Oleh: Ramadhan | Oktober 2, 2009

Penuaan Sistem Neurologis

PENUAAN SISTEM NEUROLOGIS

Prevalensi demensia cenderung meningkat sejalan dengan usia harapan hidup dan peningkatan pelayanan kesehatan pada usia lanjut. Hasil penelitian Canadian Health Study and Aging menunjukkan bahwa prevalensi demensia 8% pada usia >65 tahun, insidensinya sekitar 2% pertahun. Cognitive Impairment Not Dementia prevalensinya sekitar dua kali lipat pasien demensia dan akan berkembang menjadi demensia sekitar 47%. Kurang lebih dua pertiga (64%) dari demensia adalah penyakit Alzheimer sedangkan sisanya sekitar 19% adalah demensia vaskuler. Faktor risiko pada penelitian tersebut adalah usia, pendidikan rendah dan alel 4 apolipoproteinE. Biaya yang dikeluarkan untuk perawatan pasien demensia 3,9 juta dollar pada tahun 19911.Penelitian epidemiologi di Inggris menunjukkan bahwa demensia meningkat 5 kali lipat setiap kenaikan usia 5 tahun, pada usia 35-64 tahun prevalensinya 54 per 100 ribu, usia 45-64 tahun 98 per 100 ribu 2. Tahun 2002 diperkirakan 167..000 orang di Australia menderita demensia 3. Prevalensi di Amerika dan negara Eropa lainnya menunjukkan angka yang tidak berbeda 4. Penyakit Alzheimer merupakan penyakit neurodegeratif yang paling umum, penyakit ini memberikan kontribusi dua pertiga dari seluruh kasus demensia (41-81%) disamping penyebab vaskuler dan penyakit neurodegeneratif lain seperti penyakit Pick dan demensia Lewy-bodies yang masih menjadi penyebab utama demensia lainnya.5

ApolipoproteinE4 (apoE4) merupakan faktor risiko utama penyebab Alzheimer’s disease (AD). Penelitian biomolekuler menunjukkan kontribusi apoE4 pada patogenesis AD 6. Termasuk didalamnya modulasi deposisi dan klirens peptida – amyloid (A ) dan pembentukan plak , kerusakan dari sistem pertahanan antioksidatif, disregulasi dari jalur signal neuronal , kerusakan struktur dan fungsi sitoskletetal, kerusakan pada fosforilasi tau dan pembentukan neurofibrillary tangles (NFTs), kerusakan reseptor sitosolik androgen diotak dan merangsang potensiasi perlengketan A dan apoptosis pada sel neuron 7,8 . ApolipoproteinE (apoE) adalah protein yang memainkan peran penting dalam metabolisme dan distribusi lemak. Alel e4 apoE telah dikenal meningkatkan resiko penyakit Alzheimer namun belum diketahui apakah alel apoE ini juga dapat meningkatkan resiko demensia vaskuler pada populasi Indonesia, khususnya suku Jawa.. Karena itu pada penelitian yang dilakukan 9 . Genotipe apoE pada penderita demensia vaskuler akan dibandingkan dengan genotipe apoE kontrol normal untuk melihat kemungkinan resiko genetik alel ini pada onset awal timbulnya demensia vaskuler.

Struktur dari gen apoE berbentuk polimorf dengan 3 alel utama, 2, 3, dan  yang menghasilkan 3 protein isoform, E2, E3 dan E4. Ketiga bentuk isoform ini terletak dalam rangkaian asam amino pada posisi 158. ApoE3 terdiri dari sistein pada rangkaian 12 dan arginin pada 158. ApoE2 memiliki sistein pada kedua sisinya, dan E4 mempunya arginin pada kedua sisinya. Polimorfisme apomempunyai efek kuat pada level produksi dari alel gen tersebut, berhubungan dengan tingginya konsentrasi apoE dan dengan konsentrasi rendah 10 . Genotip apoE alel 4 dibutuhkan dan memenuhi untuk terjadinya penyakit Alzheimer tetapi terdapat 3 atau 4 gen lain yang mempengaruhi onset penyakit ini. Analisis hubungan genetik dan penelitian lain terhadap ratusan keluarga telah menghasilkan bukti sejumlah regio kromosom yang berhubungan dengan penyakit Alzheimer. Pengaruh lingkungan tidak dapat diabaikan sehingga hubungan genetik dan lingkungan masih diperdebatkan. Identifikasi faktor genetik spesifik dan faktor lingkungan, mengetahui hubungan interaksi keduanya dan kalkulasi risiko penyakit menjadi hal utama yang diperdebatkan dengan tujuan terapi dan pencegahan penyakit Alzheimer ini 7,8 .

PEMBAHASAN

Manusia memiliki tiga homozigot apoE yaitu apoE2/2,E3/3 dan E4/4, tiga rangkaian heterozigot yaitu apoE3/2, E4/3, dan E4/2. Fenotip apoE3/3 merupakan paling fenotip yang paling sering ditemukan yaitu sekitar 50-70% dari seluruh populasi. Alel 3 ditemukan pada mayoritas populasi yaitu sekitar 70-80%, alel 4 dan 2 ditemukan pada 10-15% dan 5-10% populasi. Dasar molekular dari polimorfisme dijelaskan berdasarkan rangkaian analisis asam amino, dimana terdapat tiga isoform yang berbeda pada posisi 112 dan 158. ApoE3 terdiri Cys-112 dan Arg-158, dimana apoE4 terdiri dari arginin pada kedua posisinya dan sistein apoE2 10 .

Apolipoprotein E memiliki peranan penting dan luas dalam bidang neurobiologi. Otak merupakan organ yang memiliki kadar apo mRNA terbanyak kedua setelah hati, diotak apoE disintesis dan disekresikan terutama melalui astrosit namun beberapa neuron juga mensintesis dan mensekresikan apoE. ApoE terdiri dari high-density lipoproteins (HDL) dan dapat ditemukan dalam cairan serebro spinal (CSS) 10,11. ApoE3 dan apoE4 mempunyai efek yang berbeda pada neuron, apoE3 dengan β-very low-density lipoproptein (β-VLDL) secara signifikan meningkatkan pertumbuhan neuron pada ganglion dorsalis, sedangkan apoE4 dengan β-VLDL menghambat percabangan dan pertumbuhan neuron. ApoE4 berhubungan dengan penghambatan dari pertumbuhan neuron yang kemudian berpengaruh pada stabilitas mikrotubulus yang diperantarai oleh cell-surface lipoprotein receptor , khususnya pada jalur reseptor low density lipoprotein 11 .

Beberapa hipotesis menunjukkan bahwa apoE memegang peranan penting pada pemeliharaan dan perbaikan neuron, dalam hal ini apoE3 lebih efektif dibandingkan apoE4. ApoE mengambil sisa lemak yang tejadi akibat degenerasi neuron dan menyalurkannya kepada sel-sel yang membutuhkan lemak untuk proliferasi, perbaikan membran atau remielinisasi pada akson baru 12 . ApoE3 pada manusia bersifat protektif terhadap kejadian neurodegeneratif dan gangguan behavior yang disebabkan usia, eksitosisitas atau Aβ 13 .

Awalnya para ahli berpendapat bahwa ApoE disintesis oleh astrosit, oligodendrosit, mikroglia yang teraktivasi serta sel ependimal dan tidak diproduksi oleh neuron otak 14 . Laporan terbaru menunjukkan dengan jelas bahwa neuron sistem saraf pusat (SSP) juga mengekspresikan apoE dengan kadar yang lebih rendah dibandingkan astrosit, hal ini dapat terjadi pada berbagai keadaan baik kondisi fisiologis maupun patologis. Kedua protein apoE dan mRNA ditemukan di dalam neuron hipokampus dan korteks 15 . Pada tikus yang mendapatkan perlakukan dengan kainic acid, ekspresi apoE terpicu di dalam neuron hipokampus yang selamat dari stres eksitotoksik, sebagaimana yang terjadi pada penelitian dengan hibridisasi in vitro dan immunohistokimia anti-apoE 16 . Ekspresi apoE neuronal lebih sering terjadi pada keadaan patologis seperti infark serebral 17 . ApoE juga diekspresikan di dalam kultur primer neuron sistem saraf pusatmanusia 18 . Penelitian biomolekuler menunjukkan bahwa ekspresi neuronal apoE dapat diatur dan dikendalikan dengan diferensiasi oleh nerve growth factor yang diturunkan selama diferensiasi neuronal dan dengan penambahan apoE eksogen kedalam medium 19 . Demikian juga, ekspresi apoE di dalam sel N-Terminal, protein prekursor neuronal diturunkan oleh diferensiasi yang dipicu oleh retinoic acid 20 . Penelitan lain menunjukkan bahwa ekspresi apoE di dalam sel neuronal mungkin diregulasi melalui jalur sinyal protein kinase yang diaktivasi saat pembelahan sel 21 .

Keadaan patologis seperti cedera yang terjadi pada sistem saraf pusat ekspresi akan memacu apoE neuronal untuk memperbaiki perbaikan neuron dan untuk melindungi neuron dari cedera yang lebih lanjut 22 . Cedera ini juga menyebabkan apoE4 rusak karena lebih rentan terhadap proteolisis patogenik di dalam neuron , sehingga respon protektif ini justru merusak apoE4 14,23 . Produksi berlebihan dari Aβ dianggap memainkan peran sentral dalam patogenesis AD 24 . ApoE3 dan apoE4 yang bebas lipid dapat membentuk sebuah kompleks SDS- dan guanidine-HCL dengan peptida Aβ, dari hasil penelitian tersebut ditemukan bahwa kompleks pada isoform apoE4 lebih cepat dan efektif dibandingkan isoform lain 25 . Inkubasi dengan waktu yang lama antara apoE dengan peptida Aβ menghasilkan kompleks yang tidak larut dan memiliki berat molekuler yang tinggi sehingga sulit mengalami presipitasi. ApoE4 membentuk sebuah matriks yang lebih luas dan lebih padat dengan amyloid monofibril, hal ini terjadi lebih cepat dan efektif dibandingkan apoE3, apoE4 juga memperkuat agregasi Aβ yang dipicu zinc dan cuprum 26 . ApoE menunjukkan perbedaan spesifik isoform dalam ikatannya dengan peptida Aβ, dimana apoE4 mengikat lebih cepat dan efektif. Peningkatan pembentukan amyloid fibril oleh apoE4 menyebabkan eksaserbasi neurodegenerasi dan perkembangan AD 27 .

Tabel 1. Efek apoE4 yang Dihasilkan oleh Astrosit dan Neuron pada Sistem Saraf Pusat 23 .

Efek apoE4
Astrosit Produksi Aβ
Endapan Aβ
Klirens Aβ
Pertumbuhan neuron
Pengeluaran kolesterol
Penurunan kognitif
Neuron Neurotoksisitas berhubungan dengan fragmentasi
Pertumbuhan neuron
Kebocoran lisosom
Neurodegenerasi
Defisiensi reseptor androgen
Penurunan fungsi kognitif
Fosforilasi protein tau

Efek isoform apoE terhadap neurotoksisitas yang dipicu Aβ masih kontroversial, kemungkinan karena perbedaan keadaan fisik Aβ, apoE yang digunakan dan asal penanganan sel. Apolipoprotein E3 memberikan perlindungan dari kematian sel dan apoptosis yang dipicu Aβ dengan memperkuat klirens dan degradasi Aβ 28 atau dengan mengurangi interaksi Aβ dengan membran permukaan sel. Sebaliknya, apoE4 memicu kebocoran lisosom, kematian sel, dan apoptosis yang dipicu Aβ 29 .

Penelitian pada tikus transgenik yang mengekspresikan apoE3 atau apoE4 yang dihasilkan oleh manusia telah memberikan pandangan mendalam mengenai peran apoE di dalam metabolisme Aβ. Ketika tikus dengan human amyloid precursor protein (hAPP)-V717F disilangkan dengan latar belakang tanpa apoE, deposisi Aβ di dalam otak mengalami penurunan secara dramatis, menunjukkan bahwa apoE memperkuat deposisi Aβ 30 . Ekspresi apoE3 manusia menurunkan deposisi Aβ, menunjukkan bahwa apoE manusia menstimulasi klirens Aβ. ApoE3 melakukan klirens Aβ lebih banyak daripada apoE4 31 . Penelitian pada tikus menunjukkan hasil yang berbeda, ekspresi berlebihan apoE4 di dalam astroglia dan neuron tidak mengubah deposisi Aβ 32 .

Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa efek utama isoform apoE pada patogenesis AD melalui pembentukan plak 31,32 . Pengaturan defisit kolinergik dan sinaptik yang menyerupai AD pada tikus transgenik oleh apoE manusia diketahui tergantung pada isoform, penuaan, dan ekspresi berlebihan peptida Aβ tetapi tidak pada pembentukan plak 33 . Penelitian terakhir menunjukkan defisit kolinergik dan sinaptik yang berhubungan dengan apoE4 (12-15 bulan) mendahului pembentukan plak (19-24 bulan), dan meski perbedaan mereka yang nyata di dalam beban plak (> 10 kali lipat), tikus bigenik dengan hAPP/apoE4 dan hAPP/apoE3 tua (19-24 bulan) memiliki defisit kolinergik dan sinaptik yang sebanding. Hasil dari percobaan tersebut diatas menunjukkan bahwa apoE3 mampu mencegah gangguan kognitif yang dipicu hAPP/Aβ pada tikus bigenik hAPP/apoE yang berumur 6 bulan yang tidak memiliki plak dan kadar Aβ yang sebanding di dalam hipokampus 13,34 . Ketergantungan terhadap usia dari efek apoE3 dan apoE4 yang berbeda pada tikus sama dengan efek isoform apoE pada manusia, dimana dampak apoE4 terhadap resiko AD lebih besar pada penuaan awal dan hilang pada yang sangat tua 34 . Berdasar penelitian, didapatkan suatu hipotesis bahwa efek apoE ini terhadap defisit neuronal yang berhubungan dengan AD mencerminkan fungsi neuroprotektif apoE3 dan efek neurotoksik fragmen apoE4 di dalam neuron 34,35 .

Tabel 2. Efek protektif dari apoE3 dan efek perusak apoE4 pada penyakit Alzheimer 33 .

Efek
Efek protektif apoE3 Stimulasi klirens Aβ
Efek antioksidan
Proteksi protein tau terhadap fosforilasi
Merangsang pengeluaran kolesterol
Merangsang pertumbuhan neuron
Proteksi terhadap neurodegenerasi
Proteksi terhadap penurunan kognisi
Efek apoE4 Memperbesar endapan Aβ
Menghambat pertumbuhan neuron
Merangsang fosforilasi protein tau
Menyebabkan neurodegenerasi
Menyebabkan neurodegenerasi oleh fragmen apoE4
Meningkatkan potensi kebocoran lisosom yang diinduksi Aβ
Menurunkan reseptor androgen
Menyebabkan penurunan kognisi

Protein tau secara abnormal mengalami hiperfosforilasi melalu mekanisme yang sampai saat ini belum diketahui dan dirubah menjadi filamen heliks berpasangan yang bersifat patologis untuk kemudian menghasilkan NFT 14,35 . Hiperfosforilasi protein tau yang disebabkan oleh mutasi di dalam gen menyebabkan neurodegenerasi dan neuronal loss pada percobaan yang menggunakan tikus transgenik 36 . Hal ini menunjukkan bahwa protein tau yang mengalami fosforilasi bersifat neurotoksik. Sebuah penelitian baru menunjukkan bahwa protein tau berperan penting dalam neurotoksisitas yang dipicu Aβ 37 . Hiperfosforilasi protein tau akan menurunkan perubahan protein tau menjadi filamen heliks berpasangan 21,38 . Bukti penelitian in vitro dan in vivo menunjukkan bahwa apoE3 dan apoE4 memiliki efek yang berbeda terhadap fosforilasi dan agregasi protein tau.

Secara in vitro, apoE3 membentuk kompleks stabil dengan protein tau dengan rasio 1:1, sedangkan apoE4 tidak berinteraksi secara signifikan. Fosforilasi protein tau oleh otak akan menghambat interaksi apoE3 dengan protein tau , menunjukkan bahwa apoE3 berikatan dengan protein tau nonfosforilasi. Domain N-terminal dari apoE3 bertanggung jawab atas ikatan dengan protein tau . ApoE3 berikatan secara irreversibel dengan microtubule-binding repeat region dari protein tau 8,38 . Peningkatan fosforilasi protein tau telah teramati di dalam percobaan dengan tikus trasgenik yang mengekspresikan apoE4 manusia, namun hal ini tidak tampak pada tikus yang mengekspresikan apoE4 di dalam astrosit 39 . Apolipoprotein E4 memiliki efek spesifik terhadap fosforilasi tau. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa apoE dengan C-terminal yang terpotong dapat menstimulasi fosforilasi tau dan membentuk inklusi menyerupai NFT intraseluler pada tikus transgenik 21,39 .

Apolipoprotein E4 lebih rentan terhadap efek proteolitik dibandingkan apoE3. Hal ini terlihat ketika diekspresikan di dalam sel neuronal dalam bentuk rekombinan dengan enzim pembelah apoE dengan purifikasi parsial. Fragmen apoE didapatkan dalam tingkat yang lebih tinggi di dalam otak pasien AD dibanding kontrol. Kasus AD maupun kontrol dengan apoE4 memiliki lebih banyak fragmen apoE daripada mereka tanpa apoE4. Fragmen apoE dengan C-terminal yang terpotong juga tampak terakumulasi di dalam NFT otak penderita AD. Penelitian in vitro menunjukkan bahwa fragmen apoE dengan C-terminal akan bersifat toksik ketika diekspresikan di dalam neuron atau ketika ditambahkan pada kultur neuronal, berakibat pada kematian sel dan pembentukan inklusi menyerupai NFT sitoplasmik di dalam beberapa sel 23 .

Penelitian yang menggunakan promotor neuron-spesific enolase (NSE) untuk mengekspresikan apoE3 atau apoE4 pada kadar yang sama dengan dan tidak memiliki apoE endogen, memberi hasil bahwa kontrol tipe NSE-apoE4 menunjukkan gangguan belajar dengan percobaan water maze test dan pada perilaku eksplorasi vertikal. Gangguan ini meningkat seiring degan umur dan terjadi terutama pada penelitian yang menggunakan tikus transgenik apoE4 betina, menunjukkan bahwa isoform apoE manusia memiliki efek yang berbeda pada fungsi otak secara in vivo dan kerentanan terhadap defisit yang dipicu apoE4 sangat dipengaruhi oleh umur dan jenis kelamin 13,33 . Penelitian morfologis terhadap tikus transgenik menunjukan bahwa apoE3 mencegah neurodegenerasi tergantung umur dan mencegah neurodegenerasi yang dipicu kainic acid 33 . ApoE4 manusia tidak memiliki proteksi. Gangguan memori kerja juga teramati di dalam astrosit yang mengekspresikan apoE4, meski tidak ada perubahan neuropatologis yang signifikan yang ditemukan di dalam otak 33,40,41 .

SIMPULAN

Proses neurobiologi penyakit Alzheimer diawali oleh faktor genetik. Apolipoprotein E merupakan salah satu faktor genetik yang mencetuskan terjadinya penyakit Alzheimer, terutama pada individu yang memiliki alel apoE4. Tipe apoE yang lain justru lebih berperan terhadap fungsi proteksi terhadap penyakit Alzheimer. Fakto genetik diatas akan berinteraksi dengan faktor luar yaitu lingkungan dan diet. Interaksi dari faktor tersebut menghasilkan proses patologi di sinaps dan neuron yang menginduksi suatu proses disfungsi sinaps dan apoptosis, yang akan menghasilkan gejala klinis suatu Alzheimer.

SARAN

Pengetahuan tentang neurobiologi dari faktor genetik penyakit Alzheimer serta tindakan preventif terhadap faktor risiko yang dapat dikendalikan yaitu lingkungan dan diet perlu dilakukan untuk mencegah progresifitas penyakit. Penelitian lebih lanjut dalam pengembangan terapi demensia berdasarkan mekanisme keterlibatan apoE.

DAFTAR PUSTAKA

  1. Lindsay, J. Sykes, E., Mc Dowell. I., Verreault, R. and Laurin, D., 2004. More han the Epidemiology of Alzheimer’s Disease : Contribution of the Canadian Study of Health and Aging. Can J Psychiatry 2004; 49: 83-91.
  2. Harvey, RJ., Skelton-Robinson M and rosser MN,. The Prevalence and Causes of Dementia in people Under the Age of 65 Years. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 2003;74; 1206-1209.
  3. Hacker, S., The Impact of Dementia. Australian InstituteOf Health and Welfare. 2004

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

Kategori

%d blogger menyukai ini: