pemodelan pengaruh radiasi terhadap sel kanker...

5
30 November 2017 PROSIDING SKF 2017 Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker Menggunakan Yeast dan Laser Zahrotul Firdaus Tri Wahyu Lestari 1,a) dan Sparisoma Viridi 1,b) 1 Laboratorium Biofisika, Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 a) [email protected] (corresponding author) b) [email protected] Abstrak Yeast atau ragi telah dikenal sebagai model yang baik untuk studi tentang proses biologi seperti kanker dan siklus sel pada organisme multiseluler. Salah satu organisme yang termasuk yeast adalah Shaccaromyses cerevisae, organisme ini berkembang biak dengan memproduksi tunas dengan pertambahan jumlah secara eksponensial selama proses pembentukan koloni dengan diameter 0.2 mm. Berdasarkan karakteristik tersebut maka yeast cocok digunakan sebagai pemodelan sel kanker. Pengamatan secara langsung pengaruh radiasi terhadap sel kanker sulit dilakukan, sehingga dilakukan eksperimen pemodelen dengan menggunakan laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Ketika laser berinteraski dengan jaringan biologi, terjadi berbagai interaksi bergantung pada koefisien refleksi, absorbsi, hamburan, dan parameter dari radiasi laser tersebut, seperti energi, waktu paparan, dan panjang gelombang. Interaksi ini telah dimanfaatkan dalam bidang medis terutama dalam hal terapi maupun operasi. Tujuan dari penelitian adalah untuk mengetahui apakah laser dapat digunakan sebagai pemodelan yang cocok untuk pemodelan pengaruh radiasi terhadap kanker seperti pada saat radioterapi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tren grafik simulasi pengaruh laser terhadap yeast dengan grafik pengaruh radiasi terhadap jumlah sel memiliki pola yang sama yaitu menurun terhadap pertambahan waktu. Namun jika dilihat kembali perbandingan antara jumlah sel yang tidak diberi laser dan yang diberi laser tidak menunjukkan perubahan yang signifikan seperti perubahan pada jumlah sel saat treatment radioterapi. Sehingga model interaksi laser dengan yeast dengan peninjauan thermal interaction tidak dapat menggambarkan pengaruh radiasi terhadap sel secara tepat. Kata-kata kunci: Budding, Granular, Kanker, Laser, Radiasi, Sel, Yeast PENDAHULUAN Yeast atau ragi merupakan organisme uniseluler yang termasuk dalam kingdom fungi. Yeast berkembang biak dengan menggunakan reproduksi aseksual yaitu membentuk tunas atau budding. Pembentukan tunas dilakukan ketika sel sudah mencapai ukuran tertentu, selama sel anak belum tumbuh mencapai ukuran tersebut maka tidak akan terjadi pertambahan tunas. Proses pertambahan jumlah sel atau proses budding akan berlangsung secara eksponensial dan akan stasioner setelah periode tertentu. oleh karena itu yeast dikenal sebagai model yang baik untuk studi tentang proses biologi seperti kanker dan siklus sel pada organisme multiseluler. Salah satu organisme yang termasuk yeast adalah Shaccaromyses cerevisae, organisme ini berbentuk elips dan memiliki ukuran 5-10 ΞΌm, reproduksi tunas dengan pertambahan jumlah secara eksponensial berlangsung selama proses pembentukan koloni dengan diameter 0.2 mm. Pertumbuhan jumlah sel secara eksponensial dapat dirumuskan sebagai ISBN: 978-602-61045-3-3 7

Upload: others

Post on 25-Jan-2020

12 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker ...portal.fmipa.itb.ac.id/skf2017/kfz/files/skf_2017...Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi

30 November2017

PROSIDINGSKF2017

Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker

Menggunakan Yeast dan Laser

Zahrotul Firdaus Tri Wahyu Lestari1,a) dan Sparisoma Viridi1,b)

1Laboratorium Biofisika,

Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika,

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,

Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132

a) [email protected] (corresponding author)b) [email protected]

Abstrak

Yeast atau ragi telah dikenal sebagai model yang baik untuk studi tentang proses biologi seperti kanker dan

siklus sel pada organisme multiseluler. Salah satu organisme yang termasuk yeast adalah Shaccaromyses

cerevisae, organisme ini berkembang biak dengan memproduksi tunas dengan pertambahan jumlah secara

eksponensial selama proses pembentukan koloni dengan diameter 0.2 mm. Berdasarkan karakteristik

tersebut maka yeast cocok digunakan sebagai pemodelan sel kanker. Pengamatan secara langsung pengaruh

radiasi terhadap sel kanker sulit dilakukan, sehingga dilakukan eksperimen pemodelen dengan menggunakan

laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Ketika laser berinteraski dengan jaringan

biologi, terjadi berbagai interaksi bergantung pada koefisien refleksi, absorbsi, hamburan, dan parameter

dari radiasi laser tersebut, seperti energi, waktu paparan, dan panjang gelombang. Interaksi ini telah

dimanfaatkan dalam bidang medis terutama dalam hal terapi maupun operasi. Tujuan dari penelitian adalah

untuk mengetahui apakah laser dapat digunakan sebagai pemodelan yang cocok untuk pemodelan pengaruh

radiasi terhadap kanker seperti pada saat radioterapi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tren grafik

simulasi pengaruh laser terhadap yeast dengan grafik pengaruh radiasi terhadap jumlah sel memiliki pola

yang sama yaitu menurun terhadap pertambahan waktu. Namun jika dilihat kembali perbandingan antara

jumlah sel yang tidak diberi laser dan yang diberi laser tidak menunjukkan perubahan yang signifikan

seperti perubahan pada jumlah sel saat treatment radioterapi. Sehingga model interaksi laser dengan yeast

dengan peninjauan thermal interaction tidak dapat menggambarkan pengaruh radiasi terhadap sel secara

tepat.

Kata-kata kunci: Budding, Granular, Kanker, Laser, Radiasi, Sel, Yeast

PENDAHULUAN

Yeast atau ragi merupakan organisme uniseluler yang termasuk dalam kingdom fungi. Yeast berkembang

biak dengan menggunakan reproduksi aseksual yaitu membentuk tunas atau budding. Pembentukan tunas

dilakukan ketika sel sudah mencapai ukuran tertentu, selama sel anak belum tumbuh mencapai ukuran

tersebut maka tidak akan terjadi pertambahan tunas. Proses pertambahan jumlah sel atau proses budding akan

berlangsung secara eksponensial dan akan stasioner setelah periode tertentu. oleh karena itu yeast dikenal

sebagai model yang baik untuk studi tentang proses biologi seperti kanker dan siklus sel pada organisme

multiseluler. Salah satu organisme yang termasuk yeast adalah Shaccaromyses cerevisae, organisme ini

berbentuk elips dan memiliki ukuran 5-10 ΞΌm, reproduksi tunas dengan pertambahan jumlah secara

eksponensial berlangsung selama proses pembentukan koloni dengan diameter 0.2 mm. Pertumbuhan jumlah

sel secara eksponensial dapat dirumuskan sebagai

ISBN: 978-602-61045-3-3 7

Page 2: Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker ...portal.fmipa.itb.ac.id/skf2017/kfz/files/skf_2017...Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi

30 November2017

PROSIDINGSKF2017

𝑑𝑁

𝑑𝑑= 𝑁0πœ†π‘‘

(1)

Dengan N merupakan jumlah sel, Ξ» merupakan laju pertumbuhan jumlah sel dan t merupakan wakru.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation atau yang bisa disebut Laser dapat berinteraksi

dengan jaringan biologi dan menimbulkan berbagai efek bergantung pada koefisien refleksi, absorbsi,

hamburan, dan parameter dari radiasi laser tersebut, seperti energi, waktu paparan, dan panjang gelombang.

Interaksi ini telah dimanfaatkan dalam bidang medis terutama dalam hal terapi maupun operasi. Salah satu

interaksi yang terjadi antara laser dan jaringan biologis adalah thermal interaction. Interaksi ini bergantung

pada durasi dan nilai puncak dari suhu yang diterima jaringan, apabila nilai tersebut berbeda maka dapat

menyebabkan efek yang berbeda, seperti koagulasi, vaporasi, karbonisasi, dan meleleh. Pada pendekatan

kuantitatif untuk molekul yang aktif dan sel pada level temperatur tertentu persamaan Arrhensius dapat

digunakan, yang dirumuskan sebagai

𝑙𝑛𝐢(𝑑)

𝐢0= βˆ’π΄ ∫ exp (βˆ’

βˆ†πΈ

𝑅𝑇(𝑑′)) 𝑑𝑑′ ≑ βˆ’Ξ©

𝑑

0

(2)

Dimana C0 merupakan konsentrasi molekul atau sel mula-mula, C(t) merupakan konsentrasi pada saat t, A

adalah konstanta Arrhenhius, R adalah universal gas constant, βˆ†E dan Ξ© merupakan properti spesific dari

jaringan. Derajat kerusakan lokal jarangan didefinisikan sebagai fraksi dari deaktivasi molekul atau sel yang

diberikan sebagai

𝐷𝑑(𝑑) =𝐢0 βˆ’ 𝐢(𝑑)

𝐢0= 1 βˆ’ exp (βˆ’Ξ©)

(

(3)

Dengan menmasukkan nilai konstanta jaringan Ξ© yang cocok maka dapat menghitung derajat kerusakan

sebagai fungsi waktu Dd(t).

Pengaruh kerusakan sel akibat laser ditinjau menggunakan simulasi sehingga didapatkan data yang

menunjukkan efek dari laser tersebut terhadap kerusakan sel, kemudian dibandingkan dengan kerusakan yang

diakibatkan dari radiasi pada sel kanker.

Pemodelan Yeast Menggunakan Circular Granular Cell

Yeast dimodelkan menggunakan circular granular cell. pertumbuhan diameter sel didefinisikan sebagai

berikut

𝑑𝑖(𝑑) = {

0 𝑑 < 𝑑𝑖0

𝑑𝑖(𝑑 βˆ’ 𝛿𝑑) + 𝑣𝐷𝛿𝑑 𝑑𝑖0 ≀ 𝑑 ≀ 𝑑𝐺

π‘‘π‘šπ‘Žπ‘₯ 𝑑𝐺 < 𝑑

(4)

Dengan 𝑑𝑖0 merupakan cell birth time, 𝑣𝐷 diameter growth rate, π‘‘π‘šπ‘Žπ‘₯ maximum diameter, 𝑑𝐺 diameter growth

time. Sel akan tumbuh sampai mencapai diameter maksimum lalu memproduksi tunas baru, hal ini diatur

melalu birth time (tB) dan diameter growth time (tG). birth time merupakan waktu antara dua tunas, sedangkan

growth time adalah waktu diameter tumbuh sampai dimeter maksimum.

Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi dirumuskan sebagai

berikut

οΏ½βƒ—οΏ½π‘–π‘—π‘π‘œβ„Ž = βˆ’πΊ

π‘šπ‘–π‘šπ‘—

π‘Ÿπ‘–π‘—2 �̂�𝑖𝑗

(5)

Dengan G merupakan kekuatan kohesi antar sel dan rij merupakan radius dari sel. Sedangkan gaya kontak

dirumuskan sebagai berikut

οΏ½βƒ—οΏ½π‘–π‘—π‘π‘œπ‘™ = (π‘˜π‘Ÿπœ‰π‘–π‘— βˆ’ π‘˜π‘£π‘£π‘–π‘—)�̂�𝑖𝑗

(6)

ISBN: 978-602-61045-3-3 8

Page 3: Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker ...portal.fmipa.itb.ac.id/skf2017/kfz/files/skf_2017...Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi

30 November2017

PROSIDINGSKF2017

πœ‰π‘–π‘— = π‘šπ‘Žπ‘₯(0, 𝑅𝑖 + 𝑅𝑗 βˆ’ π‘Ÿπ‘–π‘—) (7)

Dengan k merupakan koefisien pegas dan πœ‰π‘–π‘— merupakan overlap dari 2 sel dan kv merupakan koefisien

damping. Sedangkan interaksi antara sel dengan media tumbuh dimodelkan dengan gaya stokes yang

dirumuskan sebagai berikut

�⃗�𝑖𝑗𝑓𝑙𝑒

= βˆ’6πœ‹πœ‚π‘…π‘–οΏ½βƒ—οΏ½π‘– (8)

Dengan πœ‚ merupakan viskositas dari substrat. Semua interaksi disimulasikan dengan metode molecular

dynamic dengan batasan jumlah maksimum dari sel adalah 50 sel. Selanjutnya dimasukkan pengaruh dari

laser dengan menggunakan persamaan Arrenhius dengan menggunakan sampel data dari jaringan pada retina.

HASIL SIMULASI

Simulasi budding yeast dilakukan dengan batas 50 sel, dari hasil yang didapatkan diperoleh hubungan

antara jumlah sel dan waktu sehingga dapat menjadi acuan untuk perhitungan jumlah sel dengan orde hari

sampai pada 40 hari. Di samping itu juga dilakukan perhitungan untuk demage fraction dari sel akibat dari

interaksi dengan laser menggunakan persamaan Arrhenhius.

Gambar 1. Grafik hasil simulasi jumlah sel terhadap waktu

Gambar 2. Grafik undemage fraction terhadap waktu dari hasil simulasi

Sedangkan berdasarkan referensi, grafik dari jumlah sel kanker pada setiap waktu treatment radiasi adalah

sebagai berikut

ISBN: 978-602-61045-3-3 9

Page 4: Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker ...portal.fmipa.itb.ac.id/skf2017/kfz/files/skf_2017...Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi

30 November2017

PROSIDINGSKF2017

Gambar 3. Grafik Efek Dosis/fraction radioterapi pada kontrol tumor[4]

Grafik pertama menunjukkan hsil simulasi dari pertambahan jumlah sel terhadap waktu. Dari grafik

tersebut terlihat bahwa sel mengalami pertambahan jumlah secara eksponensial sesuai dengan pola

pertambahan jumlah yeast. Dengan menggunakan persamaan Arrhenhius maka didapatkan Grafik 2 yang

merupakan grafik undemaged fraction terhadap waktu. Pada grafik tersebut, undemaged fraction atau fraksi

yang tidak rusak mengalami penurunan seiring dengan pertambahan hari, hal ini sesuai dengan teori bahwa

semakin lama jaringan tersebut terkena laser maka jumlah sel yang tidak rusak akan semakin menurun.

Pengaruh radiasi terhadap sel dapat dilihat pada Grafik 3. Pada grafik tersebut terlihat bahwa jumlah sel

mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya waktu treatment. Grafik antara hasil simulasi interaksi

laser dengan pengaruh radiasi memiliki pola yang sama yaitu mengalami penurunan. Namun pertambahan

jumlah sel dari kedua grafik memiliki perbedaan, pada hasil simulasi, pertambahan jumlah sel terus mencapai

eksponensial meskipun telah berinteraksi dengan laser, sedangkan pada jumlah sel pada pengaruh radiasi

mengalami penurunan yang signifikan.

Gambar 4. Grafik perbandingan jumlah sel setiap waktu dengan dan tanpa laser

KESIMPULAN

Pemodelan sel kanker menggunakan yeast menunjukkan hasil yang sesuai, yaitu pertumbuhan secara

eksponensial. Interaksi antara laser terhadap sel atau jaringan memiliki beberapa kemungkinan sesuai dengan

power density dan waktu paparan, namun pada penelitian ini hanya ditinjau thermal interaction. Penggunaan

persamaan Arrhenhius menghasilkan grafik undemaged fraction terhadap waktu. Tren grafik tersebut dengan

grafik pengaruh radiasi terhadap jumlah sel memiliki pola yang sama yaitu, penurunan jumlah sepanjang

waktu. Namun jika dilihat kembali perbandingan antara jumlah sel yang tidak diberi laser dan yang diberi

laser tidak menunjukkan perubahan yang signifikan seperti perubahan pada jumlah sel saat treatment

radioterapi. Sehingga simulasi ini kurang menggambarkan pengaruh radiasi terhadap jumlah sel. Perlu

dilakukan peninjauan kembali simulasi dengan meninjau interaksi antara laser dan jaringan atau sel lainnya.

ISBN: 978-602-61045-3-3 10

Page 5: Pemodelan Pengaruh Radiasi terhadap Sel Kanker ...portal.fmipa.itb.ac.id/skf2017/kfz/files/skf_2017...Interaksi antar sel dipengaruhi oleh gaya kohesi dan gaya kontak. Gaya kohesi

30 November2017

PROSIDINGSKF2017

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah

ini, terutama pada rekan-rekan Laboratorium Biofisika, Fisika ITB.

REFERENSI

1. D. Aprianti, S. N. Khotimah and S. Viridi, Budding Yeast Colony Growth Study Based On Circular

Granular Cell, Asian Physics Symposium, Bandung, Indonesia (2015)

2. Cox, B.T. Introduction to Laser-Tissue Interaction. (2007)

3. Neimz, M.H. Laser-Tissue Interaction. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg. (2007).

4. Marcu,L. Bezak, E. Radiolobiological Modeling of Interplay Berween Accelerated Repopulation and

Altered Fractination Schedules in Head and Neck Cancer. Journal of Medical Physics. Volume 34. No 4.

(2009)

5. Schneiter, R. Genetics, Molecular and Cell Biology of Yeast. Universite de Fribourg Suisse (2004)

ISBN: 978-602-61045-3-3 11