Book ReadingENDOTHELIUM

Jane A. Leopold

Oleh:

Desty Permataningtyas

0910710053Pembimbing:

Prof. Dr. dr. H. Djanggan Sargowo, Sp.PD, Sp.JP (K)

LAB/SMF KARDIOLOGIFAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA

RUMAH SAKIT UMUM dr. SAIFUL ANWAR

MALANG

2014EndoteliumJane A.LeopoldPada tahun 1839, seorang fisiologis Jerman Theodor Schwann menjadi orang pertama yang mendeskripsikan lapisan tipis, tetapi dapat secara jelas dilihat pada sesuatu yang diobservasi sebagai bagian dari dinding pembuluh darah kapiler yang memisahkan sirkulasi darah yang beredar dengan jaringan tubuh. Lapisan selular monolayer yang dibentuk oleh membran ini selanjutnya disebut sebagai endotelium. Namun, istilah endotelium tidak pernah muncul hingga tahun 1865 ketika istilah ini diperkenalkan oleh seorang ahli anatomi dari Swiss, Wilhelm His, pada esainya, Die Hute and Hhlen des Krpers (The Membranes and Cavities of The Body). Pada awalnya endotelium dipercaya menjadi wadah pasif untuk darah yang beredar dalam sirkulasi, sel, dan makromolekul karena lokasi anatomisnya. Saat ini telah diketahui bahwa endotelium merupakan struktur selular yang dinamis, dan sifat biologis serta fungsionalnya meluas melebihi batas anatomi fisiknya. Jika dijumlahkan, endotelium terdiri atas sekitar 10 triliun (1013) sel dengan luas permukaan 7 m2, berat 1.0 hingga 1.8 kilogram, dan menyumbangkan 1.4% dari total berat tubuh. Endotelium merupakan lapisan sel monolayer yang ada pada semua arteri, vena, kapiler, serta sistem limfatik dan terletak di hubungan antara aliran darah atau limfe dengan pembuluh darah.

Bergesernya paradigma mengenai pemahaman peranan endotel pada fungsi vaskular telah terjadi hampir setengah abad yang lalu dan terus berkembang hingga saat ini. Sebagai struktur selular dengan permukaan luminal yang terus menerus terpapar dengan aliran darah, endotelium bersifat tromboresisten, semipermeable barrier, dan mempengaruhi interaksi antara keradangan dalam sirkulasi dan sel-sel imun. Sebagai respon terhadap aliran dan tekanan pulsatil, endotelium melakukan mekanisme mekanotransduksi terhadap gaya hemodinamik tersebut untuk mensintesis dan melepaskan substansi vasoaktif yang meregulasi tonus vaskular sebagai sinyal untuk kompensasi remodelling dinding pembuluh darah. Bagian ini akan memfokuskan pada aspek biologi dari endotelium untuk memberikan wawasan mengenai bagaimana gangguan pada fungsi homeostatik dapat terjadi yang berakibat pada respon maladaptif sehingga terjadi gangguan vaskular.

Fungsi Homeostatik EndoteliumEndotelium menunjukkan heterogenitas regional yang mencerminkan lokasi arteri atau vena pada pohon vaskular serta kebutuhan metabolik dan fungsional yang khas dari jaringan dasarnya. Meskipun endotelium ini memiliki heterogenitas, tetapi terdapat sifat homeostatik basal yang umum bagi semua sel endotel (EC), walaupun beberapa dari fungsi ini memiliki peranan yang lebih besar pada beberapa vascular beds khusus (Kotak 2-1).Kotak 2-1. Fungsi Homeostatik Endotelium

Menjaga kelangsungan permukaan tromboresistan

Meregulasi homeostasis

Berfungsi sebagai semipermeable barrier

Modulasi transportasi transendotelial dari cairan, protein, dan sel

Meregulasi tonus vascular

Meregulasi proses keradangan dan transport leukosit

Terlibat dalam perbaikan dan remodelling vaskular

Pemeliharaan Permukaan Tromboresistan dan Regulasi Hemostasis

Endotelium pertama kali dikenal sebagai struktur selular yang membagi sirkulasi aliran darah. Permukaan luminal endotel terpapar dengan sel dan protein dalam aliran darah yang memiliki aktivitas protrombotik dan prokoagulan, dan jika diperlukan, membantu proses hemostasis. Endotelium normal menjaga fluiditas darah dengan mensintesis dan mensekresi faktor yang membatasi aktivasi dari clotting cascade, menghambat agregasi platelet, dan mendukung terjadinya fibrinolisis. Endotelium normal meliputi trombomodulin cell surface-associated anticoagulant factors, protein, tissue factor pathway inhibitor (TFPI), dan heparin sulfate proteoglycan (HSPG) yang berfungsi untuk membatasi koagulasi di permukaan luminal endotelium. Sebagai contoh, trombin yang memediasi aktivasi protein C dipercepat aktivitasnya 104-kali lipat saat berikatan dengan trombomodulin, Ca2+, dan reseptor endotelial protein C. Activated protein C (APC) mengikat circulating protein S, yang juga disintesis dan dilepaskan oleh endotelium, untuk menonaktifkan faktor Va dan VIIIa secara proteolitik. Tissue factor pathway inhibitor (TFPI) berupa inhibitor protease Kunitz-type yang berikatan dan menghambat faktor VIIa; sekitar 80% dari TFPI berikatan dengan endotelium melalui glycosylphosphatidylinositol anchor dan membentuk kompleks kuartet dengan faktor jaringan-faktor VIIa untuk mengurangi aktivitas pro koagulan. Proteoglikan heparin sulfat yang terdapat dalam glikokaliks sel endotel mendapatkan sifat anti koagulan dengan mengkatalisis hubungan antara circulating serine protease inhibitor anti thrombin III dengan faktor Xa, IXa, dan thrombin. Oleh karena itu, faktor anti koagulan ini berperan untuk membatasi aktivasi dan propagasi dari clotting cascade di permukaan luminal endotelial dan menjaga patensi vaskular.

Endotelium juga mensintesis dan mensekresi tissue plasminogen activator (tPA) dan ecto-adenosine diphosphatase (ecto-ADPase) CD39 untuk proses fibrinolisis dan menghambat aktivasi platelet secara berturut-turut. Tissue plasminogen activator diproduksi dan dilepaskan ke dalam aliran darah secara terus menerus, tetapi jika tPA berikatan dengan fibrin, maka tPA akan dihilangkan dari plasma dalam waktu 15 menit oleh hepar. Ikatan dengan fibrin menyebabkan percepatan aktivitas tPA amidolitik dengan meningkatkan efisiensi katalitik untuk aktivasi plasminogen dan pembentukan plasmin. Aktivasi platelet di permukaan luminal endotelial dihambat oleh aksi dari ectonucleotidase CD39/NTPDase 1 yang menghidrolisis adenosin difosfat (ADP), prostasiklin (PGI2), dan nitrit oksida (NO). Secara bersama-sama agen-agen tersebut memelihara lingkungan permukaan endotelial yang profibrinolitik dan antitrombotik.

Sebaliknya, dalam kasus trauma vaskular akut, endotelium memulai respon hemostatik yang cepat dan terukur melalui regulasi sintesis dan pelepasan faktor jaringan dan von Willebrand faktor (vWF). Faktor jaringan merupakan multidomain glikoprotein transmembran (GP) yang membentuk kompleks dengan circulating factor VIIa untuk aktivasi clotting cascade dan pembentukan thrombin. Faktor jaringan diekspresikan oleh sel otot polos vaskular (VSMCs) dan fibroblast serta oleh sel endotel (ECs) hanya setelah aktivasi. Faktor jaringan mendapatkan aktivitas biologisnya dengan paparan terhadap phosphatidylserine, dedimerisasi, penurunan paparan terhadap TFPI, atau modifikasi post translasional yang mencakup pembentukan ikatan disulfida antara Cys186 dan Cys209. Ikatan disulfida ini penting untuk aktivitas koagulasi faktor jaringan dan berkurang oleh isomerase protein disulfida yang terletak pada permukaan sel endotel (EC).

Endotelium juga mensintesa dan menyimpan vWF, GP polimer yang besar yang diekspresikan secara cepat sebagai respon terhadap trauma. Propeptida dan multimer dari vWF terbungkus dalam Weibel-Palade bodies yang bersifat unik dalam endotelium. Sekali dilepaskan, multimer vWF membentuk suatu rangkaian seperti tali memanjang yang menahan platelet tetap berada di sisi endotel yang mengalami trauma. Weibel-Palade bodies juga mengandung P-selectin, angiopoietin-2, osteoproteogrin, tetraspanin CD63/Lamp3, yang berperan sebagai sitokin, yang dipercaya terbentuk sebagai akibat dari pembungkusan insidental (incidental packaging). Pool penyimpanan vWF mungkin dipindahkan secara cepat ke permukaan endotelial, di mana faktor ini akan berikatan dengan kolagen yang terpapar dan turut berperan dalam pembentukan plug hemostatik platelet primer. Endotelium memodulasi respon ini lebih jauh dengan meregulasi ukuran vWF dan dengan aktivitasnya, melalui aksi produk sel endotel ADAMTS13 (a disintegrin and metalloproteinase denganthrombospondin type 1 motif, number 13). Protease ini memecah vWF yang dilepaskan di Tyr1605-Met1606 untuk pembentukan polimer yang berukuran lebih kecil dan menurunkan kecenderungan pembentukan thrombus platelet. Jadi endotelium menggunakan pemisahan geografikal dari faktor-faktor yang meregulasi fungsi anti- dan protrombotik untuk memelihara fluiditas darah sehingga memberikan respon hemostatik untuk trauma vaskular.

Barrier Semipermeabel dan Jalur Transport Transendotelial

Lapisan monolayer endotelium bertindak sebagai barrier semipermeabel yang bersifat size-selective yang membatasi transit dua arah secara bebas dari air, makromolekul, dan sel dalam sirkulasi atau resident antara aliran darah dan dinding atau jaringan pembuluh darah setempat. Fungsi permeabilitas ditentukan oleh bagian dari susunan arsitektural lapisan endotel monolayer dan juga aktivasi jalur yang memfasilitasi transport transendotelial dari cairan, molekul, dan sel. Transport ini terjadi melalui jalur transelular yang meliputi pembentukan, trafficking, dan transitosis vesikel atau dengan pelonggaran junctions inter endotelial dan jalur paraselular. Molekul yang melintasi endotelium melalui jalur paraselular terbatas pada ukuran diameter kurang dari atau sama dengan 3 nm, sementara molekul dengan diameter yang lebih besar secara aktif ditransportasikan melewati sel melalui vesikel. Meskipun aliran difusi air terjadi dalam sel endotel melalui aquaporin transmembrane water channels, kontribusi kanal ini terhadap konduktivitas dan permeabilitas selular cukup terbatas. Terdapat heterogenitas makrostruktural dari lapisan monolayer endotelial yang mencerminkan kebutuhan fungsional dan metabolik dari jaringan dasar endotelialnya dan memiliki akibat pada fungsi permeabilitasnya. Endotelium dapat tersusun secara continuous atau discontinuous: endotelium yang tersusun secara continuous dapat disertai dengan fenestrae atau tanpa fenestrae.Endotelium continuous nonfenestrated membentuk barrier eksklusif dan ditemukan pada pembuluh darah arteri dan vena dari jantung, paru-paru, kulit, jaringan ikat, otot, retina, medulla spinalis, otak, dan mesenterium. Sebaliknya, endotelium continuous fenestrated terletak di pembuluh darah yang memvaskularisasi organ-organ yang terlibat dalam proses filtrasi atau organ-organ dengan transendothelial transport demand yang tinggi, termasuk glomeruli renal, vasa recta ascending dan kapiler peritubular dari ginjal, kelenjar endokrin dan eksokrin, villi intestinal, dan pleksus koroid otak. Sel endotelial ini ditandai dengan adanya fenestrae atau pori transelular dengan diameter 50 hingga 80 nm, dalam sebagian besar sel, terdapat diafragma nonmembranous berukuran 5 hingga 6 mm melewati pembukaan pori. Distribusi fenestrae ini mungkin terpolarisasi dalam sel endotelial dan mengizinkan terjadinya peningkatan barrier size selectivity dari diafragma.

Endotelium discontinuous ditemukan dalam sumsum tulang, lien, dan sinusoid liver. Lapisan monolayer endotel tipe ini secara khas memiliki fenestrae dengan diameter yang berukuran besar (100 200 nm) dengan tidak adanya diafragma dan gaps serta membran basalis dasar yang poorly organized, di mana membran tersebut menyebabkan aliran transelular dari air atau larutan seperti transportasi selular.

Jalur transelular dan paraselular merupakan dua rute yang berbeda di mana protein plasma, larutan, dan cairan melewati lapisan endotelial monolayer. Jalur transelular menyediakan mekanisme receptor-mediated untuk transport albumin, lipid, dan hormon melewati endotelium. Jalur paraselular merupakan jalur yang bergantung pada integritas struktural dari kelekatan (adherens), kerapatan (tight), dan gap junctions serta mengizinkan cairan dan larutan untuk menembus antara sel endotelial, tetapi membatasi transport molekul yang besar. Meskipun jalur-jalur tersebut saling berkaitan dan bersama-sama berperan dalam modulasi permeabilitas di bawah kondisi basal.

Gambar 2-1. Mekanisme Transport Transendotelial. Endotelium merupakan membran semipermeabel yang memfasilitasi transport transendotelial dari larutan, makromolekul, dan sel melalui jalur transelular (kiri) atau jalur paraselular (kanan). Jalur transelular mengizinkan transit albumin dan atau molekul besar yang lain melewati endotelium menggunakan caveolae sebagai mekanisme transportasi. Sekali caveolin-1 (cav-1) berinteraksi dengan gp60, caveolae terpisah dari permukaan sel untuk membentuk vesikel yang akan mengalami transit vectorial ke permukaan endoluminal. Di sini, vesikel menyatu dengan N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment receptors (SNAREs) dan melepaskan muatannya ke ruang subendotelial. Sebaliknya, jalur paraselular mengandalkan integritas adherens junctions antara sel endotel (EC). Molekul vascular endothelial (VE)-cadherin dari sel-sel endotel (ECs) yang saling berdekatan membentuk barrier yang dipeliharan oleh -catenin (-cat), -catenin (-cat), dan -catenin (-cat). Beberapa mediator yang meningkatkan permeabilitas melakukan hal serupa dengan melakukan penyusunan kembali sitoskeletal aktin, memicu pemisahan fisik dari molekul VE-cadherin dan perlintasan dari larutan dan protein. Platelet-endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) dan junctional adhesion molecules (JAM) yang terdapat dalam adherens junction juga mengizinkan leukosit melintas melalui adherens junction. (Diadaptasi dari Komarova Y, Malik AB: Regulation of endothelial permeability via paracellular and transcellular transport pathways. Annu Rev Physiol 72:493; 2010)Transport transelular albumin dan albumin terikat makromolekul diawali dengan terikatnya albumin ke gp60 atau albondin, 60-kDa protein albumin-binding yang terletak dalam caveolae berbentuk botol dalam permukaan sel. Caveolae ini merupakan struktur kolesterol- dan sphingolipid-rich yang mengandung caveolin-1. Sekali teraktivasi, gp60 berinteraksi dengan caveolin-1, diikuti dengan konstriksi leher caveolae dan pemecahan dari permukaan sel. Aksi ini memicu pembentukan vesikel dengan diameter sekitar 70 nm dan transitosis vesikel. Caveolae mungkin mengandung sebanyak 15% hingga 20% dari volume sel sehingga caveolae ini mampu memindahkan sejumlah cairan melewati sel melalui mekanisme ini. Sekali vesikel terlepas dari membran, vesikel akan mengalami transit vektorial ke membran abluminal, di mana mereka akan terkait dan menyatu dengan membran plasma melalui interaksi dengan vesicle-associated dan membrane-associated target soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment receptors (SNAREs). Sekali terkait, vesikel melepaskan muatannya ke ruang interstitial. Vesikel dapat melintasi sel sebagai struktur individu atau kelompok untuk membentuk struktur channel-like dengan diameter 80 hingga 200 nm yang menjangkau sel. Meskipun transport vesikel transelular merupakan mekanisme utama transport albumin dalam sel, saat ini dinilai bahwa jalur ini tidak diperlukan secara absolut untuk fungsi permeabilitas karena kemampuan kompensasi dari jalur paraselular.

Hubungan antara sel endotel yang meliputi kelekatan (adherens), kerapatan (tight), dan gap junctions, hanya pembentuk dua modulasi permeabilitas dan berisikan jalur paraselular. Adherens junctions secara normal tidak permeabel terhadap albumin dan molekul besar yang lain serta merupakan determinan mayor dari fungsi barrier endotelial dan permeabilitas. Ekspresi dari tight junctions sebaliknya tebatas pada fungsi blood-brain atau blood-retinal barrier di mana mereka membatasi atau mencegah perlintasan dari molekul-molekul kecil (