TUGAS FISIOLOGI MOLEKULER

DIAGNOSIS KANKER BERBASIS NANOMEDIS

Disusun oleh :

Joni Hendri

NIM.12/336568/PMU/07330

PROGRAM STUDI BIOTEKNOLOGI

SEKOLAH PASCA SARJANA

UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA

2012

PENDAHULUAN

National Nanotechnology Innitiative (NNI) mengemukakan pengertian bahwa

Teknologi Nano adalah pemahaman dan penguasaan materi dalam sekala nano (1-100

nanometer) sehingga muncul fenomena unik yang memungkinkan terbentuknya

aplikasi baru (NNI. 2012). Sampai saat ini teknologi nano berkembang secara luas pada

berbagai bidang kajian ilmu, diantaranya bidang energi (Franceschi et al. 2002),

Elektronik (Chan et al. 2008), Makanan dan Agrocultur (Kokini et al. 2009), Robot nano

(Indian Patent News. 2010), dan lainnya.

Perpaduan antara Teknologi Nano , Bioteknologi dan Medis membentuk dunia

baru yang dinamakan dengan “Nanomedis”. Walaupun terdapat perbedaan presepsi

tentang pengertian dan penerapan Nanomedis(Frietas. 2005, Leontis et al. 2010),

namun penelitian berbasis nano baik pada tahap dasar maupun tahpan uji klinis terus

berjalan dan telah menghasilkan produk yang berguna dibidang kesehatan(Etheridge et

al. 2012). Beberapa diantaranya pada penyakit HIV (Lisziewicz et al.2012), Rhemathoid

Arthritis (Koo et al. 2010), Malaria (Santos et al. 2010), penyakit Cardiovascular

(Goonewardena. 2012) dan Tubercolosis (Seth et al. 2010) termasuk pada penyakit

kanker (Tachung et al. 2005).

Istilah Kanker digunakan untuk penyakit di mana sel-sel abnormal membelah

tanpa kontrol dan mampu menyerang jaringan lain. Sel-sel kanker dapat menyebar ke

bagian lain dari tubuh melalui darah dan sistem getah bening (Nci. 2012). Kanker

adalah penyakit yang sangat kompleks untuk dipahami, karena memerlukan beberapa

sistem fisiologis selular.

Treatment kanker melalui teknologi stem-cell masih terus dikembangkan(Shibata

et al. 2012, Gemei et al. 2012, dan Quint et al. 2012). Namun demikian, ada kebutuhan

mendesak untuk mengembangkan teknologi baru dan inovatif yang dapat membantu

untuk menggambarkan margin tumor, mengidentifikasi residu sel tumor dan

micrometastases, serta menentukan apakah tumor telah sepenuhnya hilang atau tidak

(Nci.2012). National Cancer Insitute (NCI) merupakan salah satu perguruan tinggi di

Amerika yang serius mengembangkan nanomedis pada kanker. Mereka beranggapan

bahwa teknologi ini merupakan jawaban dari keterbatasan yang selama ini mereka

hadapi pada diagnosa dan treatment kanker (Nci.2012).

Penelitian di bidang kanker berbasis Nanomedis telah membuat kemajuan yang

luar biasa. Oleh karena itu tinjuan terhadap penelitian terbaru dibidang nanomedis

kanker merupakan topik yang menarik untuk dikaji

Tujuan makalah ini adalah untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Fisiologi

Molekuler di Sekolah Pasca Sarjana Universitas Gadjah Mada Program Study

Bioteknologi tentang perkembangan terbaru dunia Bioteknologi. Oleh karena itu

perkembangan penelitian Nanomedis dalam diagnosa kanker akan disajikan dalam

makalah ini.

DIAGNOSIS KANKER BERBASIS NANOMEDIS

Deteksi dini pada kanker dapat mengurangi resiko kanker yang lebih jauh.

Penentuan diagnosis yang cepat dan akurat sangat diperlukan. Kita dapat melakukan

screening untuk membantu diagnosa apabila kakanker belum menimbulkan gejala yang

khas atau tanpa gejala. Beberapa diantaranya adalah dengan melakukan Pap_semear

untuk kanker servik, Mammogram untuk kanker payudara atau dengan melakukan

pemeriksaan test laboratoris untuk menemukan penanda kanker seperti Prostate-

Spesific Antigen (PSA) untuk kanker prostat (NCI.2012), Alpha – Fetoprotein ( AFP )

untuk kanker hati, Beta-2-Mcroglobulin (B2M) untuk kanker darah, CA 15-3 untuk

kanker payudara, CA 125 untuk kanker epitel ovarium, CA 72-4 untuk tumor ovarium,

pankreas dan saluran cerna, dan Beta-HCH untuk kanker testis dan ovarium ( tumor

germ cell ) dan penyakit gestational trophoblastic terutama Choriocarcinoma (Lab.Klinik

Pramita. 2009). Sayangnya tidak semua teknik dapat diterapkan dalam menilai kelainan

pada level mikroskopis serta tidak dapat memberikan diagnosis pada tahap awal jauh

sebelum gejala terlihat.

Dewasa ini berkembang teknik diagnosa atau penanda kanker berbasis nano

teknologi yang memberikan harapan baru dalam mendiagnosa kanker maupun

merekam keberhasilan terapi kanker yang dilakukan. Harisinghani et. al (2003) telah

berhasil mengembangkan (MRI) yang dimodifikasi dengan penambahan nanopartikel

iron-oxide untuk memperoleh gambaran metastase pada kelenjar limpa tanpa

melakukan oprasi. Selain itu, teknik lain dalam mendeteksi kanker secara dini dan lebih

akurat sedang terus dikembangkan diantaranya adalah melalui Nanoprobes dan

Nanoscale Cantilevers

Nanoprobes

Nanoprobes adalah nanomaterial berbentuk probe yang digunakan untuk bioanalisis

dan diagnosis. Pada penyakit kanker telah dikembangkan dan diteliti baik secara invitro

maupun ex vivo. Terdapat beberapa nanoprobes utama diantaranya Quantum Dots, dan

Nanowire, Nanotube. (Chi et al.2012).

Figure.1. Schematic diagram QDs (invivo Tumor imaging)

Schematic diagram showing QDs involved in both active and passive tumor targeting. In the passive mode, nanometer-sized particles such as quantum dots accumulate at tumor sites through an enhanced permeability and retention effect. For active tumor targeting, nanoparticles are conjugated to molecular ligands such as antibodies and peptides to recognize protein targets that are over-expressed on the surface of tumor cells such as the epidermal growth factor receptor, the transferrin receptor, or the folate receptor (Smith. et al.2008).

Quantum Dots (QDs) merupakan aplikasi seperti pencitraan seluler,

immunoassays, pencitraan in vivo, dan pendugaan. Semikonduktor Quantum Dots

(QDs)merupakan pemancar cahaya partikel pada skala nanometer. Dibandingkan

dengan pewarna organik dan protein fluorescent, alat ini memiliki sifat optik dan

elektronik yang unik, emisi cahaya, kecerahan sinyal yang superior, ketahanan terhadap

photobleaching, dan spektrum absorpsi luas untuk eksitasi simultan beberapa warna

fluoresensi(Smith et al.2008). Probe yang digunakan dalam transduksi sinyal untuk

merancang sistem deteksi untuk asam nukleat, protein, peptida, dan kecil molecules

(Frasco et al.2009). Sehingga dapat digunakan untuk menargetkan biomarker tumor

serta vasculatures tumor dengan afinitas dan spesifisitas tinggi.(Smith et.al.2008, Gao et

al. 2010).(Fig. 1)

Hasil penelitian QDs pada kanker diantaranya oleh Akinfieva et al (2012) yang

mengembangkan deteksi marker kanker dan tumor pada serum , Liu et al (2012)

menggunakan Gold Nanoparticle QDs untuk membedakan sel kanker, Qds yang dilabeli

magnetic immunoassay oleh Gazouli et al (2012) dan QDs berlabel silika nanospheres

untuk biomarker kanker oleh Liu et al. (2012)

Figure.2. Nanowire

Pada diagram ini, kawat sensor berukuran nano yang ditetapkan di saluran mikofluida. Sebagai

aliran partikel melalui saluran mikofluida, sensor nanowire mengambil keberadaan molekul

partikel-partikel ini dan segera dapat menyampaikan informasi ini melalui koneksi elektroda ke

dunia luar.(NCI Alliance for Nanotechnology In Cancer)

Nanowire adalah deteksi multiplexing listrik menggunakan kawat silikon nano

yang yang dimasukkan ke dalam array (Fig. 2). Penanda Protein secara rutin terdeteksi

pada konsentrasi femtomolar dengan selektifitas yang tinggi, dan penggabungan

simultan dari kawat nano memungkinkan kontrol terhadap positif palsu. Nanowire

sangat selektif dan sensitif dari dalam mendeteksi antigen spesifik prostat (PSA), PSA-

alpha1-antichymotrypsin, antigen Carcinoembryonic dan musin-1, termasuk deteksi

untuk setidaknya 0,9 pg / ml dalam sampel serum yang diencerkan. Kemampuan untuk

multiplexing real-time monitoring penanda protein dan aktivitas telomerase dengan

sensitivitas tinggi dan selektivitas dalam sampel klinis yang relevan membuka

kemungkinan besar untuk diagnosis dan pengobatan kanker dan penyakit kompleks

lainnya.(Zeng et al.2005). Pengembangan nanowire berdasarkan hasil penelitian

terabaru adalah oleh Lee et al (2012), Su et al (2012), dan Fark et al (2012).

Sedangkan Nanotubes merupakan carbon nano berukuran setengah diameter

DNA yang dapat membantu mengidentifikasi perubahan DNA yang berkaitan dengan

kanker (Fig. 3). Serta dapat membantu untuk menentukan dengan tepat lokasi

perubahan (Wang et al.2009). Menggunakan nanotube tip yang menyerupai jarum pada

pemutar piringan hitam, fisik bentuk DNA dapat ditelusuri. Sebuah komputer

menerjemahkan informasi ini ke dalam peta topografi (Wang. et al.2009). Teknologi ini

merupakan teknologi nano yang penting dan dapat diaplikasikan dalam berbagai hal

termasuk dalam dunia medis (Seetharamappa.et al 2006).

Figure. 3 Carbon Nanotubes

Reference: Seetharamappa.et al 2006

Penelitian Nanotubes semakin berkembang dan tidak terbatas pada diagnosis

saja. Liu et al (2012) mengembangkan medan magnet carbon nanotube untuk

meningkatkan porasi sel tumor target pada kemoterapi. Hasil penelitian lainnya

membuat kesimpulan bahwa paparan karbon Nanotube dapat meningkatkan efek

pengobatan kanker ovarium karena dapat meningkatkan chemosensitifity sel kanker

terhadap obat antikanker (Zhang . 2012).

Nanoscale Cantilevers

Merupakan balok silikon microfabricated berukuran nano sebagai sensor mekanik

yang sangat sensitif, dimana dapat mengubah proses yang terjadi di permukaan ke

respon mekanik (Fig. 4). Prinsip transduksi sinyal yang unik memungkinkan untuk

mengukur tegangan permukaan yang terjadi di permukaan kantilever dengan

memantau kelenturan cantilevers (mode statis) sementara pada saat yang sama

mengamati perubahan sifat osilasi cantilevers terkait dengan perubahan beban massal

pada cantilevers (dinamis mode)(Koeser et. al. 2010). Cantilevers bisa dilapisi dengan

molekul yang mampu mengikat spesifik substrat-DNA ke urutan gen tertentu. Sel

kanker mengeluarkan produk molekul, lapisan menyerupai antibodi pada jari

kantilever selektif mengikat protein disekresikan. Antibodi ini telah dirancang untuk

mengambil satu atau lebih yang protein yang berbeda sebagai ekspresi molekul

tertentu dari sel kanker. Sifat fisik cantilevers berubah sebagai akibat dari peristiwa

yang mengikat. Peneliti dapat membaca perubahan ini secara real time dan tidak hanya

informasi tentang ada atau tidaknya, tetapi juga konsentrasi ekspresi molekul yang

berbeda (NCI alliance for Nanotechnology in Cancer).

Figure. 4 Nanscale Cantilevers principles

Sumber : NCI alliance for Nanotechnology in Cancer

Array sensor kantilever dapat digunakan untuk mendeteksi molekul paralel

beberapa kepentingan misalnya cantilevers nano untuk penginderaan bahan kimia,

untuk deteksi yang sangat sensitif dari logam berat (Koeser et. al. 2010). Selain itu

dapat digunakan sebagai biosensor, misalnya, untuk DNA dan deteksi protein, yang

handal. Cantilevers nano, dibangun sebagai bagian dari perangkat diagnostik yang lebih

besar, dapat memberikan deteksi cepat dan sensitif terkait molekul kanker. (NCI

alliance for Nanotechnology in Cancer).

KESIMPULAN

Nanomedis merupakan teknologi nano dibidang medis mempunyai dampak

signifikan di bidang kesehatan termasuk pada penyakit kanker. Dengan adanya

teknologi ini diharapkan dapat membuat terobosan yang penting pada penyakit kanker

terutama dalam deteksi dini penyakit tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Akinfieva O, Nabiev I, and Sukhanova A.(2012). New directions in quantum dot-based cytometry detection of cancer serum markers and tumor cells. Crit Rev Oncol Hematol.Oct 8. pii: S1040-8428(12)00187-4.

Chan C.K, Peng H, Liu G, McIlwrath K, Zhang X.F, Huggins R.A, et al.(2008) High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires. Nat Nano:3(1):31-35.

Chi X, Hung D, Zhao Z et al.(2012). Nanoprobes for in vitro diagnostics of cancer and infectious diseases. Biomaterials. Jan;33(1):189-206National Nanotechnology Innitiative. What is Nanotech?. Tersedia di http://www.nano.gov/. [Diakses tanggal 2 Oktober 2012].

Franceschi D S dan Kouwenhoven L.(2002). Electronics and the single atom. Nature :417(6890):701-2.

Frasco M.F and Chaniotakis N.(2009). Semiconductor Quantum Dots in Chemical Sensors and Biosensors. Sensors (Basel).; 9(9): 7266–7286.

Freitas R A. Jr, JD.(2005). What is Nanomedicine?. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 1:2– 9

Gao J, Chen X, and Cheng Z.(2010). Near-infrared quantum dots as optical probes for tumor imaging. Curr Top Med Chem.;10(12):1147-1157

Gazouli M, Lyberopoulou A, and Pericleous P.(2012). Development of a quantum-dot-labelled magnetic immunoassay method for circulating colorectal cancer cell detection. World J Gastroenterol. Aug 28;18(32):4419-26

Gemei M, Mirabeli P, Di Noto R, et al. (2012). CD66c is a novel marker for colorectal cancer stem cell isolation, and its silencing halts tumor growth in vivo. Cancer. doi: 10.1002/cncr.27794.

Goonewardena S.N.(2012). Approaching the Asymptote: Obstacles and Opportunities for Nanomedicine in Cardiovascular Disease Current Atherosclerosis Reports, Volume 14, Number 3 – [Springer]

Harisinghani, Mukesh G , Barentsz Jelle,. Hahn, Peter F et al.(2003). Noninvasive Detection of Clinically Occult Lymph-Node Metastases in Prostate Cancer. N Engl J Med 2003;348:2491-2499

Indian Patent News. (2010). Indian Indian Inventors Develop a Nano-Robots System and Methods for Well Logging and Borehole Measurements. Tersedia di http://search.proquest.com/docview/365411482?accountid=13771 [Diakses tanggal 2 Oktober 2012]

Koeser J, Bammerlin M, Battiston FM and Hubler U.(2010). Nanomechanical cantilever sensors as a novel tool for real-time monitoring and characterization of surface layer formation.J Nanosci Nanotechnol. 2010 Apr;10(4):2578-2582.

Kokini S.N.J.L. (2009) Nanotechnology and its applications in the food sector. Trends Biotechnol:27(2):82-9.

Koo O.M.Y & Rubinstein I & Önyüksel H.(2010). Actively Targeted Low-Dose Camptothecin as a Safe,Long-Acting, Disease-Modifying Nanomedicine for Rheumatoid Arthritis. Pharm Res; 28:776–787

Laboratorium Klinik Pramitha.(2009). Deteksi Dini Pada Kanker. Tersedia di http://pramita.co.id/index.php/component/content/article/19-bulletin/26-deteksi-dini-kanker-dengan-tumor-marker, [ Diakses tanggal 10 Oktober 2012]

Lee SK, Kim GS, and Wu Y et al. (2012). Nanowire substrate-based laser scanning cytometry for quantitation of circulating tumor cells. Nano Lett. 2012 Jun 13;12(6):2697-2704.

Leontis V L. & Agich G.J.(2010). Freitas on Disease in Nanomedicine: Implications for Ethics.Nanoethics ;4:205–214

Lisziewicz J dan Tőke R.R..(2012). Nanomedicine Applications Towards The Cure of HIV. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine ;xx :xxx–xxx

Liu D, Wang L, Wang Z and Cuschieri A. (2012). Magnetoporation and Magnetolysis of Cancer Cells via Carbon Nanotubes Induced by Rotating Magnetic Fields. Nano Lett. Oct 10;12(10):5117-5121.

Liu F, Zhang Y, and Ge S et al. (2012). Magnetic graphene nanosheets based electrochemiluminescence immunoassay of cancer biomarker using CdTe quantum dots coated silica nanospheres as labels. Talanta.Sep 15;99:512-9.

Liu Q, Yeh YC, Rana S et al.(2012). Differentiation of cancer cell type and phenotype using quantum dot-gold nanoparticle sensor arrays. Cancer Lett. 2012 Sep 26. pii: S0304-3835(12)00562-9

National Cancer Institute (NCI). Questions and Answers: Cancer Nanotechnology. Tersedia di: http://ncl.cancer.gov/CaNanoPlan.pdf; [Diakses tanggal 1 Oktober 2012]

National Cancer Institute (NCI). Types of Screening Test. Tersedia di: http://www.cancer.gov/cancertopics/screening/types#Laboratory+Tests; [Diakses tanggal 1 Oktober 2012]

NCI Alliance for Naotechnology In Cancer.Nanowire. tersedia di http://nano.cancer.gov/learn/understanding/nanotech_nanowires.asp. [Diakses tanggal 2 Oktober 2012].

NCI Alliance for Naotechnology In Cancer. Cantilevers. tersedia di http://nano.cancer.gov/learn/understanding/nanotech_cantilevers.asp. [Diakses tanggal 2 Oktober 2012].

Park GS, Kwon H, and Kwak DW et al . (2012). Full surface embedding of gold clusters on silicon nanowires for efficient capture and photothermal therapy of circulating tumor cells. Nano Lett. Mar 14;12(3):1638-42.

Quint K, Tonigold M, Di Fazio P, et al. (2012).Pancreatic cancer cells surviving gemcitabine treatment express markers of stem cell differentiation and epithelial-mesenchymal transition.Int J Oncol. doi: 10.3892/ijo.2012.1648.

Santos-Magalhaes NS and Mosquera V.C. (2010) Nanotechnology applied to the treatment of malaria. Adv Drug Deliv Rev;62 (4-%):560-75

Su Y, Wei X, and Peng F et al. (2012). Gold nanoparticles-decorated silicon nanowires as highly efficient near-infrared hyperthermia agents for cancer cells destruction. Nano Lett. 2012 Apr 11;12(4).

Seetharamappa J, Yellappa S, and D’Souza F.(2006). Carbon Nanotubes: The Next Elctronic Materials. The Electrochemical Society Interface p.24-61

Seth D, Choudhury S.R, Pradhan S, et al.(2010). Nature-inspired novel drug design paradigm using nanosilver: efficacy on multi-drug-resistant clinical isolates of tuberculosis. Curr Microbiol; 62(3):715-726

Shibata M dan Shen M.(2012).The roots of cancer: Stem cells and the basis for tumor heterogeneity.Bioessay; doi: 10.1002/bies.201200101.

Smith AM, Duan H, Mohs AM and Nie S.(2009). Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv Drug Deliv Rev. Aug 17;60(11):1226-1240.

Tachung C.Y and Wei T.C, (2005).Nanomedicine in cancer treatment Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 1: 191– 192

Wang X, Li Q, Xie J, and Jin Z, et al. (2009). Fabrication of ultralong and electrically uniform single-walled carbon nanotubes on clean substrates. Nano Lett. Sep;9(9):3137-3141.

Zhang W, Zhang D, Tan J and Cong H. (2012). Carbon nanotube exposure sensitize human ovarian cancer cells to paclitaxel. J Nanosci Nanotechnol.Sep;12(9):7211-7214.

Zheng G, Patolsky F, Cui Y et al. (2005). Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat Biotechnol.Oct;23(10):1294-1301.