleks. Jalur molekuler ini seperti pada gambar 2.7 (Gavalas, et al., 2013)
Antiangiogenik telah menjadi perhatian sebagai bagian dalam pengobatan kanker lebih dari 20 tahun yang lalu, namun laporan hasil penelitiannya selalu menimbulkan kontroversi dalam masyarakat ilmiah. Hubungan unik antara sinyal angiogenik dan bahan antiangiogenik memberi harapan dalam pengobatan kanker, dan VEGF merupakan target utama terapi antiangiogenik . (Benazzi, et al., 2014)
Gambar 2.7. Skema jalur VEGF (Gavalas, et al., 2013)
Pembuluh darah tumor yang berasal dari tunas pembuluh darah normal akan memberikan nutrisi dan oksigen disamping proses metastase. Lapisan dalam pembuluh darah tumor ini dilapisi oleh sel endotel dan merupakan sasaran utama pengobatan anti angiogenik. (Hida et al., 2016)
Pengobatan menggunakan bahan antiangiogenik menyebabkan kanker kekurangan nutrisi dan oksigen serta mencegah metastase. Inhibisi pembentukan pembuluh darah ini seperti apa yang telah diajukan oleh Judah Folkman pada tahun 1970-an, memberikan harapan pendekatan pengobatan kanker. (Zhong dan Bowen, 2006)
Pengobatan kanker dengan menggunakan bahan antiangiogenik merupakan bagian dari pengobatan kanker saat ini. Tetapi penggunaannya masih belum optimal karena belum diketahui berapa dosis optimal, berapa lama masa pengobataan dan kombinasi dengan bahan kemoterapi apa yang efektif. (Wilson, LaBonte dan Lenz, 2013)
Saat ini pengobatan antiangiogenesis difokuskan pada penghambatan faktor pertumbuhan endotel (VEGFs). Walaupun cara ini sebagian telah
menunjukkan hasil, namun secara keseluruhan masih kurang memuaskan. Untuk ini diperlukan strategi baru dalam menghambat angiogenesis kanker. (Khan dan Bicknell, 2016)
Telah lebih dari sepuluh tahun food and drug administration (FDA) menyetujui penggunaan bevazicumab sebagai obat antiangiogenesis pada kanker kolon yang telah bermetastase. Hingga saat ini terus dilakukan penelitian berbagai antiangiogenesis lainnya. Dari data preklinik dan klinik masih dijumpai kekurangan dalam penggunaan bahan antiangiogenesis ini. (Shojaei, 2012)
Obatan antiangiogenik saat ini jumlahnya terbatas, disamping itu toksisitas dan efek sampingnya sangat mengganggu. Hal ini mendorong penelitian bahan antiangiogenik terus berlangsung. Dewasa ini bahan alamiah dari tumbuhan atau jamur telah menunjukkan potensi besar sebagai bahan antiangiogenik malah dengan efek samping dan toksisitas minimal dibanding bahan sintetik. (Ribeiro, et al., 2018)
Secara teoritis uji coba preklinik dapat dikatakan mewakili apakah suatu obat baru memberi manfaat atau tidak bermanfaat pada manusia. Namun berbagai interpretasi dari data preklinik sering menghambat pengembangan uji coba obat baru. Untuk ini perlu dilakukan pemilihan cara penelitian yang seksama agar uji preklinik dapat memberikan manfaat secara klinik. (Benazzi, et al., 2014)
Bahan bahan antiangiogenik sebagai antiangiogenesis baik natural maupun sintetis dapat dipertimbangkan sebagai bahan terapi kanker. Bahan ini diperkirakan kurang toksis dengan lebih kecil kemungkinan menimbulkan resistensi obat dibanding bahan sitotoksis konvensional. (Zetter, 1998)
Pengobatan antiangiogenesis dikombinasikan dengan kemoterapi dapat menghambat pertumbuhan kanker dan metastase. Bahan antiangiogenik yang dapat dikenali adalah VEGFR-1 terlarut, namun bahan ini sering menimbulkan efek samping peninggian tekanan darah dan protein urin. Ketidak seimbangan antara VEGF dan VEGFR-1 terlarut berhubungan dengan tingkat diferensiasi, harapan hidup dan respon pengobatan. (Yang, et al., 2011)
Eleminasi proses angiogenesis dapat menghambat pertumbuhan kanker, walaupun proliferasi tetap berlangsung. Aktifitas faktor pro angiogenik ini diimbangi oleh aktifitas anti angiogenenik seperti trombospondin dan angiostatin.
Keseimbangan antara kedua faktor ini dikenal dengan angiogenic switch. Pada jaringan normal angiogenic switch ini tidak aktif. Sistim pembuluh darah statis karena keseimbangan ini lebih condong pada ekspresi faktor pro angiogenik.
(Hanahan dan Folkman, 1996; Bergers, Hanahan dan Coussens, 1998)
Hubungan antara angiogenesis dengan keberadaan kanker serta mudahnya untuk mengenali proses ini dalam jaringan pada tahap awal karsinogenesis, menjadikan angiogenesis memenuhi kriteria sebagai biomarker efektif dari intervensi kemopreventif. (Sharma, et al., 2001). Banyak penelitian telah membuktikan hubungan antara densitas pembuluh darah pada kanker primer dengan peningkatan metastase dan penurunan harapan hidup. (Zetter, 1998)
Angiogenesis jelas merupakan hal penting untuk pertumbuhan dan metastase kanker. Bukti tentang adanya neovaskularisasi dengan menilai microvascular density (MVD). Antibodi yang paling sering digunakan untuk pewarnaan pembuluh darah mikro adalah yang mampu melawan faktor von
Willebrand (faktor VIII) yaitu cluster differentiation 31-34 (CD 31 dan 34).
(Kukreja, et al., 2013)
VEGF merupakan faktor penting sebagai pencetus awal pembentukan pembuluh darah baru. Ia dibutuhkan sebagai inisiator pembentukan pembuluh darah immatur. VEGF dan MVD tidak berhubungan dengan diferensiasi kanker, dan jumlah MVD tidak ditentukan oleh kadar VEGF. (Kukreja, et al., 2013)
Prototipe bahan penginduksi angiogenesis adalah VEGF-A sedangkan penghambatnya adalah trombospondin-1 (Tsp-1). Ekspresi gen VEGF dapat dicetuskan oleh keadaan hipoksia dan sinyal onkogen. Data terakhir menunjukkan bahwa proses angiogenesis terjadi tidak hanya pada kanker yang telah tampak secara makroskopis, tetapi sudah dimulai pada masa mikroskopis. (Hanahan dan Weinberg, 2011)
Faktor pertumbuhan angiogenik dapat dihasilkan secara langsung oleh sel kanker sendiri atau secara tidak langsung melalui pengambilan dari sel lain seperti makrofag dan sel endotel. (Folkman, 1995)
Kemoterapi adjuvan konvensional bertujuan untuk mematikan sebanyak banyaknya sel kanker dan diberikan dalam waktu singkat. Sementara bahan antiangiogenik diberikan dalam jangka panjang dan dosis rendah dengan harapan terjadi regresi kanker secara bertahap dan mencegah metastase. (Zetter, 1998)
Pemberian antiangiogenesis akan mengecilkan massa kanker hingga mencapai ukuran avaskularnya yaitu < 1-3 mm3, dimana ia tidak membutuhkan pembuluh darah baru lagi. Kanker akan bertahan dalam ukuran ini selama pemberian terapi. Perlu pemberian antiangiogenik dalam jangka lama untuk mencegah kanker dorman tumbuh kembali. (Zetter, 1998)