JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
MITOKONDRIA SEBAGAI TARGET TERAPI KANKER Dwi Nur Ahsani* Departemen Histologi Fakultas Kedokteran Universitas Islam Indonesia.
ABSTRAK Sel kanker merupakan sel yang memiliki karakteristik yang khas, yang mampu bertahan terhadap induksi apoptosis sel. Mitokondria merupakan organela yang berperan penting dalam induksi apoptosis sel pada jalur endogen.Pelepasan sitokrom C dan berbagai protein proapoptosis dari mitokondria ke sitoplasma dihambat oleh sel kanker melalui mekanisme stabilisasi permeabilitas mitokondria dan metabolic reprogramming.Dewasa ini telah dikembangkan berbagai terapi sel kanker berdasarkan target spesifik. Mitokondria merupakan salah satu target yang poten dalam terapi sel kanker. Dengan mengetahui karakteristik alamiah sel kanker terhadap mitokondria, diharapkan dapat dikembangkan terapi sel kanker berbasis organela spesifik (mitokondria) yang mampu meningkatkan apoptosis sel kanker tanpa mengakibatkan apoptosis pada sel normal.Naskah ini bertujuan untuk memahami lebih jauh bagaimana mekanisme sel kanker dalam memodulasi aktivitas mitokondria untuk dapat menghindari respon apoptosis sel, serta untuk mempelajari mekanisme terapi sel kanker berbasis mitokondria. Kata kunci : sel kanker, permeabilitas mitokondria, metabolic reprogramming, apoptosis sel, sitokrom C, protein proapoptosis. ABSTRACT Cancer cells have distinct characteristics from normal cells, which able to withstand to cell apoptosis induction. Mitochondria are organelles that play an important role in the endogenous pathway of cells apoptosis. Release of cytochrome C and other proapoptosis proteins from the mitochondria to the cytoplasm were inhibit by cancer cells through mitochondrial permeability stabilization mechanism and metabolic reprogramming. Today various cancer cell therapies were developed on a specific targets. Mitochondria is a potent target in the treatment of cancer cells. By knowing the natural characteristics of mitochondrial cancer cells, a development of cell based cancer therapies by specific organelles were expected to increase cancer cells apoptosis without causing normal cells apoptosis. Aims of this manuscripstare to further understand about cancer cells mechanism in modulating mitochondrial activity to avoid mitochondrial apoptotic cells response, as well as to study the mechanism of cell based cancer therapies by mitokondria. Keywords :cancer cells, mitochondrial permeability, metabolic reprogramming, cells apoptosis, cytocrome C, proapoptotic cells
*Korespondensi :
[email protected]
Dwi Nur Ahsani, Mitokondria Sebagai Target Terapi Kanker
mitokondria berperan penting dalam proses
PENDAHULUAN Kanker
merupakan
penyakit
yang
pembentukan energi (ATP), menghasilkan
sampai sekarang penanganannya masih sulit
senyawa intermediet dan antioksidan, serta
dilakukan dengan tuntas. Salah satu penyebab
mampu merespon terhadap stimulus apoptosis
dari keadaan tersebut adalah kemampuan sel
melalui pelepasan sitokrom C ke sitosol. Pada
kanker untuk meningkatkan respon survival
sel
sel dan menghindari respon apoptosis sel.
dihambat antara lain melalui stabilisasi
Melalui mekanisme tersebut sel kanker
permeabilitas membran luar mitokondria
mampu bertahan hidup, berproliferasi serta
(Mitochondrial Outer Membran Permeability/
mampu meningkatkan angiogenesis yang
MOMPS).1,2,3
kanker,
respon
apoptosis
tersebut
pada akhirnya akan memfasilitasi terjadinya proses metastasis.1,2 Mitokondria
PTPC, MOMPS DAN APOPTOSIS SEL merupakan
salah
satu
Permeabilitas
membran
luar
organella terpenting yang dipergunakan oleh
mitokondria yang rendah pada keadaan
sel kanker untuk menghindar dari respon
fisiologis
apoptosis.Pada
Permeability Pore Complex (PTPC). PTPC
keadaan
fisiologis,
dipertahankan
oleh
inaktifnya
Gambar 1. Induksi MPT terhadap MOMPS. Aktivasi PTPC, menurunnya transmembran potensial mitokondria serta MPT akan mengakibatkan terjadinya osmotic sweeling. Osmotic sweeling dan meningkatnya ROS akan menginduksi peningkatan MOMPS dan keluarnya protein proapoptosis ke sitosol (MPT : Mitochondrial Permeability Transition, MOMPS : Mitochondrial Outer Membran Permeability, PTPC : Permeability Pore Complex, ROS : Reactive Oxygen Species).2
JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
berada dalam keadaan low conductance
potensial
dalam keadaan fisiologis. Keadaan low
akanmenginduksi
conductanceini dipertahankan oleh tingginya
sitoplasma ke dalam matriks mitokondria
transmembran potensial mitokondria yang
(osmotic
+
mitokondria.
Keadaan
influx
sweeling).
zat
ini
terlarutdari
Kondisi
ini
akan
disebabkan oleh kadar H yang tinggi pada
memfasilitasi keluarnya protein proapoptosis
rantai respirasi. Hal inilah yang menyebabkan
(Sitokrom C, DIABLO, apoptosis inducing
terbatasnya
factor,
mitokondria
pertukaran dan
metabolit
sitoplasma
antara melalui
Mitochondrial Solute Carrier(SLCs).1,2,3
endonuclease
intermembran
G)
dari
mitokondria
ruang kedalam
sitoplasma (Gambar 1).1,2,3
Stimulus apoptosis sel yang dipicu oleh
Sitokrom Cakan menginduksi apoptosis
meningkatnya kadar radikal bebas (Reactive
sel melalui aktivasi Caspase. Sitokrom C di
Oxygen Spesies/ ROS) intramitokondrial serta
sitoplasma akan bergabung dengan Caspase 9
aktivasi
akan
dan Apaf-1 untuk membentuk kompleks
transduksi
sinyal
stress,
menginduksi
perubahan
permeabilitas
apoptosom. Kompleks ini akan mengaktivasi
mitokondria
(Mitochondrial
Permeability
efektor Caspase yaitu Caspase 3, yang akan
Transition/ MPT) yang pada akhirnya akan
mengaktivasi
Caspase
berakhir dengan peningkatan MOMPS. MPT
menginduksi apoptosis sel (Gambar 2).
terjadi oleh karena aktivasi PTPC (high
Protein DIABLO pada sitoplasma berperan
conductance) dan menurunnya transmembran
untuk
mempertahankan
Gambar 2. Aktivasi sistem Caspase oleh sitokrom C. Fusi antara sitokrom C dan Apaf 1 di sitosol akan membentuk kompleks apoptosom yang akan mengaktivasi Caspase 3. Caspase ini akan mengaktivasi Caspase 6 dan 7 yang akan menginduksi terjadinya apoptosis sel.4
6
dan
7
aktivasi
untuk
sistem
Dwi Nur Ahsani, Mitokondria Sebagai Target Terapi Kanker
Caspase dengan cara menghambat inhibitor
mungkin disebabkan oleh karena interaksi
Caspase.4
antara ANT1 tidak hanya dengan protein proapoptosis Bcl2 saja, tetapi juga dengan
INTERAKSI ANTARA STRUKTUR PTPC DENGAN AKTIVASI PTPC PTPC
merupakan
kompleks
yang
tersusun oleh Voltage Dependent Anion Channel
(VDAC),
Adenine
Nucleotide
Translocase (ANT) dan Cyclopidine (CYPD). Ketiganya struktur tersebut berada dalam kompartemen mitokondria yang berbeda.
protein
proapoptosis
Bcl2-associated
X
Protein (Bax). Aktivasi PTPC terjadi jika terdapat interaksi antara ANT dengan protein pro-apoptosis Bax ataupun terdapatnya ANT ligan yang bersifat proapoptosis. Selain dari pada itu, terjadinya inhibisi kompetitif antara Bax dengan Bcl2 akan mencegah interaksi antara Bcl2 dengan ANT.1
VDAC berada padamembran luar, ANT berada pada membran dalam, sedangkan CYPD berada pada matriks mitokondria.1
INAKTIVASI KANKER
PTPC
OLEH
SEL
VDAC memiliki peranan yang penting
Sel kanker mempertahankan inaktivasi
dalam aktivasi PTPC. VDAC pada bagian
PTPC melalui berbagai mekanisme. Secara
membran dengan
luar
mitokondria
berinteraksi
umum mekanisme tersebut terjadi melalui
enzim
Heksokinase
(HK)
aktivasi gen onkogenik serta supresi gen
dan
Peripheral Benzodiazepine Reseptor (PBR).
supresor.
HK berperan dalam pemecahan glukosa
mengalami aktivasi tersebut antara lain gen
menjadi Glukosa 6 phosfat. Pada sel normal,
yang terlibat dalam produksi HK,Bcl2, dan
ikatan antara HK dengan VDAC akan
Heat Stroke Protein (HSP 90), sedangkan gen
terlepas
pemecahan
yang mengalami supresi adalah gen yang
glukosa. Keadaan ini akan mengakibatkan
memproduksi protein pro-apoptosis seperti
aktivasi PTPC.1
Bcl2.1
setelah
terjadinya
PTPC memiliki bermacam isoform
Gen-gen
Perlekatan
HK
onkogenik
padaVDAC
yang
akan
ANT dengan fungsi yang berbeda-beda.
mempertahankan inaktivasi PTPC. Salah satu
ANT3
mekanisme
bersifat
proapoptosis,
sedangkan
tersebut
terjadi
melalui
ANT2 bersifat antiapoptosis. Berbeda dengan
pembentukan isoform HK dengan affinitas
kedua isoform tersebut ANT1 bersifat sebagai
yang
allosterik aktivator dan inhibitor. Hal ini
dibandingkan dengan sel normal. Hal ini
lebih
kuat
terhadap
VDAC
JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
mengakibatkan stabilitas interaksi antara HK
interaksi antara HSP 90 dengan CYPD dan
dengan VDAC, yang pada akhirnya akan
Tumour Necrosis Factor Reseptor-Associatd
mempertahankan inaktivasi PTPC.1,3
Protein-1(TRAP-1).
Protein
pro-apoptosis
Mekanisme
Bcl2
antiapoptosis HSP 90 terjadi melalui inhibisi
menstabilisasi PTPC melalui interaksi dengan
protein proapoptosis AIF dan endonuclease
ANT.P ada sel kanker terjadi peningkatan
G, serta menghambat fusi antara sitokrom C
produksi
dan Apaf1 di sitosol (Gambar 3).1
protein
Bcl2
dan
penekanan
produksi protein Bax. Hal ini mengakibatkan Bax
tidak
mampu
menginhibisi
secara
METABOLIC REPROGRAMMING DAN ANTI-APOPTOSIS SEL KANKER Metabolic reprogramming merupakan
kompetitif interaksi antara ANT dengan Bcl2. Pada akhirnya ikatan antara Bcl2 dengan
salah
satu
mekanisme
survival
yang
Gambar 3. Inhibisi apoptosis sel oleh protein HSP 90. Inhibisi apoptosis sel oleh protein HSP 90 terjadi melalui inaktivasi PTPC melalui ikatan antara HSP90 dengan TRAP1 dan CYPD intramitokondrial serta inhibisi protein proapoptosis intrasitoplasmik (HSP : Heat Stroke Protein, TRAP : Tumour Necrosis Factor Reseptor-Associated Protein-1, CYPD : Cyclopidine).1
ANT akan mengakibatkan inaktivasi PTPC.1 Protein
kanker
dalam
anti-
respon apoptosis sel. Pada keadaan ini, sel
apoptosis. Inaktivasi PTPC terjadi melalui
kanker mengarahkan metabolisme produksi
dan
berperan
sel
memproduksi energi dan menghindar dari
PTPC
90
oleh
dalam
inaktivasi
HSP
digunakan
mekanisme
Dwi Nur Ahsani, Mitokondria Sebagai Target Terapi Kanker
energidari
oksidatif
menjadi
dalam metabolic reproggramming sel tumor
Fosforilasi
oksidatif
adalah protein Hipoxia Induced Factor1
mampu menghasilkan banyak ATP dengan
(HIF1). Pada sel tumor HIF1 teraktivasi tidak
jumlah senyawa ROS yang rendah. Salah satu
hanya pada kondisi hipoksia (supresi pada
alasan sel kanker untuk menghindar dari
proses fosforilasi oksidatif dan akumulasi
fosforilasi
adalah
substrat siklus krebs), tetapi juga dalam
terdapatnya ROS. Akumulasi ROS yang
kondisi oksigen yang adekuat. HIF-1 akan
tinggi
terjadinya
meningkatkan aktivasi LactateDehidrogenase
apotosis sel. Selain dari pada itu, terdapatnya
(LDH) dan Piruvat Dehidrogenase Kinase
kadar asam (H+) yang tinggi pada glikolisis
(PDK). LDH akan merubah piruvat menjadi
aerobik
mempertahankan
laktat, sedangkan PDK akan menghambat
transmembran potensial mitokondria agar
Piruvate Dehidrogenase (PDH) sehingga
tetap tinggi sehingga akan
terjadi supresi siklus krebs dan fosforilasi
glikolisis
fosforilasi anaerob.
oksidatif
mampu
tersebut
menginduksi
mampu
mempertahankan inaktivasi PTPC.1,2,3
oksidatif (Gambar 4).3 TERAPI KANKER DENGAN TARGET
Salah satu faktor yang berperan penting
MITOKONDRIA
Gambar 4. Metabolic reprogramming pada sel kanker. Aktivasi HIF1 akan meningkatkan glikolisis anaerobik (pembentukan laktat) serta menghambat proses pembentukan energi melalui jalur fosforilasi oksidatif.3
JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
Dewasa ini, penelitian terapi kanker
target spesifik yang banyak diteliti. Beberapa
dikembangkan tidak hanya agar bersifat sel
terapi tersebut tidak hanya dalam tahap uji
spesifik saja, tetapi juga bersifat target
preklinis saja, namun beberapa terapi telah
spesifik. Mitokondria merupakan salah satu
masuk dalam uji klinis tahap 3 (Tabel 1).5
Tabel 1. Terapi MOMPS inducers pada uji preklinis dan klinis.5
Dwi Nur Ahsani, Mitokondria Sebagai Target Terapi Kanker
Tabel 2. Mekanisme aksi terapi kanker dengan target mitokondria1
Mekanisme aksi apoptosis sel kanker
JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
pada terapi kanker dengan target mitokondria
cepat terakumulasi pada mitokondria sel
adalah melalui aktivasi MOMPS. Aktivasi ini
kanker.1
dapat diinduksi oleh aktivasi PTPC melalui
Salah satu jenis DLCs yang poten pada
modulasi aktivitas protein proapoptosis Bcl2,
terapi kanker adalah Triphenylphosphonium
modulasi VDAC dan ANT, serta inhibisi
(TPP) kation. Konjugasi antara TPP kation
protein HSP 90. Selain itu aktivasi MOMPS
dengan probe kimiawiataupun dengan drug
juga dapat diinduksi melalui inhibisi glikolisis
delivery
anaerob serta meregulasi produksi ROS
liposoms telah banyak digunakan untuk
dengan mengarahkan proses pembentukan
meningkatkan
energi melalui jalur fosforilasi oksidatif
mitokondria. Penelitian menunjukkan bahwa
1
(Tabel 2).
carier
seperti
spesifitas
dendimers
terapi
dan
pada
TPP yang dilabel dengan analog vitamin E (Mito VES) mampu menginduksi apoptosis sel kanker serta menghambat terjadinya
TERAPI KANKER DENGAN DLCs Mekanisme lain yang dipergunakan dalam
terapi
mitokondria
kanker
adalah
dengan
dengan
angiogenesis.6
target
Shabaik et al. (2013) mengatakan
Delocalized
bahwa TP421 yang merupakan salah satu
Lipofilic Cations (DLCs). Prinsip
yang
model
novel
TPP
salt
memiliki
efek
digunakan pada metode ini adalah dengan
sitotoksisitas sel kanker yang poten. Efek
menggunakan karakteristik alamiah tingginya
sitotoksisitas TP421 bersifat selektif dengan
muatan negatif pada matriks mitokondria sel
onset yang singkat dan IC50 yang rendah.
kanker dibandingkan dengan sel normal. Oleh
Senyawa ini juga mengakibatkan terjadinya
karena tingginya muatan negatif tersebut,
cell cyle arrest pada fase G0 dan G1,
maka pemberian substransi yang bersifat
sehingga menekan pertumbuhan koloni sel
lipofilik yang bermuatan positif (kation) akan
kanker.6
Dwi Nur Ahsani, Mitokondria Sebagai Target Terapi Kanker
Mekanisme
sitotoksisitas
TP421
Akumulasi ROS pada sitoplasmaakan
terutama disebabkan oleh tingginya lokalisasi
mengakibatkan aktivasi jalur stress oksidatif
pada mitokondria. Pada mitokondria TP421
dan inhibisi autofagi. Aktivasi jalur stress
mengakibatkan gangguan pada fosforilasi
oksidatif terjadi melalui aktivasi jalur JNK, p-
oksidatif serta meningkatkan produksi ROS
38 dan ERK. Aktivasi jalur tersebut akan
intramitokondrial
mengakibatkan
maupun
intrasitosol.
Tingginya kadar ROS intramitokondrial akan
inhibisi
autofagi
melalui
down regulasi upstream pathway autofagi.
Gambar 5. Inhibisi autophagy oleh aktivasi jalur stress oksidatif. Kadar ROS yang tinggi akan menginduksi JNK, ERK yang akan menginhibisi upstream pathway autophagy.7
meningkatkan apoptosis
dan
pelepasan intrasitosolik.6
MOMPS, kerusakan protein
menginduksi DNA
melalui
pro-apoptosis
Selain itu TP421 juga mengakibatkan inhibisi protein Beclin yang merupakan protein efektor autofagi (Gambar 5).6,7 TP421 mampu menghambat terjadinya migrasi sel tumor. Mekanisme tersebut terjadi
JKKI, Vol.6 No.1, Jan-Apr2014
melalui inhibisi jalur Src-FAK dan juga
berdasarkan target spesifik (mitokondria).
Smad. Selain memfasilitasi migrasi, jalur Src-
Melihat potensi unik tersebut, terapi sel
FAK juga berperan penting dalam adhesi dan
kanker berdasarkan target spesifik merupakan
metastasis. Oleh potensi TP 421 yang poten
upaya yang menjanjikan dengan efek yang
pada sel kanker, penelitian lebih lanjut
minimal pada sel yang normal.
diperlukan untuk mengembangkan senyawa ini baik dalam riset dasar maupun lanjut.6
DAFTAR PUSTAKA
KESIMPULAN Sel
kanker
memiliki
merupakan
kemampuan
sel
yang
survival
yang
tinggi.Salah satu mekanisme survival yang dilakukan oleh sel kanker adalah melalui modulasi mitokondria. Mekanisme modulasi mitokondria
oleh
sel
kanker
untuk
menghindari respon apoptosis sel, terjadi melalui stabilisasi permeabilitas mitokondria serta
melalui
reprogramming.
proses
metabolic
Konsekuensi
lain
dari
kondisi ini adalah tingginya muatan negatif pada
matriks
dibandingkan
mitokondria dengan
sel sel
kanker normal.
Karakteristik unik ini dikembangkan sebagai salah satu prinsip terapi terapi kanker
1. Fulda S, Galuzzi L, Kroemer G. Targeting mitochondria for cancer therapy. Nature Review. 2010.9 : 447-461. 2. Gogvadze V. Targeting mitochondria in fighting cancer. Current Pharmaceutical Design. 2011.17 : 1-10. 3. Gogvadze V, Orrenius S, Zhivotovsky B. Mitochondria in cancer cells : what is so special about them?. Elsevier. 2008.18(4) : 165-175. 4. Haupt S, Berger M, Goldberg Z, Haupt Y. Apoptosis–the p53 network.Cell Science. 2003.116: 4077-4085. 5. Galuzzi L, MorselliE, KeppO, Tajeddine, N, Kroemer G. Targeting p53 to mitochondria for cancer therapy. Cell Cycle. 2008.7(13) : 19491955. 6. Shabaik YH, Millard M, Neamati N. Mechanistic evaluation of a novel small molecule targeting mitochondria in pancreatic cancer cells. Plos One.2013.8(1) : e54346. 7. Kongara S, karantzaV. The interplay between autophagy and ROS in tumorigenesis. Frontier in Molecular and Selluler Oncology. 2012.2 : 1-13.