Peran biologi molekuler didalam bidang kedokteran

Endang Darniati

DNA

DNA

Purin dan Pirimidin

DNA

KROMOSOM

WATSON & CRICK

• Semenjak diungkapkannya bentuk molekul DNA dalam 3 dimensi oleh Watson & Crick

• sampai ditemukannya teknik rekombinasi DNA dan

• teknik amplifikasi DNA dengan PCR (Polymerase Chain Reaction),

• dunia kedokteran mengalami terobosan yang luar biasa.

Kurikulum FK

• Dinegara maju seperti di Amerika Serikat, kurikulum fakultas kedokteran dipusatkan pada biologi molekuler, disamping biofisik dan biokimia.

• Sedangkan negara sesama Asean, seperti

Singapura dan Thailand, sudah memusatkan kurikulum fakultas kedokteran serta riset kedokterannya pada biologi molekuler

Penemuan spektakuler Biomol

• Semenjak diketahuinya segala sesuatu tentang DNA, hubungan dengan terjadinya penyakit dapat dijelaskan secara sangat mendasar.

• Jadi dengan adanya penemuan-penemuan spektakuler dalam bidang biologi molekuler, seyogyanya bisa membuka mata kita semua bahwa kurikulum fakultas kedokteran di Indonesia ini perlu dibenahi disana sini.

“Image” biologi

• Mungkin karena “image” atau gambaran mata pelajaran biologi masih merupakan mata pelajaran yang mempelajari tentang katak, tikus, atau paling hebat mempelajari kelinci.

• Padahal idealnya, biologi kedokteran diajarkan semenjak semester 1 sampai semester 8, dan disinggung lagi sebagai instrumen pemecahan masalah ketika mahasiswa menghadapi persoalan di klinik/ rumah sakit

Instrumen utk memecahkan masalah

• Biologi molekuler bisa dipakai sebagai instrumen untuk memecahkan masalah penyakit disemua organ tubuh manusia.

• Kalau ada staf pengajar di fakultas kedokteran yang masih berfikir bahwa biologi hanya ilmu yang mempelajari tentang seputar anatomi katak, histologi katak, embriologi katak, maka staf pengajar yang bersangkutan tidak tahu akan apa itu biologi, perkembangan biologi, bahkan tidak tau akan perkembangan ilmu kedokteran itu sendiri.

DNA dan mt DNA

• DNA merupakan faktor utama pembawa sifat keturunan yang membentuk kromosom dan terletak didalam inti sel.

• “Building unit” DNA pada semua organisme hidup ternyata sama.

• Yang berbeda hanyalah susunan gen-gen dan jumlah kromosom didalam inti. Selain didalam inti sel, DNA juga terdapat pada organel sel yang disebut mitokondria, disebut mitochondrial DNA atau mt DNA.

Pendeteksian dan kuantifikasi DNA

• Secara spesifik cukup banyak aplikasinya dalam dunia kedokteran, diagnose klinis, dunia forensik, penelitian obat.

• Dibutuhkan metoda yang mudah, cepat, akurat, hemat, agar bisa dilakukan dalam skala besar dan

rutin. Biaya yang dibutuhkan mahal karena dalam

penelitian DNA sequencing (urutan DNA) dibutuhkan alat alat serba canggih dan kondisi yang sangat steril.

• Pendektesian dan kuantifikasi urutan DNA digunakan untuk:

• Mengetahui kebenaran suatu keturunan dari suatu keluarga

• Mendeteksi mayat yang tak diketahui identitasnya• Mendeteksi orang hilang• Penentuan obat untuk mengobati suatu penyakit• Penelitian dalam pabrik farmasi

Leber’s hereditary optic neuropathy

• Kasus sehubungan dengan mutasi mtDNA: Leber’s hereditary optic neuropathy,

• Ada kasus dalam suatu keluarga besar, dimana anggota-anggota keluarga itu yang tadinya normal, banyak diantaranya mengalami kebutaan pada usia sekitar 17 tahun. Setelah dilakukan penelitian DNA nya, ternyata penyakit yang diderita oleh sebagian keluarga ini adalah penyakit yang disebut Leber’s hereditary optic neuropathy, yang terjadi karena mutasi pada mt-DNA.

DNA “blue print”• Seperti diketahui, DNA adalah molekul yang

menyimpan “blue print” atau pola genetik manusia.• Mitokondria adalah organel didalam sel, tempat

terjadinya respirasi, yang menghasilkan ATP. • ATP adalah energi yang dipakai oleh sel untuk

melakukan fungsinya. • Kalau terjadi mutasi, maka energi ini akan

terganggu dan fungsi sel tidak berjalan semestinya. Padahal, mutasi yang paling banyak terjadi adalah di mitokondria bila dibandingkan dengan bagian lain pada sel.

Mutasi basa ke 11.778

• Maka pada analisa mitochondrial DNA (mt DNA) dari pasien sekeluarga ini dicari dimana letak rantai mt-DNA yang mengalami kerusakan.

• Ternyata kebutaan ini disebabkan oleh mutasi mt-DNA pada urutan pasangan basa ke 11.778.

Metabolic by pass

• Pada urutan basa ke 11.778 tersebut basa guanin bermutasi menjadi adenin, sehingga terjadi perubahan asam amino yang menyebabkan enzim kompleks yang diperlukan didalam respirasi tidak yang diperlukan didalam respirasi tidak berjalan semestinya.

• Untuk pengobatan, cara satu-satunya adalah dengan membuat metabolic by pass. Dilakukan by pass dengan memberi CoQ10 (Co Enzim Q10). Pada masa ini CoQ biasa digolongkan sebagai “health food”.

•

MELAS syndrome (mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke)

• Beberapa kasus di Amerika, dimana dilaporkan anggota keluarga yang tadinya normal, kemudian mengalami kelumpuhan.

• Setelah dilakukan DNA analisis, terbukti bahwa penyebab kelumpuhan ini adalah delesi pada mt-DNA , hanya letak mutasinya pada urutan basa yang berlainan.

Metode by pass

• Penggunaan metode by pass pada pasien lumpuh ini dilakukan dengan memberikan menadione (turunan vitamin K) dan vitamin C, ternyata berhasil. Pasien lumpuh tersebut ternyata mampu bangkit dari kursi rodanya. Tetapi, ketika dicobakan penghentian pengobatannya setelah dapat berjalan, pasien itu kembali menjadi lumpuh. Jadi mereka harus tetap dalam pengobatan dan sangat tergantung pada obat.

Evaluasi MELAS syndrome

• Mengukur tingkat serum laktat and serum piruvat • Mempelajari mutasi mtDNA pada darah • Mempelajari gambaran dari otak, dengan brain

imaging studies ( head CT scan, brain MRI, brain proton magnetic resonance spectroscopy [1 H-MRS]).

• Biopsi otot untuk melihat enzim-enzim mitokondrial

• Analisis dari mutasi DNA

Pengobatan MELAS Syndrome

• Pemberian coenzyme CoQ10 • Menadione (vitamin K-3), phylloquinone (vitamin K-1) dan

ascorbat digunakan untuk mendonasikan elektron ke cytochrome c. Hal ini untukmengoreksi keabnormalan metabolism.

• Riboflavin untuk memperbaiki fungsi sel pada pasien penderita defisiensi komplex enzim I dan mutasi 3250 T→C . Nicotinamide juga diberikan karena komplex I menerima electron dari nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) dan mentransfer electron ke CoQ10.

Lanjutan pengobatan MELAS syndrome

• Creatine monohydrate , dilaporkan memberikan kekuatan pada otot , baik pada aktifitas anaerobik ataupun aerobik.

• L-arginine , merupakan terapi yang potensial untuk sindrom ini untuk mengurangi kerusakan otak yang disebabkan oleh tidak berjalannya vasodilatasi arteri intraserebral yang menyebabkan menurunnya nitrit oksida yang dibutuhkan.

KONSULTASI

Konsultasi perlu dilakukan ke:• Geneticist• Neurologist (mengevaluasi episode “ strokelike”

pasien )• Cardiologist (mengevaluasi cardiomyopathy,

arrhythmias dan hipertensi)• Nephrologist (mengevaluasi pencetusan atau “ the

onset of nephrotic syndrome”)

• Ophthalmologist (mengevaluasi pigmentary retinopathy)

• Endocrinologist (mengevaluasi disfungsi endokrin seperti diabetes mellitus, hypothyroidism, hyperthyroidism)

• Psychiatrist (mengevaluasi kelainan-kelainan yang disebut affective disorders)

• Neuropsychologist (mengevaluasi kelainan-kelainan yang termasuk autism spectrum disorder [ASD])

• Dari keterangan diatas, maka terlihat konsultasi yang wajib dilakukan pertama kali adalah konsultasi kepada seorang geneticist.

• Dinegara maju, biasanya seorang geneticist adalah biologist.

• Jadi biologist adalah profesi yang sangat superior dinegara maju, karena sangat berperannya dalam menunjang ilmu kedokteran.

Bahkan seorang biologist yang menguasai ilmu biologi molekuler dan bekerja di perpustakaan (misalnya di Library of Congress, Washington DC), gajinya akan berlipat dibandingkan dengan pustakawan biasa, yang tidak menguasai ilmu biologi molekuler

Bioteknologi

• Bioteknologi adalah pemanfaatan sistem biologi untuk menghasilkan barang dan jasa bagi kepentingan manusia. Pengetahuan bioteknologi dalam bidang kedoktean dapat dimanfaatkan untuk:

• Diagnostik : Telah dibuat antibodi monoklonal, hasil

rekayasa genetika, yang menghasilkan antibodi yang sangat spesifik dan seragam.

• Pengobatan Penyakit:• Para ahli telah mampu menghasilkan insulin dalam

tubuh bakteri , yang gen-gen nya telah dimanipulasi dan direkayasa dengan gen manusia pembawa informasi untuk insulin.

• Pencegahan Penyakit: Pembuatan vaksin, Hepatitis B misalnya.

Organisme transgenik

• Organisme yang membawa gen yang berasal dari jenis organism yg lainnya.

• Organisme transgenik dihasilkan melalui rekayasa genetika (genetic engineering)

• Rekayasa genetika menggunakan teknologi DNA rekombinan.

• DNA rekombinan adalah kumpulan tehnik atau metoda yang digunakan untuk mengkombinasikan gen-gen secara buatan.

DNA rekombinanTehnik DNA rekombinan meliputi:

1. Tehnik untuk mengisolasi DNA2. Tehnik untuk memotong DNA3. Tehnik untuk menggabungkan atau

menyambung4. Tehnik untuk memasukkan DNA kedalam

sel hidup sehingga DNA rekombinan bereplikasi dan dapat diekspresikan.

“TRANSGENIC ANIMAL”

• Gen-gen manusia yang membawa informasi genetik untuk pembuatan “air susu ibu” (ASI) dipindahkan kedalam gen sapi betina, semasa embrio.

• Hewan semacam ini dinamakan “transgenic animal”.

• Bila sapi betina ini menjadi dewasa dan menghasilkan susu, yang dihasilkannya adalah ASI.

Therapeutic cloning

• Therapeutic cloning adalah cloning dengan tujuan “medical treatment”, misalnya untuk

• Menumbuhkan organ pengganti, atau membuat “kulit” untuk korban yang terbakar.

• Untuk menciptakan sel syaraf untuk pasien yang mengalami kerusakan otak atau berada dalam kondisi neurologis yang fatal .

• Therapeutic cloning dekat kekerabatannya dengan Reproductive cloning, dimana sebuah copy dari organism dibuat, tetapi tujuan keduanya berlainan

Stem cell ( sel induk / sel punca)

• Klasifikasi stem cell berdasarkan potensi atau kemampuan berdifferensiasi dibagi menjadi beberapa istilah:– Totipoten bila sel dapat berdiferensiasi menjadi semua

jenis sel, contohnya adalah zigot (telur yang telah dibuahi).

– Pluripoten apabila sel dapat berdiferensiasi menjadi 3 lapisan germinal: ektoderm, mesoderm, dan endoderm, tapi tidak dapat menjadi jaringan ekstra embrionik seperti plasenta dan tali pusat. Misalnya embryonic stem cells.

Multipoten apabila sel dapat berdiferensiasi menjadibanyak jenis sel, misalnya hematopoietic stem cell.

Unipoten apabila Namun, berbeda dengan non-stem cell, unipoten stem cell mempunyai sifat dapat memperbaharui atau meregenerasi diri (self-renewal/ self regenerate

Penelitian stem cell• Penelitian dalam bidang stem cell (sel punca atau sel induk)

mengalami kemajuan yang sangat pesat.• Merupakan upaya manusia untuk mengobati penyakit-

penyakit seperti misalnya penyakit degeneratif, trauma, dan keganasan.

• Untuk memahami awal perkembangan embrio yang kompleks

• Menguji efek toksisitas dan efek teratogenik dari berbagai obat. Jadi pengembangan penelitian stem cell juga sangat berguna untuk mencari obat-obat baru pada tingkat laboratorium dan mempelajari patogenesis penyakit.

• Selama ini yang banyak diteliti adalah stem cell yang diambil dari embrio (embryonic stem cell), yang diisolasi dari bagian inner cell mass blastosis, tahap paling awal perkembangan manusia yaitu lima hari setelah pembuahan.

• Selain itu, juga digunakan somatic stem cell atau disebut adult stem cell (sel punca dewasa), adalah sel tunas yang diisolasi dari jaringan dewasa seperti sumsum tulang atau darah dan bisa memperbanyak diri, tetapi kemampuan diferensiasinya terbatas untuk menjadi jenis sel tertentu.

• Para ahli lebih memilih mengunakan embryonic stem cell karena adult stem cell jumlahnya sedikit, lebih sulit didapat, dan hanya bisa menjadi beberapa jenis sel saja.

• Sedangkan embryonic stem cell yang pluripoten, dapat menjadi sel apa saja, kecuali plasenta dan air ketuban, disamping lebih mudah didapat dalam jumlah yang banyak. Karena bisa menjadi beragam sel tubuh, embryonic stem cell bisa menyediakan jaringan untuk mengganti sel-sel yang rusak dalam terapi diabetes, jantung, dan penyakit lain.

Masalah moral dan etika• Namun, pengembangan embryonic stem cell yang

mampu membentuk beragam tipe jaringan terbentur masalah moral dan etika. Embrio akan mati apabila diambil stem cell nya. Ini berarti menghilangkan satu kehidupan yang dimulai sejak pembuahan, yang bisa disamakan dengan aborsi.

Oleh karena itulah , penelitian dengan menggunakan embryonic stem cell sangat ditentang. Bekas presiden Amerika, George W.Bush sangat menentang undang-undang pemakaian dana federal untuk riset stem cell ini.

• Dalam aplikasinya, stem cell ini berkolaborasi dengan sangat erat dengan cloning manusia (therapeutic cloning).

• Supaya tidak timbul penolakan dari tubuh pasien, stem cell yang diinjeksikan kedalam tubuh pasien perlu kesamaan genetis.

Mahluk hidup tak boleh dibunuh

• Untuk mendapatkan stem cell yang cocok secara genetis dengan pasien,maka dilakukan cloning dari sel somatis pasien itu. Dari cloning itu akan dihasilkan embrio yang kemudian diambil stem cell nya.

• Titik ini yang banyak menjadikan perdebatan karena dengan membuat embrio melalui cloning ini, maka telah terjadi mahluk hidup baru yang harus dihormati hak hidupnya, dan tidak boleh dibunuh.

Debat etika

Debat etika ini memacu penelitian untuk mendapat teknik pemrograman ulang dari sel somatik dengan faktor penentu stem cell pluripotensi. Pembuatan induced pluripotent cells (iPS) adalah cara lain menciptakan stem cell pluripotent.

Induced pluripotent cells (iPS)

Embryonic stem cell dan sel iPS punya banyak kesamaan karakteristik, termasuk kemampuan menjadi sel semua organ dan jaringan, tetapi keduanya tidak identik.

• Selama ini para peneliti sudah berhasil memprogram ulang berbagai jenis sel tikus, antara lain sel hati dan sel epitel lambung.

• Jadi, sel fibroblast tikus dewasa telah diprogram ulang ke keadaan tidak terdiferensiasi yang menyerupai embryonic stem cell.

• Hasilnya, iPS buatan ini terlihat sama dengan stem cell yang berasal dari embrio.

Thompson dan Yamanaka

James Thompson dari Universitas Wisconsin, Madison dan Shinya Yamanaka dari Universitas Kyoto Jepang berhasil membuat metode untuk memprogram ulang adult stem cell menjadi pluripotent pada November 2007.

• Mereka membuat sel-sel kulit menjadi stem cell yang berkarakter seperti embryonic stem cell tanpa harus melakukan cloning.

• Sel-sel ini disebut iPS yang secara genetik dimodifikasi dengan memasukkan empat faktor transkripsi DNA penting dalam sel embrionik ke genom adult stem cell dengan memakai virus.

Jadi telah dibuat stem cell yang mempunyai karakter mirip sekali dengan embryonic stem cell dan dari segi etis juga tidak menimbulkan masalah karena tidak harus melalui proses cloning yang membuat embrio manusia.

Yamanaka

• Yamanaka menambahkan gen-gen yang disebut regulator utama pada kromosom sel-sel kulit.

• Gen-gen regulator utama ini dapat mengubah perilaku sel dengan menghidupkan atau mematikan gen-gen lain.

• Dari ratusan gen yang ada, ia memilih 4 gen untuk memprogram ulang sel-sel dewasa, menggunakan 4 jenis gen yaitu OCT3/4, SOX2, KLF4,dan c-MYC, dan memakai kulit seorang perempuan berusia 36 tahun.

Thompson

Thompson menggunakan gen OCT4gen SOX2 gen NANOG gen LIN28

Memakai sel kulit dari bayi yang baru lahir.

• Mereka mengubah sel-sel kulit biasa menjadi induced pluripotent stem cell (iPS), yang berkarakter seperti embryonic stem cell, baik penampilan ataupun perilaku genomiknya.

• Ternyata iPS dapat membuat 3 germ layers, dimana lapisan pertamanya akan menjadi semua jaringan dan organ manusia. Dari iPS jug bisa dikembangkan menjadi sel-sel syaraf, sel otot, sel tulang rawan dan otot jantung

• Teknik pembiakan dan penggunaan stem cell untuk terapi klonasi (therapeutical cloning ), menggairahkan para pebisnis untuk mendirikan umbilical cord bank.

• Hal ini juga mendorong minat masyarakat untuk memiliki stem cell sendiri dengan menyimpan stem cell nya yang berasal dari darah tali pusat di bank khusus untuk menyimpan stem cell..

Laporan para peneliti mengenai keberhasilan mendeferensiasi menjadi sel-sel dengan fungsi khusus seperti misalnya sel saraf, sel jantung, dan sebagainya dapat menimbulkan harapan masyarakat untuk menyimpan stem cell -nya antara lain yang berasal dari darah tali pusat.

FK UNDIP

Di Fakutas Kedokteran Undip yang bekerja sama dengan Rumah Sakit Telogorejo dan Rumah sakit Dr. Kariadi pada mulanya penggunaan stem cell dilakukan pada transplantasi sumsum tulang.

Sekarang digunakan mengobati • Penyakit non-degeneratif (misalnya: leukemia) • Penyakit degeneratif (misalnya: penyakit jantung

koroner, diabetes melitus, Alzheimer dan Parkinson) yang dalam tahap penelitian telah terbukti berhasil.

• Stem cell Non Embrionik ( adult stem cells) berasal dari darah tali pusat, sumsum tulang, darah tepi dan berbagai jaringan lain.

• Stem cell darah tali pusat diambil dari darah plasenta dan tali pusat segera setelah bayi lahir. Stem cell dari darah tali pusat merupakan jenis hematopoietic stem cell , dan ada yang menggolongkannya ke dalam adult stem cell. .

DOLLY

Amnion fluid (cairan amnion)

Mouse embryonic stem cells with fluorescent marker

Pluripotent, embryonic stem cells originate as inner mass cells within a blastocyst. The stem cells can become any tissue in the body, excluding a placenta. Only the morula's cells are totipotent, able to become all tissues and a placenta.