Ada 5 mekanisme yang ditimbulkan oleh kondisi hiperglikemia yang terus menerus sehingga memicu mitokondria memproduksi ROS berlebihan.
Gambar 2.2.Efek hiperglikemia pada Berbagai Pathway
Keterangan singkatan gambar: NF-κB, Nuclear factor kappa B; PARP, Poly(ADP-ribose) polymerase; PKC, Protein kinase C; AGE, Advanced glycation endproducts; RNS, Reactive nitrogen species; ROS, Reactive oxygen species, GSH, glutathione; GSSG, oxidized glutathione;
UDPGlcNAc, UDP-N-Acetylglucosamine; VEGF, Vascular endothelial growth factor.
(Dikutip dari Pharmacol Ther. 2008 Jun 13. Diabetic neuropathy: Mechanisms to management, Edwards JL, Vincent AM, Cheng HL, Feldman EL).
Metabolisme glukosa yang berlebihan akan menghasilkan banyak NADH dan memicu overload dari siklus transport elektron menyebabkan terjadinya stres oksidatif dan kerusakan sel aktivasi dari PARP. Teraktivasinya PARP oleh ROS juga berkaitan dengan hexosamine dan PKC pathway dalam menginduksi inflamasi dan kerusakan jaringan. Kombinasi dari stres oksidatif dan hiperglikemia dalam mengaktifkan pathway dari AGE, polyol, hexosamine dan PKC dengan memicu ketidakseimbangan redox dan terganggunya gene expression, maka akan semakin berat kondisi stres oksidatif yang dialami.
Pathway ini juga akan menginduksi inflamasi dan neuronal dysfunction.
Cell Dysfunction & Death
2.2.1 Advanced glycation endproducts (AGEs)
Advanced glycation endproducts dibentuk oleh reaksi glukosa nonenzimatik dan senyawa glikasi lainnya yang berasal dari glukosa dan dari oksidasi asam lemak, meningkat pada endotel sel arteri. Pada diabetes, AGEs ditemukan dalam jumlah yang meningkat dalam matriks ekstraseluler (Candido et al., 2003). Produksi intra-seluler AGE prekursor dapat merusak sel dengan 3 mekanisme umum:
Pertama, protein intraseluler yang dimodifikasi oleh AGEs telah berubah fungsi.
Kedua, komponen matriks ekstraseluler dimodifikasi oleh prekursor AGE ber-interaksi secara abnormal dengan matriks dan dengan reseptor matriks (integrin) yang diekspresikan di permukaan sel.
Ketiga, protein plasma dimodifikasi oleh prekursor AGE berikatan dengan reseptor AGE pada sel seperti makrofag, sel endotel vaskular, dan vaskular sel otot polos. Reseptor untuk ikatan AGE (RAGE) menginduksi produksi ROS, yang pada akhirnya mengaktifkan transkripsi faktor nuklir pleiotropic (NF)-kB, menyebabkan beberapa perubahan patologis dalam ekspresi gen (Han et al., 2005).
2.2.2 Jalur Polyol
Jalur polyol mengubah glukosa menjadi fruktosa melalui reduksi dua langkah/oksidasi: Pertama, reduktase aldosa mengurangi glukosa menjadi sorbitol, dan kemudian sorbitol dehidrogenase mengoksidasi sorbitol menjadi fruktosa (Gambar 2.2.). Baik aldose reduktase maupun sorbitol dehidrogenase
yang ada di jaringan rentan terhadap komplikasi diabetes. Jalur aldose reduktase rentan terhadap aktivasi berlebihan oleh efek aksi massa hiperglikemia, yang menghasilkan ketidakseimbangan dari dua jalur metabolit, NADPH dan sorbitol.
Kelebihan glukosa melalui jalur ini menyebabkan konsumsi NADPH, yang diperlukan untuk regenerasi glutathione berkurang (Djordjevic, 2004; Mathers et al., 2004). Menipisnya glutathione sekunder untuk aktivitas aldose reduktase berlebihan sehingga membuat sel rentan terhadap stres oksidatif. Peningkatan produksi sorbitol menyebabkan lingkungan intraseluler menjadi hipertonik, dan menyebabkan penghamburan kompensasi dari osmolit lain seperti myo-inositol (MI), penting dalam transduksi sinyal dan taurin (antioksidan) (Vincent et al., 2006; Nakamura et al., 1999). Potensi pereduksi intraseluler selanjutnya dikurangi dengan langkah kedua dalam jalur poliol, produksi fruktosa (Feldman et al., 1997). Produksi fruktosa yang distimulasi oleh hiperglikemia mendorong glikasi dan penipisan NADPH lebih lanjut. Akhirnya, aktivasi aldose reduktase juga dapat meningkatkan pembentukan diasilgliserol, sehingga mengaktifkan jalur protein kinase C yang merusak (Uehara et al., 2004; Yamagishi et al., 2003).
Beberapa studi klinis tentang gen aldose reduktase mengungkapkan polimorfisme berhubungan dengan kerentanan terhadap komplikasi diabetes. Pasien dengan genotipe “aldose reduktase expression” tinggi umumnya ditemukan memiliki neuropati diabetes di masa awal sementara pasien dengan genotipe “aldose reduktase expression” rendah rentan terhadap neuropati (Donaqhue et al., 2005).
2.2.3 Peningkatan Aktivasi Protein Kinase C (PKC)
Aktivasi yang terus-menerus dan berlebihan dari beberapa isoform PKC sebagai jalur mediasi jalur ketiga yang umumnya rusak akibat ROS yang diinduksi diabetes. Hasil utama dari sintesis de novo DAG ditingkatkan dari glukosa via triose phosphate yang ketersediaannya meningkat karena peningkatan ROS menghambat aktivitas enzim glikolitik GAPDH, meningkatkan level intraseluler dari prekursor DAG triose phosphate. Penelitian ini membuktikan bahwa peningkatan aktivitas isoform PKC juga bisa dihasilkan dari interaksi antara AGEs dan reseptor permukaan selnya. Pembentukan ekstra-seluler protein AGEs tidak hanya mengganggu adhesi seluler (melalui interferensi dengan interaksi protein permukaan sel/matriks ekstraseluler), tetapi juga mengaktifkan reseptor permukaan sel spesifik untuk AGEs, yang dikenal sebagai RAGE (Ramasamy et al., 2007). Aktivasi RAGE oleh AGEs ekstraseluler menyebabkan aktivasi faktor transkripsi nuklir faktor kappa B (NF-κB), yang mengatur ekspresi gen, apoptosis dan peradangan (Gambar 2.2).
2.2.4 Jalur Hexosamine
Sama seperti jalur polyol, kelebihan glukosa yang tersedia menyebabkan peningkatan fluks melalui jalur hexosamine. Dalam keadaan normal, sejumlah kecil glikolitik fosfat antara fruktosa-6 dipisahkan dari glikolisis ke jalur heksosamin. Jalur hexosamine dapat mengubah fruktosa-6 fosfat menjadi glukosamin-6 fosfat oleh glutamin fruktosa-6 fosfat amidotransferase (Thornalley, 2005). Glukosamin-6 fosfat kemudian diubah menjadi uridin difosfat-N-asetil
transferase, O-GlcNAC ke serin dan treonin residu dari faktor transkripsi dan mengubah ekspresi gen (Brownlee, 2001). Dengan demikian, peningkatan yang dipicu oleh hiperglikemia dalam fluks melalui jalur ini menghasilkan kelainan pada ekspresi gen (Brownlee, 2005; Sayeski et al., 1996).
2.2.5 Jalur Poly-ADP Ribose Polymerase (PARP)
Poly-ADP Ribose Polymerase adalah suatu nuklear enzim yang terkait erat dengan stres oksidatif-nitrosatif, pada neuron sensorik, sel Schwann, dan sel endotel. Saat terjadi hiperglikemia, radikal bebas, dan oksidan merangsang aktivasi PARP. PARP juga menyebabkan stres oksidatif (Gambar 2.2) (Obrosova et al., 2005). PARP memecah nukleotida adukin nikotinamida (NAD+) menjadi nikotinamida, dan juga menghilangkan residu ADP-ribosa yang melekat pada protein nuklir (Southan et al., 2003). Reaksi katalitik PARP menyebabkan sejumlah efek merusak, termasuk perubahan dalam ekspresi gen, peningkatan dalam konsentrasi radikal bebas dan oksidan, deplesi NAD+, dan shunting intermediet glikolitik ke jalur patogen lainnya yang dapat menyebabkan aktivasi PKC dan pembentukan AGE (Obsorova et al., 2005; Du et al., 2003; Apfel, 2002).