BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada...

60
9 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang Tulang adalah jaringan dalam tubuh yang terorganisir dengan baik. Tulang membentuk struktur tubuh, sehingga dimungkinkan terjadinya gerakan dengan menyediakan tuas untuk otot, melindungi organ vital dan struktur lainnya, menjaga homeostasis mineral dan keseimbangan asam-basa, berfungsi sebagai cadangan faktor pertumbuhan dan sitokin, serta membantu proses hematopoiesis di dalam sumsum tulang (Clarke, 2008). Kerangka manusia dewasa secara keseluruhan terdiri dari 80% tulang kortikal dan 20% tulang trabekular (Bayliss et al., 2012; Clarke, 2008). Setiap tulang memiliki rasio tulang kortikal dan tulang trabekular yang berbeda sesuai dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah 25:75. Rasio pada head femur adalah 50:50 dan 95:5 pada diafisis radius (Clarke, 2008). Setiap tulang selalu mengalami perbaikan bentuk atau remodelling sehingga membantu perubahan kekuatan biomekanik. Proses remodelling bertujuan untuk penggantian tulang yang sudah tua, tulang yang mengalami kerusakan mikro, serta membantu menjaga kekuatan tulang (Clarke, 2008). Pertumbuhan tulang merupakan proses pertambahan dalam ukuran dan mineralisasi pada masa anak-anak dan remaja. Massa tulang bertambah dari sekitar

Transcript of BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada...

Page 1: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

9

9

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang

Tulang adalah jaringan dalam tubuh yang terorganisir dengan baik. Tulang

membentuk struktur tubuh, sehingga dimungkinkan terjadinya gerakan dengan

menyediakan tuas untuk otot, melindungi organ vital dan struktur lainnya, menjaga

homeostasis mineral dan keseimbangan asam-basa, berfungsi sebagai cadangan

faktor pertumbuhan dan sitokin, serta membantu proses hematopoiesis di dalam

sumsum tulang (Clarke, 2008).

Kerangka manusia dewasa secara keseluruhan terdiri dari 80% tulang

kortikal dan 20% tulang trabekular (Bayliss et al., 2012; Clarke, 2008). Setiap

tulang memiliki rasio tulang kortikal dan tulang trabekular yang berbeda sesuai

dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang

kortikal dan tulang trabekular adalah 25:75. Rasio pada head femur adalah 50:50

dan 95:5 pada diafisis radius (Clarke, 2008).

Setiap tulang selalu mengalami perbaikan bentuk atau remodelling sehingga

membantu perubahan kekuatan biomekanik. Proses remodelling bertujuan untuk

penggantian tulang yang sudah tua, tulang yang mengalami kerusakan mikro, serta

membantu menjaga kekuatan tulang (Clarke, 2008).

Pertumbuhan tulang merupakan proses pertambahan dalam ukuran dan

mineralisasi pada masa anak-anak dan remaja. Massa tulang bertambah dari sekitar

Page 2: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

10

80 gram saat lahir hingga 3000 gram pada puncak tertinggi massa tulang yaitu

sekitar umur 25 tahun (Bayliss et al., 2012).

Tulang panjang terdiri dari metafisis berbentuk kerucut di bawah lempeng

pertumbuhan dan epifisis yang bulat di atas piring pertumbuhan dilapisi oleh tulang

rawan pada sebagian dari strukturnya. Diafisis terdiri dari tulang kortikal yang

padat, sedangkan metafisis dan epifisis terdiri dari anyaman tulang trabekular

dikelilingi oleh tulang kortikal yang relatif tipis (Clarke, 2008; Cvetkovic et al.,

2013). Kanalis medularis pada tulang panjang yang berisi sumsum tulang, berada

di dalam diafisis dari tulang panjang dan dikelilingi oleh lapisan tulang kortikal

(Cvetkovic et al., 2013). Bagian metafisis dan diafisis dari tulang panjang lebih

banyak mengandung tulang kanselosa dimana terdapat banyak sekali jaringan

trabekula dengan sistem kanalis dan kavitas yang terisi sumsum tulang. Pada

potongan melintang dari tulang panjang terdapat 4 struktur yang berbeda yaitu:

periosteum, tulang kortikal, endosteum dan tulang kanselosa (Cvetkovic et al.,

2013).

Tulang kortikal susunannya rapat dan padat yang mengelilingi ruang

sumsum, sedangkan tulang trabekular terdiri dari jaringan piringan trabekular yang

berbentuk menyerupai sarang lebah dalam kompartemen sumsum tulang. Tulang

kortikal dan tulang trabekular tersusun oleh osteon (Clarke, 2008).

Osteon pada kortikal disebut juga sistem Haversian. Sistem Haversian

berbentuk silinder, panjang sekitar 400 mm dan lebar 200 mm pada basis, dan

bercabang dalam tulang kortikal. Dinding sistem Haversian terbentuk dari lamella

Page 3: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

11

konsentris. Tulang kortikal biasanya kurang aktif secara metabolik dibandingkan

tulang trabekular, tetapi ini tergantung pada spesiesnya.

Struktur jaringan tulang bersifat komplek dan terdiri dari 5 level yakni

Macro-structural (mm-µm) yang merupakan diameter jaringan trabekular dan

kortikal; Micro-structural (10-500 µm) - osteon dan trabekula; Sub-microstructural

(1-10 µm) - lamellae dan trabekula individual; Nano-structural (100nm-1 µm) -

kolagen dan deposit mineral dalam matriks tulang dan Sub-nanostructural (kurang

dari 100 nm) - komponen molekular dari kolagen dan molekul protein (Pazzaglia

et al., 2008).

Tulang kortikal memiliki permukaan luar periosteal dan permukaan dalam

endosteal. Aktivitas permukaan periosteal penting untuk pertumbuhan secara

aposisi dan perbaikan terhadap fraktur. Permukaan endosteal memiliki luas total

sekitar 0,5 m2, dengan aktivitas perubahan bentuk lebih tinggi dari permukaan

periosteal, kemungkinan sebagai proses biomekanik yang lebih besar atau paparan

sitokin yang lebih besar dari kompartemen sumsum tulang yang berdekatan

(Clarke, 2008).

Osteon trabekular biasanya memiliki bentuk semilunar, biasanya memiliki

ketebalan sekitar 35 mm, dan terdiri dari lamellae konsentris. Diperkirakan ada

14x106 osteons trabekular pada orang dewasa yang sehat, dengan total luas

trabekular sekitar 7 m2 (Clarke, 2008).

Page 4: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

12

Gambar 2.1.

Struktur osteon (Pazzaglia et al., 2008).

Tulang kortikal dan tulang trabekular biasanya terbentuk dalam pola

lamella. Mekanisme dimana osteoblas meletakkan fibril kolagen dalam pola

lamella tidak diketahui, tetapi tulang lamella memiliki kekuatan yang signifikan

sebagai akibat dari arah dari fibril kolagennya. Pola lamella yang normal tidak ada

dalam woven bone, dimana serat-serat kolagen ditetapkan secara tidak teratur

(Clarke, 2008).

Matrik tulang tersusun atas 50-70% mineral, 20-40% matrik organik, 5-10%

air, dan kurang dari 3% lemak. Kandungan mineral yang paling banyak terdapat di

dalam tulang adalah hidroksiapatit [Ca10(PO4)6(OH)2], dengan sedikit jumlah

karbonat, magnesium, dan asam fosfat. Periosteum adalah selubung jaringan ikat

fibrosa yang mengelilingi permukaan luar kortikal tulang, kecuali pada sendi

dimana tulang dilapisi oleh tulang rawan artikular, berisi pembuluh darah, serabut

saraf, osteoblas dan osteoklas. Periosteum erat melekat pada permukaan luar

kortikal tulang oleh serat kolagen tebal, disebut serat Sharpeys, yang meluas ke

Page 5: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

13

jaringan tulang yang mendasarinya. Endosteum adalah struktur membran yang

menutupi permukaan bagian dalam tulang kortikal, tulang trabekular dan kanal

pembuluh darah (kanal Volkmann) yang ada di dalam tulang. Endosteum

berhubungan dengan ruang sumsum tulang, tulang trabekular dan kanal pembuluh

darah dan mengandung pembuluh darah, osteoblas dan osteoklas (Clarke, 2008).

2.1.1 Osteoklas

Osteoklas adalah satu-satunya sel yang diketahui memiliki kemampuan

untuk meresorpsi tulang. Osteoklas multinuklear yang teraktivasi berasal dari sel

prekursor mononuklear, yang merupakan turunan dari monosit-makrofag. Sel

prekursor yang dapat berubah menjadi osteoklas terdapat pada berbagai macam

jaringan, tetapi sel prekursor sumsum tulang yang paling banyak berubah menjadi

osteoklas (Clarke, 2008). Berikut ini adalah beberapa regulasi diferensiasi

osteoklas.

2.1.1.1 Regulasi oleh sel osteoblas

Diferensiasi dari osteoclast precursor (OCP) menjadi osteoklas di dalam

sumsum tulang dipengaruhi oleh berbagai macam faktor, termasuk beberapa sitokin

kunci. RANKL (Receptor Activator of Nuclear Factor k-B Ligand) dan M-CSF

(Macrophage-Colony Stimulating Factor) merupakan dua sitokin yang paling

penting untuk formasi osteoklas. Kedua sitokin ini diproduksi oleh sel stromal dari

sumsum tulang dan osteoblas. RANK-L yang diproduksi oleh osteoblas akan

berikatan dengan RANK pada OCP sehingga terjadi formasi dan aktivasi osteoklas,

Page 6: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

14

sedangkan M-CSF berfungsi untuk proliferasi dan kelangsungan dari osteoklas.

Osteoblas juga memproduksi osteoprotegerin (OPG). OPG akan berfungsi sebagai

reseptor pengalih dan berikatan dengan RANKL, sehingga mencegah ikatan antara

RANK dan RANKL (Boyce et al., 2012; Clarke, 2008).

Kebanyakan dari faktor yang menstimulasi osteoklas bekerja secara tidak

langsung melalui stimulasi RANKL oleh sel osteoblas, antara lain oleh hormon

parathyroid (PTH), Interleukin-1 (IL-1), tumor necrosis factor alpha (TNF-α),

berbagai jenis hormon, sitokin, dan faktor pertumbuhan lainnya (Boyce et al.,

2012).

2.1.1.2 Regulasi oleh osteosit

Osteosit adalah osteoblas yang tertanam dalam matriks tulang selama proses

pembentukan tulang. Pada sebuah uji coba, apoptosis dari sel osteosit akan

meningkatkan ekspresi RANKL sehingga meningkatkan resorpsi tulang. Intinya,

osteosit yang mati akan mengirimkan sinyal ke sel osteoblas di dalam sumsum

tulang untuk meningkatkan ekspresi sel RANKL, sehingga menginisiasi resorpsi

osteoklastik dari matriks di sekitarnya (Boyce et al., 2012; Rochefort et al., 2010).

Resorpsi tulang bergantung dari sekresi ion hidrogen dan enzim cathepsin

K oleh osteoklas. Ion H+ berfungsi untuk melarutkan komponen mineral dari

matriks tulang dengan cara mengasamkan kompartemen yang akan diresorpsi.

Cathepsin K akan melarutkan matriks proteinaceous, yang sebagian besar tersusun

atas kolagen tipe I (Clarke, 2008; Henriksen et al., 2010).

Page 7: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

15

Osteoklas akan berikatan dengan matriks tulang melalui reseptor integrin.

Reseptor integrin β1 pada osteoklas akan berikatan dengan kolagen, fibronectin dan

laminin, akan tetapi reseptor integrin utama yang memfasilitasi resorpsi tulang

adalah integrin αvβ3, yang akan berikatan dengan osteopontin dan sialoprotein.

Osteoklas mempunyai sitoskeleton unik yang bernama actin ring atau sealing zone,

yang berfungsi untuk mengisolasi daerah yang akan di resorpsi dari rongga

ekstraselular. Sel yang kekurangan αvβ3 akan gagal untuk membentuk actin ring

yang normal (Teitelbaum, 2011).

Ikatan antara osteoklas dengan matriks tulang akan menyebabkan polarisasi

dari matriks tulang. Ketika vesikel yang mengandung matriks metalloproteinase

dan cathepsin K menyatu dengan membran melalui mikrotubulus, permukaan

tulang yang berikatan dengan osteoklas akan berubah bentuk menjadi lapisan yang

berlekuk – lekuk. Setelah osteoklas menyelesaikan tugasnya, ia akan mengalami

proses apoptosis di dalam lakuna. Beberapa faktor dapat menstimulasi apoptosis

osteoklas, antara lain estrogen, bisphosphonate dan konsentrasi ekstraseluler

kalsium yang tinggi (Boyce et al., 2012).

2.1.2 Osteoblas

Osteoblas adalah sel mononuklear yang bertanggung jawab dalam sintesis

dan mineralisasi tulang pada saat proses pembentukan dan remodeling pada tulang.

Osteoblas berasal dari sel punca mesenkim yang pluripoten. Selain dapat menjadi

osteoblas, sel punca mesenkim ini dapat berdiferensiasi menjadi turunan sel

mesenkim lainnya seperti fibroblas, kondrosit, mioblas dan sel stroma sumsum

Page 8: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

16

tulang. Diferensiasi ini bergantung pada jalur sinyal transkripsi yang diaktivasi.

Beberapa faktor transkripsi berperan pada diferensiasi sel punca menjadi sel

osteoblas. Salah satu faktor yang penting adalah Cbfa1 (core binding factor α 1).

Cbfa1 di keluarkan dalam jumlah yang besar pada sel turunan osteoblas dan

meregulasi ekspresi dari gen spesifik osteoblas. Gen lain yang berperan dalam

perubahan sel punca menjadi osteoblas adalah Runx-2. Runx-2 terlibat dalam

produksi matriks protein (Neve et al., 2011).

Diferensiasi dan pertumbuhan dari sel osteoblas dikontrol oleh beberapa

faktor lokal dan sistemik, yang bekerja secara parakrin dan/atau autokrin dan dapat

meregulasi aktivitas faktor transkripsi spesifik. Faktor faktor ini antara lain bone

morphogenic proteins, protein hedgehog, sel sel faktor pertumbuhan seperti

fibroblast growth factors (FGF) dan insulin-like growth factor (IGF), hormon dan

daya fisikal mekanis (Neve et al., 2011).

Osteoblas memainkan peran yang penting dalam proses pembentukan,

induksi, regulasi dari mineralisasi matriks ekstraselular dan kontrol dari remodeling

tulang. Pada saat pembentukan tulang, osteoblas dewasa akan mensintesis dan

mensekresi kolagen tipe I dan protein non kolagen lainnya seperti osteocalcin,

osteopontin dan sialoprotein tulang (Neve et al., 2011).

Osteocalcin adalah vitamin-K dependent osteoblast specific protein, yang

bercirikan dengan adanya residu 3-gammacarboxyglutamic acid (Gla). Sintesis

osteocalcin ditingkatkan oleh 1,25-OH Vitamin D3 dan merefleksikan aktivitas

selular. Enam puluh hingga sembilan puluh persen dari osteocalcin akan berikatan

dengan hidroksiapatit selama mineralisasi matriks tulang. Sisanya akan dilepaskan

Page 9: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

17

ke dalam sirkulasi dan dapat diukur sebagai tanda yang sensitif dari pembentukan

tulang (Neve et al., 2011).

Osteopontin (OPN) adalah glikoprotein asam terfosforilasi yang terdapat

pada jumlah yang banyak pada tulang imatur. OPN disintesis oleh osteoblas dan

telah terbukti berpengaruh terhadap homeostasis tulang melalui penghambatan

deposisi mineral (Neve et al., 2011).

Sialoprotein tulang adalah protein yang terglikosilasi, fosforilasi dan

sulfatisasi yang dapat memicu nukleasi kristal hidroksiapatit dan diferensiasi

osteoblas. Seperti halnya osteopontin, ekspresi sialoprotein tulang akan meningkat

pada stimulasi mekanis, namun peran dari protein ini terhadap mineralisasi tulang

berbeda. Osteoblas juga mempunyai reseptor untuk berbagai jenis hormon,

termasuk diantaranya antara lain PTH, 1,25 (OH)2D3, estrogen dan glukokortikoid.

Hormon-hormon tersebut juga berperan dalam regulasi dan diferensiasi dari

osteoblas (Neve et al., 2011).

Populasi dari osteoblas bersifat heterogen, osteoblas yang berbeda

mengekspresikan gen yang berbeda pula. Hal ini menjelaskan mikroarsitektur

trabekular yang heterogen pada lokasi tulang yang berbeda (Clarke, 2008).

2.1.3 Osteosit

Osteosit mencakup 95% dari seluruh sel tulang. Osteosit dua puluh kali lipat

lebih banyak dari osteoblas (Rochefort et al., 2010). Pada fase pembentukan tulang,

osteoblas dapat tertanam di dalam tulang dan menjadi osteosit, atau menjadi

osteoblas yang tidak aktif, atau mengalami apoptosis. Proporsi dari osteoblas yang

Page 10: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

18

mengalami siklus tersebut atas tergantung dari spesies, umur, tipe tulang dan

hormon. Delapan tahap transisi dari osteblas untuk menjadi osteosit tampak pada

gambar 2.2 dimana selama proses ini, volume dari badan sel dan jumlah dari

organel sel berkurang (Dallas & Bonewald, 2010).

Gambar 2.2.

Diagram ilustrasi skematik transisi osteoblas menjadi osteosit dewasa; 1.

preosteoblas yang sedang berproliferasi; 2. Osteoblas preosteoblasik; 3.

Osteoblas; 4. Osteosit osteoblasik (preosteosit tipe I); 5. Osteosit osteoid

(preosteosit tipe II); 6. Preosteosit tipe III; 7. Osteosit muda; 8. Osteosit dewasa

(Dallas & Bonewald, 2010).

Teori sebelumnya menyatakan bahwa osteositogenesis dipandang sebagai

suatu proses pasif, dimana osteoblas akan terperangkap atau terkubur didalam

osteoid, tetapi ada beberapa argumen yang menyatakan bahwa osteositogenesis

adalah suatu proses aktif. Salah satu perubahan awal yang terjadi pada sel osteoblas

yang “terkubur” adalah pembentukan dendrit pada sel. Sel tersebut akan mengalami

transformasi yang dramatis dan berubah bentuk dari sel poligonal menjadi sel

dengan dendrit yang tumbuh ke permukaan tulang atau rongga vaskular. Sel ini

akan menjaga polaritasnya baik dengan cara mengontrol arah tumbuh dendrit

Page 11: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

19

maupun arah pembentukan mineral, dimana mineral akan di deposit pada salah satu

sisi dan bukan dengan secara merata di sekitar sel. Seiring transisi dari osteoblas

menjadi osteosit, alkaline fosfatase akan berkurang, kasein kinase II dan

osteocalcin akan meningkat. Osteosit akan mengeluarkan protein matriks yang

berguna untuk membantu adhesi interselular dan regulasi pertukaran mineral pada

cairan tulang di dalam lakuna dan kanalikular. Hubungan metabolik dan elektrik

antar osteosit dihubungkan melalui gap junction yang tersusun atas connexin.

Susunan osteosit yang satu dengan yang lainnya menyerupai susunan matriks

ekstraselular (Bonewald, 2011; Kerschnitzki et al., 2011).

Fungsi utama dari osteosit adalah mekanosensori. Osteosit akan

mengirimkan sinyal dari proses bending atau stretching pada tulang. Pergerakan

arah cairan kanalikular sebagai respons dari daya eksternal akan menginduksi

respon yang berbeda pada osteosit. Sebagai contoh, osteosit akan mengirimkan

sinyal untuk pelepasan nitric oxide (NO), ATP dan prostaglandin sebagai respons

terhadap shear stress (Bonewald, 2011; Clarke, 2008).

Osteosit juga ikut berperan dalam perekrutan osteoklas pada bagian tulang

yang akan di remodeling. Apoptosis dari osteosit akan mengekspresikan RANKL

untuk merekrut osteoklas. Akan tetapi, hal ini tidak terjadi pada proses nekrosis

karena terdapat perbedaan sinyal antara osteosit yang mengalami proses apoptosis

dan nekrosis. Apoptosis osteosit terjadi pada kondisi kurangnya oksigen, seperti

pada imobilisasi jangka panjang, pemberian glukokortikoid dan kurangnya hormon

estrogen. Inhibitor dari kematian sel osteosit antara lain estrogen, bifosfonat,

kalsitonin, ligand CD40, calbindin-D28k dan protein kemotaktik monosit 1 dan 3.

Page 12: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

20

Beban mekanis dalam bentuk shear stress berpengaruh dalam penghambatan

apoptosis yang diinduksi glukokortikoid. Hal ini dapat terjadi melalui pelepasan

prostaglandin, yang mengaktifkan jalur Wnt/ β-catenin. Jalur ini mempunyai peran

yang penting dalam pengaturan fungsi dan viabilitas dari tulang normal (Bonewald,

2011).

2.1.4 Matriks ekstraseluler tulang

Protein tulang terdiri dari 85 sampai 90% protein kolagen. Peran dari

masing-masing protein tulang tidak dapat dijelaskan dengan baik pada saat ini, dan

banyak yang memiliki beberapa fungsi, termasuk mengatur deposisi mineral tulang

dan pembentukan ulang dan regulasi aktivitas sel tulang (Clarke, 2008).

Matriks kolagen memberikan kekuatan (energi maksimum yang dapat

diabsorbsi oleh tulang sebelum terjadi fraktur) dan mineral memberikan kekakuan

(tingkat tertinggi yang dapat ditahan oleh sebuah tulang sebelum terjadi deformitas

oleh karena tekanan yang diberikan). Abnormalitas pada kolagen dapat

mengakibatkan fraktur pada osteogenesis imperfekta oleh karena berkurangnya

kekuatan tulang (Bayliss et al., 2012).

2.1.4.1 Mineralisasi matriks tulang

Mineral pada tulang memberikan kekakuan mekanik dan beban kekuatan

untuk tulang, sedangkan matriks organik memberikan elastisitas dan fleksibilitas

(Clarke, 2008).

Page 13: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

21

Vitamin D berperan langsung dalam merangsang mineralisasi matriks

tulang yang belum mengalami mineralisasi. Setelah penyerapan atau produksi

vitamin D melalui kulit, hati mensintesis 25-hydroxyvitamin D dan ginjal kemudian

menghasilkan 1,25-dihydroxyvitamin D [1,25(OH)2D] yang aktif secara biologi.

Serum 1,25-(OH)2D bertanggung jawab untuk menjaga serum kalsium dan fosfor

dalam konsentrasi yang memadai untuk memungkinkan mineralisasi pasif matriks

tulang. Serum 1,25-(OH)2D menjaga hal tersebut dengan merangsang penyerapan

kalsium di usus dan fosfor. Serum 1,25-(OH)2D juga mempromosikan diferensiasi

osteoblas dan merangsang ekspresi osteoblas alkaline phosphatase untuk tulang,

osteocalcin, osteonectin, OPG, dan berbagai sitokin lainnya. Serum 1,25-(OH)2D

juga berpengaruh pada proliferasi dan apoptosis sel tulang lainnya, termasuk

kondrosit yang hipertrofi (Clarke, 2008).

2.2 Proses Penyembuhan Tulang

2.2.1 Osifikasi intramembran

Pembentukan tulang terjadi melalui salah satu dari dua cara: osifikasi

endokondral, sel mesenkimal berdiferensiasi menjadi kondrosit dan bentuk tulang

rawan yang kemudian digantikan oleh tulang, sedangkan osifikasi intramembran

sel-sel ini berdiferensiasi menjadi osteoblas dan membentuk tulang secara langsung

(Jabalee et al., 2013; Orlando et al., 2013).

Dalam proses osifikasi, beberapa osteoblas dikelilingi oleh matriks organik

(osteoid) yang terdiri dari substansi dasar dan serat (terutama kolagen I) dari

produksi mereka sendiri. Osteoblas ini terjebak dalam matriks tulang yang baru

Page 14: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

22

dikeluarkan dan bertransformasi menjadi osteosit. Proses terjadinya masih tidak

jelas. Dalam pembahasan terbaru menyebutkan adanya tiga mekanisme: osteoblas

dapat mensekresi kolagen menuju segala arah (contohnya sel yang tak

terpolarisasi), osteoblas dapat mensekresi kolagen dari satu permukaan sel tetapi

tidak menuju suatu arah tertentu (terpolarisasi tetapi tidak diatur) atau osteoblas

dapat mensekresi kolagen dari satu permukaan sel dan menuju arah tertentu

(terpolarisasi dan diatur). Artinya, osteoblas dapat mengubur diri dalam matriks,

dan dapat juga terkubur oleh matriks tetangganya, atau kedua proses tersebut dapat

terjadi (Jabalee et al., 2013).

2.2.1.1 Osifikasi intramembran dan angiogenesis

Hipoksia sel kondrosit adalah dasar untuk ekspresi gen yang terkait dengan

angiogenesis pada tulang rawan endokhondral dan karena hipoksia memicu

angiogenesis dalam banyak konteks lain, maka dapat diasumsikan bahwa hipoksia

dari avascular sel masenkimal adalah dasar utama untuk angiogenesis yang

berhubungan dengan osteogenesis intramembran. VEGF tidak hanya

memperantarai angiogenesis, namun diferensiasi kondrosit, diferensiasi osteoblas

dan perekrutan osteoklas, membuktikan bahwa peran regulasi selama osteogenesis

itu kompleks (Percival & Richtsmeier, 2013).

Angiogenesis lokal penting untuk osifikasi intramembran dari sel

mesenkimal yang pre-osteogenik, tetapi ini tidak berarti bahwa hipoksia berfungsi

sebagai dasar utama dari sinyal yang menyebabkan angiogenesis dalam konteks ini

(Percival & Richtsmeier, 2013).

Page 15: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

23

Banyak faktor yang terkait dengan peningkatan regulasi angiogenesis

selama proses osteogenesis endokondral dan osteogenesis intramembran. Hal ini

mendukung teori bahwa angiogenesis sangat penting selama proses osifikasi

intramembran dan menunjukkan bahwa ada kesamaan yang kuat dalam mekanisme

regulasi angiogenesis pada kedua jenis osteogenesis tersebut. Sementara faktor-

faktor seperti VEGF dan Hypoxia Inducible Factor (HIF) berhubungan dengan

kondrosit yang hipoksia selama pertumbuhan tulang endokondral, VEGF dan HIF

juga mengalami peningkatan pada osifikasi tulang yang bergantung pada oksigen

(Percival & Richtsmeier, 2013).

2.2.1.2 Osifikasi intramembran pada enyembuhan Fraktur

Faktor mekanik terlibat pada pembentukan tulang dalam perkembangan

normal dan juga pada penyembuhan fraktur. Daya tekan sedang apabila diberikan

pada fraktur lebih menyebabkan terjadinya osifikasi intramembran daripada

pembentukan tulang rawan. Krompecher menunjukkan terjadinya pembentukan

tulang langsung dari jaringan ikat (jaringan desmoid) dengan kehadiran pembuluh

darah, bukan merupakan mekanisme pembentukan tulang endokondral dan disebut

sebagai Primäre Angiogene Knochenbildung atau pembentukan tulang primer

angiogenik (Shapiro, 2008).

Pertumbuhan tulang di daerah diafisis dan metafisis juga melalui osifikasi

intramembran dengan aposisi langsung tulang kortikal oleh osteoblas dari bagian

dalam lapisan periosteum (Shapiro, 2008).

Page 16: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

24

Meskipun penyembuhan fraktur tidak langsung terdiri dari osifikasi

intramembran dan endokondral, pembentukan kalus tulang rawan yang kemudian

mengalami mineralisasi, resorpsi dan kemudian diganti dengan tulang adalah inti

dari proses ini. Respon osifikasi intramembran terjadi secara subperiosteal yang

dekat dengan ujung distal dan proksimal dari fraktur, dengan menghasilkan kalus

keras. Ini merupakan bridging callus dari bagian tengah yang pada akhirnya

membentuk struktur semirigid pada fraktur yang memungkinkannya untuk

menahan beban yang berat (Marsell & Einhorn, 2011).

BMP-5 dan BMP-6 dianggap dapat menginduksi proliferasi sel pada

osifikasi intramembran di periosteum. Selain itu, BMP-2 juga telah terbukti sangat

penting untuk memicu kaskade penyembuhan, seperti tikus yang mengalami mutasi

pada BMP-2 tidak mampu membentuk kalus untuk menyembuhkan fraktur. Hal ini

terjadi karena gangguan pada proliferasi sel mesenkim, diferensiasi atau migrasi

sel, walaupun hal ini masih dalam perdebatan (Marsell & Einhorn, 2011).

2.2.2 Osifikasi endokondral

Terminologi osifikasi endokondral digunakan untuk perubahan dari tulang

rawan menjadi tulang kortikal pada proses pembentukan tulang. Umumnya proses

ini berlangsung pada saat kondrosit menjadi dewasa dan pembuluh darah masuk ke

dalam tulang rawan.

Proses penyembuhan tulang menyerupai proses pembentukan tulang.

Tulang rawan akan terbentuk pada saat tahap awal penyembuhan tulang pada

fraktur yang tidak stabil. Osifikasi endokondral juga sering diartikan menjadi

Page 17: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

25

“secondary bone healing“, yang prosesnya meliputi tiga tahap: soft callus, hard

callus dan remodeling (Claes et al., 2012).

2.2.2.1 Tahap penyembuhan tulang

Penyembuhan tulang dibagi menjadi 5 tahap yakni: hematoma, inflamasi,

soft callus, hard callus dan remodeling. Perlu diingat bahwa tahap-tahap ini dapat

berjalan dengan saling tumpang tindih, sehingga pada setiap bagian fraktur,

mungkin saja sedang terjadi tahap penyembuhan yang berbeda-beda (Claes et al.,

2012; Einhorn & Gerstenfeld, 2015; Shapiro, 2008).

a. Hematoma

Fraktur menyebabkan kerusakan struktural dari tulang, sumsum tulang,

periosteum, otot, pembuluh darah dan jaringan lunak lainnya. Hal ini menyebabkan

terbentuknya hematoma, yang diawali dengan perubahan fibrinogen menjadi fibrin.

Hematoma ini ditandai dengan pH yang rendah, hipoksia dan terdapat sel-sel

inflamasi. Hematoma berfungsi sebagai penyangga sementara sebelum invasi dari

sel-sel inflamasi lainnya. Hal ini konsisten dengan bukti terdapatnya faktor-faktor

pertumbuhan di dalam hematoma (Claes et al., 2012; Kolar et al., 2010).

b. Inflamasi

Tahap inflamasi ini mendominasi respons selular pada tahap awal

penyembuhan tulang. Sel pertama yang akan di rekrut dalam proses inflamasi

adalah polymorphonuclear neutrophils (PMNs). Sel-sel yang berakumulasi dalam

jam-jam pertama setelah cedera ini tertarik karena adanya sel-sel mati dan debris.

PMN sendiri berumur pendek (sekitar 1 hari), tetapi akan mensekresi beberapa jenis

Page 18: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

26

chemokines (seperti C-C motif chemokine 2 (CCL2) dan IL-6) yang akan menarik

makrofag yang berumur lebih panjang. PMN diperikirakan memiliki efek negatif

pada penyembuhan tulang, sementara makrofag memiliki efek positif. Setelah

perekrutan dan aktivasi dari makrofag, limfosit akan bermigrasi ke daerah fraktur

dan memulai respons imunitas (Claes et al., 2012; Einhorn & Gerstenfeld, 2015).

Sitokin pro inflamasi dalam jumlah besar (IL-1, IL-6, TNF, RANKL,

Macrophage-Colony Stimulating Factor) dan TGF –β, BMP-2, BMP-4, BMP-5,

BMP-6 akan dikeluarkan pada tahap awal proses inflamasi, sebagai tambahan

faktor angiogenik juga akan dikeluarkan, sebagai respons terhadap kondisi hipoksia

yang disebabkan karena gangguan vaskularisasi. Revaskularisasi merupakan tahap

yang penting dalam penyembuhan tulang dan angiogenesis dibutuhkan untuk

menciptakan kondisi yang normal, menghilangkan debris dan menyuplai daerah

fraktur dengan sel-sel inflamasi (Bigham‐Sadegh & Oryan, 2015; Claes et al.,

2012).

Reaksi inflamasi yang terjadi ini membantu proses penyembuhan tulang

dengan cara menstimulasi angiogenesis, menyebabkan terjadinya produksi dan

diferensiasi mesenchymal stem cells (MSC) dan meningkatkan sintesis ekstraselular

matriks. Pada sebuah percobaan terdapat gangguan pada proses penyembuhan

fraktur setelah pemberian obat anti inflamasi seperti cyclooxygenase-2 inhibitors

(COX-2) inhibitors. COX-2 dikeluarkan secara cepat setelah terjadinya fraktur dan

berperan sebagai enzim untuk konversi asam arakidonat menjadi prostaglandin,

yang merupakan faktor induksi kuat untuk inflamasi. Perlu diingat bahwa tindakan

operasi biasanya dilakukan sewaktu tulang berada dalam tahap penyembuhan awal

Page 19: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

27

sehingga dapat mengganggu proses formasi hematoma dan inflamasi (Claes et al.,

2012).

c. Soft Callus

Pembentukan soft callus ditandai dengan diferensiasi dari sel progenitor

menjadi kondrosit dan osteoblas. Bergantung dari lingkungan, proses mekanis dan

suplai aliran darah ke daerah fraktur, sel yang utama yang terdapat pada callus dapat

berupa tulang rawan atau osteoid. Sel-sel ini akan menggantikan hematoma dan

jaringan fibrosa (Claes et al., 2012).

Tahap pembentukan soft callus dan hard callus juga dapat disebut sebagai

tahap perbaikan atau repair dari tulang. Tahap ini ditandai dengan penambahan

kekuatan tulang secara perlahan. Jaringan granulasi dapat menahan daya sampai

dengan 0-1 nm/nm2. Seiring waktu, jaringan granulasi akan menjadi lebih matang

dan menjadi jaringan ikat kolagen, yang mampu menahan daya sampai dengan 1-

60 nm/nm2 (Bigham‐Sadegh & Oryan, 2015).

Kolagen tipe I, II dan III akan diproduksi untuk membentuk matriks, yang

berfungsi untuk mengembalikan stabilitas tulang, tetapi lebih banyak kolagen tipe

I. Jika di tes secara mekanis, stabilitas callus akan tampak seperti stabilitas jaringan

lunak. Secara radiologis, belum tampak adanya union, melainkan tampak gambaran

pembentukan callus awal (Claes et al., 2012).

d. Hard Callus

Hard Callus diartikan sebagai perubahan dari tulang rawan menjadi matriks

tulang rawan yang terkalsifikasi dengan diferensiasi pada kondrosit terminal. Pada

manusia, tahap ini terjadi beberapa minggu setelah fraktur. Seiringnya dengan

Page 20: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

28

proses kalsifikasi, kondrosit hipertrofik akan menjadi semakin dewasa dan

pembuluh darah akan masuk ke dalam callus. Sel yang dominan pada tahap ini

adalah osteoblas dan osteoklas karena jumlah kondrosit akan semakin berkurang

pada tahap ini (Bigham‐Sadegh & Oryan, 2015).

Woven bone akan dibentuk oleh osteoblas pada tahap ini, sehingga callus

akan menjadi semakin kuat. Secara klinis, fase penyembuhan tampak sebagai

kalsifikasi dan konsolidasi dari callus fraktur secara radiologis. Pada saat terapi,

baik dengan cast atau traksi, tahap hard callus akan diikuti dengan pengurangan

rasa nyeri dan peningkatan stabilitas pada daerah fraktur (Claes et al., 2012).

e. Remodeling

Fase ini adalah fase dimana jaringan yang sebelumnya rusak, kembali ke

keadaannya sebelum rusak. Pada saat remodeling, arsitektur kanalikular dari tulang

akan dibangun kembali dan sistem haversian dengan osteositnya akan dibentuk

kembali. Prosesnya dimulai saat konsolidasi telah terjadi dan dapat terus berlanjut

sampai 6-9 tahun, sehingga memakan waktu 70% dari waktu keseluruhan

penyembuhan tulang. Saat remodeling, interaksi antara osteoblas dan osteoklas

akan mengakibatkan pembentukan tulang lamellar. Fenomena ini, dideskripsikan

sebagai Wollf’s law, mencakup penguatan dari arsitektur tulang sebagai respon dari

pemberian beban pada tulang (Bigham‐Sadegh & Oryan, 2015).

Untuk dapat menyelesaikan proses remodeling yang diinduksi oleh

pemberian beban ini, osteoblas dan osteoklas akan bekerja sebagai unit fungsional

dari remodeling. Awalnya, osteoklas akan meresorpsi woven bone yang memiliki

struktur yang tidak terorganisir dan osteoblas akan menyusul untuk membentuk

Page 21: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

29

tulang lamellar dan membentuk suatu pola disekitar pembuluh darah. Aktivitas dari

resorpsi dan pembentukan tulang ini dapat terjadi karena mekanisme RANK,

RANKL dan osteoprotegrin (OPG) (Bigham‐Sadegh & Oryan, 2015; Clarke,

2008).

Konsentrasi dari RANKL akan meningkat dengan keberadaan IL-1β, IL-6,

TNF–α, vitamin D3, PTH dan sitokin lainnya. Ikatan antara RANKL dan RANK

akan mengaktifkan osteoklas, sementara OPG akan berfungsi sebagai pengalih

yang berikatan dengan RANK sehingga ikatan RANKL dan RANK akan terhalang.

Melalui koneksi molekular ini, keseimbangan antara resorpsi dan pembentukan

tulang untuk mengembalikan integritas struktural dari jaringan yang rusak dapat

tercapai (Claes et al., 2012; Clarke, 2008).

2.2.3 Penyembuhan tulang pada allograft

Penyembuhan tulang pada allograft umumnya terjadi melalui proses yang

dinamakan dengan creeping substitution. Creeping substitution adalah proses

resorpsi dari tulang allograft yang telah mati oleh osteoklas dan pergantiannya

dengan tulang baru hidup yang diproduksi oleh osteoblas dari inang. Substitusi dari

tulang nekrotik lama dengan tulang baru yang hidup sebagai hasil dari creeping

substitution disebut dengan incorporation (inkorporasi). Bone graft dianggap telah

terinkorporasi apabila tidak ada perbedaan yang nyata antara tulang inang dan graft

serta terdapat pergantian antara tulang yang mati dengan tulang hidup. Secara

eksperimen, sekitar setengah dari tulang kortikal autograft akan digantikan dengan

tulang hidup setelah 6 bulan proses implantasi (Delloye et al., 2007). Autograft

Page 22: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

30

sendiri dapat memberikan bantuan struktural untuk implant dan terlebih lagi dengan

adanya proses creeping substitution, autograft dapat berinkorporasi dengan tulang

disekitarnya sehingga akan menjadi struktur yang sangat efisien secara mekanis.

Kelemahannya, autograft harus diambil dari bagian tubuh yang lain, sehingga

terdapat tindakan operasi tambahan yang dapat meningkatkan morbiditas dan

komplikasi dari pasien (Oryan et al., 2014).

Proses inkorporasi pada tulang kortikal secara dominan dimediasi oleh

osteoklas, bukan osteoblas. Creeping substitution dimulai dari perbatasan antara

graft dan inang dan akan berjalan seiring aksis dari graft tulang kortikal. Walaupun

tulang nekrotik transplantasi akan dengan cepat kehilangan kekuatannya (sekitar

75% dari kekuatan awal), tulang ini akan sembuh dengan kelemahan residual yang

minimal. Inkorporasi dari tulang kortikal allograft meliputi kaskade inflamasi, akan

tetapi setelah tahap inflamasi inisial, tulang akan sembuh secara autogenous,

dengan creeping substitution sebagai proses kuncinya (Roberts & Rosenbaum,

2012).

Data dari binatang menunjukkan bahwa substitusi bone graft dengan

kemampuan osteoinduktivitasnya, paling efektif untuk arthrodesis posterolateral

dari tulang belakang, karena dapat menggabungkan proses creeping substitution

dengan tambahan diferensiasi dari sel-sel progenitor dari jaringan lunak sekitar

yang membantu dalam proses penyembuhan tulang (Rodeo et al., 2013).

Page 23: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

31

2.3. Pembedahan Rekonstruksi Defek Tulang Luas Dengan Fresh Frozen

Allograft

Defek tulang akibat trauma, tumor, kelainan kongenital, degenerasi dan

akibat penyakit lainnya sampai saat ini masih merupakan masalah besar di bidang

ilmu orthopaedi dan traumatologi. Dalam penanganan kondisi di atas diperlukan

pemberian (pencangkokan) tulang. Tulang merupakan jaringan kedua terbanyak

yang di transplantasikan setelah darah, lebih dari 2,2 juta cangkok tulang setiap

tahun dilakukan di seluruh dunia (Ferdiansyah et al., 2011).

Di Amerika lebih dari 500.000 pasien telah dilakukan reparasi defek tulang

akibat trauma, tumor, degenerasi dan penyakit lain di bidang orthopedi dan

traumatologi. Besarnya biaya yang dikeluarkan kurang lebih sekitar USD 2.5

miliar. Jumlah ini diperkirakan akan menjadi dua kali lipat pada tahun 2020 di

Amerika Serikat dan secara global. Hal ini disebabkan karena kebutuhan yang

meningkat dan peningkatan dari angka harapan hidup (Amini et al., 2012).

Komposisi graft yang digunakan adalah 60% menggunakan autograft, 34%

menggunakan allograft dan sisanya 6% menggunakan material lain. Besarnya dana

yang dibelanjakan untuk biomaterial orthopaedi di Amerika Serikat mencapai U$

550 milyar, sedangkan di Eropa mencapai U$ 240 milyar (2007). Di Indonesia sejak

tahun 1997 sampai 2001 tercatat adanya peningkatan kebutuhan biomaterial

sebanyak 4 kali dan kebutuhan graft tulang akan terus bertambah seiring

meningkatnya kasus kerusakan tulang akibat trauma, tumor, kelainan kongenital,

infeksi dan resorbsi tulang akibat komplikasi pemasangan protesa sendi

(Ferdiansyah et al., 2011).

Page 24: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

32

Terdapat 2 kelompok defek pada tulang. Pertama adalah defek tulang yang

kecil dan kedua defek tulang yang berukuran besar. Dalam penanganan defek

tulang yang berukuran kecil ada beberapa pilihan yang dapat dilakukan seperti:

cangkok tulang kecil, pemberian bone material substitute, pemberian faktor- faktor

pertumbuhan, injeksi darah sumsum tulang dan dewasa ini telah mulai diteliti

dengan pemberian stem cell. Pada defek tulang dengan defek lebih besar dari 2 kali

diameter tulang, penanganannya lebih komplek karena memerlukan operasi yang

besar untuk rekonstruksi tulang yang hilang dengan tujuan mengembalikan fungsi

anggota gerak (Ferdiansyah et al., 2011).

Trauma adalah penyebab tersering dari defek tulang (Wiese & Pape, 2010).

Defek tulang yang disebabkan oleh trauma dapat juga disebut dengan bone loss.

Bone loss dapat terjad karena hilangnya fragmen tulang pada saat terjadi cedera

atau ketika dilakukan debridemen pada faktur terbuka, ketika bagian tulang yang

telah nekrotik dibuang. Di Eropa, atau pada populasi dengan tingkat trauma tumpul

yang lebih tinggi, defek tulang lebih sering disebabkan karena proses debridemen.

Akan tetapi, pada daerah dimana trauma tembus seperti dari luka tembak atau luka

ledakan lebih sering terjadi, hilngnya fragmen tulang terjadi pada saat terjadinya

cedera (Keating et al., 2005).

Bone loss biasanya dideskripsikan berdasarkan lokasi anatomisnya, yakni

daerah diafisis, metafisis, atau artikular. Defek tulang tersebut juga dapat

dideskripsikan dengan panjangnya tulang yang terlibat. Defek segmental lebih dari

2 cm akan sulit untuk dapat sembuh secara spontan apabila diterapi hanya dengan

stabilisasi tulang saja. Defek artikular jarang terjadi, terapinya membutuhkan

Page 25: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

33

stabilitas yang lebih dan kapasitas permukaan sendi untuk dapat berartikulasi

dengan normal dan beban yang normal juga. Contohnya pada kasus tibial plateau,

defek lebih dari 3 cm dari permukaan sendi dan dengan kedalaman 1 cm merupakan

indikasi untuk pemasangan allograft (Keating et al., 2005).

Faktor lain juga mempengaruhi prognosis bone loss pada lokasi anatomis

tertentu memiliki prognosis yang lebih baik dikarenakan karena suplai darah dan

potensi osteogenik sekitar yang lebih baik. Derajat cedera jaringan luka sekitar juga

memiliki pengaruh pada tingkat kesembuhan. Umur pasien, penyakit kronik

(diabetes melitus), medikasi, konsumsi alkohol dan rokok dapat mengubah potensi

defek tulang untuk sembuh (Keating et al., 2005).

Bone loss yang signifikan hanya tampak dalam porsi kecil dari keseluruhan

fraktur dan insidensnya lebih sering terjadi pada fraktur terbuka. Pada sebuah

penelitian oleh Edinburgh Orthopaedic Trauma Unit antara 1988 sampai dengan

1998, fraktur dengan bone loss mencakup 0,4% dari keseluruhan fraktur, tetapi

mencakup 11,4% dari fraktur terbuka. Mayoritas dari jenis fraktur ini adalah

Gustillo grade IIIB dan sebagian kecil grade IIIC (Keating et al., 2005).

Cidera yang mengakibatkan defek tulang umumnya melibatkan cedera high

energy, oleh karena itu lebih sering terjadi pada laki laki. Di Edinburgh, rerata umur

pasien fraktur dengan defek tulang adalah 37 tahun, dan 71% nya adalah laki laki.

Lokasi tersering dari defek tulang karena trauma adalah pada tibia, karena posisi

jaringan subkutannya sehingga lebih memungkinkan untuk terjadinya fraktur

terbuka dan hilangnya tulang. Di Edinburgh, 68% dari keseluruhan fraktur dengan

bone loss berlokasi di tibia, 22% nya di femur, dan sisanya tersebar di lokasi yang

Page 26: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

34

lain. Diafisis merupakan daerah tersering. Di unit trauma Edinburgh, 69% dari

keseluruhan bone loss terjadi pada diafisis, dengan sisanya di antara tulang

metafisis, artikular atau keduanya (Keating et al., 2005). Kajian retrospektif

lainnya, defek pada tulang tibia mengindikasikan bahwa 3,6% (26) dari 725 fraktur

dengan bone loss >3 cm, dengan bagian distal dari tibia memiliki proporsi defek

yang lebih besar (6%, 7 dari 123), dibandingkan dengan shaft (4%, 14 dari 351),

dan bagian proksimal dari tibia (2%, 5 dari 251) (Molina et al., 2014).

Sampai saat ini belum ada definisi yang diterima dengan baik oleh umum

mengenai critical sized bone defect. Critical sized bone defect adalah defek yang

tidak akan sembuh dengan sendirinya untuk seumur hidup, baik pada manusia

ataupun hewan. Pada percobaan dengan hewan memiliki beberapa kelemahan.

diantaranya termasuk kurangnya cedera pada jaringan lunak sekitar, yang biasanya

tampak secara klinis pada saat fraktur dan termasuk variabilitas dari spesies yaitu;

kurangnya komorbiditas (seperti obesitas, diabetes atau osteoporosis) yang

memiliki pengaruh negatif pada penyembuhan fraktur. Faktor-faktor ini

menghambat perkembangan model defek tulang dan generalisasinya pada manusia

(Molina et al., 2014).

Sebuah studi menetapkan bahwa defek 5 mm pada femur tikus dianggap

sebagai critical sized defect baik pada tulang normal maupun tulang osteoporotik

(Poser et al., 2014). Sementara studi lain menetapkan bahwa defek 10 mm pada

tulang tibia pada kelinci sebagai defek yang luas (Li et al., 2009). Peneliti lain

menganggap defek tulang pada manusia yang kritikal sebagai: 3 cm pada lengan

bawah, 5 cm pada femur dan tibia dan 6 cm pada humerus (Calori et al., 2011).

Page 27: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

35

2.3.1 Pembedahan rekonstruksi defek tulang luas

Defek tulang yang cukup besar dapat menimbulkan berkurangnya fungsi

ekstremitas yang bersangkutan. Sebaiknya dilakukan rekonstruksi untuk

mengembalikan atau memperbaiki fungsi ekstremitas yang bersangkutan. Pilihan

utama untuk rekonstruksi antara lain: bone graft autogenik atau allogenik, dan

endoprosthesis (Kamal, 2011).

Dengan berkembangnya bedah mikro, maka dapat dilakukan bone graft

yang tervaskularisasi. Dengan tetap adanya aliran darah ke sel-sel bone graft, maka

pembentukan dan penyatuan tulang akan menjadi lebih baik. Teknik ini

memberikan perbaikan pada derajat keberhasilan operasi. Allograft merupakan

bentuk rekonstruksi menggunakan tulang mati (beku atau beku kering). Di negara

tertentu allograft sulit didapatkan karena alasan sosio-religius, maka dikembangkan

beberapa metode untuk menggunakan ulang tulang yang telah direseksi, yakni

dengan: radiasi, autoclave, dan nitrogen cair (Kamal, 2011).

Bone autograft merupakan standard optimum sebagai pembanding untuk

setiap bahan pengganti, karena dia memiliki 3 sifat sebagai osteokonduktif,

osteoinduktif dan osteogenesis. Adapun kelemahan dari penggunaan autograft

antara lain nyeri dari tempat donor dan berpotensial terjadinya komplikasi lokal

seperti hematoma, fraktur dan ketersediaan jumlahnya yang terbatas (Kamal, 2011).

Karena tingginya angka morbiditas dan ketersediaannya yang terbatas inilah

kemudian dipertimbangkan untuk mencari sumber pengganti. Bone allografts telah

lama digunakan sebagai bahan alami pengganti untuk menutup defek tulang,

sebagai alternatif pengganti autograft yang ketersediaannya terbatas. Allograft

Page 28: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

36

memungkinkan perbaikan struktural tulang dan permukaannya mendukung untuk

pembentukan tulang. Tujuan penggunaan allograft adalah untuk menginisiasi

respons penyembuhan dari permukaan dasar resepien yang akan menghasilkan

tulang baru pada permukaan host-graft dan di dalam pori-pori allograft. Selain itu

vaskularisasi dasar permukaan resepien dan stabilitas mekanik juga penting. Untuk

penyatuan optimum dengan graft, dasar permukaan resepien juga harus

mengandung sel sel pre-osteogenic dan osteogenic yang cukup, atau harus

diperkaya dengan sumber-sumber sel lainnya seperti sumsum tulang autograft.

Dasar permukaan harus dipersiapkan untuk memperdarahi tulang. Kontak host-

graft harus stabil sehingga memungkinkan pembuluh darah bertumbuh ke dalam

graft (Kamal, 2011).

Bone graft memiliki memiliki fungsi sebagai gap filler (pengisi celah) pada

bone defect. Pada saat bone graft bertaut dengan permukaan tulang maka jarak antar

fragmen tulang menjadi lebih kecil. Fiksasi yang stabil dan menurunnya jarak antar

fragmen tulang akan menurunkan strain ratio pada fracture gap sehingga

penyembuhan tulang dapat tercapai. Autograft dan allograft memiliki perbedaan

karakteristik di mana autograft memiliki ketiga karakteristik osteoinduktif,

osteokonduktif dan osteogenesis, sedangkan allograft hanya memiliki sifat

osteokonduktif dan osteoinduktif (Munthe & Suroto, 2014).

Autograft merupakan gold standard dalam bone grafting. Meskipun

allograft tidak mempunyai sifat osteogenesis, proses penyembuhan tulang pada

allograft masih dapat terjadi melalui proses osteokonduksi dan osteoinduksi. Pada

proses osteoinduksi terjadi stimulasi dari sel progenitor yang akan berdiferensiasi

Page 29: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

37

menjadi osteoblast yang berperan dalam pembentukan tulang baru. Karakteristik

osteokonduksi allograft akan berperan sebagai scaffold untuk kerangka terjadinya

tulang. Kedua proses ini akan bersinergi dalam menyediakan komponen dan

lingkungan yang optimal untuk proses penyembuhan alamiah tulang. Komponen

penting yang berperan dalam proses pembentukan tulang baru pada allograft yaitu

BMP (Bone Morphogenetic Protein). BMP ini yang akan mengirimkan sinyal yang

akan menarik growth factors ke lokasi graft yang kemudian akan memulai proses

penyembuhan alamiah tulang. BMP inilah yang memberikan karakteristik

osteoinduktif pada allograft maupun autograft (Munthe & Suroto, 2014).

2.3.2 Allograft

Akhir-akhir ini penggunaan allograft mengalami peningkatan dibanding

dengan autograft. Hal tersebut disebabkan karena ketersediaan autograft terbatas,

apalagi bila diperlukan graft dalam jumlah yang cukup banyak. Selain itu pula,

allograft memiliki kelebihan dalam hal restorasi struktural dari rangka tulang dan

permukaan allograft juga memberikan pengaruh yang positif terhadap

pembentukan tulang. Penggunaan allograft juga meningkat seiring dengan

meningkatnya jumlah revisi arthroplasty (Delloye et al., 2007; Shukla et al., 2003).

Saat ini allograft menempati peringkat pertama dari penggunaan substitusi tulang

di Eropa. Demikian pula di Amerika Serikat, sekitar 800.000 allograft digunakan

setiap tahunnya.

Suatu graft tulang dapat dipertimbangkan bersifat osteogenik bila

mengandung sel osteogenik yang hidup. Hal ini dimungkinkan terjadi bila graft

Page 30: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

38

segera diimplantasikan atau bila tulang substitusi diperkaya dengan sel tulang

autogenik yang telah dikultur (Delloye et al., 2007).

Tulang dapat disebut sebagai material osteokonduktif bila struktur yang

dimilikinya dapat bekerja sebagai pendukung dari sel yang melakukan migrasi dari

host dan berdiferensiasi menjadi sel osteogenik. Sehingga kemudian pembentukan

tulang baru, akan muncul di dalam scaffolding. Besarnya osteokonduksi ini dapat

diperiksa dan diukur secara eksperimental (Delloye et al., 2007).

Suatu graft tulang dapat disebut osteoinduktif bila dapat menginduksi

diferensiasi dari sel mesenkimal menjadi osteoblast. Proses ini hanya dapat terlihat

secara in vivo setelah implantasi heterotopik dari graft tulang menjadi non-

osteogenik seperti otot (Delloye et al., 2007).

Tujuan dari penggunaan allograft tulang adalah untuk menginisiasi respons

penyembuhan dari host bed yang akan memperoduksi tulang baru pada host-graft

interface dan didalam struktur dari material graft itu sendiri. Selain sifat dari graft

itu sendiri, vaskularisasi dari bed dan stabilitas mekanikal dari graft sangatlah

penting. Host-graft interface juga harus stabil sehingga pembuluh darah dapat

tumbuh kedalam graft. Faktor-faktor tersebut sangat dipengaruhi oleh pengalaman

ahli bedah, pendekatan pembedahan yang dilakukan dan persiapan dari lokasi host

yang akan ditanam graft (Delloye et al., 2007).

Allograft tulang yang ditanamkan dapat berisiko menyebarkan penyakit,

sehingga keamanan dari allograft ini menjadi pertimbangan yang utama. Virus dan

prion adalah penyakit menular yang sulit dideteksi pada allograft. Demikian pula

dengan transmisi virus Hepatitis C (HCV) dan human immunodeficiency virus

Page 31: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

39

(HIV) juga pernah dideteksi pada allograft. Kontaminasi bakteri pada allograft

dapat mengancam nyawa (Delloye et al., 2007).

Pada tahap pengolahan tulang dapat dilakukan dengan cara aseptik atau

dapat juga dilakukan sterilisasi pada tahap akhir, yaitu dengan radiasi. Salah satu

tujuan dari pengolahan ini adalah untuk membentuk dan menentukan ukuran dari

material graft sesuai dengan keperluan. Selain itu pula, sangatlah penting untuk

melakukan inaktivasi dan menyingkirkan agen-agen yang berbahaya dari tulang

tersebut untuk mengurangi risiko terjadinya penyebaran penyakit menular,

utamanya pada fresh frozen allograft, yang pernah dilaporkan menjadi sumber

utama dari penyebaran infeksi virus kepada resipien. Penggunaan etanol, aseton dan

eter juga sering digunakan, karena terbukti dapat menginaktivasi virus yang

memiliki lapisan pelindung seperti HIV dan virus hepatitis. Hidrogen peroksida

juga telah lama digunakan sebagai agen pemutih, dan telah terbukti sebagai agen

virusidal dan bakterisidal sebagai konsekuensi dari kemampuannya membentuk

radikal bebas. Osteoinduktifitas dari tulang tetap terjaga dengan baik bila paparan

hidrogen peroksida kurang dari 60 menit (Delloye et al., 2007).

2.3.2.1 Tipe-tipe allograft

2.3.2.1.1 Allograft tulang kortikokanselosa

Tulang kortikokanselosa hanya memiliki sifat osteokonduktif namun tidak

memiliki kemampuan osteogenik dan osteoinduktif. Sumbernya didapatkan dari

kaput femur atau dari tulang panjang ekstremitas. Dan dapat memiliki kemampuan

Page 32: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

40

mekanikal tergantung dari metode persiapan graft. Tipe ini adalah jenis allograft

yang paling sering digunakan.

Setiap allograft yang dibuat dapat juga ditambahkan dengan faktor

pertumbuhan atau dengan stem sel stromal yang bertujuan untuk menstimulasi

invasi vaskular dari graft dan pembentukan tulang baru (Delloye et al., 2007).

Bank jaringan modern memiliki bentuk hasil olahan yang bervariasi, yaitu

kaput femur beku yang belum diproses, dimana didapatkan pada kondisi yang steril;

tulang kortikokanselosa yang telah diproses dam potongan-potongan tulang

kortikokanselosa. Penggunaan tulang freeze-dried lebih tepat untuk mengisi defek

tulang yang kecil (<5 m3) dan lebih disarankan untuk menggunakan material yang

beku untuk defek yang luas (Delloye et al., 2007).

2.3.2.1.2 Allograft tulang osteoinduktif

Demineralized bone matrix (DBM) adalah jenis allograft yang hanya

memiliki kapasitas osteoinduktif. Setelah dilakukan demineralisasi, tulang kortikal

masih tetap mengandung kolagen, protein tulang (BMPs), glikoprotein dan

proteoglikan. Namun, agar sifat osteoinduktif dapat muncul, harus terdapat BMP,

kolagen tipe 1 dan sel yang diinduksi. Demineralized bone matrix mengandung

BMP dan kolagen tipe 1. Berbagai tipe DBM yang siap digunakan yaitu DBM yang

telah dicampur dengan kandungan kalsium sulfat, kolagen bovine dan bioglass.

Page 33: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

41

2.3.2.1.3 Allograft tulang struktural masif

Allograft tulang massif banyak digunakan untuk limb salvage pada kasus

tumor muskuloskeletal dan tetap menjadi pilihan utama dalam rekonstruksi defek

tulang yang luas, hal tersebut dikarenakan allograft tulang masif ini dapat berfungsi

sebagai pendukung struktural. Allograft tipe ini biasanya digunakan untuk

rekonstruksi setelah dilakukan reseksi tumor dan revisi dari arthroplasty.

2.3.2.2 Syarat dan Karakteristik dari Allograft

Syarat allograft yaitu tulang yang digunakan harus memiliki kualitas yang

baik dan aman untuk penerima donor. Tulang yang telah terdemineralisasi

seharusnya menunjukkan aktifitas osteoinduktif, dengan dicirikan adanya

pembentukan tulang baru bila digunakan pada kasus nonunion. Tulang yang

digunakan juga harus cukup kuat untuk dapat memberikan dukungan pada defek

struktural.

2.3.2.3 Fresh Frozen Allograft

Berbagai metode pengolahan digunakan dalam produksi Allograft. Graft

seperti tendon atau potongan tulang untuk rekonstruksi, yang digunakan untuk

keperluan struktur mekanik yang kuat, harus diproses dengan cara yang secara

signifikan tidak mengubah sifat mekaniknya. Graft ini dibersihkan dan diproses

menggunakan radiasi dosis rendah, teknik kimia, atau keduanya untuk mencapai

sterilitas. Graft ini harus ketat dikontrol terhadap kontaminasi bakteri dan biasanya

disimpan dalam keadaan beku. Pembekuan allograft memiliki dampak kecil pada

Page 34: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

42

sifat mekanik dari jaringan dan akan mengurangi imunogenisitasnya (Wilkins et al.,

2013).

Penggunaan fresh frozen allograft dan relevansi klinisnya masih harus

diselidiki. Hal ini juga harus dicatat bahwa variabel lain, seperti usia donor dan jenis

kelamin, dapat mempengaruhi inkorporasi bone graft. Namun demikian tidak ada

data yang tersedia untuk hal ini (Lumetti et al., 2014).

Penggunaan fresh frozen allografts dibatasi oleh Uni Eropa karena

kemungkinan transmisi penyakit menular atau penyakit lainnya. Untuk

meminimalkan risiko infeksi, allografts dapat disterilkan dengan penyinaran atau

dengan zat kimia (Mittag et al., 2012).

Pada penelitian ditemukan bukti radiologis trabekulasi allograft yang baik

sebagai tanda remodeling lengkap dan integrasi ke dalam struktur tulang penerima

terjadi setelah 6 bulan. Angka ini juga telah ditunjukkan dalam beberapa studi

lainnya (Mittag et al., 2012).

Keuntungan fresh frozen allografts non-iradiasi adalah efektivitas biaya,

kualitas biologis yang lebih baik dan ketersediaannya di bank jaringan.

Kerugiannya adalah risiko penularan penyakit yang dapat diminimalkan dengan

donor-screening yang baik dan penanganan steril (Mittag et al., 2012).

2.4 Platelet Derived Growth Factor (PDGF)

Pada pertengahan 1970, ditemukan serum dari faktor pertumbuhan untuk

fibroblas, sel-sel otot halus dan sel glia yang berasal dari platelet. Faktor

pertumbuhan ini kemudian dinamakan Platelet Derived Growth Factor (PDGF),

Page 35: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

43

yang kemudian oleh Herdin dipurifikasikan, bersamaan dengan ditemukannya

reseptor untuk PDGF ini yang dinamakan PDGFR, dimana reseptor tersebut

merupakan reseptor pada tirosin kinase. Ukuran dari PDGF adalah sebesar 30kDa

yang terdiri dari rantai A dan atau B, yang dikoding dengan gen yang berbeda-beda

dan mengalami regulasi sesuai gen yang berperan. Rantai C dan D kemudian

ditemukan sebagai gen tambahan yang dikoding sebagai polipeptida PDGF-C dan

PDGF-D. Masing-masing rantai dikodingkan dengan gen individu yang berbeda

yang terletak pada kromosom 7, 22, 4 dan 11. Platelet Derived Growth Factor

merupakan suatu rantai pengikat heparin bersifat polipeptida dengan 4 tipe yaitu A,

B, C, dan D. Keempat rantai PDGF ini mengandung faktor pertumbuhan domain

yang berisi kurang lebih 100 asam amino yang ditemukan juga pada kelompok

VEGF. Hingga saat ini, telah terdapat 5 komposisi dimerik yaitu: PDGF-AA, BB,

CC dan DD. Target kerja pada PDGF ini biasanya pada sel asal mesoderm spektrum

luas seperti fibroblas, perisit, sel otot halus, sel glia atau sel mesangial (Raica &

Cimpean, 2010).

Bentuk isoform dari PDGF berikatan dengan dua kelas III reseptor tirosin

kinase, PDGFR-alpha dan PDGFR-Beta. Proses pengikatan pada ligan ini

menyebabkan terjadinya proses autofosforilasi dari reseptor tirosin sehingga terjadi

aktivasi dari molekul-molekul pemberi sinyal. Rantai PDGF mempunyai afinitas

yang berbeda-beda pada dua reseptor diatas. PDFRa memiliki afinitas yang tinggi

terhadap PDGF-A, PDGF-B, dan PDGF-C, sedangkan PDGFRb memiliki afinitas

yang tinggi terhadap PDGF-B dan PDGF-D. Interaksi pada reseptor dari masing-

masing PDGF tersebut dapat dilihat pada invitro, namun pada invivo belum

Page 36: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

44

diketahui dengan jelas. Tirosin kinase diaktifkan akibat adanya pengikatan ligand

pada reseptor. Aktivasi dari jalur inilah yang mengawali terjadinya respons seluler

sehingga terjadi proliferasi dan migrasi. Ekspresi dari p21Ras yang teraktivasi pada

sel mengakibatkan terjadinya proses pengaktivasian sinyal pada beberapa level.

Dua mekanisme berbeda terjadi pada defek sinyal PDGFRb yaitu ekspresi

transkripsi PDGFRb dan inhibisi pada ligand PDGFRb oleh suatu faktor pada

membran sel p21Ras yang mengekspresikan fibroblas. Gangguan pada fibroblas

tulang mengakibatkan berkurangnya fungsi dari PDGFRb. PDGF merupakan

mitogen utama untuk sebagian besar sel yang berasal dari mesenkim dan beberapa

sel yang berasal dari neuroektodermal, seperti oligodendrosit. PDGF berperan

penting dan memiliki fungsi dalam proses pembentukan tulang, eritropoeisis,

penyembuhan luka, serta angiogenesis, serta memiliki peranan dalam

perkembangan normal pada ginjal, otak, kardiovaskular dan sistem pernapasan.

Beberapa studi membuktikan adanya peranan PDGF pada perkembangan sel tumor

serta lesi spesifik dari penyakit inflamasi dan aterosklerosis. Sinyal PDGF

ditransmisikan melalui lapisan dua sel reseptor tirosin kinase, PDGFRa dan

PDGFRb, serta menginduksikan proses angiogenesis dengan meregulasi produksi

VEGF dan memodulasi proses proliferasi dari sel perivaskuler. Aktivitas

angiogenesis dari PDGF tidak hanya berasal dari peningkatan produksi VEGF-A,

namun dapat juga dari stimulasi yang dilakukan oleh PDGF-B sehingga

meningkatkan endotelial cells (EC) dan diferensiasi dari prekursos hemapoetik.

Pada suatu percobaan, telah dibuktikan bahwa transmisi sinyal PDGF-B dan

PDGFRb berperan penting dalam meningkatkan fungsi dari pembuluh darah

Page 37: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

45

dengan mengambil dan menstabilkan sel yang berasal dari perivaskuler. VEGF

merangsang ekspresi endotelial PDGF-B, sedangkan FGF-2 merangsang ekspresi

PDGFRb perivaskuler. Stimulasi bersamaan yang dilakukan oleh VEGF dan FGF-

2 menyebabkan terjadinya pengeluaran sel-sel perivaskuler in vitro dan juga

pembentukan pembuluh darah fungsional in vivo. Kedua efek ini ditekan oleh

antibodi PDGFRb dan juga PDGF-B eksogen yang menunjukan pentingnya sel

gradien PDGF-B sehingga harus dipertahankan. Fungsi lain dari PDGF adalah

untuk meregulasi aktivitas transkripsi dari trombomodulin pada sel otot polos

pembuluh darah pada manusia. Contoh dari ekspresi ganda PDGF-B dan

Trombomodulin dapat dilihat pada contoh percobaan arteri karotis yang diligasi.

Pada proses ini, PDGF B meregulasi faktor yang mentranskripsikan E-26 spesifik

(Ets-1). Pada sel perivaskuler yang sedang istirahat dan sel EC, Ets-1 berada dalam

jumlah yang minimal dan meningkat dengan bantuan dari PDGF B. Proses ini

dihambat oleh rapamycin, yang mempunyai kemampuan antiangiogenik dan

antilimfangiogenik. Walaupun hal-hal diatas ditemukan pada jaringan manusia (in

vitro), hubungan antara angiogenesis normal serta patologis belum jelas diketahui

(Raica & Cimpean, 2010).

Berdasarkan sifat dasarnya, PDGF memainkan peran penting dalam

penyembuhan luka, merangsang proliferasi sel, migrasi dan angiogenesis. Peran ini

terkait dengan beberapa molekul spesifik dari matriks ekstraselular, seperti kolagen

atau heparin. Dalam percobaan in vitro, telah menunjukkan bahwa baru-baru ini

heparin meningkatkan pengikatan PDGF dengan kolagen, dan kompleks PDGF-

Page 38: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

46

heparin-kolagen mengawali terjadinya proliferasi fibroblas, migrasi sel dan

vaskularisasi (Raica & Cimpean, 2010).

2.4.1 Peran PDGF pada remodeling vaskular

Platelet Derived Growth Factor dikenal sebagai salah satu faktor mayor

yang berperan pada remodeling vaskular dan pembentukan lesi intimal. Salah satu

keunggulan PDGF adalah sebagai penginduksi dari sel otot polos arterial untuk

bermigrasi dan berproliferasi. Secara in vivo, blokade pada PDGF atau reseptornya,

mengarah kepada terjadinya reduksi dari hiperplasia myointimal sebagai respon

terhadap terjadinya suatu cedera. Secara in vitro, beberapa percobaan telah

membuktikan bahwa PDGF BB merupakan stimulan yang lebih baik dibandingkan

dengan PDGF-AB, maupun –AA karena –AA bersifat inaktif atau terhambat. Pada

hewan percobaan, PDGF BB mengawali terjadinya penebalan pada intima dan

migrasi sel otot polos dari tunika media ke tunika intima. Walaupun PDGF

memiliki peran yang penting pada migrasi sel otot polos, mekanisme meliputi

migrasi sel otot polos dengan bantuan PDGF masih belum dapat dijelaskan.

Bagaimanapun, beberapa studi melaporkan reseptor integrin, yaitu reseptor

vitronektin αvβ3 dan αvβ5 berhubungan dengan migrasi sel otot polos yang

diinduksi oleh PDGF. Kedua antibodi integrin dan peptida antagonis arginine-

glycine-aspartate motif (RGD) secara signifikan menghambat migrasi sel otot polos

yang diinduksi oleh PDGF. Integrin merupakan suatu reseptor untuk osteopontin

(OPN), suatu glikoprotein sekresi fosforilasi, dimana ekspresinya diinduksi oleh

PDGF pada sel otot polos arterial. Osteopontin juga merupakan suatu kemoatraktan

Page 39: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

47

untuk sel otot polos dan mekanisme kerjanya dimediasi terutama oleh integrin β3.

Sebagai tambahan, stimulasi dari sel otot polos, PDGF-BB serta OPN secara

bersamaan telah terbukti meningkatkan produksi sel otot polos matriks

metaloproteinase-9 (MMP-9) (Jarvis et al., 2012).

2.4.2 Peran PDGF pada Proses Penyembuhan Tulang

Tulang memiliki kapasitas intrinsik yang kuat untuk beregenerasi pada saat

proses homeostasis dan saat mengalami cedera. Proses regeneratif ini ditandai

dengan siklus remodeling, di mana sel-sel dalam jumlah tertentu direkrut dan

dibedakan untuk kepentingan proses resorpsi tulang atau pembentukan tulang.

Proses ini dikoordinasikan dan diatur oleh sistem yang melibatkan faktor-faktor

pertumbuhan dan sitokin, dimana faktor-faktor pertumbuhan atau sitokin tersebut

beberapa telah tersedia ataupun dalam tahap perkembangan lebih lanjut untuk

aplikasi klinis melalui teknologi rekombinan. Salah satu faktor biologis penting

yang bertanggung jawab untuk proses reparatif tulang ini adalah PDGF. PDGF

bekerja dengan mengikat reseptor permukaan sel pada sebagian sel mesenkimal,

dan merangsang proses reparatif dalam beberapa jenis jaringan. Efek stimulasi dari

PDGF adalah sebagai kemotaksis dan mitogenesis, bersamaan dengan

kemampuannya untuk mempromosikan angiogenesis, merupakan mediator kunci

dalam perbaikan jaringan (Hollinger et al., 2008).

Pada saat jaringan tulang mengalami suatu kerusakan baik karena trauma

ataupun akibat pembedahan, reaksi inflamasi yang cepat dan aktif akan segera

berespon pada area yang mengalami kerusakan dengan mengeluarkan sel darah,

Page 40: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

48

platelet, monosit, makrofag, serta sel-sel kaskade inflamasi lainnya. Resikonya

adalah terjadinya nekrosis pada tempat yang mengalami kerusakan agar jaringan

sehat sekitarnya tidak ikut mengalami kerusakan. Proses pemisahan ini biasa

berlokasi pada tulang yang mengalami kerusakan atau tempat dimana terjadi cedera

tersebut yang pada akhirnya akan terjadi penyembuhan serta terbentuknya kalus

reparative Pada area yang terisolasi ini, platelet dan makrofag akan mengeluarkan

molekul bioaktif dalam jumlah yang sangat banyak termasuk PDGF, untuk

mempersiapkan kondisi untuk terjadinya respons perbaikan. Pada keadaan yang

stabil, pembentukan pembuluh darah baru akan berinvasi pada jaringan yang akan

mengalami perbaikan, dan pembuluh yang berasosiasi dengan Mesenchymal Stem

Cell (MSC) akan masuk membentuk lembaran-lembaran sel osteoblas yang akan

membuat tulang baru pada bagian pembuluh darah yang terganggu. Peranan PDGF

dalam perbaikan tulang belum diketahui dengan jelas namun PDGF diperikirakan

selain berperan dalam menstimulasi angiogenesis lokal, juga meregulasi peristiwa

osteogenik tersebut sehingga terjadi pembentukan tulang dengan cepat. Dalam hal

penyembuhan tulang dan regenerasi tulang, PDGF BB dapat diperikirakan berperan

paling kuat diantara kelompok PDGF lainnya (Hollinger et al., 2008).

Page 41: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

49

Gambar 2.3

Peran PDGF pada Proses Pembentukan Tulang (Hollinger et al., 2008)

Gambar 2.4

Proses penyembuhan tulang melibatkan PDGF (Hollinger et al., 2008)

Page 42: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

50

Peranan PDGF-BB pada lokasi yang mengalami cedera atau fraktur adalah

sebagai berikut (Caplan & Correa, 2011):

1. Menstimulasi sekresi dari VEGF pada bagian pericyte, sehingga membawa sel

endotelial untuk angiogenesis pada lokasi yang mengalami kerusakan.

2. Melepaskan kaitan pericytes dari pembuluh darah yang ada dan memfasilitasi

pericytes pada lokasi yang mengalami cedera, sehingga memungkinkan

pelepasan pericytes yang bebas untuk menjadi aktif dan sebagai mediator untuk

MSC fungsional, beberapa di antaranya berfungsi untuk membentuk

lingkungan mikro regeneratif, sementara yang lain menjadi sel

osteoprogenitor.

3. Berfungsi sebagai mitogen kuat untuk pericyte dan MSC bebas yang

teraktivasi.

4. Memodulasi respon penting dalam proses osteogenik yang melibatkan faktor-

faktor seperti BMP, yang bertanggung jawab untuk diferensiasi osteoblastik

lebih lanjut pada sel MSC bebas yang teraktivasi.

5. Berfungsi untuk membawa PDGFR-b mengekspresikan MSC/ pericytes

kembali untuk melakukan kontak dengan pembuluh darah mikro yang

mengalami pembesaran dan infiltrasi dan menstabilkan posisi dan formasi

pembuluh darah.

6. Berperan integral untuk mengkoordinasikan dan menghubungkan sel-sel

endotel, pericytes, MSC, ECM, reseptor PDGF.

Page 43: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

51

2.5 Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)

Faktor pertumbuhan angiogenik seperti faktor pertumbuhan endotel

vaskular (VEGF) mulai diperhatikan karena beperan dalam angiogenesis selama

penyembuhan tulang. Pembentukan jaringan pembuluh darah penting dalam

implantasi biomaterial, oksigenasi, dan nutrisi. VEGF mempromosikan

vaskularisasi polimer dan kalsium fosfat bahan pengganti tulang. Selain itu,

beberapa penelitian memberikan bukti bahwa pemberian VEGF lokal

meningkatkan penyembuhan defek pada tulang (Wernike et al., 2010).

Vascular Endothelial Growth Factor adalah mitogen khusus untuk sel

endotel vaskular. Pertama kali diidentifikasi sebagai faktor pertumbuhan endotel

dari sel-sel folikel hipofisis sapi oleh Ferrara dan Davis Symth (Yang et al., 2012).

VEGF memiliki banyak isoform, tapi VEGF-A dianggap sebagai prototipe dalam

family ini. Isoform lain dalam family ini memiliki VEGF-B, VEGF-C, dan VEGF-

D. Peran VEGF-B saat ini belum diketahui. VEGF-C dan isoform VEGF-D

terutama terlibat dalam lymphangiogenesis. Dari semua isoform, VEGF-A adalah

faktor dominan dalam regulasi angiogenesis dan pertumbuhan sel endotel. VEGF

diproduksi oleh sel endotel, makrofag, fibroblas, sel-sel otot polos, osteoblas, dan

kondrosit hipertrofik. Seperti faktor pertumbuhan peptide lainnya , VEGF berikatan

dengan reseptor (VEGFR-1 dan 2) pada permukaan sel target (Beamer et al., 2010).

Osteoblas primer manusia mengekspresikan sejumlah besar VEGFR-1 dan

sinyal VEGFR-1 pada osteoblas menginduksi respon kemotaksis kuat. VEGF juga

secara tidak langsung menginduksi proliferasi dan diferensiasi sel-sel prekursor

osteoblas. Hal ini dicapai oleh sekresi faktor osteoanabolik, seperti endotelin-I dan

Page 44: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

52

insulin-like growth factor-I. VEGF juga berfungsi untuk mempromosikan

kemotaksis mesenchymal stem cell (MSC). Periosteum, otot, jaringan adiposa, dan

sumsum tulang merupakan sumber yang kaya MSC yang mampu berdeferensiasi

menjadi osteoblas, dan juga menyediakan sel progenitor endotel yang mendukung

postnatal vasculogenesis. Vaskulogenesis dan angiogenesis dipicu oleh

peningkatan kadar VEGF lokal dan sistemik, sehingga memungkinkan mobilisasi

substrat osteogenik, stem cell pericyte, dan MSC yang mampu berdiferensiasi

menjadi tambahan osteoblas. Proses ini memberi umpan balik positif antara

osteoblas dan sel endotel (Beamer et al., 2010).

2.5.1 Pengaruh VEGF pada sel tulang

Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) dan Bone Morphogenetic

Protein 2 (BMP 2) adalah dua regulator kunci dari angiogenesis dan osteogenesis

dan diferensiasi osteogenik dari sel induk. Kedua faktor ini secara sinergis

meningkatkan regenerasi tulang. Hasil penelitian menegaskan bahwa kombinasi

dari VEGF dan BMP 2 memiliki efek aditif pada regenerasi tulang. Namun, masih

belum ada bukti langsung mengenai mekanisme kerja dari kedua faktor selama

diferensiasi dan regenerasi tulang. Berdasarkan pengamatan kombinasi dari VEGF

dan BMP 2 mempromosikan pertumbuhan jaringan pada proses angiogenesis dan

peningkatan regenerasi tulang dalam rongga sinus (Zhang et al., 2014).

Page 45: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

53

2.5.2 Pengaruh VEGF pada osteoblas

Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) terlibat dalam berbagai aspek

fungsi osteoblas. Dua penelitian telah menunjukkan efek chemoattractive dose-

dependent VEGF pada osteoblas primer dan sel-sel progenitor mesenkimal (Yang

et al., 2012). VEGF merangsang proliferasi sel hingga 70% dan mempromosikan

diferensiasi osteoblas primer in vitro dengan meningkatkan pembentukan aktivitas

alkali fosfatase secara dose-dependent. Dilaporkan juga bahwa VEGF

diekspresikan dalam jumlah sedikit pada awal diferensiasi osteoblas dan

ekspresinya meningkat hanya selama diferensiasi terminal dan mencapai jumlah

maksimum selama periode mineralisasi. Dengan demikian, VEGF memainkan

peran penting dalam regulasi pembentukan tulang dengan merangsang diferensiasi

osteoblas (Yang et al., 2012).

2.5.3 Pengaruh VEGF pada osteoklas

VEGF secara signifikan dapat meningkatkan ekspresi RANK mRNA dan

ekspresi RANK pada sel endotel melalui jalur kinase FLK-1 / KDR-protein C-ERK.

VEGF memainkan peran penting dalam modulasi aksi angiogenik RANKL dalam

kondisi fisiologis atau patologis. Kombinasi dari VEGF dan dosis rendah colony-

stimulating factor-1 (CSF-1) dapat meningkatkan ekspresi RANK dalam prekursor

osteoklas yang diperlukan untuk osteoklastogenesis. Pada kultur osteoklas kelinci

dewasa, VEGF ikut serta dalam perekrutan osteoklastik, diferensiasi dan

peningkatan aktivitas penyerapan-tulang osteoklastik (Yang et al., 2012).

Page 46: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

54

Gambar 2.5

Skema efek VEGF pada angiogenesis dan osteogenesis (Yang et al., 2012)

Dampak VEGF pada sel endotel yaitu memulai proses angiogenesis yang

merekrut sel mesenkimal dan bermigrasi ke tulang rawan atau jaringan ikat

subperiosteal melalui pembuluh darah. Selama proses osifikasi endokondral, sel-

sel mesenkimal berdiferensiasi menjadi kondrosit, dan mengalami hipertrofi.

Kemudian, proses pembentukan tulang dimulai. Di samping itu, selama proses

osifikasi intramembran, sel-sel mesenkimal yang bermigrasi ke jaringan ikat

subperiosteal berdiferensiasi menjadi osteoblas secara langsung dan memulai

proses pembentukan tulang. VEGF meregulasi ekspresi faktor pertumbuhan dan

sitokin dalam sel endotel dan memainkan peran penting selama proses

penyembuhan tulang intramembran (Yang et al., 2012).

Page 47: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

55

2.5.4 Pengaruh VEGF pada osifikasi endokondral

Osifikasi endokondral merupakan proses penting selama pembentukan

dasar dan pertumbuhan tulang panjang, dan penyembuhan patah tulang. Osifikasi

endokondral merupakan proses dimana kondrosit mengalami proliferasi, hipertrofi,

kematian sel dan penggantian osteoblastik. Vascular Endothelial Growth Factor

terbukti berfungsi sebagai mediator penting selama proses ini karena

kemampuannya dalam invasi pembuluh darah (neovaskularisasi) ke tulang rawan

hipertrofik. Vaskularisasi membantu sel mesenkimal berdiferensiasi menjadi

osteoblas dan terlibat dalam osteogenesis. Sebuah studi terbaru oleh Bluteau et al.

menunjukkan bahwa kondrosit dapat mengeluarkan empat anggota keluarga VEGF.

VEGF-A, VEGF-B, VEGF-C dan VEGF-D terdeteksi dan diregulasi di mRNA

pada tingkat protein selama diferensiasi kondrogenik kondrosit. Zelzer et al.

menjelaskan bahwa secara in vivo untuk VEGF berperan penting dalam invasi

pembuluh darah ke tulang rawan hipertrofik selama perkembangan tulang (Yang et

al., 2012).

Penyembuhan patah tulang tergantung pada vaskularisasi tulang, yang

dipromosikan oleh VEGF. Dalam osteogenesis, yang terkait erat dengan

angiogenesis, VEGF mempromosikan vaskularisasi dari lempeng pertumbuhan dan

transformasi tulang rawan pada tulang. Satu studi penelitian mengamati apakah

VEGF diperlukan untuk perbaikan tulang dengan menghambat aktivitas VEGF

selama penyembuhan tulang sekunder pada model tikus (Street et al., 2002).

Fraktur femur digunakan sebagai model osifikasi endokondral. Perbaikan fraktur

terjadi dalam serangkaian tahap, yang melibatkan tahap awal inflamasi, fase kalus

Page 48: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

56

lunak, fase kalus keras dan fase remodeling. Penghambatan VEGF pada tikus

mengahambat perbaikan patah tulang femur dan gangguan pembentukan tulang

baru. Hasil penelitian memberikan bukti bahwa aktivitas VEGF sangat penting

untuk konversi dari kalus tulang rawan lunak untuk tulang kalus keras dan

mineralisasi sebagai respon cedera tulang. Berdasarkan percobaan pada kelinci,

menunjukkan bahwa gen VEGF yang diaktifkan matriks, menyebabkan

peningkatan yang signifikan dalam vaskularisasi dan regenerasi tulang pada defek

segmental yang luas pada tulang (Geiger et al., 2007). Dengan demikian, matriks

gen VEGF yang diaktifkan dapat berfungsi sebagai media yang tepat untuk

mempromosikan angiogenesis, osteogenesis dan penyembuhan tulang. Peningkatan

penyembuhan defek segmental pada tulang panjang kelinci menggunakan transfer

gen VEGF berbasis sel tanpa vektor virus (Li et al., 2009).

Interaksi antara faktor angiogenik dan osteogenik dalam pembentukan

tulang dan penyembuhan tulang. Penelitian menunjukan bahwa kombinasi dari

VEGF dan BMP-4 mampu merekrut MSC lebih bayak untuk meningkatkan

kelangsungan hidup sel dan menginduksi pembentukan tulang rawan pada tahap

awal pembentukan tulang endokondral. Selanjutnya, efek pada VEGF pada

penyembuhan tulang tergantung pada rasio VEGF terhadap BMP-4 (Yang et al.,

2012).

2.5.5 Pengaruh VEGF pada osifikasi intramembran

Osifikasi intramembran adalah proses dimana pembentukan jaringan tulang

terjadi secara langsung dari jaringan ikat tanpa melalui tahap tulang rawan. Sebuah

Page 49: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

57

contoh pada fossa glenoid yang terbentuk ketika sel-sel mesenkimal langsung

berdiferensiasi menjadi osteoblas sebelum akhirnya membentuk tulang. VEGF

meningkatkan neovaskularisasi, yang akan meningkatkan jumlah sel-sel

mesenkimal dalam jaringan ikat perivaskular. VEGF juga merangsang sel-sel

endotel vaskular untuk mengeluarkan faktor pertumbuhan dan sitokin yang

mempengaruhi diferensiasi sel mesenkimal untuk memasuki jalur osteogenik dan

terlibat dalam osteogenesis (Yang et al., 2012).

Penyembuhan tulang adalah suatu proses tahapan yang melibatkan migrasi,

proliferasi, diferensiasi dan aktivasi jenis beberapa sel. Penambahan VEGF pada

demineralized bone matrix intramembranous (DBMIM) terbukti meningkatkan

kualitas dan kuantitas tulang yang baru dibentuk pada daerah graft (Yang et al.,

2012). Penelitian menunjukkan bahwa angiogenesis yang diinduksi VEGF, tidak

hanya berperan dalam pembentukan tulang di lokasi cedera lempeng pertumbuhan

tetapi juga di osifikasi endokhondral dan konversi tulang rawan hipertrofik ke

tulang trabekular (Chung et al., 2014).

2.6 Bone Morphogenetic Protein-2

Penyembuhan dan regenerasi tulang menggunakan BMP pertama kali

dikemukakan pada tahun 1965. Marshall Urist menemukan bahwa implantasi

Demineralized Bone Matrix (DBM) pada kelinci menginduksi pembentukan tulang

baru, yang kemudian dinamakan BMP. Sejak saat itu kemampuan BMP untuk

menstimulasi penyembuhan tulang pada fraktur menjadi lini depan dalam

orthopedi. Osteogenetic Protein-1 (OP-1), yang juga dikenal sebagai BMP-7 dan

Page 50: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

58

BMP-2 telah disetujui oleh FDA sebagai BMP rekombinan yang dapat

dikombinasikan dengan DBM secara klinis untuk pembentukan tulang. Penelitian

terbaru dengan percobaan klinis menunjukkan hasil menjanjikan pada pengobatan

fraktur non union dan meningkatkan fusi tulang belakang. Bone Morphogenetic

Protein diketahui dapat mengikat reseptor sel pada permukaan mesenkimal, yang

kemudian mengirim sinyal melalui protein spesifik yang akan mengaktifkan,

menginduksi sel mesenkim untuk berdiferensiasi menjadi osteoblas atau kondrosit

(L. Dorman et al., 2011).

Bone morphogenetic Protein (BMP) merupakan family growth factor yang

berhubungan dengan TGF-β yang menggunakan sinyal menyerupai transduksi

melibatkan reseptor transmembran serine treonine kinase dan protein Smad.

Mereka terlibat dalam regulasi angiogenesis fisiologis pada masa perkembangan

embrio dan pembentukan tulang. Sel endotel dan sel otot halus vaskuler

mengekspresikan BMP, termasuk BMP-2 (Raida et al., 2005). Lebih dari 20

anggota family BMP telah diidentifikasi sejauh ini. Dari semua BMP yang telah

diidentifikasi, BMP-2, BMP-4, BMP-7 masing-masing dapat menginduksi formasi

tulang secara de novo dan pada daerah ektopik secara in vivo. Pada penelitian

tertentu, BMP-2 merupakan anggota family BMP yang paling poten dalam proses

osteoinduksi (Razzouk & Sarkis, 2011).

Page 51: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

59

Gambar 2.6

Aktivitas osteogenik BMP (Razzouk & Sarkis, 2011).

BMP merupakan sitokin multifungsi yang mempengaruhi diferensiasi

berbagai tipe sel. Hampir semua efek BMP 2 tergantung pada waktu dan

konsentrasi (Steinert et al., 2008). BMP 2 memiliki sifat kemotaktik terhadap

monosit manusia dan menstimulasi ekspresi sitokin angiogenesis TGF-β1. Monosit

dalam sirkulasi meninggalkan aliran darah dan memasuki jaringan, dimana akan

terjadi diferensiasi menjadi makrofag, yang dapat mensekresikan sitokin yang

mempromosikan respon angiogenik (Raida et al., 2005).

Bone morphogenetic Protein (BMP) penting dalam pembaharuan tulang

dan penyembuhan fraktur. Analisis menunjukan bahwa BMP 2 meningkat

maksimal pada 24 jam pertama masa penyembuhan. Ekspresi BMP 2 yang kurang

pada tikus menunjukan bahwa hewan ini memiliki kemampuan yang kurang baik

dalam penyembuhan tulang (Razzouk & Sarkis, 2011). BMP 2 memperluas potensi

aktivitas dalam menginduksi pembentukan tulang rawan dan tulang secara in vivo

dan in vitro melalui reseptor spesifik tipe I dan tipe II. BMP 2 memegang peran

vital dalam proliferasi, apoptosis, dan diferensiasi sel tulang (Wang et al., 2011).

Page 52: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

60

2.6.1 Bone morphogenetic protein dan penyembuhan tulang

Bone morphogenetic Protein (BMP) memiliki peran penting dalam

pembentukan tulang dan tulang rawan, penyembuhan patah tulang dan perbaikan

jaringan muskuloskeletal lainnya. BMP adalah protein yang disekresikan oleh sel-

sel, yang berfungsi sebagai sinyal agen yang mempengaruhi pembelahan sel,

sintesis matriks dan diferensiasi jaringan (Garrison et al., 2010).

Bone morphogenetic Protein (BMP) menginduksi tulang melalui dua jalur.

BMP dikumpulkan dari protein sekitar otot, sumsum tulang atau pembuluh darah

dan berdiferensiasi menjadi osteoblas untuk membuat tulang secara langsung atau

melalui sel tulang rawan yang kemudian berubah menjadi sel-sel tulang. BMP juga

membantu dalam produksi matriks tulang dan vaskularisasi. BMP pada fraktur

nonunion bermanfaat untuk merangsang penyembuhan, sedangkan pada fraktur

akut, BMP digunakan untuk mempercepat penyembuhan patah tulang. Di ruang

operasi BMP 2 dicampur dan ditambahkan ke pembawa kolagen spons, dan BMP-

7 dengan carier kolagen. Penggunaan BMP juga memiliki potensi untuk

meningkatkan kualitas kesehatan yang berhubungan dengan hidup pasien dengan

menghindari nyeri pada lokasi donor bone graft (Garrison et al., 2010).

Pengobatan BMP-2 bisa lebih efisien untuk stimulasi penyembuhan. Telah

terbukti dalam berbagai model hewan dimana kaskade sinyal BMP-2 dimulai saat

awal fase awal penyembuhan tulang, memicu respon inflamasi dan aktivasi

periosteal. Namun, BMP-2 juga penting selama fase kondrogenesis dan

osteogenesis (Faßbender et al., 2014).

Page 53: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

61

2.6.2 Bone morphogenetic protein dan allograft

Allografts tidak seefektif autografts dan penularan penyakit dari donor

masih menjadi perhatian. Untuk alasan ini, banyak penelitian saat ini telah

difokuskan pada pengembangan scaffold yang dapat digunakan sebagai pengganti

bone graft. Scaffold ini dirancang untuk memberikan matriks osteoblas yang dapat

melekat dan berproliferasi. Idealnya, scaffold akan memberikan kekuatan mekanik

dan kemudian merangsang pembentukan tulang baru (Reves et al., 2011). Idealnya,

scaffold digunakan untuk regenerasi tulang yang membutuhkan kekuatan mekanik.

Pori-pori scaffold harus tetap terbuka untuk memungkinkan ingrowth jaringan ke

dalam interior scaffold dan menjaga baik pertukaran nutrisi maupun limbah.

Hidroksiapatit adalah komponen anorganik utama tulang dan telah digunakan

dalam pelapis untuk meningkatkan respon osteoblas untuk implan (Reves et al.,

2011).

Untuk lebih meningkatkan sifat regeneratif bone graft, scaffold juga dapat

berfungsi sebagai carier faktor pertumbuhan lokal. Bone Morphogenetic Protein-2

merekrut sel ke lokasi fraktur, mempromosikan angiogenesis, dan menyebabkan

diferensiasi sel menjadi osteoblas. Peningkatan kadar BMP-2 dapat dilakukan

dengan menggunakan scaffold. Penelitian juga menunjukkan bahwa BMP-2

loading dapat dicapai dengan menggunakan liofilisasi (freeze-drying) untuk

meningkatkan luas permukaan scaffold (Reves et al., 2011).

Bone morphogenetic Protein (BMP) seperti BMP-2, BMP-4 dan BMP-7

bersifat osteoinduktif. BMP-2 telah terbukti menjadi gen yang sangat penting yang

terlibat dalam osteoporosis dan metabolisme tulang. Saat ini, BMP-2 dianggap

Page 54: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

62

sebagai salah satu terapi yang paling menjanjikan untuk patah tulang dan

pengobatan defek tulang. Pemberian BMP 2 memicu tidak hanya penyembuhan

tulang tetapi juga beberapa efek yang tidak diinginkan termasuk peradangan pada

jaringan lunak, resorpsi tulang atau pembentukan tulang yang berlebihan dan tulang

tumbuh pada lokasi yang tidak diinginkan (osifikasi heterotopik) (Kisiel, 2013).

2.7 Osteocalcin

2.7.1 Karakteristik struktural osteocalcin

Osteocalcin, merupakan protein matriks non-kolagen yang banyak terdapat pada

tulang setelah osteopontin. Protein ini dikenal sebagai gama-carboxyglutamic acid

(Gla) protein (BPG) yang banyak diproduksi secara spesifik oleh osteoblas. Protein

matriks ini tersusun atas 46 sampai 50 asam amino yang bersifat spesifik spesies.

Khususnya pada vertebrata, terdapat 3 residu asam amino glutamat yang tersusun

secara berurutan pada bagian tengah sekuens. Residu glutamat ini kemudian

mengalami modifikasi post-translasional dalam sekresi osteocalsin menghasilkan

gamma-carboxyglutamic acid protein (BPG) (Patti et al., 2013).

Gambar 2.7

Struktur kimia osteocalsin (Patti et al., 2013).

Page 55: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

63

Modifikasi post-translasi ini melibatkan proteolisis dan karboksilasi tiga

residu asam amino glutamat. Struktur yang banyak tersusun oleh gama-

carboxyglutamic acid memudahkan osteocalsin sebagai protein adhesi yang

berikatan dengan ion kalsium dan mempermudah proses absoprsi hidroksiapatit di

tulang (Patti et al., 2013).

2.7.2 Regulasi sekresi osteocalcin

Vitamin D menstimulasi secara langsung transkripsi mRNA osteocalcin,

sementara vitamin K diketahui berfungsi sebagai regulator modifikasi post-

translasional yakni karboksilasi tiga residu glutamat. Selain dua faktor induksi

utama tersebut, produksi osteocalsin juga turut diregulasi oleh beberapa sitokin,

hormon, dan growth factor seperti VEGF, OFG, dan IGF yang berinteraksi pada

promoter osteocalsin (BGLAP). Gen ini secara normal tidak aktif ketika proliferasi

osteoblas dan diekspresikan secara melimpah pada tahap akhir diferensiasi

osteoblas (Patti et al., 2013).

Aktivasi transkripsi gen BGLAP pada osteoblas maupun odontoblas

dimulai dengan inisisiasi oleh vitamin D. Peptida preproosteocalsin mengalami

proteolisis yang memecah preproosteocalsin menjadi peptida (23 asam amino) dan

proosteocalsin peptida (75 asam amino). Modifikasi pasca translasional selanjutnya

melibatkan peranan vitamin K sebagai induser. Proses karboksilasi residu glutamat

berperan sangat penting dalam fungsi adhesinya terhadap ion Ca2+ dan mineral

hidroksiapatit. Sebaliknya, osteocalsin non-karboksilasi memiliki afinitas yang

Page 56: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

64

rendah terhadap mineral hidroksiapatit sehingga dapat disekresikan langsung ke

dalam aliran darah (Patti et al., 2013).

Kedua bentuk osteocalcin, terkarboksilasi maupun non-karboksilasi dapat

dideteksi dalam aliran darah, namun hanya osteocalsin terkarboksilasi yang

disekresikan pada matriks tulang. Regulasi sekresi dan perbandingan antara

osteocalsin terkarboksilasi dan non-karboksilasi ditentukan oleh asupan vitamin K

yang didapat tubuh. Semakin tinggi asupan vitamin K, maka semakin banyak

osteocalsin yang disekresikan sebagai matriks tulang. Hal ini turut mempengaruhi

kompatisitas trabekula tulang (Patti et al., 2013).

Gambar 2.8

Sekresi dan post-translasional modifikasi osteocalcin (Patti et al., 2013).

2.7.3 Peranan osteocalcin dalam remodeling tulang

Walaupun fungsi utama osteocalcin belum diketahui secara pasti, namun

penelitian terbaru menunjukkan bahwa osteocalcin berperan serta dalam

Page 57: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

65

mineralisasi tulang, berfungsi sebagai kemoatraktan dari monosit, sel mesenkimal,

dan sel resopsi seperti osteoklas. Penelitian menunjukkan adanya fungsi endokrin

dari osteocalcin dan peranannya dalam tumerogenesis. Sebagian besar fungsi

osteocalcin mirip dengan fungsi osteopontin, namun demikian, osteocalcin lebih

banyak ditemukan pada tulang dengan aktivitas mineralisasi/ kalsifikasi tinggi.

Sementara osteopontin memiliki konsentrasi tertinggi pada tulang yang aktif

mengalami remodeling (Patti et al., 2013).

Serum konsentrasi osteocalsin berhubungan dengan histomorphometri

indices dari tulang yang baru terbentuk. Pada kasus tertentu, sel yang positif

mengekspresikan osteocalsin berlokasi didekat jaringan yang berbatasaan dengan

zona osteogenik. Intensitas ekspresi osteocalsin relatif lebih bervariasi

dibandingkan dengan osteopontin, namun demikian tidak terdapat perbedaan

bermakna antara ekspresi osteocalsin pada wanita dan laki – laki (Patti et al., 2013).

Deposisi osteocalsin ditemukan spesifik sebagai marker bebas pada

osteoblastik osteosarkoma dan kondoblastik osteosarkoma, namun tidak pada

benign chondroma dan benign giant cell tumor. Hal ini menunjukan bahwa deposit

osteocalsin terjadi pada fase akhir dari mineralisasi dan meningkat signifikan pada

sel – sel tulang dengan malignansi, khususnya pada osteoblas dan kondrosit.

Ditemukannya perbedaan signifikan osteocalsin pada benign tumor dan malignan

tumor menunjukkan fungsi potensial osteocalsin sebagai marker diagnostik pada

tumor tulang yang kaya akan giant cell serta untuk membedakan chondroblastic

osteosarcoma dengan benign chondroma (Patti et al., 2013).

Page 58: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

66

2.7 Biologi Molekuler Proses Osteogenesis

Proses resorpsi tulang atau pembentukan tulang diatur oleh sistem yang

melibatkan faktor-faktor pertumbuhan dan sitokin. Salah satu faktor biologis

penting yang bertanggung adalah PDGF yang merupakan mitogen poten dari sel

mesenkim. Ikatan PDGF dengan reseptornya (PDGFR) menyebabkan proses

fosforilasi yang diikuti dengan perekrutan protein adaptor Grb2 dan faktor

pertukaran nukleotida Son of Sevenless (SOS) yang dapat mengaktivasi

downstream pathways yaitu mitogen-activated protein kinase (MAPK) Erk. Erk

yang terfosforilasi kemudian masuk ke dalam nukleus dan mengaktivasi gen

transkripsi proliferasi sel c-myc (Rodrigues et al., 2010).

Gambar 2.9

Growth Factor Signaling Pathways yang memediasi proliferasi sel – sel stromal

multipotensial (Rodrigues et al., 2010).

Page 59: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

67

Faktor transkripsi yang berperan dalam proses osteogenesis adalah Runt-

related transcription factor 2 (Runx-2), ATF 4 melalui jalur signal BMP, Wnt/

catenin, Hedgehog. Signal Wnt, BMP dan protein Hedgehog mempunyai peran

sangat penting dalam terbentuknya Runx-2 yang selanjutnya menstimulasi

terjadinya bone formation (Yaccoby, 2010).

Gambar 2.10

Target molekuler potensial pada prekursor sel osteogenik dan osteoklas yang

diinduksi oleh inhibisi proteosome (Yaccoby, 2010).

Runt-related transcription factor 2 (Runx-2) selanjutnya berperan dalam

diferensiasi sel mesenkim untuk menjadi sel osteoblas, osteosit, kondroblas, dan

kondrosit. Pada proses diferensiasi osteoblas, Runx-2 bersama dengan osterix

(OSX) memediasi kondensasi sel mesenkim menjadi preosteoblas dan osteoblast

imatur. Sedangkan pada proses diferensiasi kondosit, Runx-2 berperan dalam

maturasi sel kondroblas imatur (Bruderer et al., 2014).

Page 60: BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Anatomi Dan Histologi Dari Tulang...dengan jenis tulangnya, seperti pada tulang vertebrae perbandingan rasio tulang kortikal dan tulang trabekular adalah

68

Gambar 2.11

Regulasi diferensiasi osteoblas dan kondrosit oleh Runx-2 (Bruderer et al., 2014).