LANDASAN TEORI
2.2. Diabetes Melitus tipe 2 pada usia lanjut 1. Definisi
2.2.3. DM tipe 2 dan atherosclerosis
Pada penderita DM terjadi percepatan proses aterosklerosis yang diterangkan pada gambar 2.1, dimana perbandingan aterektomi koroner pada subyek nondiabetik dan diabetik terjadi peningkatan prosentase dari total area yang ditempati oleh jaringan lipid-rich atheromatous dan peningkatan insiden thrombus. Infiltrasi Makrofag meningkat mendekati 2 kali pada subyek diabetik (Feener dan Dzau, 2006).
Gambar 2.1. Efek aterogenik pada diabetes melitus (Feener dan Dzau, 2006).
Disfungsi endotel pada pasien DM berhubungan dengan resistensi insulin, menunjukkan peranannya sebagai penyebab awal perkembangan terjadinya aterosklerosis. Adanya disfungsi endotel dapat diukur dengan mendeteksi kadar endhotelial soluble adhesion molecules di sirkulasi darah. Rangsangan proinflamasi tertentu menimbulkan ekspresi molekul-molekul adhesi seperti E-Selectin, Intercellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1), dan Vascular Cell Adhesion Molecules-1 (VCAM-1) pada
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 10
permukaan sel-sel endotel (Song et al., 2007). ICAM-1 dan VCAM-1 berhubungan dengan molekul yang termasuk dalam golongan imunoglobulin. Molekul-molekul ini merupakan ligand untuk integritas leukosit dan digunakan untuk menstabilisasi perlekatan leukosit pada dinding endotel dan terlibat dalam interaksi seluler pada jaringan (Albertini et al., 2008).
Ekspresi VCAM-1 diduga hanya di dalam sel-sel endotel, tetapi juga ditemukan pada sel-sel dendritik, makrofag jaringan, dan sel-sel epitel tubulus ginjal. Disisi lain, E-Selectin hanya ditemukan pada sel endotel yang teraktivasi, sehingga hal ini berbeda dengan molekul adhesi yang lain. Sel endotel melepaskan E-Selectin setelah terjadinya aktivasi invitro.
Interaksi antara E-Selectin dan VCAM-1 dan ligand-ligandnya mendasari perpindahan sel-sel leukosit pada dinding pembuluh darah yang mengalami proses inflamasi (Song et al., 2007; Albertini et al., 2008).
Bentuk terlarut dari E-Selectin dan VCAM-1 bisa ditemukan dalam darah orang normal. Beberapa dari marker ini meningkat signifikan pada pasien-pasien yang mengalami suatu inflamasi, seperti pada penyakit DM dan keganasan. Aktivasi jalur Advance Glycation End Products (AGEs) pada DM telah menunjukkan adanya peningkatan ekspresi E-Selectin dan VCAM-1 (Albertini et al., 2008).
Hiperglikemi, peningkatan asam lemak bebas, dislipidemi, dan resistensi insulin meningkatkan produksi ROS, AGEs, dan mengaktifasi Protein Kinase C (PKC), menurunkan bioavailabilitas dari NO, potensi vasodilatasi, antiinflamasi, dan efek antitrombotik, sehingga terjadi penurunan fungsi endotel dan vasokonstriksi, inflamasi, dan trombosis.
Penurunan NO dan peningkatan endothelin-1 (ET-1) dan konsentrasi angiotensin II (AT II) akan meningkatkan permeabilitas vaskuler dan migrasi sel otot polos vaskuler (Albertini et al., 2008).
Disfungsi endotel dan resistensi insulin terjadi akibat suatu glukotoksisitas dan lipotoksisitas serta adanya inflamasi yang berhubungan dengan metabolik dan penyakit kardiovaskuler (Muniyappa et al., 2007).
Disfungsi endotel adalah suatu gambaran dan adanya keterkaitan dengan
resistensi insulin. Individu yang aterosklerosis mempunyai gangguan disfungsi endotel vasodilator endotel dan aktifitas insulin (Tesfamariam dan cohen, 1992)
Penelitian San Antonio Heart Study pada laki-laki tanpa diabetes atau dengan gangguan toleransi glukosa didapatkan hasil bahwa dengan resistensi insulin yang tinggi akan meningkatkan risiko kardiovaskular 2,5 kali lipat. Meskipun telah dilakukan perbaikan pada faktor risiko kardiovaskular, LDL-C, HDL-C, Trigliserida, tekanan darah sistolik dan merokok, subjek yang resisten insulin masih memiliki 2 kali lipat peningkatan risiko penyakit jantung. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar risiko penyakit kardiovaskular disebabkan adanya resistansi insulin.
Resistensi insulin meningkatkan keluaran asam lemak bebas / Free Fatty Acid (FFA) dari adiposit ke sel endotel pada arteri, yang ditunjukkan secara skematik pada Gambar 3. Dalam sel endotel makrovaskuler terjadi peningkatan fluks FFA oksidasi oleh mitokondria, tetapi tidak dalam sel endotel mikrovaskuler. Karena asam lemak β-oksidasi dan FFA oksidasi dari asetil KoA oleh siklus Tricarboxylic acid (TCA) akan menghasilkan donor elektron yang sama (nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) dan Flavin adenine dinucleotide (FADH2)) dihasilkan oleh oksidasi glukosa, peningkatan FFA oksidasi mengakibatkan mitokondria memproduksi ROS berlebih dengan mekanisme seperti hiperglikemia.
Kejadian hiperglikemia dan peningkatan ROS diakibatkan FFA mengaktifkan jalur AGEs, PKC, hexosamin, dan NFκB (Brownlee, 2005).
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 12
Gambar 2.2. Resistensi insulin dan produksi ROS mitokondria (Brownlee, 2005) Resistensi insulin meningkatkan keluaran Free Fatty Acid (FFA) dari adiposit ke
sel endotel pada arteri.
a. Stress oksidatif
Pasien yang terdapat gangguan disfungsi endotel akan dapat meningkatkan risiko kardiovaskular. Kehilangan aktivitas biologis dari endotel dapat menurunkan kadar NO dan mengakibatkan peningkatan ekspresi faktor protrombotik, adhesi molekuler proinflamasi, sitokin dan faktor-faktor kemotaktik. Sitokin dapat menurunkan bioaktifitas dari NO, meningkatkan produksi ROS. ROS menurunkan aktifitas NO secara langsung melalui sel endotel dan secara tidak langsung melalui inducible Nitric Oxide Syntase (iNOS) atau Guanylyl Cyclase (Spagnol et al, 2007).
Stress oksidatif menandakan adanya suatu ketidakseimbangan antara produksi radikal bebas yang berlebihan dengan kapasitas pertahanan antioksidan tubuh yang menurun, yang mengakibatkan terjadinya kerusakan jaringan tubuh.
Komplikasi diabetes akan menurunkan total radical-trapping antioxidant parameter (TRAP) plasma, dan merusak pertahanan antioksidan alami pada plasma. Beberapa peneliti melaporkan bahwa pada pasien diabetes kadar reduced gluthathione, Vitamin C dan Vitamin E yang rendah, dan penanda stres oksidatif (oxidise-LDL (ox-LDL) dan isoprostane urin) akan naik. Glikolisis dan siklus Kreb menghasilkan energi yang ekuivalen untuk mendorong sintesis Adenosin Triphosphat (ATP) mitokondria, sebaliknya hasil samping fosforilasi oksidatif mitokondria (termasuk radikal bebas, dan anion superoksid) juga ditingkatkan oleh kadar glukosa tinggi, otooksidasi glukosapun menaikkan radikal bebas. Stres oksidatif dapat mengakibatkan: (1) menurunkan kadar NO, (2) merusak protein sel, (3) adhesi lekosit pada endotel meningkat sedang fungsinya sebagai barrier akan terhambat. ROS mempunyai kemampuan secara langsung menimbulkan kerusakan makromolekul seluler, dan berperan penting dalam meregulasi ekspresi gen. ROS mampu mengaktifkan berbagai stress sensitive intracellular signaling pathways seperti Nucleus factor κ-Betta (NFκB), p38 MAP Kinase, NH2-terminal jun kinase (JNK/SAPK), PKC, AGE / Receptor –AGE (RAGE), Sorbitol dan lainnya (Buse et al.,2008 ; Newsholme, 2008).
Gambar 2.3. Terjadinya resistensi insulin akibat stres oksidatif (Newsholme, 2008). Lamanya Kadar plasma glukosa yang tinggi dan FFA akan mengakibatkan peningkatan produksi (ROS) dan reactive nitrogen species (RNS) yang menginduksi aktivasi berbagai stres protein kinase diaktifkan seperti JNK, p38, dan IKKβ. Protein kinase tersebut akan merangsang phosphorylateserin pada insulin receptor substrate-1(IRS-1). Selain itu, IKKβ menyebabkan aktivasi NFκB yang akan meningkatkan iNOS mengekspresikan NO produksi. NO dapat menginduksi IRS-1S-nitrosylation. Efek ini mengakibatkan resistensi insulin di hati, otot rangka dan jaringan adiposa.
Pada hiperglikemia akan terjadi produksi ROS dalam jumlah besar, diakibatkan adanya oksidasi glukosa dalam intrasel yang dimulai dengan glikolisis di sitoplasma serta menghasilkan NADH dan piruvat. Jumlah NADH sitoplasma dapat mengimbangi rantai elektron transpor mitokondrial dan dapat mereduksi piruvat menjadi laktat, yang keluar dari sel untuk menyediakan substrat glukoneogenesis hepatik. Piruvat ditransport ke mitokondria, dioksidasi melalui siklus TCA untuk menghasilkan carbon Dioxide (CO2), H2O, empat molekul NADH, dan satu molekul FADH2. NADH dan FADH2 mitokondria akan menghasilkan energi untuk produksi ATP lewat fosforilasi oksidatif rantai elektron. Aliran elektron melalui rantai transport elektron mitokondrial melewati empat Inner membrane–associated enzyme complexes, ditambah cytochrome-c dan karier mobile yaitu ubiquinone. NADH yang dihasilkan oksidasi glukosa sitosol dan siklus TCA mitokondria akan mentrasfer elektron ke NADH : ubiquinone oxidoreductase (Complex I). (Brownlee, 2005; Brownlee et al., 2008).
Complex I mentransfer elektron ke ubiquinone. Ubiquinone dapat juga tereduksi oleh elektron yang diberikan donated dehidrogenase yang mengandung
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 14
FADH2, termasuk succinate : ubiquinone oxidoreductase (Complex II) dan glycerol-3-phosphate dehydrogenase. Elektron dari ubiquinone akan tereduksi dan ditransfer ke ubiquinol : cytochrome-c oxidoreductase (Complex III) oleh ubisemiquinone radical–generating Q Cycle. Transpor elektron kemudian melalui cytochrome-c, cytochrome-c oxidase (Complex IV), hingga molekul oksigen.
Transfer elektron melalui komplek I, III, dan IV menghasilkan gradien proton yang akan memicu ATP synthase (Complex V). Ketika perbedaan potensial electrochemical yang dihasilkan gradien proton tinggi, umur superoxide-generating electron transport intermediates seperti ubisemiquinone akan diperpanjang. (Mayes dan Botham, 2003; Brownlee, 2005; Brownlee et al., 2008).
Rantai transport elekron dalam mitokondria secara sederhana digambarkan sebagai berikut. Ketika glukosa dimetabolisme melalui siklus Krebs akan dihasilkan donor elektron dalam bentuk NADH dan FADH2. Elektron dari NADH masuk ke kompleks I sedangkan FADH2 ke kompleks II, kemudian berturut-turut menuju koenzim Q, kompleks III, sitokrom C, kompleks IV dan terakhir ke molekul O2 yang akan direduksi menjadi air. Rangkaian reaksi tersebut merupakan pompa proton yang menyebabkan perbedaan gradien. Perbedaan gradien tersebut menimbulkan energi yang memutar ATP sintase sehingga terbentuk ATP, hal ini dijelaskan pada gambar 2.4 (Brownlee, 2005; Brownlee et al., 2008).
Gambar 2.4. Produksi ROS terinduksi hiperglikemia pada rantai transpor elektron mitokondria (Brownlee dkk, 2008) produksi ROS dalam jumlah besar akibat dari
adanya oksidasi glukosa dalam intrasel. NADH yang dihasilkan oksidasi glukosa sitosol dan siklus TCA mitokondria memberikan elektron ke NADH : ubiquinone oxidoreductase (Complex I) kemudian ke ubiquinone dilanjutkan ke succinate : ubiquinone oxidoreductase (Complex II) dan glycerol-3-phosphate dehydrogenasedan ke ubiquinol : cytochrome-c oxidoreductase (Complex III) oleh ubisemiquinone radical–generating Q Cycle. Transpor elektron kemudian melewati cytochrome-c, cytochrome-c oxidase (Complex IV). Isoform mitokondrial dari superoxide dismutase (SOD) mendegradasi radikal bebas oksigen ini menjadi hidrogen peroksida, yang akan dikonversi menjadi H2O dan O2 oleh enzim lain.
Pada sel hewan yang menderita diabetes dengan kadar glukosa tinggi, diman glukosa yang dioksidasi di siklus TCA lebih banyak, sehingga mendorong lebih banyak donor elektron (NADH and FADH2) ke rantai transpor elektron transpor. Akibatnya, gradien voltase melalui membran mitokondrial akan meningkat hingga ambang batas kritikal tercapai. Saat itu transfer elektron di dalam complex III dihambat, mengakibatkan elektrons kembali ke coenzyme Q, yang mendonasikan elektron ke molekul oksigen dan menghasilkan superoksida sesuai gambar 2.3. Isoform mitokondrial dari superoxide dismutase (SOD) mendegradasi radikal bebas oksigen ini menjadi hidrogen peroksida, dan akan dikonversi menjadi H2O dan Oxygen (O2) oleh enzim lain (Brownlee, 2005)
b. Empat Jalur Utama Kerusakan Akibat Hiperglikemia
Hiperglikemia dapat mengganggu sistem transportasi glukosa, baik di dalam maupun diluar sel. Hiperglikemia kronik pada pasien dengan DM tipe akan mengakibatkan peningkatan stres oksidatif melalui 4 mekanisme yaitu : meningkatnya polyol pathway flux, pembentukan AGEs, peningkatan aktivasi PKC, hexosamine pathway flux dan aldose reduktase (Brownlee, 2005;
Newsholme et al., 2007). Produksi ROS yang berlebihan menyebabkan ketidakseimbangan antara ROS (oksidan) dengan scavenger system (antioksidan) dan berlanjut dengan terpicunya empat mekanisme komplikasi DM seperti pada gambar 5 (Van-den Oeven et al., 2010).
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 16
Gambar 2.5. Jalur utama kerusakan akibat hiperglikemia (Brownlee, 2005) Peningkatan kadar glukosa dalam darah akan mengakbatkan peningkatan
superoksida melalui 4 jalur yaitu polyol, AGEs, PKC, hexosamin