GLYCOCALYX THE GREAT BARRIER REEF
Oleh
dr. CUT MELIZA ZAINUMI
NIP. 1983042020080120009
DEPARTEMEN ANESTESIOLOGI DAN TERAPI INTENSIF
FAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
RSUP. H. ADAM MALIK
MEDAN
GLYCOCALYX
THE
GREAT
BARRIER
REEF
PENDAHULUAN
Endotel vascular yang sehat pada lumennya ditutupi oleh endothelial glycocalyx, yang
berinteraksi dengan aliran darah dan diduga mempunyai fungsi sebagai filter pada dinding
pembuluh darah. Walaupun struktur ini sudah ditemukan sejak hampir 70 tahun yang lalu,
namun secara fisiologis fungsinya dianggap remeh. Adanya perbedaan colloid osmotic di
dalam di bawah struktur ini telah mengarah pada modifikasi sistem Starling. Sehingga
glycocalyx disebut “Great Barrier Reef” (layar penghalang yang hebat). 1
MEMBRAN
PLASMA
Membran plasma mengelilingi sel yang hidup, dan sel merupakan organella yang paling
penting. Membran sel mengatur zat – zat yang keluar dan masuk ke sel dan bertanggung
jawab terhadap banyak hal lainnya. Membran yang mengelilingi nukleus dan organella
lainnya disebut membran sel. 2,3
Sel dikelilingi oleh batas yang disebut membran plasma yang menutupi permukaan sel.
Membran membentuk elemen struktural dalam sel. Walaupun membran menunjukkan
bermacam fungsi, peran yang paling universal adalah sebagai sekat selektif lalu lalang
molekul, dimana terjadi seleksi pada molekul. Struktur utama lipid membran adalah
phospholipid. Membran plasma juga mengandung cholesterol, protein, transmembran protein, peripheral membrane protein. Permukaan ektraselular membran plasma
mengandung sedikit karbohidrat yang berikatan dengan lipid membran dan protein.
Karbohidrat ini mengandung rantai cabang pendek monosaccharide yang meluas dari
permukaan sel ke cairan ekstraselular dimana mereka membentuk lapisan gula yang disebut
glycocalyx. Lapisan ini mempunyai peran penting dalam pengenalan dan interaksi antar sel.
Selain itu zat – zat terlarut juga harus berdifusi melalui lapisan ini untuk mencapai sel – sel
Tebal dari glycocalyx diperkirakan 0,5 m pada pembuluh darah yang sehat, dimana
strukturnya tegangan negatif, dan kaya akan tempat yang anionik yang berupa sialic acid
moieties of glycoprotein dan sulphate dan heparan‐sulphate proteoglycan.4
Glycocalyx adalah material polimerik ekstraselular yang diproduksi juga oleh beberapa
bakteri, epitel dan sel – sel lain. Istilah ini pertama kali diberikan pada matrik polisakarida
yang diekskresikan oleh sel – sel epitel yang membungkus permukaan jaringan epitel. 5
GLYCOCALYX
PADA
DARAH
Glycocalyx juga dinamakan pada struktur spesifik dari platelet matur. Bentuknya sama
dengan glycocalyx pada bakteri (“sugar coat” yaitu jaringan polisakarida yang muncul dari
permukaan sel) yang terbentuk dari glycoprotein yang membuat platelet bisa melekat pada
permukaan pembuluh darah yang rusak seperti collagen. Glycocalyx tampak seperti benang
– benang halus yang membungkus bagian membran luar platelet dan terdapat banyak
diantara perannya adalah mengurangi pergesekan pada aliran darah dan berperan sebagai
sawar atau penyaring hilangnya cairan melalui dinding pembuluh darah. Pada inflamasi
glycocalyx sel – sel endotel luruh agar leukosit bisa melekat dan terjadi perpindahan cairan
dari pembuluh darah mikro. 5
GLYCOCALYX
MEMODULASI
IMMOBILISASI
LEUKOSIT
PADA
PERMUKAAN
ENDOTEL
Lapisan glycocalyx endotel menjadikan permukaan endotel menjadi bertegangan negatif
yang membuat permukaannya menjadi antiadhesive. Adhesi leukosit pada sel – sel endotel
merupakan proses kompleks yang berhubungan dengan ditangkapnya leukosit bebas dari
peredaran darah, berputar di permukaan endotel, deselerasi dan akhirnya leukosit
immobilisasi. Pada proses inflamasi, permukaan tadi kehilangan sifat antiadhesivenya
karena adanya aktivasi molekul adhesi yang bisa diakses leukosit. Ada bukti yang
menunjukkan proses ini disebabkan perubahan pada lapisan glycocalyx. Begitu pula peran
glycocalyx pada adhesi leukosit di sel endotel ini berhubungan langsung dengan kondisi
atherosclerosis seperti hiperkolesterolemia dan terdapatnya lipoprotein teroksidasi di
plasma, yang berhubungan dengan meningkatnya leukosit yang melekat pada endotel.
Modifikasi sel endotel pada diet dengan tinggi kolesterol membuat ketebalan glycocalyx
berkurang juga perubahan tegangan dan perubahan komposisi biokimia pada glycocalyx
endotel. Dari percobaan yang dilakukan pada endotel tikus, bahwa degradasi dari glycocalyx
endotel menstimulasi leukosit agar tidak bergerak pada permukaan endotel.6
Pembuluh darah arteri berhubungan dengan stress yang memotong (shear stress) pada
glycocalyx, yang memberi sinyal pada sel endotel dibawahnya untuk melepaskan nitric oxide
(NO), yaitu suatu faktor anti atherogenik. Daerah yang rendah stress memotongnya pada
cabang – cabang arteri cenderung lebih mudah terjadi atheroma karena kurangnya
pembentukan NO melalui mekanisme ini. Pada latihan, dengan meningkatkan aliran darah
dan stres pemotong bersifat proteksi. Bila terjadi degradasi glycocalyx maka terjadi adhesi
platelet dan leukosit yang akan menyebabkan reaksi inflamasi. Kombinasi inflamasi dan
akumulasi lemak akhirnya akan membentuk lesi atherothrombotic. 4 Dari penelitian juga
didapati kemungkinan ukuran dari glycocalyx merupakan marker awal kerusakan vaskular. 7
GLYCOCALYX
PADA
TRAKTUS
DIGESTIVE
Glycocalyx juga bisa ditemukan pada bagian apical pada microvilli pada traktus digestif,
terutama pada usus halus. Ia membentuk jaring setebal 0,3 mikrometer dan mengandung
sel epitel absorbtif. Ia menyediakan permukaan penyerapan dan termasuk dalam enzim
yang disekresikan oleh sel – sel absobtif yang penting pada tahap pencernaan protein dan
gula.5 Pada ujung mikrovilli brush border dari intestinal enterocyte disebut “filamentous
brush border glycocalyx” (FBBG). Dengan ketebalan glycocalyx yang cukup tipis yaitu 20 nm
cukup untuk melindungi fungsi pelindung dari sel epitel pada mkrovilli yang mencegah
adhesi mikrobial.8
FUNGSI – FUNGSI
Proteksi : bantalan membran plasma dan melindungi dari
cedera kimia
Imunitas : mengaktifkan sistem imun untuk mengenali dan
memilih organisme asing yang akan diserang
Pertahanan terhadap kanker : perubahan glycocalyx pada sel – sel kanker membuat
sistem imun mengenalinya dan menghancurkannya
Reaksi transplantasi : dasar kompatibilitas pada transfusi darah, graf
jaringan, dan transplantasi organ
Adhesi sel : melekatkan sel –sel agar jaringan tidak terpisah –
pisah
Regulasi inflamasi : glycocalyx pada pembuluh darah mencegah leukosit
rolling/binding pada keadaan sehat
Fertilisasi : mengaktifkan sel sperma untuk mengenali dan
melekat pada ovum
Perkembangan embrionik : menuntun sel – sel embrionik ke tujuannya di tubuh
GLYCOCALYX
ENDOTEL
GLOMERULAR
SEBAGAI
PENGHALANG
Glycocalyx juga melapisi permukaan kapiler glomerulus. Dengan mikroskop elektron sel – sel
endotel glomerulus terdapat glycocalyx setebal 200‐nm diatas membran plasma. Pemberian
neuraminidase menghilangkan sebagian besar glycocalyx menyebabkab berkurangnya trans‐ endothelial electrical resistance sebanyak 59% dan meningkatkan flux albumin sampai 207%.
Begitu juga dengan heparinase III juga terjadi peningkatan lewatnya albumin ke monolayers
sampai 40% dan 39%. Sehingga dapat disimpulkan perubahan struktur pada human
Glycocalyx Endothelial Cells kemungkinan mempunyai hubungan dengan pergerakan
albumin. Sehingga dimungkinkan adanya mekanisme alternative disfungsi sawar glomerular
pada penyakit ginjal.9
GLYCOCALYX
ENDOTEL
DAN
PRINSIP
STARLING
Sesuai dengan Starling, penentu utama kecepatan filtrasi per unit area di dinding kapiler
adalah tekanan hidrostatik (hydrostatic preassure = HP) dan tekanan osmotik koloid (colloid
osmotic pressure = COP) pada lumen kapiler dan pada jaringan. Bukti terakhir menunjukkan
bahwa COP jaringan kurang berperan pada keseimbangan cairan, bahkan keseimbangan
cairan pada jaringan tidak akan terjadi bila persamaan Starling benar. Dikemukakan bahwa
mungkin endothelial glycocalyx (EG) berperan sebagai filter molekular utama dan
mengaktifkan gradien onkotik efektif di dalam ruang yang sangat kecil. Dilakukan penelitian
pada sistem koroner jantung guinea pig, yang membandingkan cairan perfusi bebas koloid,
albumin 1,67% dan hydroxyethylstarch 2%. Dimana digunakan heparinese untuk merusak
endothelial glycolalyx. Hasil yang diperoleh menujukkan hydraulic conductivity pada cairan
bebas koloid sangat besar bila dibandingkan dengan albumin dan hydroxyethylstarch (9,14
vs 1,04 vs 2,67 l/min/g). Albumin juga mengurangi terbentuknya edema bila dibandingkan
dengan cairan lainnya. Dengan dirusaknya EG dengan heparinese mengurangi efek koloid
maupun albumin. Dimana terjadi ekstravasasi terutama di vena dengan rata –rata 95% dari
Pada diagram A dan B diatas menunjukkan waktu yang dibutuhkan untuk terjadi
keseimbangan konsentrasi koloid lebih cepat pada HES dibandingkan dengan albumin
(7,83±0,16 vs 11,09±1,33 menit), walaupun berat molekulnya lebih ringan. Pada diagram C
menunjukkan dengan dirusaknya glycocalyx maka ekstravasasi cairan menjadi sangat
banyak bila dibandingkan dengan pada saat glycocalyx utuh. Selain itu dari penelitian ini
menunjukkan bahwa dengan hilangnya glycocalyx perpindahan cairan bisa terjadi bahkan
dengan tekanan minus (‐ 12 dan – 13 cmH2O). Dengan penambahan koloid pada cairan
dasar yang digunakan untuk penelitian ini menunjukkan kesesuaian dengan hipotesis
Starling namun albumin yang COPnya rendah lebih baik mencegah ekstravasasi bila
dibandingkan dengan HES pada konsentrasi yang disamakan. Hal ini tidak bisa dijelaskan
dengan persamaan Starling dimana diperlukan adanya keseimbangan intravaskular dengan
interstisial. Sehingga seperti yang di kemukakan Adamson dkk istilah “COP in tissue” harus
dirubah menjadi “COP beyond the EG”. Sehingga persamaan Starling :
menjadi , dimana Jv
= net filtrasi, Kf = filtration coefficient, Pc = capillary hydrostatic pressure, Pi = interstitial
endotel, πesl adalah tekanan onkotik pada lapisan permukaan endotel. 11 Tekanan pada
permukaan endotel ini secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan ruang interstisial.
12
Dengan adanya sirkuasi limfe maka perhitungan perhitungan aliran dengan prinsip Starling
tidak sesuai.13 Bahkan setelah terjadi keseimbangan antara tekanan onkotik intravaskular
dan ekstravaskular pada pembuluh darah isolasi, fungsi sekat pada vaskuler tetap baik.
Sepertinya ada tekanan onkotik pada lapisan permukaan endotel. Pada pembuluh darah
mesenterik tikus, perbedaan tekanan osmotik pada luminal sampai 70%, walaupun
konsentrasi koloid antara dalam dan luar lumen sama. Sehingga perpindahan cairan tidak
tergantung pada perbedaan hidrostatik dan onkotik antara darah dan jaringan.14
GLYCOCALIX
ENDOTEL
MERUPAKAN
PINTU
GERBANG
KE
RUANG
INTERSTISIAL
Permukaan endotelial yang mengandung glycocalyx dan melekat ke protein plasma dan
cairan dengan ketebalan fungsional lebih dari 1 m, bersama dengan sel – sel endotel
merupakan konsep awal sekat ganda dari permeabilitas vaskular, menunjukkan bahwa
glycocalyx sebagai sekat kompeten yang menghalangi extravasasi cairan yang tidak terbatas.
dari sirkulasi darah normal kira – kira 700 – 1000 ml pada manusia. Walaupun begitu cairan
ini merupakan penyeimbang cairan yang bersirkulasi. Pada peneletian terakhir diketahui
dalam jumlah kecil albumin pada plasma mungkin merupakan konsep dasar integritas
fungsional pada lapisan permukaan endotel.Perpindahan cairan transkapiler sepertinya
tidak tergantung pada perbedaan global antara tekanan hidrostatik dan onkotik antara
darah dan jaringan. Lebih dari pada itu, tekanan hidrostatik dan onkotik antara darah dan
ruang kecil langsung dibawah glycocalyx endotel, namun masih didalam lumen anatomik di
pembuluh darah tampak tegas disini.14
Pada gambar diatas diperlihatkan hasil percobaan terhadap jantung guinea pig, dimana
diberikan cairan saline 0,9%, albumin 5%, hydroxylethylstarch 6% pada keadaan normal,
pada keadaan reperfusi iskemia, pemberian heparinase. Dimana hasil menunjukkan,
pertama fluid filtration meningkat sedang (25%) setelah pemberian heparinase tanpa
heparinase setelah iskemia memperlihatkan besarnya ekstravasasi cairan (200%) pada
menit – menit awal reperfusi. Hal ini terjadi tidak hanya pada cairan tapi juga pada cairan
koloid. Ketiga, iskemia tanpa pemberian heparinase tidak meningkatkan transudasi secara
signifikan. Keempat, pertambahan transudat hanya terlihat bila heparinase diberikan
bersamaan dengan histamin. Dari penelitian ini bisa diambil kesimpulan bahwa walaupun
glycocalyx hilang setelah heparinase endotel yang masih rapat masih bisa menahan
perpindahan cairan. Hanya bila keduanya terganggu baru terjadi ekstravasasi cairan yang
sangat besar.15
PROTEKSI
TERHADAP
EDEMA
MIOKARDIAL
OLEH
ENDOTHELIAL
GLYCOCALYX
Jaringan miokardial edema disebabkan oleh kehilangan cairan mikrovaskular yang
diakibatkan oleh disfungsi kardiak setelah iskemia miokardial, cardiopulmonary baypass,
hipertensi dan sepsis. Hilangnya integritas mikrovaskular diakibatkan karena berkurangnya
tegangan negatif pada permukaan sel endotel. Banyak faktor yang bisa merubah integritas
glycocalyx sel endotel. Pada percobaan dengan melihat struktur glycocalyx dengan
mikroskop elektron , normal glycocalyx capiler dengan median 182 sampai 512 nm, secara
signifikan lebih tebal dibandingkan dengan ketebalan glycocalyx pada kapiler yang diberikan
hyaluronidase. Juga didapati jarak antara kapiler dan jaringan disekelilingnya menjadi lebih
jauh secara signifikan (p<0,001). Degradasi bentuk rambut – rambut halus memperlihatkan
kerusakan karbohidrat endotel glycocalyx pada reperfusi iskhemia, hipoxia, dan terpapar
dengan plasma yang atherogenik menyebabkan jaringan menjadi edema. Sehingga
KERUSAKAN
ENDOTHELIAL
GLYCOCALYX
PADA
ENDOTOXEMIA
Severe sepsis dan septic shock berhubungan dengan mortalitas dan morbiditas yang tinggi.
Bermacam – macam mekanisme inflamasi dan kerusakan selular terjadi pada patogenesis
kegagalan vaskular pada sepsis. Sebagai tambahan, bukti – bukti terakhir menunjukkan
pentingnya EG pada inflamasi mikrovaskular, dipercaya mempunyai peranan penting pada
respon mikrovaskular terhadap sepsis. Mekanisme terjadinya kegagalan mikrosirkulasi pada
endotoxemia diantaranya perubahan reaksi vaskular, disfungsi endotel, leukosit, sel darah
merah dan platelet/bekuan fibrin yang kaku. Bukti menunjukkan hematokrit dan flow
resistance, permeabilitas, coagulasi dan adhesi leukosit mungkin diatur oleh glycocalyx.
Endotelium yang ditutupi oleh glycocalyx juga mengandung proteoglycan, hyaluronan
glycosaminoglycan dan secara selektif mengabsorbsi protein plasma. Dari sudut pandang
fungsi, glycocalyx merupakan lapisan pertama yang kontak dengan jaringan darah dan
Sebagai contoh pada percobaan yang dilakukan dengan merusak glycocalyx pada endotel
terjadi perubahan flow resistance sekitar 20%.
Selain itu perubahan pada ketebalan glycocalyx juga berhubungan dengan hilangnya cairan
ke interstisial karena lapisan ini juga mengatur perpindahan cairan transvaskular. Glycocalyx
juga sangat rentan terhadap radikal bebas, dimana dijumpai hilangnya glycocalyx dan defisit
perfusi ke kapiler. Pemberian activated protein C dengan potensinya pada gangguan
mikrosirkulasi telah menunjukkan efektif dalam mengurangi mortalitas. Penelitian –
penelitian telah menguraikan mekanisme activated protein C pada mikrosirkulasi pasien
dengan sepsis. Telah dilaporkan activated protein C mencegah berkurangnya capillary
density (CD), adhesi endotel dengan neutrophil dan meningkatkan kontrol tonus
mikrovaskular. Keuntungan activated protein C adalah inhibisi mekanisme inflamasi dan
kerusakan sel juga menjaga integritas endotel secara langsung maupun tidak langsung.
Dimungkinkan mekanismenya melalu efek inhibisi degradasi glycocalyx. 17
HUBUNGAN
GLYCOCALYX
DENGAN
DISTRIBUSI
OKSIGEN
MIKROSIRKULASI
PADA
SAKIT
KRITIS
Untuk menjaga metabolisme aerobik sangatlah penting untuk proses pertumbuhan karena
dengan metabolisme aerobik akan terbentuk 36 mol ATP bila dibandingkan dengan
metabolisme anaerob yang hanya menghasilkan 2 mol ATP. Pada pasien dengan sepsis berat
dan syok sepsis terjadi gangguan perfusi mikrovaskular, early goal directed therapy
digunakan untuk memperbaiki dan menstabilisasi makrohemodinamik dengan
menyeimbangkan persediaan oksigen dengan pemakaiannya. Namun adekuatnya distribusi
oksigen mikrosirkulasi dan penggunaannya juga penting. Pada proses inflamasi hipoksia
jaringan bisa terjadi dengan dijumpai tingginya kadar laktat dan meningkatnya pCO2.
Kondisi ini disebut “oxygen extraction deficit”. Dengan adanya gangguan pada homeostasis
mikrosirkulasi pada pasien dengan sepsis, hal ini dihubungkan dengan fungsi sekat vaskular,
degradasi glycocalyx menyebabkan edema interstisial, yang secara tegas menurunkan
oksigenasi jaringan. Oleh karena itu mengurangi edema interstisial bisa meningkatkan
oksigenasi jaringan. Dengan memberikan proteksi pada glycocalyx terhadap kebocoran
kapiler, terapi cairan yang adekuat diperlukan untuk mengurangi akumulasi cairan pada
PEMELIHARAAN
GLYCOCALYX
Pada respon inflamasi, integritas glycocalyx sudah sangat rusak proteksi atau pemeliharaan
apapun sudah sia‐ sia. Pada percobaan yang dilakukan pada binatang menunjukkan
hydrocortison dan antitrombin III yang mampu mensupresi TNF ‐ sehingga berkurangnya
permeabilitas vaskular, kebocoran koroner dan edema interstisial. Mereka menstabilisasi
glycocalyx endotel agar sekat permeabilitasnya tetap terjaga, sehingga perannya pada
pemeliharaan dan stabilisasi glycocalyx merupakan tantangan kedepan. Oleh karena
penelitian dilakukan pada binatang maka tidak bisa langsung di aplikasikan ke manusia.
Sehingga kedepannya perlu dikembangkan berbagai pilihan terapi untuk mencegah
kerusakan glycocalyx pada tahap awal terjadinya SIRS dan sepsis yang mempunyai potensi
DAFTAR
PUSTAKA
1. Chappell D, Jacob M, Becker BF, Hofmann‐Keifer K, Conzen P, Rehm M. Expedition
glycocalyx: A newly discovered “ Great Barrier Reef”. Anaesthetist 2008.
2. Vender A, Sherman J, Luciano D. Cell structure. Human physiology. Singapore:
McGraw‐Hill International Edition; 2001, 41 – 2.
3. Ganong WF. Fungsi gastrointestinal. Jakarta: EGC; 1999, 458.
4. Noble MIM, Drake‐Holland AJ, Vink H. Hypothesis:arterial glycocalyx dysfunction is
the first step in the atherotrombotic process. Q J Med 2008; 101:513 – 518.
5. Wikipedia. Glycocalyx. 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/Glycocalyx.
6. Constantinescu AA, Vink H, Spaan JAE. Endothelial cell glycocalyx modulate
immobilization of leukocytes at the endothelial surface. Arterioscler. Thromb. Vasc.
Biol. 2003; 23:1541 – 1547.
7. Nieudorp M, Meuwese MC, Mooij HL, Ince C, Broekhuizen LN, Kastelein JJP, et all.
Measuring endothelial glycocalyx dimension in human: a potential novel tool to
monitor vascular vulnerability. J Appl Physiol 2008; 104:845‐52.
8. Frey A, Giannasca KT, Weltzin P, Giannasca PJ, Reggio H, Lencer WI, et all. Role of the
glycocalyx in regulating access og microparticle to apical plasma membranes of
intestinal epithelial cells: implications for microbial attachment and oral vaccine
targeting. J Exp Med 1996; 184: 1045 – 59.
9. Singh A, Satchell SC, Neal CR, McKenzie EA, Tooke JE, Mathieson PW. Glomerular
endothelial glycocalyx constitutes a barrier to protein permeability. J Am Soc Nephrol
2007; 18:2885 – 93.
10.Jacob M, Bruegger D, Rehm M, Stoecckelhuber M, Welsch U,Conzen P et all. The
endothelial glycocalyx affords compatibility of starling’s principle and high cardiac
interstisial albumin level. Cardiovascular reasearch 2007; 73:575 – 86.
11.Adamson RH, Lenz JF, Zhang X, Adamson GN, Weinbaum S, Curry FE. Oncotic
pressures opposing filtration across non‐fenestrated rat microvessels. J Physiol
2004;557: 889 – 907
12.Flessner MF. Distributed model of peritoneal transport: implication of the endothelial
13.Levick JR. Revision of the Starling principl: new views of tissue fluid balance. J Physiol
2005; 557: 704.
14.Chappell D, Jacob M, Hofmann‐Kiefer K, Conzen P, Rehm M. A rational approach to
perioperative fluid management. Anesthesiology 2008; 109:723 – 40.
15.Rehm M, Zahler S, Lotsch M, Welsch U, Conzen P, Jacob M, et all. Endothelial
glycocalyx as an additional barrier determining ekstravasation of 6% hydoethy starch
or 5% albumin solution in the coronary vascular bed. Anesthesiology 2004; 100: 1211
– 23.
16.Van den Berg BM, Vink H, Spaan JAE. The endothelial glycocalyx protects againts
myocardial edema. Circ Res. 2003; 92: 592‐94.
17.Merechal X, Favory R, Joulin O, Montaigne D, Hassoun S, Decoster B, et all.
Endothelial glycocalyx damage during endotoxemia coincides with microcirculatory
dysfunction and vascular oxidative stress. Shock 2007; 00: 00 ‐00.
18.Chappell D, Westphal M, Jacob M. The impact of the glycocalyx on microcirculatory
oxygen distribution in critical illness. Curr Opin Anaesthesiol 2009; 22: 155 – 62.