Sel induk retina

TINJAUAN KEPUSTAKAAN

Stem Cell Retina: Harapan Baru

untuk Mengatasi Kebutaan?

Meta W. Djojosubroto

Hôpital Ophtalmique Jules Gonin, Avenue de France 15

1044 Lausanne, Switzerland

Retinitis pigmentosa (RP) dan degenerasi makular akibat

penuaan (DMP) merupakan dua jenis kebutaan yang

disebabkan oleh kelainan pada sel-sel fotoreseptor. Hingga saat

ini belum ditemukan cara pengobatan yang paling sesuai untuk

mengatasi kedua kondisi kebutaan tersebut. Walaupun

demikian, penelitian telah menunjukkan kemajuan dalam

pengembangan beberapa terapi yang dapat digunakan. Salah

satunya adalah dengan menggunakan stem cells yang

ditransplantasikan pada retina.

Penyakit degenerasi dan trauma pada sistem saraf sentral

yang terjadi pada otak, retina, maupun sumsum tulang belakang

merupakan sumber utama kelumpuhan jangka panjang. Pada

retina, degenerasi dapat terjadi pada

sel-sel fotoreseptor, yang

dapat menyebabkan antara lain retinitis pigmentosa (RP). RP

adalah penyakit mata keturunan. Pada pasien RP, degenerasi

sel fotoreseptor terjadi secara bertahap menyebabkan hilangnya

penglihatan secara progresif. Jumlah penderita RP diperkirakan

memiliki rasio 1:4000 dan gejala klinis umumnya timbul pada

usia 20-30 tahun. Selain RP, penyakit degenerasi retina lain

yang menyebabkan hilangnya penglihatan sentral secara

progresif adalah degenerasi makular akibat penuaan (DMP).

DMP umumnya terjadi pada usia 60-70 tahun, dan merupakan

penyebab utama kebutaan pada orang-orang yang berusia lebih

dari 55 tahun. Sampai saat ini belum ada metode penyembuhan

RP maupun DMP. Walaupun demikian, para peneliti telah

berhasil mengembangkan beberapa metode pengobatan yang

menjanjikan, antara lain dengan artificial retinal implants

terapi gen

2,3

, transplantasi stem cell

, maupun pemberian nutrisi

khusus

5,6

STEM CELLS

Stem cells adalah sel-sel yang memiliki potensi tinggi

untuk berkembang menjadi berbagai jenis sel dalam tubuh.

Pada dasarnya, stem cells berfungsi sebagai salah satu

mekanisme perbaikan tubuh. Dengan kemampuan membelah

diri yang dapat dikatakan tak terhingga, stem cells dapat

menggantikan sel-sel yang rusak atau mati sepanjang hidup

suatu organisme. Jika suatu stem cell membelah, sel anakan

yang baru memiliki potensi untuk tetap menjadi stem cell atau

menjadi suatu jenis sel dengan fungsi spesifik, misalnya sel

otot, sel darah, atau sel otak.

Berdasarkan asalnya, stem cell dibedakan menjadi stem

cell embrio dan stem cell dewasa. Stem cell embrio diperoleh

dari embrio yang berkembang dari sel telur yang dibuahi sel

sperma secara in vitro, dilakukan di klinik fertilisasi in vitro,

dan didonasikan untuk riset dengan sepengetahuan donor.

Berbeda dengan stem cell embrio, stem cell dewasa umumnya

berada di beberapa jaringan tertentu dan berfungsi

menghasilkan sel-sel yang membentuk jaringan tersebut.

Contohnya stem cell hematopoetik pada sumsum tulang

belakang dapat menghasilkan berbagai jenis sel darah seperti

eritrosit dan leukosit. Stem cell embrio memiliki potensi

tertinggi (totipotensi atau multipotensi) untuk berkembang

menjadi hampir semua jenis sel pada tubuh, sedangkan stem

cell dewasa memiliki potensi berkembang yang lebih rendah

(pluripotensi) karena umumnya terbatas pada jenis-jenis sel

tertentu.

Sampai saat ini, penelitian stem cell pada umumnya masih

berkutat pada pertanyaan-pertanyaan dasar: bagaimana

mengarahkan stem cell agar dapat berdiferensiasi menjadi jenis

sel yang diperlukan untuk mengobati kondisi tertentu (misalnya

neuron untuk mengobati penyakit Parkinson), bagaimana

memastikan sel-sel tersebut tetap hidup setelah transplantasi,

bagaimana supaya sel-sel tersebut tidak ditolak oleh sistem

imun inang, serta bagaimana mencegah terjadinya pembelahan

sel yang tak terkendali yang dapat berakibat kanker.

Stem cells untuk pengobatan

Transplantasi stem cells pada berbagai jaringan dan organ,

terutama penggunaan stem cells hematopoetik dari darah tali

pusat (cord blood) untuk pengobatan penyakit darah, sangat

menjanjikan. Dalam beberapa tahun terakhir terjadi

peningkatan penggunaan darah tali pusat untuk pengobatan

pasien dari berbagai golongan usia. Jepang telah menggunakan

darah tali pusat pada lebih dari 50% transplantasi pada pasien

anak-anak maupun dewasa. Di Amerika Serikat, darah tali

Cermin Dunia Kedokteran No. 153, 2006

pusat juga telah digunakan lebih dari 50% dari total

transplantasi pada anak-anak, sedangkan pada pasien dewasa

mendekati 20%

Keberhasilan transplantasi stem cells pada jaringan darah

sayangnya belum berhasil diikuti keberhasilan pada sistem

saraf. Pada saat ini, pengobatan penyakit saraf seperti penyakit

Parkinson, Alzheimer, atau degenerasi sel retina dengan

transplantasi stem cells masih terlalu dini untuk dilakukan.

Walaupun demikian, percobaan transplantasi stem cell saraf

pada berbagai hewan percobaan telah menunjukkan berbagai

kemajuan yang makin mendekatkan penggunaan stem cells

untuk pengobatan penyakit saraf ke arah klinik (diulas di

Ref.

TRANSPLANTASI PADA RETINA

Transplantasi menggunakan enten (graft) retina pada otak

inang neonatal menunjukkan bahwa enten retina dapat sintas

(survive), berkembang, dan bahkan membuat hubungan saraf

dengan otak inang

. Hasil eksperimen tersebut menimbulkan

asumsi bahwa penggunaan enten retina yang ditransplantasikan

pada retina lain bisa lebih mudah menghasilkan hubungan saraf

dibandingkan enten retina pada otak. Sayangnya, ternyata tidak

semudah itu. Selama lebih dari satu dekade terakhir para

peneliti retina masih berkutat pada permasalahan pengentenan,

sintasan, dan diferensiasi sel-sel yang ditransplantasikan.

Teknik bedah mata modern telah memungkinkan

transplantasi sel pada daerah subretina. Transplantasi

menggunakan kumpulan sel-sel yang berbentuk lembaran

diperkirakan lebih menjanjikan daripada transplantasi

menggunakan sel-sel tunggal. Salah satu hasil eksperimen yang

menggunakan metode tersebut dilaporkan oleh group Maureen

A. McCall

. Retina dari fetus tikus normal ditransplantasikan

pada retina tikus yang memiliki mutasi pada gen rhodopsin.

Rhodopsin adalah pigmen di retina yang berperan dalam

pembentukan sel fotoreseptor pada fetus dan dalam persepsi

cahaya pada mata dewasa. Karena tidak adanya rhodopsin,

tikus mutan mengalami degenerasi retina seperti pada RP.

Beberapa minggu setelah transplantasi, uji histologi

menunjukkan bahwa retina donor dapat mengenten dengan

baik. Yang lebih menarik lagi, retina tikus inang menunjukkan

respon saat diberi rangsangan cahaya pada daerah transplantasi,

sementara daerah yang tidak mendapat transplan tidak

memberikan respon karena fotoreseptornya telah mengalami

degenerasi. Walaupun hasil penelitian ini sangat menjanjikan,

kelemahannya adalah diperlukannya banyak embrio sebagai

donor retina untuk dapat meliput seluruh retina mata dewasa.

Hal ini jelas tidak mungkin dilakukan pada manusia dan dalam

hal ini stem cells menjadi donor yang lebih menjanjikan.

Sebagaimana penggunaan stem cells pada penyakit saraf

lainnya, stem cell untuk mengobati kebutaan akibat RP atau

DMP hingga saat ini masih dalam tahap penelitian. Beberapa

grup peneliti telah menunjukkan kemajuan yang membesarkan

hati. Salah satu contohnya adalah transplantasi stem cell dari

hipokampus yang disuntikkan ke vitreous mata. Hasil

pengamatan setelah 4 minggu menunjukkan bahwa sel-sel

tersebut dapat bermigrasi dari vitreous menuju berbagai lapisan

retina

. Walaupun menjanjikan, keberhasilan sel donor

berintegrasi pada lapisan retina menjadi mentah bila tidak

diikuti oleh kemampuan stem cell donor untuk berdiferensiasi

menjadi jenis sel retina yang tepat. Hasil uji ternyata

menunjukkan bahwa walaupun stem cells hipokampus berhasil

berintegrasi dan menunjukkan morfologi yang menyerupai sel

neuron, tidak ditemukan penanda-penanda khas retina pada sel-

sel tersebut, yang mengisyaratkan bahwa neuron dari stem cell

hipokampus tersebut belum mampu menggantikan fungsi

neuron retina.

Kemampuan stem cell hipokampus mengenten pada retina

dan bahkan berdiferensiasi menjadi neuron menimbulkan

pemikiran bahwa penggunaan stem cell yang benar-benar

berasal dari retina mungkin memberikan hasil yang lebih baik.

Bersama dengan laboratorium Dr. van der Kooy, grup kami

telah berhasil mengembangkan metode isolasi stem cells retina

manusia dari donor berbagai usia (prenatal hingga 70-an

tahun)

. Stem cell retina dewasa tersebut ditemukan pada

daerah pars plicata dan pars plana pada retinal ciliary margin,

dengan rasio 1:500

Dalam penelitian kami, selain stem cell retina manusia

juga digunakan stem cell retina dewasa yang diisolasi dari

mencit. Sel-sel tersebut dapat dikultur hingga lebih dari satu

tahun (setara dengan sekitar 10

sel) menunjukkan bahwa

kondisi kultur yang digunakan dapat menunjang self-renewal

sel-sel tersebut

. Lebih meyakinkan lagi, hasil uji kimia

imunitas dan RT-PCR menunjukkan bahwa sel-sel tersebut

mengekspresikan protein nestin, yaitu protein pada rangka sel

epitelial saraf immature yang merupakan penanda sel saraf

progenitor

, dan protein Bmi1 yang merupakan penanda stem

cell. Selain Bmi1, penanda stem cell lainnya yang sering

digunakan adalah Notch, Numb, Musashi-1 dan Presenilin.

Selain itu ada pula penanda inti seperti FGF4, Fz9, Sox2, dan

Nucleostemin yang banyak digunakan sebagai penanda stem

cell saraf

15,16

Selain dari jaringan otak maupun retina, sel-sel retina

dapat pula dihasilkan dari stem cells embrio. Baru-baru ini,

grup Thomas Reh dari University of Washington di Seattle,

Amerika Serikat, telah mempublikasikan hasil penemuan

mereka mengenai kondisi kultur yang dapat digunakan untuk

menginduksi stem cell embrio manusia menjadi sel-sel retina

(sel-sel ganglion dan amakrin)

Walaupun keberhasilan mengisolasi dan membiakkan stem

cell retina secara in vitro sangat menjanjikan, sayangnya belum

cukup untuk menjamin penggunaannya untuk mengatasi

kebutaan. Masalah yang dihadapi peneliti stem cell di seluruh

dunia antara lain adalah bagaimana mengatur sintasan dan

diferensiasi sel-sel yang telah mengenten. Sel yang

ditransplantasikan harus dari tahap yang tepat agar dapat

menyintas dengan baik, dan agar kemudian dapat

berdiferensiasi menjadi sel yang tepat untuk mengobati

penyakit yang menjadi target. Salah satu cara misalnya dengan

melakukan priming dengan kondisi in vitro tertentu selama 7

hari sebelum transplantasi, yang terbukti menunjang sintasan

stem cells saraf fetus tikus setelah transplantasi

Untuk mengetahui cara menginduksi diferensiasi yang

tepat dilakukan eksperimen menggunakan berbagai kombinasi

faktor pertumbuhan sel secara in vitro. Salah satu studi yang

Cermin Dunia Kedokteran No. 153, 2006

sedang saya lakukan adalah upaya mengarahkan stem cell agar

berdiferensiasi menjadi sel-sel retina yang spesifik, misalnya

agar menjadi sel-sel fotoreseptor, bipolar, amakrin, dan

sebagainya. Penting untuk diketahui bahwa sel-sel retina

terbentuk dengan urutan yang spesifik. Pada perkembangan

mata pra- dan post-natal, sel retina yang pertama terbentuk

adalah sel ganglion retina, diikuti oleh fotoreseptor runjung

(cone) dan sel-sel amakrin. Kemudian muncul sel horisontal

yang diikuti fotoreseptor batang (rod). Sel bipolar dan sel glia

üller merupakan sel-sel yang terbentuk paling akhir pada

neurogenesis

. Jelas bahwa organisasi sel-sel pada retina

terbentuk melalui suatu proses perkembangan yang rumit yang

mengikutsertakan berbagai faktor instrinsik dan ekstrinsik.

Penelitian menunjukkan bahwa faktor ekstrinsik sangat

mempengaruhi pembentukan sel-sel retina. Perkembangan

fotoreseptor batang didorong oleh berbagai faktor, antara lain

fibroblast growth factor-2 (FGF-2), sonic hedgehog (SHH) dan

laminin b2. Ciliary neurotrophic factor (CNTF) dan leukemia

inhibitory factor (LIF) diketahui berperan menghalangi

diferensiasi fotoreseptor batang dengan mendorong sel-sel yang

sedang berdiferensiasi menjadi fotoreseptor batang untuk

membentuk sel-sel bipolar. Secara in vitro, retinoic acid

diketahui mendorong diferensiasi fotoreseptor. Activin A juga

diketahui meregulasi diferensiasi pada perkembangan retina.

Selanjutnya diketahui pula bahwa protein Prox-1

mempengaruhi keluarnya sel progenitor retina dari siklus sel,

dan ditemukan pada sel-sel horizontal, bipolar dan amakrin

sepanjang perkembangan retina. Selain itu, ada pula Math3 dan

NeuroD yang meregulasi spesifikasi sel amakrin. Walaupun

kemajuan teknologi transgenik telah membawa pengertian

lebih lanjut terhadap pekembangan retina, masih perlu banyak

penelitian yang dilakukan sebelum peneliti dapat dengan

mudah memanipulasi dan mengontrol diferensiasi stem cell

retina.

Eksperimen in vitro yang grup kami lakukan berusaha

meniru keadaan pembentukan mata pada fetus. Pada saat

cawan optik terbentuk, sel-sel yang membentuk lensa mata

mensekresikan FGF ke sel-sel di sekitarnya, termasuk sel-sel

yang kemudian akan menjadi retina. Grup kami berusaha

meniru kondisi ini dengan memaparkan kultur stem cells

terhadap FGF-2 selama 2 hari (tahap priming), diikuti dengan

pemberian B27 (suplemen yang mengandung retinoic acid).

Metode tersebut terbukti efektif untuk menginduksi stem cell

retina menjadi sel neuron retina (57%), termasuk sel-sel dengan

penanda sel fotoreseptor (antara 25-35% dari jumlah sel

total)

. Saat ini, kami sedang mencoba berbagai kombinasi

faktor ekstrinsik untuk menginduksi diferensiasi in vitro

menjadi sel-sel retina yang lain dengan jumlah yang lebih

banyak.

Secara in vivo, grup kami telah melakukan transplantasi

stem cells retina pada vitreous mata mencit. Setelah 4 minggu,

sebagian besar sel-sel tersebut telah bermigrasi secara acak ke

lapisan sel ganglion dan beberapa sel mencapai lapisan inner

plexiform. Sel-sel tersebut berdiferensiasi menjadi jenis sel

retina sesuai dengan lapisan retina di mana sel-sel tersebut

berintegrasi. Sayangnya, dalam eksperimen ini, grup kami tidak

berhasil menemukan sel yang berdiferensiasi menjadi

fotoreseptor

. Saat ini kami mencoba berbagai pendekatan lain

dalam teknik transplantasi, selain juga berupaya meningkatkan

pengetahuan dan kemampuan kami dalam memproduksi stem

cell retina yang berada dalam tahap yang tepat untuk

transplantasi.

Hal-hal yang dapat dilakukan saat ini dan di masa depan

untuk menunjang riset stem cell retina

Untuk dapat mencapai keberhasilan penggunaan stem cells

retina untuk mengobati kebutaan, para peneliti perlu

mengembangkan eksperimennya secara sederhana namun tepat

pada sasaran. Banyak masalah yang perlu diselesaikan sebelum

transplantasi dapat diterapkan pada manusia, dan setiap usaha

ke arah itu harus multidisiplin, mulai dari riset sains yang

paling mendasar hingga yang paling klinis. Selain itu,

penerapan berbagai metode baru seperti tissue engineering

dapat meningkatkan keberhasilan transplantasi.

Kemampuan untuk menginduksi diferensiasi stem cells

menjadi sel-sel retina secara in vitro walaupun belum dapat

digunakan untuk transplantasi pada manusia tidak menjadi

percuma. Sel-sel retina yang spesifik seperti fotoreseptor sangat

berguna misalnya untuk skrining kandidat obat yang dapat

memproteksi fotoreseptor terhadap degenerasi. Selain itu, sel-

sel tersebut juga dapat digunakan untuk uji coba transplantasi

pada hewan percobaan.

Mengingat proses transplantasi pada hewan kecil

(misalnya mencit dan tikus) memiliki banyak halangan teknis,

transplantasi telah mulai dicoba pada hewan percobaan yang

lebih besar, misalnya pada babi

. Transplantasi menggunakan

hewan besar sangat berguna untuk menentukan keberhasilan

graft secara lebih akurat, serta dapat digunakan untuk

mengembangkan metode operasi transplantasi yang selanjutnya

dapat digunakan di klinik.

KEPUSTAKAAN

1. Chow AY et al. The artificial silicon retina microchip for the treatment

of vision loss from retinitis pigmentosa. Arch. Ophthalmol. 2004;122,

460-469.

2. Yanez-Munoz,RJ et al. Effective gene therapy with nonintegrating

lentiviral vectors. Nat. Med. 2006; 12: 348-353.

3. Kostic,C. et al. Activity analysis of housekeeping promoters using self-

inactivating lentiviral vector delivery into the mouse retina. Gene Ther.

2003; 10: 818-821

4. Otani,A. et al. Rescue of retinal degeneration by intravitreally injected

adult bone marrow-derived lineage-negative hematopoietic stem cells. J.

Clin. Invest 2004; 114: 765-774

5. Schmidt-Erfurth,U. Nutrition and retina. Dev. Ophthalmol. 2005; 38,

120-147

6. Berson,E.L. Nutrition and retinal degenerations. Int. Ophthalmol. Clin.

2000; 40: 93-111

7. Rubinstein,P. Why cord blood? Hum. Immunol. 2006; 67: 398-404

8. Lindvall,O., Kokaia,Z. Stem cells for the treatment of neurological

disorders. Nature 2006; 441: 1094-1096

9. Klassen,H. & Lund,R.D. Retinal transplants can drive a pupillary reflex

in host rat brains. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1987; 84: 6958-6960.

10. Sagdullaev BT, Aramant RB, Seiler MJ, Woch G,. McCall MA. Retinal

transplantation-induced recovery of retinotectal visual function in a

rodent model of retinitis pigmentosa. Invest Ophthalmol. Vis. Sci. 2003 ;

44:1686-1695.

Cermin Dunia Kedokteran No. 153, 2006

11. Young MJ, Ray J, Whiteley SJ, Klassen H, Gage FH. Neuronal

differentiation and morphological integration of hippocampal progenitor

cells transplanted to the retina of immature and mature dystrophic rats.

Mol. Cell Neurosci. 2000; 16:197-205.

12. Coles BL et al. Facile isolation and the characterization of human retinal

stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 2004; 101:15772-15777.

13. Angenieux B, Schorderet DF, Arsenijevic Y. Epidermal growth factor is a

neuronal differentiation factor for retinal stem cells in vitro. Stem Cells

2006; 24: 696-706.

14. Lendahl U, Zimmerman LB, McKay RD. CNS stem cells express a new

class of intermediate filament protein. Cell 1990; 60: 585-595.

15. Cai J. et al. Properties of a fetal multipotent neural stem cell (NEP cell).

Dev. Biol. 2002;251: 221-240

16.

Tsai RY, McKay RD. A nucleolar mechanism controlling cell

proliferation in stem cells and cancer cells. Genes Dev. 2002;16: 2991-

3003

17. Lamba DA, Karl MO, Ware CB, Reh TA. Efficient generation of retinal

progenitor cells from human embryonic stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci.

U S A 2006.

18. Gao J. et al. Transplantation of primed human fetal neural stem cells

improves cognitive function in rats after traumatic brain injury. Exp.

Neurol. 2006.

19. Young RW. Cell differentiation in the retina of the mouse. Anat. Rec.

1985; 212: 199-205

20. Merhi-Soussi F et al. High Yield of Cells Committed to the Photoreceptor

Fate from Expanded Mouse Retinal Stem Cells. Stem Cells 2006.

21. Canola K. et al. Retinal stem cells transplanted into models of late stages

of retinitis pigmentosa preferentially adopt a glial or a retinal ganglion

cell fate. 2006. Ref Type: Unpublished Work

22. Warfvinge K. et al. Retinal progenitor cell xenografts to the pig retina:

morphologic integration and cytochemical differentiation. Arch.

Ophthalmol. 2005; 123: 1385-1393.

Cermin Dunia Kedokteran merasa sangat kehilangan atas meninggalnya :

Bapak Sriwidodo WS

Salah seorang yang pengabdiannya untuk Majalah Cermin Dunia Kedokteran

sejak awal sangat berarti dalam membesarkan majalah ini

di RS Husada, Jakarta pada tanggal 15 Agustus 2006

Cermin Dunia Kedokteran No. 153, 2006

Document Outline