Informasi

Apakah listrik menyebabkan kerusakan pada tingkat sel?

Apakah listrik menyebabkan kerusakan pada tingkat sel?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Seperti yang saya pahami, mekanisme kematian ketika mamalia tersengat listrik adalah arus mengganggu SAN/AVN di jantung sehingga menyebabkan fibrilasi atau berhenti. Itu dalam skala makro, namun. Kerusakan apa, jika ada, yang disebabkan oleh listrik pada tingkat seluler? Saya telah memperhatikan semacam lumut atau lumut yang tumbuh di rel ketiga jalur kereta jadi saya sadar bahwa mereka harus dapat mengatasi arus, apakah mereka memiliki adaptasi atau mengizinkan ini atau hanya tidak terhubung ke bumi?


Mengenai lumut atau lumut di rel ketiga di jalur kereta Inggris: tidak ada arus yang melewati lumut/lichen karena mereka tidak menyelesaikan sirkuit. Mereka hanya duduk di satu konektor. Jika konektor lain melewatinya, menyelesaikan sirkuit di atasnya, maka arus mungkin melewatinya untuk waktu yang sangat singkat. Tapi saya ragu mereka tumbuh di atas rel (yang merupakan bagian kontak dalam sistem Inggris) karena itu terus-menerus dipoles halus oleh kontak dari kereta yang meluncur di atasnya.

Mengenai kerusakan sel: Selain fibrilasi pada hewan, dan luka bakar yang disebabkan oleh pemanasan Joule, listrik memang menyebabkan kerusakan sel.

Pada frekuensi rendah (<10kHz), listrik mengganggu membran sel dan membuatnya lebih permeabel (kami benar-benar memanfaatkan ini ketika kami menggunakan elektroporasi untuk mengubah bakteri). Semua organisme bergantung pada perbedaan potensial elektrokimia melintasi membran untuk metabolisme mereka (Berry, 2002). Efek yang tepat tergantung pada keadaan listrik sel sebelumnya, misalnya perbedaan potensial listrik melintasi membran, dan pada rasio luas permukaan terhadap volume sel (volume yang lebih besar relatif terhadap luas permukaan menyebabkan lebih banyak gangguan). Dalam kasus apapun, elektroporasi ekstrim dapat menyebabkan zat terlarut mengalir masuk atau keluar dari sel, dan umumnya mengganggu keseimbangan konsentrasi zat terlarut dan menyebabkan organel dan badan lain bergerak keluar dari sel. Ketika rangsangan listrik berhenti, isinya kemudian diperbaiki dalam keadaan terganggu. Sel kemudian harus mengeluarkan sejumlah besar ATP menggunakan saluran ion dan protein transpor dalam upaya untuk mengembalikan potensi kemiosmotik yang diperlukan, dan dengan demikian menghabiskan seluruh pasokan ATP dan masuk ke penangkapan biokimia (tidak ada metabolisme yang terjadi), yaitu ketika a sel sudah mati. Sel-sel mati pecah karena tidak ada pemeliharaan yang terjadi.

Pada frekuensi yang lebih tinggi (10-100kHz) protein menjadi terdenaturasi secara permanen. Banyak protein membawa muatan yang memberi mereka polaritas keseluruhan. Ketika ditempatkan di medan listrik, protein mengorientasikan diri dan akan mengalami perubahan konformasi untuk mencapai momen dipol optimal dalam arah medan. Saluran dan pompa ion sangat sensitif terhadap gangguan ini (karena muatannya sangat penting untuk fungsinya).

Alih-alih memberikan banyak referensi, ada satu ulasan yang sangat bagus dari mana saya menarik semua informasi ini, dan yang harus Anda baca untuk lebih detail fisiknya (Lee et al., 2000).

Referensi:

  • Berry, S. (2002) Dasar Kimia Bioenergi Membran. Jurnal Evolusi Molekuler. [Online] 54 (5), 595-613. Tersedia dari: doi:10.1007/s00239-001-0056-3 [Diakses: 9 Februari 2012].
  • Lee, R.C., Zhang, D. & Hannig, J. (2000) Mekanisme cedera biofisik pada trauma sengatan listrik. Review Tahunan Teknik Biomedis. [Online] 2 (1), 477-509. Tersedia dari: doi:10.1146/annurev.bioeng.2.1.477 [Diakses: 9 Februari 2012].

Kerusakan sel

Kerusakan sel (juga dikenal sebagai cedera sel) adalah berbagai perubahan tekanan yang dialami sel karena perubahan lingkungan eksternal maupun internal. Di antara penyebab lainnya, hal ini dapat disebabkan oleh faktor fisik, kimia, infeksi, biologis, nutrisi, atau imunologis. Kerusakan sel dapat bersifat reversibel atau ireversibel. Bergantung pada luasnya cedera, respons seluler mungkin adaptif dan jika memungkinkan, homeostasis dipulihkan. [1] Kematian sel terjadi ketika tingkat keparahan cedera melebihi kemampuan sel untuk memperbaiki dirinya sendiri. [2] Kematian sel relatif terhadap lamanya paparan terhadap stimulus berbahaya dan tingkat keparahan kerusakan yang ditimbulkan. [1] Kematian sel dapat terjadi karena nekrosis atau apoptosis..


Sebagian besar bakteri menguntungkan atau tidak berbahaya bagi manusia – bakteri yang menyebabkan penyakit adalah patogen:

- Gejala penyakit biasanya disebabkan oleh produk limbah patogen

- Infeksi adalah ketika efeknya terlihat pada tubuh

- Penularan adalah ketika infeksi ditularkan ke orang lain

Penyakit seperti tipus dan kolera ditularkan melalui air, dan dapat menyebabkan diare

Untuk menghindari kontaminasi air, proses pengolahan air berlangsung

Infeksi yang ditularkan melalui makanan termasuk Salmonella tersebar dalam dua cara:

- Dengan tidak memasak makanan secara menyeluruh (misalnya telur mentah: telur yang baru diletakkan dapat terkontaminasi dengan kotoran unggas)

- Dengan mengkontaminasi daging matang dari penanganan daging mentah terlebih dahulu mis. ayam

Infeksi yang ditularkan melalui udara menyebar ketika orang yang terinfeksi batuk, bersin, berbicara atau bernafas, karena patogen ditularkan ke udara dalam tetesan kecil air liur, lendir dan air.

Infeksi yang dapat ditularkan melalui kontak langsung dikatakan menular

Gigitan serangga dapat menularkan patogen melalui air liur serangga

Patogenisitas adalah kemampuan bakteri untuk menyebabkan penyakit.

- Cara bakteri menempel dan masuk ke sel inang

- Jenis toksin yang dihasilkan oleh bakteri

- Infektivitas bakteri (jumlah yang diperlukan untuk menyebabkan infeksi)

- Invasifitas bakteri (kemampuannya untuk menyebar di dalam inang)

Setelah infeksi, patogen harus melakukan tiga hal untuk menghasilkan penyakit:


Gangguan sistem kekebalan oleh medan elektromagnetik—Penyebab potensial yang mendasari kerusakan sel dan pengurangan perbaikan jaringan yang dapat menyebabkan penyakit dan gangguan

Sejumlah makalah yang berhubungan dengan efek medan elektromagnetik buatan manusia (EMF) modern pada sistem kekebalan dirangkum dalam tinjauan ini. EMFs mengganggu fungsi imun melalui stimulasi berbagai respon alergi dan inflamasi, serta efek pada proses perbaikan jaringan. Gangguan tersebut meningkatkan risiko berbagai penyakit, termasuk kanker. Ini dan efek EMF pada proses biologis lainnya (misalnya kerusakan DNA, efek neurologis, dll.) sekarang banyak dilaporkan terjadi pada tingkat paparan yang jauh di bawah batas keamanan nasional dan internasional terkini. Jelas, standar paparan berbasis biologis diperlukan untuk mencegah gangguan proses tubuh normal dan potensi efek kesehatan yang merugikan dari paparan kronis.

Berdasarkan ulasan ini, serta ulasan dalam Laporan Bioinitiative terbaru [http://www.bioinitiative.org/] [C.F. Blackman, M. Blank, M. Kundi, C. Sage, D.O. Carpenter, Z. Davanipour, D. Gee, L. Hardell, O. Johansson, H. Lai, K.H. Ringan, A. Sage, E.L. Sobel, Z. Xu, G. Chen, The Bioinitiative Report—A Rationale for a Biologically-based Public Exposure Standard for Electromagnetic Fields (ELF and RF), 2007)], harus disimpulkan bahwa batas keselamatan publik yang ada tidak memadai untuk melindungi kesehatan masyarakat, dan bahwa batasan keamanan publik yang baru, serta batasan penyebaran lebih lanjut dari teknologi yang belum teruji, dijamin.


Isi

Bioelectricity perkembangan adalah sub-disiplin biologi, terkait dengan, tetapi berbeda dari, neurofisiologi dan bioelektromagnetik. Bioelektrik perkembangan mengacu pada fluks ion endogen, gradien tegangan transmembran dan transepitel, dan arus listrik dan medan yang dihasilkan dan dipertahankan dalam sel dan jaringan hidup. [2] [3] Aktivitas listrik ini sering digunakan selama embriogenesis, regenerasi, dan kanker - ini adalah satu lapisan medan sinyal kompleks yang menimpa semua sel in vivo dan mengatur interaksi mereka selama pembentukan dan pemeliharaan pola (Gambar 1). Ini berbeda dari bioelektrik saraf (secara klasik disebut elektrofisiologi), yang mengacu pada spiking yang cepat dan sementara pada sel yang dapat dirangsang seperti neuron dan miosit [4] dan dari bioelektromagnetik, yang mengacu pada efek radiasi elektromagnetik yang diterapkan, dan elektromagnetik endogen. seperti emisi biofoton dan magnetit. [5] [6]

Diskontinuitas dalam/luar pada permukaan sel yang dimungkinkan oleh membran lipid bilayer (kapasitor) merupakan inti dari bioelektrik. Membran plasma adalah struktur yang sangat diperlukan untuk asal usul dan evolusi kehidupan itu sendiri. Ini memberikan kompartementalisasi yang memungkinkan pengaturan tegangan diferensial / gradien potensial (baterai atau sumber tegangan) melintasi membran, mungkin memungkinkan bioenergi awal dan dasar yang memicu mekanisme sel. [9] [10] Selama evolusi, difusi ion (pembawa muatan) yang awalnya murni pasif menjadi dikendalikan secara bertahap oleh perolehan saluran ion, pompa, penukar, dan pengangkut. Translocator yang bebas energi (resistor atau konduktor, transpor pasif) atau mahal (sumber arus, transpor aktif) ini mengatur dan menyesuaikan gradien tegangan – potensial istirahat – yang ada di mana-mana dan penting untuk fisiologi kehidupan, mulai dari bioenergi, gerak, penginderaan, transportasi nutrisi , pembersihan racun, dan pensinyalan dalam kondisi homeostatik dan penyakit / cedera. Setelah rangsangan atau penghalang pecah (hubung singkat) membran, ion yang ditenagai oleh gradien tegangan (gaya gerak listrik) berdifusi atau bocor, masing-masing, melalui sitoplasma dan cairan interstisial (konduktor), menghasilkan arus listrik yang terukur – fluks ion bersih – dan bidang. Beberapa ion (seperti kalsium) dan molekul (seperti hidrogen peroksida) memodulasi translokator yang ditargetkan untuk menghasilkan arus atau untuk meningkatkan, mengurangi atau bahkan membalikkan arus awal, menjadi pengalih. [11] [12]

Sinyal bioelektrik endogen diproduksi dalam sel oleh aksi kumulatif saluran ion, pompa, dan transporter. Dalam sel yang tidak tereksitasi, potensial istirahat melintasi membran plasma (Vmem) sel individu menyebar melintasi jarak melalui sinapsis listrik yang dikenal sebagai gap junction (konduktor), yang memungkinkan sel berbagi potensial istirahatnya dengan tetangga. Sel-sel yang disejajarkan dan ditumpuk (seperti di epitel) menghasilkan potensi transepitel (baterai secara seri) dan medan listrik (Gambar 2 dan 3), yang juga menyebar ke seluruh jaringan. [13] Tight junction (resistor) secara efisien mengurangi difusi dan kebocoran ion paraseluler, menghalangi korsleting tegangan. Bersama-sama, tegangan dan medan listrik ini membentuk pola dan pola yang kaya dan dinamis (Gambar 5) di dalam tubuh hidup yang membatasi fitur anatomi, sehingga bertindak seperti cetak biru untuk ekspresi gen dan morfogenesis dalam beberapa kasus. Lebih dari korelasi, distribusi bioelektrik ini dinamis, berkembang seiring waktu dan dengan lingkungan mikro dan bahkan kondisi yang jauh untuk berfungsi sebagai pengaruh instruktif atas perilaku sel dan pola skala besar selama embriogenesis, regenerasi, dan penekanan kanker. [3] [14] [8] [15] [16] Mekanisme kontrol bioelektrik merupakan target penting yang muncul untuk kemajuan dalam pengobatan regeneratif, cacat lahir, kanker, dan bioteknologi sintetis. [17] [18]

Akar modern biolistrik perkembangan dapat ditelusuri kembali ke seluruh abad ke-18. Beberapa karya mani merangsang kontraksi otot menggunakan guci Leyden memuncak dengan publikasi studi klasik oleh Luigi Galvani pada tahun 1791 (De viribus electricitatis in motu musculari) dan 1794. Dalam hal ini, Galvani dianggap telah menemukan kemampuan memproduksi listrik intrinsik dalam jaringan hidup atau “ listrik hewan”. Alessandro Volta menunjukkan bahwa otot kaki katak berkedut disebabkan oleh generator listrik statis dan dari kontak logam yang berbeda. Galvani menunjukkan, dalam sebuah penelitian tahun 1794, berkedut tanpa listrik logam dengan menyentuh otot kaki dengan saraf sciatic yang terpotong, secara definitif menunjukkan "listrik hewan". [19] [20] [21] Tanpa disadari, Galvani dengan eksperimen ini dan yang terkait menemukan arus cedera (kebocoran ion yang didorong oleh potensi membran/epitel yang utuh) dan potensi cedera (perbedaan potensial antara membran/epitel yang cedera dan yang utuh). Potensi cedera, pada kenyataannya, adalah sumber listrik di balik kontraksi kaki, seperti yang direalisasikan pada abad berikutnya. [22] [23] Pekerjaan selanjutnya akhirnya memperluas bidang ini secara luas di luar saraf dan otot ke semua sel, dari bakteri hingga sel mamalia yang tidak dapat dirangsang.

Berdasarkan studi sebelumnya, kilasan lebih lanjut dari bioelektrik perkembangan terjadi dengan penemuan arus dan medan listrik yang berhubungan dengan luka pada tahun 1840-an, ketika salah satu bapak pendiri elektrofisiologi modern – Emil du Bois-Reymond – melaporkan aktivitas listrik tingkat makroskopik pada katak, ikan dan tubuh manusia. Dia merekam arus listrik kecil dalam jaringan dan organisme hidup dengan galvanometer canggih yang terbuat dari gulungan kawat tembaga berinsulasi. Dia mengungkapkan listrik yang berubah cepat yang terkait dengan kontraksi otot dan eksitasi saraf – potensial aksi. [24] [25] [26] Pada saat yang sama, du Bois-Reymond juga melaporkan secara rinci lebih sedikit fluktuasi listrik pada luka – arus dan potensi cedera – yang dia buat sendiri. [27] [28]

Pekerjaan bioelektrik dimulai dengan sungguh-sungguh pada awal abad ke-20. [30] [31] [32] [33] [34] [35] Sejak itu, beberapa gelombang penelitian menghasilkan data fungsional penting yang menunjukkan peran bioelektrik dalam mengontrol pertumbuhan dan bentuk. Pada 1920-an dan 1930-an, E. J. Lund [36] dan H. S. Burr [37] adalah beberapa penulis paling produktif di bidang ini. [29] Lund mengukur arus di sejumlah besar sistem model hidup, menghubungkannya dengan perubahan pola. Sebaliknya, Burr menggunakan voltmeter untuk mengukur gradien tegangan, memeriksa perkembangan jaringan embrionik dan tumor, pada berbagai hewan dan tumbuhan. Medan listrik yang diterapkan ditunjukkan untuk mengubah regenerasi planaria oleh Marsh and Beams pada tahun 1940-an dan 1950-an, [38] [39] menginduksi pembentukan kepala atau ekor di lokasi pemotongan, membalikkan polaritas tubuh primer. Pengenalan dan pengembangan vibrating probe, perangkat pertama untuk karakterisasi kuantitatif non-invasif dari arus ion menit ekstraseluler, oleh Lionel Jaffe dan Richard Nuccittelli, [40] merevitalisasi bidang ini pada 1970-an. Mereka diikuti oleh para peneliti seperti Joseph Vanable, Richard Borgens, Ken Robinson, dan Colin McCaig, di antara banyak lainnya, yang menunjukkan peran sinyal bioelektrik endogen dalam pengembangan dan regenerasi anggota tubuh, embriogenesis, polaritas organ, dan penyembuhan luka. [41] [42] [43] [44] [45] [46] [23] [47] C.D. Cone mempelajari peran potensial istirahat dalam mengatur diferensiasi dan proliferasi sel [48] [49] dan pekerjaan selanjutnya [50] telah mengidentifikasi daerah spesifik dari spektrum potensial istirahat yang sesuai dengan keadaan sel yang berbeda seperti diam, batang, kanker, dan terminal. dibedakan (Gambar 5).

Meskipun kumpulan pekerjaan ini menghasilkan sejumlah besar data fisiologis berkualitas tinggi, pendekatan biofisika skala besar ini secara historis berada di bawah bayang-bayang gradien biokimia dan jaringan genetik dalam pendidikan biologi, pendanaan, dan popularitas keseluruhan di kalangan ahli biologi. Faktor kunci yang berkontribusi pada bidang ini yang tertinggal di belakang genetika molekuler dan biokimia adalah bahwa bioelektrik secara inheren merupakan fenomena hidup – ia tidak dapat dipelajari dalam spesimen tetap. Bekerja dengan bioelektrik lebih kompleks daripada pendekatan tradisional untuk biologi perkembangan, baik secara metodologis maupun konseptual, karena biasanya memerlukan pendekatan interdisipliner yang tinggi. [15]

Teknik standar emas untuk mengekstrak dimensi listrik secara kuantitatif dari spesimen hidup, mulai dari tingkat sel hingga organisme, adalah mikroelektroda kaca (atau mikropipet), probe tegangan getar (atau referensi sendiri), dan mikroelektroda selektif ion bergetar. Yang pertama secara inheren invasif dan dua yang terakhir non-invasif, tetapi semuanya ultra-sensitif [51] dan sensor responsif cepat yang banyak digunakan dalam sejumlah besar kondisi fisiologis dalam model biologis yang tersebar luas. [52] [53] [11] [54] [23]

Mikroelektroda kaca dikembangkan pada tahun 1940-an untuk mempelajari potensial aksi sel yang dapat dirangsang, yang diturunkan dari karya mani oleh Hodgkin dan Huxley pada cumi-cumi akson raksasa. [55] [56] Ini hanyalah jembatan garam cair yang menghubungkan spesimen biologis dengan elektroda, melindungi jaringan dari racun yang dapat larut dan reaksi redoks dari elektroda telanjang. Karena impedansinya yang rendah, potensial sambungan yang rendah dan polarisasi yang lemah, elektroda perak adalah transduser standar dari ionik menjadi arus listrik yang terjadi melalui reaksi redoks reversibel pada permukaan elektroda. [57]

Probe bergetar diperkenalkan dalam studi biologi pada 1970-an. [58] [59] [40] Probe peka tegangan dilapisi dengan platinum untuk membentuk bola ujung hitam kapasitif dengan luas permukaan yang besar. Saat bergetar dalam gradien tegangan DC buatan atau alami, bola kapasitif berosilasi dalam output AC sinusoidal. Amplitudo gelombang sebanding dengan perbedaan potensial pengukuran pada frekuensi getaran, disaring secara efisien oleh penguat pengunci yang meningkatkan sensitivitas probe. [40] [60] [61]

Mikroelektroda selektif ion bergetar pertama kali digunakan pada tahun 1990 untuk mengukur fluks kalsium di berbagai sel dan jaringan. [62] Mikroelektroda selektif ion adalah adaptasi dari mikroelektroda kaca, di mana penukar ion cair spesifik ion (ionofor) diisi ujungnya ke dalam mikroelektroda yang sebelumnya telah disilanisasi (untuk mencegah kebocoran). Juga, mikroelektroda bergetar pada frekuensi rendah untuk beroperasi dalam mode referensi mandiri yang akurat. Hanya ion spesifik yang menembus ionofor, oleh karena itu pembacaan tegangan sebanding dengan konsentrasi ion dalam kondisi pengukuran. Kemudian, fluks dihitung menggunakan hukum pertama Fick. [60] [63]

Munculnya teknik berbasis optik, [64] misalnya, pH optrode (atau optode), yang dapat diintegrasikan ke dalam sistem referensi mandiri dapat menjadi teknik alternatif atau tambahan di laboratorium bioelektrik. Optrode tidak memerlukan referensi dan tidak sensitif terhadap elektromagnetisme [65] menyederhanakan pengaturan sistem dan menjadikannya pilihan yang cocok untuk perekaman di mana stimulasi listrik diterapkan secara bersamaan.

Banyak pekerjaan untuk mempelajari pensinyalan bioelektrik secara fungsional telah memanfaatkan arus dan medan listrik terapan (eksogen) melalui peralatan penghantar tegangan DC dan AC yang terintegrasi dengan jembatan garam agarosa. [66] Perangkat ini dapat menghasilkan kombinasi tak terhitung besarnya tegangan dan arah, pulsa, dan frekuensi. Saat ini, aplikasi medan listrik yang dimediasi lab-on-a-chip mulai berkembang di lapangan dengan kemungkinan untuk memungkinkan pengujian penyaringan throughput tinggi dari output kombinasi yang besar. [67]

Kemajuan luar biasa dalam biologi molekuler selama enam dekade terakhir telah menghasilkan alat yang kuat yang memfasilitasi pembedahan sinyal biokimia dan genetik, namun mereka cenderung tidak cocok untuk studi bioelektrik in vivo. Pekerjaan sebelumnya sangat bergantung pada arus yang diterapkan langsung oleh elektroda, dihidupkan kembali oleh kemajuan terbaru yang signifikan dalam ilmu material [69] [70] [71] [72] [73] [74] dan pengukuran arus ekstraseluler, difasilitasi oleh sistem elektroda referensi mandiri yang canggih . [75] [76] Sementara aplikasi elektroda untuk memanipulasi proses tubuh yang dikendalikan secara netral baru-baru ini menarik banyak perhatian, [77] [78] sistem saraf hanyalah puncak gunung es [75] [76] istilah merak ] ketika datang ke peluang untuk mengendalikan proses somatik, karena sebagian besar jenis sel secara elektrik aktif dan merespons sinyal ionik dari diri mereka sendiri dan tetangga mereka (Gambar 6).

Dalam 15 tahun terakhir, sejumlah teknik molekuler baru [79] telah dikembangkan yang memungkinkan jalur bioelektrik untuk diselidiki dengan resolusi mekanistik tingkat tinggi, dan untuk dihubungkan dengan kaskade molekul kanonik. Ini termasuk (1) layar farmakologis untuk mengidentifikasi saluran dan pompa endogen yang bertanggung jawab untuk kejadian pola tertentu [80] [81] [82] (2) pewarna reporter fluoresen yang peka terhadap tegangan dan indikator tegangan fluoresen yang dikodekan secara genetik untuk karakterisasi keadaan bioelektrik in vivo [83] [84] [85] [86] [87] (3) panel saluran ion dominan yang ditandai dengan baik yang dapat salah diekspresikan dalam sel yang diinginkan untuk mengubah keadaan bioelektrik dengan cara yang diinginkan [82] [88] [89] dan (4) platform komputasi yang datang on-line [90] [91] untuk membantu dalam membangun model prediksi dinamika bioelektrik dalam jaringan. [92] [93] [94]

Dibandingkan dengan teknik berbasis elektroda, probe molekuler memberikan resolusi spasial yang lebih luas dan memfasilitasi analisis dinamis dari waktu ke waktu. Meskipun kalibrasi atau titrasi dapat dilakukan, probe molekuler biasanya semi-kuantitatif, sedangkan elektroda memberikan nilai bioelektrik absolut. Keuntungan lain dari fluoresensi dan probe lainnya adalah sifatnya yang kurang invasif dan multiplexing spasial, memungkinkan pemantauan simultan dari area embrionik atau jaringan lain yang luas. in vivo selama proses pattering normal atau patologis. [95]

Bekerja dalam sistem model seperti Xenopus laevis dan ikan zebra telah mengungkapkan peran sinyal bioelektrik dalam perkembangan jantung, [96] [97] wajah, [98] [99] mata, [88] otak, [100] [101] dan organ lainnya. Layar telah mengidentifikasi peran saluran ion dalam kontrol ukuran struktur seperti sirip ikan zebra, [102] sementara studi gain-of-fungsi terfokus telah menunjukkan misalnya bahwa bagian tubuh dapat ditentukan ulang pada tingkat organ – misalnya menciptakan seluruh mata dalam endoderm usus. [88] Seperti di otak, bioelektrik perkembangan dapat mengintegrasikan informasi melintasi jarak yang signifikan dalam embrio, misalnya seperti kontrol ukuran otak oleh keadaan bioelektrik jaringan ventral. [101] dan kontrol tumorigenesis di lokasi ekspresi onkogen oleh keadaan bioelektrik sel jarak jauh. [103] [104]

Gangguan manusia, serta banyak mutan tikus menunjukkan bahwa sinyal bioelektrik penting untuk perkembangan manusia (Tabel 1 dan 2). Efek tersebut secara luas terkait dengan channelopathies, yang merupakan gangguan manusia akibat mutasi yang mengganggu saluran ion.

Beberapa channelopathies mengakibatkan kelainan morfologi atau cacat lahir bawaan selain gejala yang mempengaruhi otot dan atau neuron. Misalnya, mutasi yang mengganggu saluran kalium Kir2.1 yang memperbaiki ke dalam menyebabkan Sindrom Andersen-Tawil (ATS) yang diturunkan secara dominan. Pasien ATS mengalami kelumpuhan periodik, aritmia jantung, dan kelainan morfologi multipel yang dapat mencakup sumbing atau langit-langit melengkung tinggi, bibir atas sumbing atau tipis, filtrum rata, mikrognatia, oligodontia gigi, hipoplasia email, erupsi gigi tertunda, maloklusi, dahi lebar, set lebar mata, telinga rendah, sindaktili, klinodaktili, brakidaktili, dan ginjal displastik. [105] [106] Mutasi yang mengganggu saluran K+ Girk2 lainnya yang disandikan oleh KCNJ6 menyebabkan sindrom Keppen-Lubinsky yang meliputi mikrosefali, jembatan hidung sempit, langit-langit melengkung tinggi, dan lipodistrofi umum yang parah (kegagalan untuk menghasilkan jaringan adiposa). [107] KCNJ6 berada di wilayah kritis sindrom Down sehingga duplikasi yang mencakup wilayah ini menyebabkan kelainan kraniofasial dan ekstremitas dan duplikasi yang tidak mencakup wilayah ini tidak menyebabkan gejala morfologis sindrom Down. [108] [109] [110] [111] Mutasi pada KCNH1, saluran kalium bergerbang tegangan menyebabkan sindrom Temple-Baraitser (juga dikenal sebagai Zimmermann-Laband). Gambaran umum dari sindrom Temple-Baraitser termasuk tidak adanya atau hipoplastik kuku jari tangan dan kaki dan falang dan ketidakstabilan sendi. Cacat kraniofasial yang terkait dengan mutasi pada KCNH1 termasuk celah atau langit-langit melengkung tinggi, hipertelorisme, telinga dismorfik, hidung dismorfik, hipertrofi gingiva, dan jumlah gigi yang tidak normal. [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118]

Mutasi pada CaV1.2, saluran Ca2+ dengan gerbang tegangan, menyebabkan sindrom Timothy yang menyebabkan aritmia jantung yang parah (long-QT) bersama dengan sindaktili dan cacat kraniofasial serupa dengan sindrom Andersen-Tawil termasuk celah atau langit-langit melengkung tinggi, mikrognathia, set rendah telinga, sindaktili dan brakidaktili. [119] [120] Meskipun channelopathies ini jarang terjadi, mereka menunjukkan bahwa saluran ion fungsional penting untuk perkembangan. Selanjutnya, paparan in utero obat anti-epilepsi yang menargetkan beberapa saluran ion juga menyebabkan peningkatan insiden cacat lahir seperti celah mulut. [121] [122] [123] [124] [125] Efek dari gangguan genetik dan eksogen dari saluran ion memberikan wawasan tentang pentingnya pensinyalan bioelektrik dalam pengembangan.

Salah satu peran yang paling dipahami untuk gradien bioelektrik adalah pada medan listrik endogen tingkat jaringan yang digunakan selama penyembuhan luka. Hal ini menantang untuk mempelajari medan listrik yang berhubungan dengan luka, karena medan ini lemah, kurang berfluktuasi, dan tidak memiliki respon biologis langsung bila dibandingkan dengan denyut saraf dan kontraksi otot. Pengembangan mikroelektroda getar dan kaca, menunjukkan bahwa luka memang menghasilkan dan, yang penting, mempertahankan arus listrik dan medan listrik yang terukur. [40] [126] [59] [127] [128] [129] Teknik ini memungkinkan karakterisasi lebih lanjut dari medan listrik luka/arus pada luka kornea dan kulit, yang menunjukkan fitur spasial dan temporal aktif, menunjukkan regulasi aktif dari aliran listrik ini. fenomena. Misalnya, arus listrik luka selalu paling kuat di tepi luka, yang secara bertahap meningkat mencapai puncaknya sekitar 1 jam setelah cedera. [130] [131] [61] Pada luka pada hewan diabetes, medan listrik luka secara signifikan terganggu. [132] Memahami mekanisme pembangkitan dan pengaturan arus/medan listrik luka diharapkan dapat mengungkapkan pendekatan baru untuk memanipulasi aspek listrik untuk penyembuhan luka yang lebih baik.

Bagaimana medan listrik pada luka dihasilkan? Epitel secara aktif memompa dan memisahkan ion secara berbeda. Dalam epitel kornea, misalnya, Na+ dan K+ diangkut ke dalam dari cairan air mata ke cairan ekstraseluler, dan Cl− diangkut keluar dari cairan ekstraseluler ke dalam cairan air mata. Sel-sel epitel dihubungkan oleh persimpangan ketat, membentuk penghalang resistif listrik utama, dan dengan demikian membentuk gradien listrik melintasi epitel - potensi transepitel (TEP). [133] [134] Mematahkan penghalang epitel, seperti yang terjadi pada setiap luka, menciptakan lubang yang melanggar hambatan listrik tinggi yang dibentuk oleh persimpangan ketat di lembaran epitel, hubungan pendek epitel lokal. Oleh karena itu TEP turun menjadi nol pada luka. Namun, transpor ion normal berlanjut dalam sel epitel yang tidak terluka di luar tepi luka (biasanya <1 mm), mendorong aliran muatan positif keluar dari luka dan membentuk medan listrik (EF) yang stabil dan berorientasi lateral dengan katoda pada luka. Kulit juga menghasilkan TEP, dan ketika luka kulit dibuat, arus dan medan listrik luka yang serupa muncul, sampai fungsi penghalang epitel pulih untuk mengakhiri hubungan arus pendek pada luka. Ketika medan listrik luka dimanipulasi dengan agen farmakologis yang merangsang atau menghambat pengangkutan ion, medan listrik luka juga meningkat atau menurun. Penyembuhan luka dapat dipercepat atau diperlambat sesuai dengan luka kornea. [130] [131] [135]

Bagaimana medan listrik mempengaruhi penyembuhan luka? Untuk menyembuhkan luka, sel-sel di sekitar luka harus bermigrasi dan tumbuh secara terarah ke dalam luka untuk menutupi cacat dan mengembalikan penghalang. Sel-sel yang penting untuk menyembuhkan luka merespon dengan sangat baik terhadap medan listrik yang diterapkan dengan kekuatan yang sama yang diukur pada luka. Keseluruhan jenis sel dan responsnya setelah cedera dipengaruhi oleh medan listrik fisiologis. Itu termasuk migrasi dan pembelahan sel epitel, perkecambahan dan ekstensi saraf, dan migrasi leukosit dan sel endotel. [136] [137] [138] [139] Perilaku seluler yang paling banyak dipelajari adalah migrasi terarah sel epitel di medan listrik – elektrotaksis. Sel-sel epitel bermigrasi ke arah kutub negatif (katoda), yang pada luka adalah medan kutub medan listrik vektor endogen dalam epitel, menunjuk (positif ke negatif) ke pusat luka. Sel epitel kornea, keratinosit dari kulit, dan banyak jenis sel lainnya menunjukkan migrasi terarah pada kekuatan medan listrik serendah beberapa mV mm-1. [140] [141] [142] [143] Lembaran besar sel epitel monolayer, dan lembaran sel epitel berlapis berlapis juga bermigrasi secara terarah. [131] [144] Gerakan kolektif semacam itu sangat mirip dengan apa yang terjadi selama penyembuhan luka in vivo, di mana lembaran sel bergerak secara kolektif ke dasar luka untuk menutupi luka dan mengembalikan fungsi penghalang kulit atau kornea.

Bagaimana sel merasakan medan listrik ekstraseluler yang begitu kecil sebagian besar masih sulit dipahami. Penelitian terbaru telah mulai mengidentifikasi beberapa elemen genetik, pensinyalan dan struktural yang mendasari bagaimana sel merasakan dan merespons medan listrik fisiologis kecil. Ini termasuk saluran ion, jalur pensinyalan intraseluler, rakit lipid membran, dan elektroforesis komponen membran seluler. [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151]

Pada awal abad ke-20, Albert Mathews secara mani mengkorelasikan regenerasi polip cnidaria dengan perbedaan potensial antara permukaan polip dan stolon, dan memengaruhi regenerasi dengan memaksakan arus berlawanan. Amedeo Herlitzka, mengikuti jejak arus listrik luka mentornya, du Bois-Raymond, berteori tentang arus listrik memainkan peran awal dalam regenerasi, mungkin memulai proliferasi sel. [152] Menggunakan medan listrik yang menggantikan medan listrik endogen, Marsh dan Beams secara mengejutkan menghasilkan planaria berkepala dua dan bahkan membalikkan polaritas tubuh utama sepenuhnya, dengan ekor yang tumbuh di tempat kepala sebelumnya ada. [153] Setelah studi benih ini, variasi gagasan bahwa bioelektrik dapat merasakan cedera dan memicu atau setidaknya menjadi pemain utama dalam regenerasi telah didorong selama beberapa dekade hingga saat ini. Penjelasan potensial terletak pada potensi istirahat (terutama Vmem dan TEP), yang dapat, setidaknya sebagian, sensor aktif (alarm) siap untuk mendeteksi dan efektor (pemicu) siap untuk bereaksi terhadap kerusakan lokal. [126] [154] [155] [12]

Menindaklanjuti keberhasilan relatif stimulasi listrik pada regenerasi kaki katak non-permisif menggunakan batang bimetalik yang ditanamkan pada akhir 1960-an, [156] aspek ekstraseluler bioelektrik dari regenerasi tungkai amfibi secara ekstensif dibedah dalam dekade berikutnya. Data fisiologis deskriptif dan fungsional yang definitif dimungkinkan karena pengembangan probe getar ultra-sensitif dan perangkat aplikasi yang ditingkatkan. [40] [157] Amputasi selalu mengarah pada arus keluar yang digerakkan oleh kulit dan konsekuen medan listrik lateral yang mengatur katoda di lokasi luka. Meskipun awalnya kebocoran ion murni, komponen aktif akhirnya terjadi dan pemblokiran translocator ion biasanya mengganggu regenerasi. Menggunakan arus dan medan listrik eksogen biomimetik, regenerasi parsial tercapai, yang biasanya mencakup pertumbuhan jaringan dan peningkatan jaringan saraf. Sebaliknya, menghalangi atau mengembalikan arus dan medan listrik endogen merusak regenerasi. [59] [158] [157] [159] Studi ini dalam regenerasi anggota badan amfibi dan studi terkait di lamprey dan mamalia [160] dikombinasikan dengan penyembuhan patah tulang [161] [162] dan in vitro penelitian, [131] mengarah pada aturan umum bahwa migrasi (seperti keratinosit, leukosit dan sel endotel) dan sel yang tumbuh lebih besar (seperti akson) yang berkontribusi terhadap regenerasi menjalani elektrotaksis menuju katoda (situs asli cedera). Secara kongruen, anoda dikaitkan dengan resorpsi atau degenerasi jaringan, seperti yang terjadi pada gangguan regenerasi dan resorpsi osteoklastik pada tulang. [161] [159] [163] Terlepas dari upaya ini, janji untuk regenerasi epimorfik yang signifikan pada mamalia tetap menjadi batas utama untuk upaya masa depan, yang mencakup penggunaan bioreaktor yang dapat dipakai untuk menyediakan lingkungan di mana keadaan bioelektrik pro-regeneratif dapat didorong [164] [165] dan upaya lanjutan pada stimulasi listrik. [166]

Pekerjaan molekuler terbaru telah mengidentifikasi proton dan fluks natrium sebagai hal yang penting untuk regenerasi ekor pada berudu Xenopus, [12] [167] [168] dan menunjukkan bahwa regenerasi seluruh ekor (dengan sumsum tulang belakang, otot, dll.) dapat dipicu di berbagai kondisi normal non-regeneratif baik dengan metode molekuler-genetik, [169] farmakologis, [170] atau optogenetc [171]. Dalam planaria, bekerja pada mekanisme bioelektrik telah mengungkapkan kontrol perilaku sel induk, [172] kontrol ukuran selama remodeling, [173] polaritas anterior-posterior, [174] dan bentuk kepala. [68] [175] Perubahan sinyal fisiologis yang dimediasi gap junction menghasilkan cacing berkepala dua di Dugesia japonica secara luar biasa, hewan-hewan ini terus beregenerasi sebagai cacing berkepala dua di putaran berikutnya dari bulan-bulan regenerasi setelah reagen penghambat gap junction telah meninggalkan jaringan . [176] [177] [178] Perubahan jangka panjang yang stabil dari tata letak anatomi tempat hewan beregenerasi, tanpa pengeditan genom, adalah contoh pewarisan epigenetik pola tubuh, dan juga merupakan satu-satunya "strain" planarian yang tersedia. spesies menunjukkan perubahan anatomi yang diwariskan yang berbeda dari tipe liar. [179]

Pembelotan sel dari koordinasi aktivitas yang biasanya ketat menuju struktur anatomi menghasilkan kanker. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika bioelektrik – mekanisme kunci untuk mengoordinasikan pertumbuhan dan pola sel – adalah target yang sering dikaitkan dengan kanker dan metastasis. [180] [181] Memang, telah lama diketahui bahwa gap junction memiliki peran kunci dalam karsinogenesis dan progresi. [182] [183] ​​[184] Saluran dapat berperilaku sebagai onkogen dan karenanya cocok sebagai target obat baru. [3] [92] [182] [185] [186] [187] [188] [189] [190] [191] Karya terbaru dalam model amfibi telah menunjukkan bahwa depolarisasi potensial istirahat dapat memicu perilaku metastasis pada sel normal, [192] [193] sementara hiperpolarisasi (diinduksi oleh kesalahan ekspresi saluran ion, obat-obatan, atau cahaya) dapat menekan tumorigenesis yang disebabkan oleh ekspresi onkogen manusia. [194] Depolarisasi potensi istirahat tampaknya menjadi tanda bioelektrik dimana situs tumor yang baru mulai dapat dideteksi secara non-invasif. [195] Penyempurnaan tanda bioelektrik kanker dalam konteks biomedis, sebagai modalitas diagnostik, adalah salah satu kemungkinan penerapan bidang ini. [180] Menariknya, ambivalensi polaritas – depolarisasi sebagai penanda dan hiperpolarisasi sebagai pengobatan – memungkinkan secara konseptual untuk menurunkan pendekatan theragnostik (portmanteau terapi dengan diagnostik), yang dirancang untuk mendeteksi dan mengobati tumor dini secara bersamaan, dalam hal ini berdasarkan normalisasi dari polarisasi membran. [194]

Eksperimen terbaru menggunakan obat pembuka/pemblokir saluran ion, serta kesalahan ekspresi saluran ion dominan, dalam berbagai spesies model, telah menunjukkan bahwa bioelektrik, khususnya, gradien tegangan tidak hanya menginstruksikan perilaku sel induk [196] [197] [198] [ 199] [200] [201] tetapi juga pola skala besar. [29] [202] [203] Isyarat pola sering dimediasi oleh gradien spasial potensial sel istirahat, atau Vmem, yang dapat ditransduksi menjadi kaskade messenger kedua dan perubahan transkripsi oleh beberapa mekanisme yang diketahui (Gambar 7). Potensi ini diatur oleh fungsi saluran ion dan pompa, dan dibentuk oleh koneksi gap junctional yang membentuk kompartemen perkembangan (bidang sel isopotensial). [204] Karena kedua gap junction dan saluran ion itu sendiri peka terhadap tegangan, kelompok sel menerapkan sirkuit listrik dengan kemampuan umpan balik yang kaya (Gambar 8). Keluaran dari dinamika bioelektrik perkembangan in vivo mewakili keputusan pola skala besar seperti jumlah kepala di planaria, [178] bentuk wajah dalam perkembangan katak, [98] dan ukuran ekor pada ikan zebra. [102] Modulasi eksperimental prepatterns bioelektrik endogen telah memungkinkan mengubah daerah tubuh (seperti usus) menjadi mata lengkap [88] (Gambar 9), mendorong regenerasi pelengkap seperti ekor berudu pada konteks non-regeneratif, [171] [ 170] [169] dan konversi bentuk dan isi kepala cacing pipih menjadi pola yang sesuai dengan spesies cacing pipih lainnya, meskipun genomnya normal. [175] Karya terbaru telah menunjukkan penggunaan lingkungan pemodelan fisiologis untuk mengidentifikasi intervensi prediktif untuk menargetkan status bioelektrik untuk perbaikan cacat otak embrionik di bawah kisaran teratologi yang diinduksi secara genetik dan farmakologis. [89] [100]

Hidup pada akhirnya merupakan penelitian perusahaan elektrokimia di bidang ini berkembang di sepanjang beberapa perbatasan.Pertama adalah program reduktif untuk memahami bagaimana sinyal bioelektrik dihasilkan, bagaimana perubahan tegangan pada membran sel mampu mengatur perilaku sel, dan apa target hilir genetik dan epigenetik dari sinyal bioelektrik. Beberapa mekanisme yang mentransduksi perubahan bioelektrik menjadi perubahan ekspresi gen sudah diketahui, termasuk kontrol bioelektrik pergerakan molekul second-messenger kecil melalui sel, termasuk serotonin dan butirat, fosfatase sensitif tegangan, antara lain. [205] [206] Juga dikenal banyak target gen dari sinyal tegangan, seperti Notch, BMP, FGF, dan HIF-1α. [127] Dengan demikian, mekanisme proksimal sinyal bioelektrik dalam sel tunggal menjadi dipahami dengan baik, dan kemajuan dalam optogenetika [79] [171] [4] [207] [208] dan magnetogenetika [209] terus memfasilitasi program penelitian ini . Namun yang lebih menantang adalah program integratif untuk memahami bagaimana pola spesifik dinamika bioelektrik membantu mengontrol algoritme yang menyelesaikan regulasi pola skala besar (regenerasi dan pengembangan anatomi kompleks). Penggabungan bioelektrik dengan sinyal kimia di bidang yang muncul dari persepsi sensorik sel menyelidik dan pengambilan keputusan [210] [211] [212] [213] [214] [215] adalah perbatasan penting untuk pekerjaan di masa depan.

Modulasi bioelektrik telah menunjukkan kontrol atas morfogenesis dan remodeling yang kompleks, tidak hanya mengatur identitas sel individu. Selain itu, sejumlah hasil utama di bidang ini telah menunjukkan bahwa sirkuit biolistrik bersifat non-lokal – bagian tubuh membuat keputusan berdasarkan peristiwa bioelektrik pada jarak yang cukup jauh. [100] [103] [104] Peristiwa non-sel-otonom semacam itu menyarankan model jaringan terdistribusi dari kontrol bioelektrik [216] [217] [218] paradigma komputasi dan konseptual baru mungkin perlu dikembangkan untuk memahami pemrosesan informasi spasial dalam bioelektrik- jaringan aktif. Telah disarankan bahwa hasil dari bidang kognisi primitif dan komputasi tidak konvensional relevan [217] [219] [68] dengan program pemecahan kode bioelektrik. Akhirnya, upaya dalam biomedis dan bioteknologi sedang mengembangkan aplikasi seperti bioreaktor yang dapat dipakai untuk mengirimkan reagen pengubah tegangan ke lokasi luka, [165] [164] dan obat pengubah saluran ion (semacam elektroseutikal) untuk perbaikan cacat lahir [89] dan perbaikan regeneratif. [170] Ahli biologi sintetik juga mulai memasukkan sirkuit bioelektrik ke dalam konstruksi hibrida. [220]


Interaksi Sel Virus

Virus beradaptasi dengan inangnya sebagian besar dengan berevolusi untuk berinteraksi secara efisien dengan sel inang dalam memulai infeksi dan memproduksi virus dalam jumlah besar. Virus menyebar ke berbagai organ inang dan dalam proses ini menyebabkan kerusakan jaringan. Strain virus (misalnya, variola mayor dan variola minor) berbeda dalam vimlensi atau kemampuannya untuk menyebabkan penyakit fatal. Perbedaan virulensi mungkin disebabkan oleh perubahan kecepatan replikasi dan penyebaran virus, jumlah virus yang dihasilkan, kemampuan untuk merusak sel tempat virus bereplikasi, atau kemampuan untuk menghindari respon imun dari pejamu. Selain itu, gen tropisme jaringan orthopoxvirus telah diidentifikasi pada vaccinia vires dan cacar sapi (C7L, K1L, dan CHOhr), dan morfogenesis berbagai bentuk partikel orthopoxvirus semakin dipahami [43, 44]. Dasar genetik infeksi orthopoxvirus dengan demikian dapat terungkap. Infeksi sel manusia yang ditumbuhkan dalam kultur jaringan dapat mulai memberikan jawaban atas beberapa pertanyaan berikut:

Akhirnya, dilihat dari apa yang diketahui tentang poxvirus lain, modulasi respons imun inang kemungkinan besar berkontribusi pada virulensi virus. Infeksi sel sistem kekebalan dapat memungkinkan untuk menilai efek langsung pada sel tersebut, dan inkubasi sel sistem kekebalan manusia dengan protein yang disekresikan oleh sel yang terinfeksi dapat memungkinkan identifikasi potensi interaksi unik antara protein virus dan mediator respons imun antivirus. Interaksi ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi aspek penting dan berpotensi unik dari respons manusia terhadap infeksi virus.


Gangguan penyimpanan lisosom: Dampak seluler dari disfungsi lisosom

Penyakit penyimpanan lisosom (LSDs) adalah keluarga gangguan yang dihasilkan dari mutasi gen yang diturunkan yang mengganggu homeostasis lisosom. LSD terutama berasal dari defisiensi enzim lisosom, tetapi juga pada beberapa protein lisosom non-enzimatik, yang menyebabkan penyimpanan abnormal substrat makromolekul. Wawasan berharga tentang fungsi lisosom telah muncul dari penelitian penyakit ini. Selain disfungsi lisosom primer, jalur seluler yang terkait dengan organel terikat membran lainnya terganggu pada gangguan ini. Melalui contoh-contoh selektif, kami mengilustrasikan mengapa istilah ȁgangguan penyimpanan seluler” mungkin merupakan deskripsi yang lebih tepat untuk penyakit ini dan mendiskusikan terapi yang dapat mengurangi penyimpanan dan memulihkan fungsi seluler normal.

Gangguan penyimpanan lisosom: Gambaran singkat

Kesalahan metabolisme bawaan adalah penyebab umum penyakit bawaan (Burton, 1998), di mana penyakit penyimpanan lisosom (LSDs) adalah subkelompok yang signifikan (Platt dan Walkley, 2004 Fuller et al., 2006 Ballabio dan Gieselmann, 2009). Insiden gabungan LSD diperkirakan sekitar 1:5.000 kelahiran hidup (Fuller et al., 2006), tetapi angka sebenarnya kemungkinan lebih besar ketika kasus yang tidak terdiagnosis atau salah didiagnosis dicatat. Umum untuk semua LSD adalah akumulasi awal makromolekul spesifik atau senyawa monomer di dalam organel sistem endosomal𠄺utophagic–lysosomal. Karakterisasi biokimia awal dari makromolekul yang tersimpan dalam gangguan ini menyebabkan implikasi enzim lisosom yang rusak sebagai penyebab umum patogenesis (Hers, 1963 Winchester, 2004). Meskipun sebagian besar LSD dihasilkan dari defisiensi asam hidrolase (Winchester, 2004), sejumlah besar kondisi ini diakibatkan oleh defek pada protein membran lisosom atau protein lisosom yang larut non-enzimatik (Saftig dan Klumperman, 2009). Oleh karena itu, LSD menawarkan jendela ke fungsi normal protein lisosom enzimatik dan non-enzimatik.

Fenotipe klinis LSD

Usia onset klinis dan spektrum gejala yang ditunjukkan di antara LSD yang berbeda bervariasi, tergantung pada tingkat fungsi protein yang dipengaruhi oleh mutasi spesifik, biokimia bahan yang disimpan, dan jenis sel tempat penyimpanan terjadi. Terlepas dari penyakit lisosom yang melibatkan penyimpanan substrat di tulang dan tulang rawan (misalnya, mucopolysaccharidosis Tabel 1) kebanyakan bayi yang lahir dengan kondisi ini tampak normal saat lahir. Presentasi klinis klasik dari LSD adalah penyakit neurodegeneratif pada masa bayi/anak-anak (Wraith, 2002), tetapi varian onset dewasa juga terjadi (Spada et al., 2006 Nixon et al., 2008 Shapiro et al., 2008). Sebuah program pengawasan kesehatan yang ditugaskan untuk mendiagnosis semua kasus penyakit neurodegeneratif pada anak-anak di Inggris sejauh ini telah mengungkapkan bahwa gangguan lisosom adalah salah satu diagnosis neurodegenerasi yang paling sering dikonfirmasi (45% kasus) dan akan memberikan frekuensi kasus onset infantil/remaja yang kuat sebagai penyebab studi mengumpulkan lebih banyak data selama tahun-tahun mendatang (Verity et al., 2010). Fitur molekuler dan klinis utama dari penyakit penyimpanan yang disebutkan dalam tinjauan ini dirangkum dalam Tabel 1 . Selain itu, deskripsi medis terperinci tentang berbagai gangguan tersedia di situs web Online Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (OMMBID) (Valle et al., 2012).

Tabel 1.

Penyebab penyakit penyimpanan lisosom, organel yang terpengaruh, dan situs patologi utama

Mekanisme penyimpanan lisosomContoh penyakitDefek protein lisosom (simbol gen)Substrat disimpanSistem organ perifer utama terpengaruhpatologi SSP
Defisiensi enzim lisosomAspartylglukosaminuriaAspartilglukosaminidase (glikosilasparaginase, AGA)aspartilglukosamin (n-asetilglukosaminil-asparagin)Kerangka, jaringan ikat+
Fabryα-Galaktosidase (GLA)(Lyso-)Globotriaosylceramideginjal, hati
Gaucher tipe 1, 2, dan 3β-Glukoserebrosidase (GBA)Glucosylceramide, glucosylsphingosineLimpa/hati, sumsum tulang+ a
GM1-gangliosidosisβ-Galaktosidase (GLB1)GM1-gangliosida, oligosakaridaKerangka, hati+
Krabbe (leukodistrofi sel globoid)Galaktoserebrosidase (GALC)GalaktosilceramidaJantung+
Leukodistrofi metakromatikArilsulfatase A (ARSA)Sulfogalactosylceramide +
MukopolisakaridaEnzim terlibat dalam katabolisme mukopolisakaridaMukopolisakaridaTulang rawan, tulang, jantung, paru-paru+ b
Defisiensi sulfatase multipelSUMF1 (Enzim penghasil formilglisin diperlukan untuk mengaktifkan sulfatase)Beberapa, termasuk glikosaminoglikan sulfatLimpa/hati, tulang, kulit+
Pompeα-Glukosidase (GAA)GlikogenOtot rangka
Sandhoffβ-heksosaminidase A dan B (HEXB)GM2-gangliosida +
Cacat perdagangan enzim lisosomMukolipidosis tipe II (penyakit sel-I)n-asetil glukosamin fosforil transferase α/β (GNPTAB)Karbohidrat, lipid, proteinKerangka, hati+
Mukolipidosis tipe IIIA (polidistrofi pseudo-Hurler)n-asetil glukosamin fosforil transferase α/β (GNPTAB)Karbohidrat, lipid, proteinKerangka, hati+/−
Cacat pada protein lisosom non-enzimatik yang larutPenyakit Niemann-Pick tipe C2NPC2 (protein pengikat kolesterol larut)Kolesterol dan sphingolipidsHati+
Cacat pada protein membran lisosomSistinosisSistinosin (pengangkut sistein, CTNS)Sistinginjal, mata
penyakit DanonProtein membran terkait lisosom 2, splicing varian A (LAMP2)Glikogen dan komponen autofagik lainnyaOtot jantung dan rangka+
Gangguan penyimpanan asam sialat gratisSialin (pengangkut asam sialic, SLC17A5)asam sialat gratisHati / limpa, kerangka+
Mukolipidosis IVMucolipin-I (MCOLN1)Mukopolisakarida dan lipidMata+
Penyakit Niemann-Pick tipe C1NPC1 (protein membran yang terlibat dalam transpor lipid)Kolesterol dan sphingolipidsHati+
Gangguan lisosom yang penuh teka-tekiNeuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs, termasuk penyakit Batten)Kelompok penyakit yang berbeda dengan cacat genetik pada gen yang tampaknya tidak terkait, tidak semuanya terkait dengan sistem lisosom. Tidak diketahui apakah gen-gen ini bekerja sama dalam jalur seluler yang sama.Lipofuscin autofluorescent adalah fitur umum, dengan tanda-tanda klinis konvergen, misalnya, cacat sistem visual/kebutaan +

Terdaftar adalah penyakit yang dibahas dalam teks utama. Mucopolysaccharidosis dan neuronal ceroid lipofuscinosis mengacu pada kumpulan gangguan terkait.

Relatif sedikit penyakit lisosom yang tidak memiliki patologi pada sistem saraf pusat (CNS Wraith, 2004). Pada sebagian besar LSD, keterlibatan SSP adalah umum dan neurodegenerasi dapat terjadi di beberapa daerah otak (misalnya, talamus, korteks, hipokampus, dan otak kecil). Neuropatologi pada LSD melibatkan perubahan temporal dan spasial yang unik, yang seringkali memerlukan degenerasi saraf dan peradangan spesifik wilayah awal, sebelum wilayah otak global terpengaruh. Alasan utama untuk ini ada tiga: (1) metabolit penyimpanan spesifik memberikan efek diferensial pada subtipe neuron, (2) berbagai proporsi makromolekul yang disintesis dalam populasi neuron yang berbeda, dan (3) ada kerentanan neuronal yang berbeda terhadap penyimpanan (misalnya, Purkinje). neuron mengalami degenerasi pada banyak penyakit ini yang menyebabkan ataksia serebelar). Aktivasi sistem kekebalan bawaan juga lazim di otak LSD, yang secara langsung berkontribusi pada patologi SSP (Vitner et al., 2010). Astrogliosis (aktivasi astrosit) adalah fitur umum lain dari LSD, yang merusak neuron melalui proses inflamasi yang dikenal sebagai jaringan parut glial (Jesionek-Kupnicka et al., 1997 Vitner et al., 2010). Efek merugikan aditif yang dimiliki astrogliosis pada fungsi neuron direkapitulasi pada model hewan penyakit lisosom (Farfel-Becker et al., 2011 Pressey et al., 2012).

LSD non-neuronopatik yang menonjol adalah penyakit Gaucher Tipe 1 (β-glucocerebrosidase deficiency), yang merupakan LSD yang relatif umum, terutama dalam komunitas Yahudi Ashkenazi. Jenis sel utama yang dipengaruhi oleh penyimpanan glukosilceramida pada penyakit ini adalah makrofag (“Sel Gaucher”), yang disfungsinya memengaruhi produksi dan pergantian sel yang termasuk dalam sistem hematopoietik. Sel Gaucher menyusup ke berbagai organ dan mempengaruhi sistem kekebalan tubuh, kekuatan tulang, limpa, dan fungsi hati.

Sebuah pertanyaan kunci yang saat ini menantang bidang ini adalah bagaimana penyimpanan endosomal–lysosomal mengarah pada patogenesis dan bagaimana memperluas pengetahuan ini akan meningkatkan pengobatan untuk pasien (Bellettato dan Scarpa, 2010 Cox dan Cachón-González, 2012). Tinjauan ini bertujuan untuk menggambarkan sistem regulasi dan organel yang menjadi terganggu pada gangguan ini, menyoroti kompleksitas penyimpanan seluler, konsekuensinya pada patogenesis, dan implikasi untuk terapi.

Fungsi endosomal𠄺utophagic–lysosomal dan disfungsi pada penyakit penyimpanan

Lisosom memainkan peran sentral dalam memproses pembersihan substrat seluler dari berbagai rute dalam sistem lisosom endosomal (Gbr. 1). Lisosom adalah organel asam yang mengandung enzim yang diperlukan untuk degradasi makromolekul, dan efluks permease yang memfasilitasi translokasi molekul kecil dari dalam ke luar yang dihasilkan melalui katabolisme makromolekul. Dibandingkan dengan endosom dan autofagosom, lisosom berukuran lebih kecil, sangat diperkaya khususnya protein transmembran dan enzim hidrolitik (termasuk protease, glikosidase, nuklease, fosfatase, dan lipase), memiliki kerapatan daya apung yang lebih tinggi, penampilan padat elektron melalui transmisi mikroskop elektron, dan kandungan proton dan Ca 2+ yang tinggi (Luzio et al., 2007 Saftig dan Klumperman, 2009 Morgan et al., 2011). Lisosom berbeda dari endosom dalam tingkat pengasamannya dan tingkat protein membran lisosom (LMP) yang lebih melimpah seperti LAMP1 dan LAMP2. Sebagian besar enzim lisosom yang baru lahir mengikat reseptor mannose-6-fosfat (M6PRs) di jaringan trans-Golgi (TGN), yang lalu lintas enzim ke endosom awal dan akhir (Ghosh et al., 2003). Lisosom pada gilirannya menerima enzim ini ketika fusi endosomal lisosom terjadi. Khususnya, lisosom padat tidak mengandung M6PR. Reagen acidotropic seperti Lysotracker berguna untuk pelabelan lisosom Namun, interior agak asam dari endosom akhir dan autophagosomes juga memungkinkan Lysotracker untuk label organel ini untuk berbagai derajat (Bampton et al., 2005).

Lisosom sebagai pusat katabolik sel. Lisosom memanfaatkan empat jalur berbeda untuk degradasi bahan seluler. (A) Makroautofagi dimulai dengan pembentukan membran isolasi yang mengasingkan daerah sitosol yang mencakup protein terdenaturasi, lipid, karbohidrat, dan organel tua/rusak ke dalam vesikel berkapsul yang dikenal sebagai autofagosom. Kinetika dinamis dari produksi dan pembersihan autophagosome oleh lisosom dikenal sebagai fluks autophagic. (B) Degradasi endosom oleh lisosom terutama menargetkan endosom akhir/badan multivesikular. Fusi antara endosom akhir dan lisosom dapat terjadi dengan (i) fusi / degradasi penuh atau (ii) pencampuran konten ciuman-dan-lari, di mana docking endosom sementara terjadi. (C) Mikroautofagi melibatkan pinositosis daerah sitosolik di sekitar lisosom. ( D ) Chaperone-mediated autophagy (CMA) secara selektif menargetkan protein dengan motif KFERQ untuk pengiriman ke lisosom menggunakan Hsc-70 sebagai pendampingnya dan LAMP-2A sebagai reseptornya.

Biogenesis dan fungsi jalur endosom dan autofagosom dikendalikan oleh faktor transkripsi EB (TFEB), yang mengatur ekspresi 471 gen yang membentuk jaringan gen CLEAR (Sardiello et al., 2009 Palmieri et al. , 2011). Pekerjaan terbaru menunjukkan bahwa TFEB non-aktif sangat terfosforilasi dan berasosiasi dengan endosom/lisosom akhir (Roczniak-Ferguson et al., 2011). Kondisi yang menginduksi autophagy (misalnya, kekurangan glukosa atau asam amino) menghasilkan fosforilasi TFEB yang berkurang dan berubah, yang mengarah ke translokasinya ke dalam nukleus (Pe༚-Llopis et al., 2011) dan ekspresi transkripsi gen CLEAR (Palmieri et al., 2011). al., 2011).

Degradasi bahan endosom dan autofagosom terjadi pada pertukaran konten (melalui kontak transien “kiss-and-run”) atau fusi dengan lisosom, membentuk endolisosom (Tjelle et al., 1996 Bright et al., 1997, 2005 Mullock et al. al., 1998) dan autolisosom (Jahreiss et al., 2008 Fader dan Colombo, 2009 Orsi et al., 2010), masing-masing (Gbr. 1, A dan B). Lisosom dapat dianggap sebagai kompartemen penyimpanan untuk hidrolase asam yang memasuki siklus fusi dan fisi dengan endosom akhir dan autofagosom, sedangkan pencernaan substrat endositosis dan autofagik terjadi terutama di endolisosom dan autolisosom (Tjelle et al., 1996 Luzio et al., 2007). Dalam kondisi fisiologis, endolisosom dan autolisosom adalah organel sementara.

Sel yang kekurangan enzim hidrolitik lisosom, protein membran lisosom, atau protein lisosom larut non-enzimatik mengakumulasi kadar makromolekul yang tidak terdegradasi secara berlebihan (defisiensi enzim) atau produk katabolik monomer (defisiensi efluks permease) dan mengandung banyak endo/autolisosom (Gbr. 2). Ketika tingkat makromolekul/monomer yang sangat tinggi terakumulasi dalam endo/autolisosom, mereka menghambat enzim katabolik dan permease yang tidak kekurangan genetik, yang menghasilkan akumulasi substrat sekunder (Walkley dan Vanier, 2009 Lamanna et al., 2011 Prinetti et al., 2011 ). Misalnya, kapasitas proteolitik lisosom berkurang pada fibroblas dari berbagai LSD, seperti mucopolysaccharidosis I dan VI, dan GM1-gangliosidosis, yang tidak disebabkan oleh defisiensi protease (Kopitz et al., 1993). Akumulasi substrat primer dan sekunder memicu serangkaian peristiwa yang berdampak tidak hanya pada sistem endosomal𠄺utophagic–lysosomal, tetapi juga organel lain, termasuk mitokondria, RE, Golgi, peroksisom (Gbr. 3 ), dan fungsi sel secara keseluruhan ( Gambar 4 ).

Subtipe organel penyimpanan terakumulasi di LSD. Dalam LSD yang berbeda, sel menampilkan spektrum unik organel disfungsional tergantung pada enzim lisosom spesifik atau protein non-enzimatik yang terpengaruh.(A) Pada LSD primer, defisiensi enzim degradatif mencegah pembersihan substrat autofagik dan endositik, mengakibatkan akumulasi (i) autolisosom (LC3-II (+), LAMP-1 (+)), (ii) endolisosom ( CI-MPR (+), LAMP-1 (+)), dan (iii), dalam kasus defisiensi lipase tertentu, badan multilamelar kaya lipid (CI-MPR (+), LAMP-1 (+)). (B) Pada penyakit penyimpanan sekunder seperti Niemann-Pick tipe C1, fungsi enzim lisosom tetap utuh, tetapi gangguan fusi heterotipik organel autofagik dan endositik dengan lisosom menghasilkan akumulasi (iv) autofagosom (LC3-II (+), LAMP-1 (−)), (v) endosom akhir (CI-MPR (+), cathepsin D aktif (−)), dan (vi) badan multilamelar turunan endosom (kaya lipid, CI-MPR (+), cathepsin D aktif (−)). Catatan: banyak penyakit penyimpanan primer juga mengakumulasi organel yang terlihat pada penyakit penyimpanan sekunder (lihat teks).

Ringkasan organel yang terpengaruh pada LSD. Juga ditampilkan contoh selektif LSD. Lihat Tabel 1 dan teks utama untuk detailnya.

Kaskade peristiwa hipotetis dalam patologi LSD. Bagaimana mutasi gen pada enzim lisosom dan protein lisosom non-enzimatik dapat menyebabkan LSD. Peristiwa endo/autolisosom terbatas pada latar belakang yang lebih gelap, sedangkan proses yang terjadi di sitoplasma yang memengaruhi autofagosom, RE, Golgi, peroksisom, dan mitokondria berada di latar belakang yang lebih terang. Proses yang digambarkan telah diamati di sejumlah LSD tetapi tidak selalu berlaku untuk semua LSD.

Jalur autofagik.

Jalur autophagic (“self-eating”) secara konstitutif menargetkan komponen sitosol intraseluler untuk degradasi lisosom, dan sangat penting untuk mempertahankan energi seluler dan homeostasis metabolik (Kuma dan Mizushima, 2010 Singh dan Cuervo, 2011). Sampai saat ini, tiga bentuk autophagy yang berbeda telah dicirikan: macroautophagy, microautophagy, dan autophagy yang dimediasi pendamping (Gbr. 1, A, C, dan D). Ketiga proses autophagic berpuncak pada degradasi lisosom namun, rute yang diambil oleh substrat ke lisosom berbeda antara masing-masing bentuk. Makroautofagi melibatkan sekuestrasi sebagian besar daerah sitosol ke dalam autofagosom terikat ganda atau multi-membran, yang diperdagangkan ke lisosom untuk pencernaan konten (Gbr. 1 A). Berbagai macam bahan seluler terdegradasi melalui makroautofagi, termasuk lipid, karbohidrat dan protein poliubiquitinated, RNA, mitokondria, dan fragmen ER (Eskelinen dan Saftig, 2009). Protein yang paling ditandai yang terkait dengan autofagosom adalah bentuk lipidated (phosphatidylethanolamine) dari rantai ringan protein terkait mikrotubulus 3 (MAP-LC3), yang dikenal sebagai LC3-II, yang dihasilkan di awal proses autophagic tetapi terdegradasi pada fase akhir autophagic pencernaan.

Fluks autophagic (laju di mana vakuola autophagic diproses oleh lisosom) berkurang di sebagian besar LSD (Ballabio, 2009 Ballabio dan Gieselmann, 2009 Raben et al., 2009). Ini terbukti dari elevasi gabungan substrat autophagic dan LC3-II terkait autophagosome. Sel LSD sering menunjukkan peningkatan jumlah organel LC3(+), di mana hanya subkelompok yang membawa penanda lisosom, menunjukkan bahwa autofagosom dan autolisosom bertahan dalam kondisi ini. Misalnya, pada model tikus dengan penyakit Batten (gangguan lipofuscinosis seroid saraf [NCL] Tabel 1 ), sebagian besar kompartemen LC3-positif tidak positif untuk LAMP1 (Koike et al., 2005), dan pada defisiensi sulfatase multipel dan seroid neuronal remaja lipofuscinosis, LC3 dan LAMP1 sebagian besar terlokalisasi di organel terpisah, yang bahkan lebih menonjol setelah kelaparan (Cao et al., 2006 Settembre et al., 2008). Fusi lisosom endosom dan autofagosom juga terganggu pada mukolipidosis tipe IIIA dan beberapa fibroblas embrionik tikus yang kekurangan sulfatase (Fraldi et al., 2010).

Mikroautofagi tidak melibatkan sintesis de novo dari vakuola yang baru lahir, melainkan terjadi melalui pinositosis langsung bahan sitosol oleh lisosom (Gbr. 1 C). Dinamika membran yang mengatur mikroautofagi mirip dengan yang terlibat dalam pembentukan vesikel intra-luminal (ILVs) yang ditemukan di badan multivesikular/endosom akhir (Sahu et al., 2011). Saat ini, sedikit yang diketahui tentang dampak penyimpanan lisosom pada mikroautofagi, tetapi proses ini tampaknya terganggu pada mioblas primer dari pasien dengan penyakit Pompe kondisi pengecilan otot (Takikita et al., 2009).

Autophagy yang dimediasi pendamping (CMA) adalah bentuk selektif dari proteolisis autophagic yang menargetkan protein yang mengandung motif KFERQ untuk degradasi (Dice et al., 1990 Cuervo dan Dice, 2000). Pendamping eponymous yang mengenali dan mengikat protein ditakdirkan untuk CMA adalah protein serumpun heat shock 70 kD (Hsc70). Hsc70 terikat-substrat menempel pada lisosom melalui kontak dengan protein membran terkait lisosom 2A (LAMP-2A), memungkinkan masuknya protein ke dalam lisosom (Gbr. 1 D). Mutasi pada LAMP-2A menyebabkan penyakit Danon, dan secara khusus mempengaruhi CMA (Eskelinen et al., 2003 Fidziańska et al., 2007). CMA juga diketahui terganggu pada mukolipidosis IV, di mana mutasi pada potensi reseptor transien mucolipin-1 (MCOLN1) menyebabkan berkurangnya jumlah LAMP-2A dan penyerapan substrat ke dalam lisosom (Venugopal et al., 2009).

Reformasi lisosom.

Baik endolisosom dan autolisosom memperpanjang struktur tubular di mana hidrolase lisosom dan LMP berkonsentrasi (Tjelle et al., 1996 Bright et al., 1997, 2005 Pryor et al., 2000 Yu et al., 2010). Di ujung tubulus ini, vesikel [LC3(−), LAMP1(+)] bertunas dan mengasamkan, matang menjadi lisosom padat, proses fisi yang disebut sebagai reformasi lisosom. Peristiwa ini melengkapi setiap siklus degradasi endositik dan autofagik, menghasilkan lisosom padat yang tersedia untuk menyatu dengan endosom dan autofagosom yang baru dihasilkan.

Pemrosesan substrat endo/autolisosom yang efisien sangat penting untuk reformasi lisosom. Ini diilustrasikan dengan baik dalam sebuah penelitian yang memantau metabolisme sukrosa eksogen pada fibroblas ginjal tikus (Bright et al., 1997). Sukrosa adalah disakarida yang terdiri dari monosakarida glukosa dan fruktosa, dan tidak dapat dicerna oleh sel. Dalam penelitian ini, endosom berisi sukrosa menyatu dengan lisosom dan membentuk endolisosom besar, yang terakumulasi dalam sitosol. Penipisan lisosom inti padat terlihat dalam kondisi ini, namun, pembubaran sukrosa yang terakumulasi oleh penyerapan invertase eksogen menghasilkan kemunculan kembali lisosom inti padat. Studi ini dan satu lagi yang lebih baru dari Yu et al. (2010) menunjukkan bahwa biogenesis lisosom tidak terjadi secara de novo, melainkan lahir dari reformasi/tunas dari endolisosom. Reformasi lisosom tampaknya rusak pada penyakit penyimpanan asam sialat karena fibroblas kulit dari individu yang sakit kekurangan lisosom padat, sementara enzim lisosom bertahan dalam organel menengah atau ringan (Schmid et al., 1999).

Menariknya, penurunan reformasi lisosom tampaknya menjadi cacat seluler utama pada sel yang kekurangan Niemann-Pick tipe C2 (NPC2), menunjukkan bahwa protein NPC2 memiliki peran penting dalam proses ini (Goldman dan Krise, 2010). Mempertimbangkan bahwa defisiensi NPC1 dan NPC2 memiliki konsekuensi patologis yang sama (penyakit Niemann-Pick tipe C Tabel 1), ini menunjukkan bahwa reformasi lisosom sama pentingnya dengan fusi endosom/autophagosome–lysosome, yang terganggu pada sel yang kekurangan NPC1.

Laporan terbaru telah memberikan hubungan mekanistik antara kegagalan pembersihan endo/autolisosom dan defisit reformasi lisosom. Inti dari jalur ini adalah mTOR, sebuah serin/treonin kinase yang memiliki peran menyeluruh dalam mengkoordinasikan metabolisme seluler dengan status gizi (Laplante dan Sabatini, 2012). Selama proses autophagic, mTOR melewati siklus inaktivasi dan reaktivasi yang bergantung pada fosforilasi, dengan yang terakhir diperlukan untuk reformasi lisosom autophagic (Yu et al., 2010). Pada gilirannya, reaktivasi mTOR tergantung pada penyelesaian pencernaan substrat autolisosom, dan tingkat asam amino luminal yang cukup (Zoncu et al., 2011). Informasi terbatas saat ini tersedia tentang sejauh mana reformasi lisosom dan reaktivasi mTOR di LSD. Namun, degradasi autolisosom yang tidak memadai dapat menghalangi reaktivasi mTOR dan, karenanya, juga menghambat reformasi lisosom, membuat sel-sel yang terkena kehilangan lisosom padat. Akibatnya, selain autolisosom yang terhenti, autofagosom dapat bertahan karena kekurangan lisosom padat, menjelaskan tingkat kolokalisasi penanda autofagosom dan lisosom yang rendah. Aktivitas mTOR berkurang di otak model tikus lipofuscinosis seroid neuron remaja (Cao et al., 2006), pada fibroblas dari mucopolysaccharidosis tipe IS, penyakit Fabry dan aspartylglucosaminuria yang mengalami autophagy yang diinduksi kelaparan (Yu et al., 2010) , dalam sel endotel vena umbilikalis manusia NPC1- dan NPC2-knockdown (Xu et al., 2010), dan pada defisiensi MCOLN1 Drosophila pupa (Wong et al., 2012), tetapi tidak pada sampel otak dari tikus Sandhoff, GM1-gangliosidosis, dan NPC1 (Boland et al., 2010). Mempertimbangkan segudang jalur pensinyalan seluler yang melibatkan mTOR (Laplante dan Sabatini, 2012), mungkin perlu untuk membedakan aktivitas mTOR pada populasi sel yang terpengaruh di berbagai wilayah otak. Selain itu, mikroskop elektron tetap menjadi alat yang ampuh untuk klasifikasi ultrastruktural autofagosom dan autolisosom dalam sel LSD, dan juga dapat digunakan untuk memantau sejauh mana reformasi lisosom.

Disfungsi mitokondria dan agregasi protein sitoplasma.

Dalam LSD, pengurangan fluks autophagic memiliki dampak besar pada fungsi mitokondria dan proteostasis sitoplasma. Macroautophagy konstitutif mempertahankan kualitas mitokondria dengan secara selektif menurunkan mitokondria disfungsional melalui proses yang dikenal sebagai mitofag (Kim et al., 2007). Protein mitokondria secara konsisten ditemukan dalam proteom autolisosom yang sangat murni, terutama subunit ATPase mitokondria (Schrr et al., 2010). Berkurangnya fluks autophagic di LSD menyebabkan persistensi mitokondria disfungsional, yang sangat menonjol di neuron penyakit Batten (Ezaki et al., 1996). Beberapa LSD (mucolipidosis tipe IV, IIIA [pseudo-Hurler polydistrophy], dan II [I-cell disease], late infantile neuronal ceroid lipifuscinosis [CLN2], mucopolysaccharidosis VI, dan GM1 gangliosidosis) menunjukkan kelainan mitokondria, termasuk penggantian filamen yang diperpanjang jaringan mitokondria dengan jumlah mitokondria yang relatif pendek, dan hilangnya kapasitas buffer kalsium mitokondria dan potensi membran (Jennings et al., 2006 Settembre et al., 2008 Takamura et al., 2008 Tessitore et al., 2009). Studi tentang penuaan dan pembentukan autofagosom telah menunjukkan bahwa mitokondria terlibat dalam jalur pensinyalan yang mengatur apoptosis dan imunitas bawaan, dan bahwa penurunan fluks autofagik dan akumulasi selanjutnya dari disfungsional, spesies oksigen reaktif yang menghasilkan mitokondria membuat sel lebih sensitif terhadap rangsangan apoptosis dan inflamasi (Terman et al., 2010 Green dkk., 2011 Nakahira dkk., 2011 Zhou dkk., 2011). Oleh karena itu, fungsi mitokondria yang menyimpang mungkin bertanggung jawab atas apoptosis dan peradangan pada SSP beberapa LSD.

Selain itu, kurangnya penyelesaian autophagy di LSD menyebabkan persistensi polipeptida yang ada di mana-mana dan rawan agregat dalam sitoplasma, termasuk p62/SQSTM1, α-synuclein, dan protein Huntingtin (Ravikumar et al., 2002 Suzuki et al. , 2007 Settembre dkk., 2008 Tessitore dkk., 2009). Alpha-synuclein sendiri berkontribusi pada neurodegenerasi dengan mengurangi efisiensi pembentukan autophagosome (Winslow et al., 2010), dan juga merupakan komponen utama badan Lewy yang terutama meningkat pada penyakit Parkinson dan bentuk demensia lainnya. Kontrol kualitas protein sitosol yang berkurang dengan demikian juga dapat berkontribusi pada patologi LSD.

Kerusakan autophagy dan eskalasi agregasi protein sitoplasma dibagi antara LSD neurodegeneratif dan gangguan neurodegeneratif yang lebih umum, seperti Alzheimer, Parkinson, penyakit Huntington, dan sklerosis lateral amyotrophic (ALS Garc໚-Arencibia et al., 2010 Wong dan Cuervo, 2010). Mutasi pada presenilin-1, yang menyebabkan bentuk familial penyakit Alzheimer, diketahui mengganggu pembersihan lisosom autofagosom (Esselens et al., 2004 Wilson et al., 2004 J.H. Lee et al., 2010). Mekanisme yang berbeda telah diusulkan untuk menjelaskan bagaimana hilangnya sebagian fungsi presenilin merusak fluks autophagic. Laporan dari J.H. Lee dkk. (2010) menunjukkan bahwa presenilin 1 diperlukan untuk glikosilasi dan pengiriman selanjutnya dari protein V0a1 ke lisosom, di mana ia membentuk subunit lisosom v-ATPase. Hal ini pada gilirannya dianggap merusak proteolisis lisosom dengan menaikkan pH mereka di atas keasaman optimal pH4𠄵. Atau, laporan terbaru lainnya menunjukkan bahwa mutasi pada presenilin 1 menyebabkan hilangnya regulasi kalsium lisosom, yang pada gilirannya mempengaruhi fusi dan pembersihan autofagosom (Coen et al., 2012). Namun, mengingat kedua kelompok menegaskan bahwa mutasi presenilin 1 mempengaruhi fluks autophagic, penyakit Alzheimer mulai muncul sebagai gangguan neurodegeneratif yang mungkin memiliki kesamaan dalam hal mekanisme patogen yang mendasari dengan gangguan penyimpanan lisosom.

Keluarnya molekul dari endo/autolisosom.

Beberapa molekul penyimpanan dalam LSD (glikokonjugat, asam amino, atau lipid tidak larut) keluar dari sel dan dapat dideteksi dalam darah dan/atau urin, yang dapat digunakan untuk tujuan diagnostik (Meikle et al., 2004). Sementara glikokonjugat yang berasal dari sel penyimpanan di beberapa jaringan dapat keluar sebagai zat terlarut dalam darah dan urin, lipid yang diekstraksi dari urin diyakini terkait dengan membran dan sebagian besar bersifat eksosom (Pisitkun et al., 2004).

Pada tingkat sel, pertanyaan besar yang masih harus diselesaikan menyangkut cara molekul penyimpan keluar dari sistem lisosom dan mempengaruhi fungsi organel dan sistem seluler lainnya (Elleder, 2006). Secara teoritis, lipid dapat mengalami redistribusi dalam sel melalui perdagangan membran, fusi, atau melalui perubahan jalur perdagangan karakteristik penyakit ini (Chen et al., 1999). Makromolekul endolisosom juga dapat disebarluaskan melalui situs kontak membran antara endolisosom dan ER (Eden et al., 2010 Toulmay dan Prinz, 2011), dan melalui sekresi ekstraseluler konten endolisosom, termasuk pelepasan eksosom. Sebagai contoh, sel ginjal primer dari tikus yang kekurangan arylsulfatase A mensekresi lipid yang terakumulasi (sulfogalactosylceramide) ke dalam media kultur (Klein et al., 2005), dan sel-sel yang kekurangan NPC1 melepaskan jumlah eksosom kaya kolesterol yang lebih tinggi (Chen et al. , 2010 Strauss et al., 2010). Oleh karena itu, kemungkinan perlu dipertimbangkan bahwa eksosom yang mengandung molekul penyimpanan diambil oleh sel penerima, dan bahwa makromolekul dan lipid ini mempengaruhi fungsi sel penerima dengan mendistribusikan ke membran plasma dan organel lain di luar sistem endolisosom (Simons dan Raposo, 2009). .

Karena tingkat lipid yang sangat tinggi dalam sistem endo/autolisosom, bahkan redistribusi kecil ke membran seluler lain dapat memiliki implikasi fungsional. Selama beberapa tahun terakhir, beberapa contoh telah muncul menunjukkan bahwa ini tidak hanya terjadi tetapi dapat secara aktif berkontribusi pada kaskade patogen (Vitner et al., 2010). Tantangan utama adalah untuk menunjukkan secara eksperimental bahwa makromolekul penyimpanan tertentu memang hadir secara ektopik dalam membran organel lain. Ini secara teknis menantang karena keterbatasan teknik fraksinasi sel konvensional. Saat ini, keberadaan komponen penyimpanan di situs non-lisosom baik disimpulkan secara tidak langsung atau bukti telah diberikan dengan metode immunostaining. Sampai saat ini, contoh terbaik datang dari mempelajari efek penyimpanan lipid di UGD (Sano et al., 2009 Futerman, 2010).

Homeostasis kalsium lisosom.

Endosom dan lisosom adalah toko kalsium yang diatur (Morgan et al., 2011) yang melepaskan kalsium sebagai respons terhadap second messenger asam nikotinat adenin dinukleotida fosfat (NAADP Churchill et al., 2002). Penyakit NPC1 tidak biasa dalam memiliki blok besar pada fusi endosom akhir lisosom (Kaufmann et al., 2009 Goldman dan Krise, 2010), sebuah proses yang diketahui bergantung pada kalsium (Lloyd-Evans et al., 2008). Dalam sel pasien NPC1 dan sel kultur yang kekurangan protein NPC1, kadar kalsium dalam organel asam adalah sekitar 30% dari sel tipe liar (Lloyd-Evans et al., 2008 H. Lee et al., 2010). Sel NPC1 memang merespon NAADP, tetapi, karena kadar kalsium luminal yang berkurang, melepaskan lebih sedikit kalsium, sehingga menyebabkan defisiensi fusi yang terkait dengan gangguan ini (Lloyd-Evans et al., 2008). Oleh karena itu, penyakit NPC1 menunjukkan bahwa simpanan kalsium asam memainkan peran sentral dalam regulasi fusi dan perdagangan dalam sistem endositik itu sendiri (Morgan et al., 2011).

Defek retikulum endoplasma.

Selain retikulum endoplasma (ER) menjadi situs utama dari jalur sekretori yang bertanggung jawab untuk pelipatan protein/kontrol kualitas dan N-glikosilasi, itu juga merupakan tempat penyimpanan kalsium yang diatur. Kandungan lipid dan protein ER diatur secara ketat untuk mempertahankan fungsi kontrol kualitas yang penting. Anehnya, sangat sedikit contoh stres ER (misalnya, respons protein yang tidak dilipat) telah dilaporkan di antara LSD, dengan gangliosidosis GM1 menjadi satu-satunya gangguan penyimpanan sphingolipid di mana hal ini telah ditunjukkan hingga saat ini (Tessitore et al., 2004 Sano et al., 2009 Vitner et al., 2010). Sebaliknya, dampak utama dalam gangguan penyimpanan lipid adalah pada regulasi kalsium ER (Futerman dan van Meer, 2004 Futerman, 2010). Homeostasis kalsium ER terganggu pada gangguan penyimpanan sphingolipid, penyakit Gaucher, gangliosidosis GM1 dan GM2, dan Niemann-Pick tipe A (Ginzburg dan Futerman, 2005), yang menyebabkan peningkatan kalsium sitosol. Pada penyakit ini, karakteristik lipid yang disimpan, glukosilceramida, gangliosida GM1 dan GM2, dan sfingomielin, masing-masing, secara hipotetis dapat lepas dari endolisosom dan memengaruhi fungsi saluran kalsium ER. Menariknya, mekanisme yang menyebabkan homeostasis kalsium ER yang rusak adalah spesifik untuk setiap gangguan dan baru-baru ini ditinjau (Vitner et al., 2010). Pada gilirannya, regulasi kalsium ER yang menyimpang dapat mempengaruhi mitokondria melalui situs kontak ER'mitokondria, menghasilkan kelebihan kalsium mitokondria dan induksi apoptosis yang dimediasi mitokondria, seperti yang terlihat pada gangliosidosis GM1 (Sano et al., 2009).

Golgi.

Disfungsi Golgi adalah fitur umum dari banyak gangguan penyimpanan lipid, dan secara tradisional dianggap muncul dari perubahan dalam perdagangan sphingolipid dari Golgi ke lisosom (Pagano et al., 2000). Namun, baru-baru ini keterlibatan Golgi telah ditunjukkan pada mucopolysaccharidosis IIIB (sindrom Sanfillipo B Vitry et al., 2010). Anehnya, penelitian ini tidak menemukan bukti bahwa jalur endositik dan autofagik terpengaruh pada sindrom Sanfillipo B sebagai gantinya, mereka memperhatikan bahwa badan penyimpanan besar diperkaya dengan protein matriks Golgi, GM130, yang diperlukan untuk penambatan vesikel di pra dan cis - Kompartemen Golgi. Lebih lanjut, morfologi aparatus Golgi diubah dalam sel dengan sisterna buncit yang terhubung ke badan penyimpanan LAMP1-postive. Oleh karena itu penelitian ini menunjukkan bahwa biogenesis Golgi dapat terpengaruh pada penyakit ini dan penelitian lebih lanjut akan menjelaskan mekanisme molekuler yang mendukung keterlibatan Golgi dalam gangguan neurodegeneratif ini.

Peroksisom.

Ada laporan disfungsi peroksisomal yang terjadi pada beberapa penyakit penyimpanan lisosom lipid, termasuk Krabbe (leukodistrofi sel globoid Haq et al., 2006) dan penyakit NPC1 (Schedin et al., 1997). Pada penyakit Krabbe, simpanan utama lipid galactosylceramide diubah menjadi metabolit lisosomnya, galactosylsphingosine, yang menurunkan regulasi peroksisom proliferator�tivated receptor-α (PPAR-α). Hilangnya PPAR-α dan kematian sel berikutnya dapat dicegah dengan menggunakan inhibitor sekretori fosfolipase A2, menyarankan pendekatan terapi baru untuk penyakit Krabbe (Haq et al., 2006). Dalam model tikus penyakit NPC1, peroksisom tampak normal pada tingkat ultrastruktural tetapi telah menurunkan oksidasi asam lemak dan aktivitas katalase peroksisomal, yang merupakan peristiwa awal dalam patogenesis penyakit (Schedin et al., 1997). Pada gangguan biogenesis peroksisomal seperti sindrom Zellweger dan penyakit Refsum infantil, gangliosida seri-a (misalnya, GM1, GM2) dan prekursor gangliosida GM3 disimpan. Karena gangliosida ini adalah metabolit penyimpanan sekunder yang umum di banyak LSD, ini meningkatkan kemungkinan bahwa disfungsi peroksisomal menopang penyimpanan gangliosida sekunder di LSD dan memerlukan studi sistematis untuk menguji hipotesis ini. Bagaimana fungsi peroksisom mempengaruhi metabolisme gangliosida masih belum diketahui tetapi mungkin menjadi bagian dari jaringan regulasi lipid yang lebih luas dalam sel mamalia.

Stres metabolisme seluler.

Mempertimbangkan bahwa jalur endositik dan autofagik sangat penting untuk mempertahankan homeostasis metabolik seluler, berkurangnya penghabisan produk monomer dari endo/autolisosom kemungkinan akan menginduksi keadaan insufisiensi metabolik, di mana intermediet katabolik utama tidak tersedia untuk memasuki berbagai jalur daur ulang metabolik ( Schwarzmann dan Sandhoff, 1990 Walkley, 2007). Sebagai contoh, pada beberapa tipe sel, mayoritas glikosfingolipid yang baru lahir disintesis dari basa sphingoid yang diturunkan dari endolisosom yang berasal dari katabolisme ceramide (Tettamanti, 2004 Kitatani et al., 2008). Beberapa eksoglikosidase endolisosomal, termasuk glukoserebrosidase, yang kekurangan pada penyakit Gaucher, terlibat dalam proses ini (Kitatani et al., 2009). Kurangnya sphingolipids/asam lemak yang biasanya dihasilkan dari degradasi endolisosomal akan menempatkan sel-sel tersebut di bawah tekanan metabolik yang signifikan. Ini mungkin juga berlaku untuk penyakit NPC, yang merupakan penyakit penyimpanan yang sangat kompleks dan penuh teka-teki yang disebabkan oleh mutasi pada gen NPC1 atau NPC2, dengan menghasilkan penyimpanan beberapa spesies lipid termasuk kolesterol dan berbagai sphingolipid (Lloyd-Evans dan Platt, 2010). Protein NPC1 adalah protein membran integral dari endosom akhir yang dapat berfungsi untuk mengeluarkan sphingosine (terprotonasi pada pH asam) keluar dari endolisosom dan masuk ke jalur penyelamatan sphingolipid atau mengalami fosforilasi menjadi sphingosine-1-phosphate (S1P), meningkatkan kemungkinan bahwa S1P defisiensi berkontribusi terhadap patogenesis penyakit NPC1 (Lloyd-Evans et al., 2008 Lloyd-Evans dan Platt, 2010).

Implikasi terapeutik

Selama dua dekade terakhir telah terjadi ekspansi yang luar biasa dalam jumlah strategi terapi untuk LSD yang menargetkan organel seluler yang berbeda (Tabel 2). Perawatan pertama yang menghasilkan produk komersial berlisensi adalah terapi penggantian enzim (ERT) untuk penyakit Gaucher tipe 1. Penemuan yang mengarah pada kemajuan terapi mani baru-baru ini ditinjau oleh Roscoe Brady, yang memelopori pendekatan ini (Brady, 2010). Terapi ini ȁmengganti” enzim yang rusak dalam lisosom dengan memberikan enzim tipe liar yang berfungsi penuh yang diendositosis ke dalam makrofag melalui reseptor mannose makrofag. Glukoserebrosidase tipe liar awalnya dimurnikan dari plasenta manusia (sekarang produk rekombinan digunakan) dan biasanya diberikan kepada pasien setiap dua minggu dengan infus intravena (Charrow, 2009). Strategi ini mengarah pada tingkat manfaat terapeutik yang luar biasa dan telah mengubah kehidupan pasien dengan penyakit penyimpanan perifer yang melemahkan ini (Charrow, 2009). Keberhasilan ini mengkatalisasi perkembangan ERT untuk penyakit Fabry (Schiffmann dan Brady, 2006 Angelini dan Semplicini, 2012), penyakit Pompe (Angelini dan Semplicini, 2012), dan beberapa gangguan penyimpanan mukopolisakarida (Kakkis, 2002). Namun, keterbatasan klinis ERT ada dua. Pertama, pengiriman produk bersifat invasif dan memakan waktu, dan kedua, enzim lisosom tidak melewati sawar darah otak sampai batas yang signifikan, sehingga tidak dapat secara efektif mengobati penyakit SSP, yang merupakan karakteristik sebagian besar LSD. Untuk menghindari masalah ini, transplantasi sumsum tulang (BM) dari donor yang sehat telah dievaluasi pada beberapa penyakit ini. Mikroglia berasal dari BM dan seiring waktu beberapa monosit yang diturunkan dari donor memasuki SSP dan berfungsi sebagai situs lokal produksi enzim tipe liar, yang dapat diambil melalui penangkapan kembali sekresi oleh sel inang tetangga. Secara keseluruhan, transplantasi BM hanya efektif jika dilakukan pada awal masa bayi, tidak menunjukkan kemanjuran pada semua LSD, dan tidak kuratif (Wraith, 2001). Komplikasi lebih lanjut termasuk kebutuhan donor yang cocok dengan antigen leukosit manusia (HLA), tingkat kematian yang tinggi terkait dengan penerima, dan kurangnya standarisasi antara rejimen BMT yang berbeda di pusat klinis yang berbeda.

Meja 2.

Status perawatan yang disetujui dan terapi eksperimental untuk LSD dengan bibliografi terpilih

TerapiOrganel sasaranPOC in vitroPOC in vivoUji klinisPersetujuan peraturanReferensi
Penggantian enzim (ERT)Lisosom++++Brady, 2006b Neufeld, 2011
Transplantasi sumsum tulang (BMT)Lisosom+++T/AKrivit, 2002 Brady, 2006a
Terapi reduksi substrat (SRT)Golgi++++Platt dan Mentega, 2004 Platt dan Jeyakumar, 2008 Cox, 2010
Terapi peningkatan enzim (EET)RE/lisosom+Sedang berlangsungOkumiya dkk., 2007 Penggemar, 2008
Terapi gen (GT)Inti++Sedang berlangsungGritti, 2011 Tomanin dkk., 2012
Hentikan pembacaan kodonInti+Brooks et al., 2006
Terapi modulasi kalsium (CMT)ER++Lloyd-Evans et al., 2008
Terapi eksositosis yang ditingkatkan (ExT)eksosom+Strauss et al., 2010 Medina et al., 2011
Terapi pendamping oleh Hsp70 (CT)Lisosom+Kirkegaard dkk., 2010
Terapi regulasi proteostasis (PRT)ER+Balch et al., 2008 Mu et al., 2008
Penghapusan kolesterol menggunakan siklodekstrin pada penyakit NPC1Lisosom++Davidson et al., 2009 Ward et al., 2010 Aqul et al., 2011

Terapi lain yang dikembangkan dan kemudian disetujui untuk LSD adalah terapi reduksi substrat menggunakan obat gula imino molekul kecil oral, miglustat (Lachmann, 2006). Ini telah disetujui untuk penyakit Gaucher tipe 1 (di seluruh dunia) selama lebih dari satu dekade, dan pada tahun 2009 untuk mengobati manifestasi neurologis pada penyakit tipe C Niemann-Pick (sekarang disetujui di sebagian besar negara/wilayah, kecuali USA Patterson et al., 2007) . Miglustat menargetkan enzim Golgi, glukosilceramida sintase (Platt et al., 1994), dan dengan menghambat sebagian biosintesis glikosfingolipid, ia mengurangi beban katabolik molekul-molekul ini pada lisosom yang tidak dapat mencernanya. Ini memiliki potensi untuk digunakan pada penyakit dengan penyimpanan glikosfingolipid, karena miglustat menghambat langkah komitmen pertama dalam biosintesis keluarga lipid ini. Juga, miglustat melintasi sawar darah otak, oleh karena itu manfaat modifikasi penyakitnya pada penyakit Niemann-Pick tipe C (Patterson et al., 2007). Seperti semua obat, senyawa ini memiliki efek samping, yang utama adalah penghambatan disakaridase, yang dapat menyebabkan gejala gastrointestinal, terutama dalam 1 bulan pertama terapi. Baru-baru ini, eliglustat tartrate (Genz-112638) telah memasuki uji klinis pada penyakit Gaucher tipe 1 sebagai terapi pengurangan substrat oral. Karena obat ini memiliki kimia yang berbeda dengan miglustat, obat ini juga memiliki profil efek samping yang berbeda (Cox, 2010).

Saat ini ada beberapa strategi terapi alternatif yang telah menunjukkan kegunaan dalam model kultur jaringan dan/atau pada model hewan dari penyakit ini dan diringkas dalam Tabel 2 . Banyak dari pendekatan ini menargetkan organel non-lisosom. Tidak diragukan karena semakin banyak yang diketahui tentang kaskade patogen dan dampaknya pada organel seluler, pendekatan kreatif tambahan untuk pengobatan akan muncul dan menjalani pengujian pra-klinis. Karena tingkat keparahan dan kompleksitas gangguan ini, kemungkinan besar terapi kombinasi pada akhirnya akan diperlukan untuk menargetkan beberapa langkah/organel dalam kaskade patogen.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami telah memberikan beberapa contoh selektif yang menggambarkan kompleksitas bagaimana disfungsi lisosom mempengaruhi berbagai aspek biologi sel, seringkali dengan cara yang tidak terduga (diringkas dalam Gambar 3). Banyak pertanyaan yang masih belum terjawab pada saat ini, dan beberapa di antaranya disorot dalam Kotak 1. Namun, studi tentang penyakit langka ini ( Tabel 1 ) mengisi dua kekosongan dalam pengetahuan kita, yaitu memberikan wawasan mendasar tentang biologi lisosom dan mengarah pada penemuan baru. pendekatan untuk menghasilkan intervensi terapeutik generasi berikutnya untuk mengobati gangguan yang benar-benar menarik namun menghancurkan ini (Tabel 2). Jelas bahwa meskipun penyimpanan terutama dimulai pada sistem endosomal𠄺utophagic–lysosomal, ini menginduksi kaskade patogen yang berdampak pada beberapa sistem seluler dan organel, menunjukkan bahwa secara konseptual kita harus melihat penyakit ini sebagai gangguan penyimpanan seluler dan menggunakan pengetahuan yang lebih luas ini. untuk desain intervensi terapeutik.

Kotak 1. Pertanyaan Terbuka

• Bagaimana penyimpanan mempengaruhi aspek lain dari fungsi lisosom, terlepas dari metabolit penyimpanan primer?

• Bagaimana penyimpanan memicu aktivasi kekebalan bawaan?

• Bagaimana penyimpanan lisosom mempengaruhi pensinyalan sel?

• Bagaimana lipid penyimpanan keluar dari lisosom dan mempengaruhi fungsi organel lain?

• Bagaimana hierarki kaskade patogen pada penyakit ini, langkah mana yang harus ditargetkan untuk terapi yang optimal?

• Apakah cacat genetik pada neuronal ceroid lipofuscinoses (gangguan NCL) menyebabkan gejala konvergen secara kebetulan, atau apakah gen yang berbeda berfungsi dalam jalur biologis sel yang sama?


Pembentukan Spesies Oksigen Reaktif dan Kerusakan Seluler

Spesies oksigen reaktif (ROS) adalah molekul yang mengandung atom oksigen dengan elektron tidak berpasangan di kulit terluarnya. Saat ROS terbentuk, mereka menjadi sangat tidak stabil karena elektron yang tidak berpasangan sekarang berada di kulit terluar. Bentuk oksigen yang tidak stabil kadang-kadang disebut radikal bebas.

Bagaimana sebenarnya ROS dihasilkan dalam sel? Salah satu caranya adalah melalui respirasi seluler yang didorong oleh transpor elektron rantai di mitokondria. Rantai transpor elektron bertanggung jawab untuk menghasilkan ATP, sumber energi utama bagi sel untuk berfungsi. Sebuah molekul kunci yang membantu "melompat memulai" rantai transpor elektron, adalah NADH (atau nicotinamide adenine dinucleotide), yang berfungsi sebagai donor elektron (yaitu, H dalam NADH). NADH sering disebut sebagai "koenzim", meskipun itu bukan enzim (protein).

NADH hadir di semua sel–itu dihasilkan oleh banyak reaksi biokimia. Salah satu cara NADH dihasilkan dalam jumlah besar adalah ketika alkohol dimetabolisme (atau dioksidasi) menjadi asetaldehida dan kemudian menjadi asam asetat. Selama metabolisme alkohol, enzim alkohol dehidrogenase (ADH) dan NAD+ mengubah alkohol menjadi asetilaldehida, menghasilkan NADH. Enzim kedua, aldehid dehidrogenase (ALDH) dan NAD + mengubah asetaldehida menjadi asam asetat, menghasilkan lebih banyak NADH. Dalam reaksi ini, koenzim NAD + direduksi menjadi NADH (dan alkohol dan asetaldehida dioksidasi).

Tinjau oksidasi alkohol oleh alkohol dehidrogenase (ADH)

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang oksidasi alkohol oleh ADH, Anda dapat berpartisipasi dalam game realitas virtual yang disebut “DiVE into Alcohol” di www.rise.duke.edu/dive-alcohol.

Sekarang ada banyak NADH yang tersedia untuk "memulai" respirasi mitokondria. NADH bergerak dari sitosol ke mitokondria di mana ia menyumbangkan elektron ke rantai transpor elektron. Rantai transpor elektron terdiri dari sekelompok protein (dan beberapa lipid) yang bekerja sama untuk melewatkan elektron “ke bawah”. Akhirnya dengan adanya oksigen, ATP terbentuk, menyediakan energi untuk banyak fungsi seluler.

Namun, beberapa elektron dapat “melarikan diri” dari rantai transpor elektron dan bergabung dengan oksigen untuk membentuk bentuk oksigen yang sangat tidak stabil yang disebut radikal superoksida (O2•-). Radikal superoksida adalah salah satu spesies oksigen reaktif (ROS).

Radikal superoksida adalah salah satu jenis radikal bebas. Radikal bebas memiliki elektron tunggal di orbital elektron terluarnya dan merupakan molekul yang sangat reaktif karena cenderung menyumbangkan elektron tunggal (e-) atau mencuri e- dari molekul lain. Radikal bebas dapat merusak komponen seluler. Radikal bebas sering memiliki tanda • yang menunjukkan e- tunggal.

Sel kita memiliki cara untuk melindungi diri dari efek merusak dari molekul reaktif ini. Sebagai contoh, sel-sel kita mampu mempertahankan tingkat radikal superoksida yang rendah dengan bantuan enzim superoksida dismutase (SOD). SOD membantu mereduksi superoksida menjadi hidrogen peroksida (H2HAI2), yang kemudian diubah (detoksifikasi) oleh enzim katalase menjadi air dan O2.

Namun, terkadang kadar superoksida meningkat, misalnya setelah terpapar alkohol (yang menghasilkan banyak NADH). Dengan demikian, lebih banyak hidrogen peroksida terbentuk dan tidak dapat didetoksifikasi oleh jumlah katalase yang terbatas. Sebaliknya hidrogen peroksida menjadi tereduksi oleh besi (Fe 2+ ) (biasanya ada dalam sel), yang menyumbangkan elektron untuk menghasilkan radikal hidroksil (•OH), sebuah molekul yang sangat jahat. Ini sangat reaktif, dan merupakan agen pengoksidasi yang hebat. Radikal hidroksil mengoksidasi komponen seluler seperti lipid, protein, dan DNA dengan secara harfiah mencuri e- (terkait dengan atom H) dari mereka, merusak sel.

Angka: Metabolisme (yaitu, oksidasi) alkohol menghasilkan NADH, yang bertindak sebagai donor elektron untuk rantai transpor elektron (molekul yang ditunjuk dengan angka romawi). Elektron (e-) yang “bocor” dari rantai transpor elektron (bintang di I dan III) bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan radikal superoksida (O2•-). Melalui serangkaian reaksi radikal superoksida menghasilkan radikal hidroksil (OH•). Radikal oksigen dilingkari merah.


Metabolisme bisa menjadi tidak seimbang.

Sel harus beradaptasi dengan jumlah nutrisi yang tersedia. Jadi jika ada ketidakseimbangan dengan kemampuan sel untuk merasakan atau memproses nutrisi, itu menyebabkan masalah.

Seiring bertambahnya usia, sel menjadi kurang akurat dalam mendeteksi jumlah glukosa atau lemak yang ada di dalam tubuh, sehingga beberapa lemak dan gula tidak diproses dengan benar. Sel-sel yang menua menumpuk lemak dalam jumlah berlebihan bukan karena orang tua menelan banyak lemak, tetapi karena sel-sel tidak mencernanya dengan benar. Hal ini dapat mempengaruhi jalur insulin dan IGF-1, yang berperan dalam diabetes.

Inilah sebabnya mengapa diabetes yang berkaitan dengan usia cukup umum - tubuh orang dewasa yang lebih tua tidak dapat lagi memetabolisme semua hal yang mereka makan dengan baik.


Kesimpulan

Edema terbentuk ketika cairan dibiarkan berpindah dari satu kompartemen cairan tubuh ke kompartemen lain. Ini umumnya merupakan hasil dari kondisi yang mendasarinya.

Ada dua bentuk utama edema - interstisial dan intraseluler:

- Pada edema interstisial, sejumlah jalur umum dapat diidentifikasi, yang disebabkan oleh perubahan dinamika kapiler (hipertensi, gagal jantung, malnutrisi, gangguan ginjal), penyumbatan sistem limfatik (kanker), atau oleh stimulasi respons inflamasi (trauma, cedera). , infeksi)

- Edema intraseluler mengakibatkan kurangnya suplai oksigen ke sel (seperti pada ulkus dekubitus atau infark miokard), yang menyebabkan hipoksia seluler. Perubahan terjadi pada membran plasma karena pengurangan adenosin trifosfat.

Kedua jenis pembentukan edema tidak saling eksklusif, karena perkembangan yang satu dapat menyebabkan pembentukan yang lain. Akumulasi cairan di ruang interstisial atau di dalam sel dapat menghancurkan sel-sel sehat yang berdekatan dan mencegah regenerasi jaringan yang rusak. Seluruh proses dapat dibesar-besarkan oleh stimulasi respon stres, lebih lanjut merangsang peradangan, mengakibatkan peningkatan kerusakan dan kondisi yang memburuk.

Buckman, R.F., Badellino, MM, Goldberg, A. (1992)Patofisiologi hipovolemia hemoragik dan syok. Trauma Triwulanan 8: 4, 12-27.

Carelock, J., Clark, AP (2001)Gagal jantung: mekanisme patofisiologi. American Journal of Nursing 101: 12, 26-33.

Edelstein, CL, Ling, H., Schrier, RW (1997)Sifat kerusakan sel ginjal Kidney International 51:5, 1341-1351.

Edwards, S. (2000)Mempertahankan nutrisi yang optimal. Dalam: Manley, K., Bellman, L. Keperawatan Bedah: Memajukan praktek. Edinburgh: Churchill Livingstone.

Edwards, S. (2001)Peraturan air, natrium dan kalium: implikasi untuk latihan. Standar Keperawatan 15: 22, 36-42.

Edwards, S. (2002)Penghinaan/cedera fisiologis: patofisiologi dan konsekuensinya. British Journal of Nursing 11: 4, 263-274.

Edwards, S. (2003)Pembentukan oedema. Bagian 1: patofisiologi, penyebab dan jenis. Perawat Profesional 19: 1, 29-31.

Germann, W.J., Stanfield, C.L. (2002)Prinsip Fisiologi Manusia. San Francisco, Ca: Benjamin Cummings.

Huddleston, V. (1992)Respon inflamasi / kekebalan: implikasi untuk sakit kritis. Dalam: Huddleston, V. (ed.). Kegagalan Organ Multisistem: Patofisiologi dan implikasi klinis. St Louis, Mo: Buku Tahun Mosby.


Kutipan

    NDSS. (n.d.). Apa yang menyebabkan sindrom Down? Diakses pada 11 Juni 2012, dari https://www.ndss.org/Down-Syndrome/What-Is-Down-Syndrome/ Parker, S. E., Mai, C. T., Canfield, M. A., Rickard, R., Wang, Y., Meyer, R. E., dkk. (2010). Perkiraan prevalensi kelahiran nasional yang diperbarui untuk cacat lahir tertentu di Amerika Serikat, 2004–2006. Penelitian Cacat Lahir. Bagian A, Klinis dan Teratologi Molekuler, 88, 1008–1016. Pusat Informasi Penyakit Genetik dan Langka (GARD). (2012). Sindrom Down. Diakses pada 11 Juni 2012, dari http://rarediseases.info.nih.gov/GARD/QnASelected.aspx?diseaseID=10247