2016 MEKANISME MOLEKULER DAN SELULAR PADA KEADAAN RESISTENSI INSULIN Diabetes tipe 2 merupakan penyakit yang paling sering menyerang jutaan penduduk di dunia. Meskipun banyak penelitian mengenai hal ini, namun masih belum diketahui secara pasti proses metabolik mana yang paling berperan dalam mengatur konsentrasi glukosa darah dalam mengimbangi perubahan konsentrasi insulin. Meskipun patogenesis diabetes tipe 2 belum sepenuhnya dipahami, peralihan dari toleransi glukosa normal sampai terjadinya diabetes tipe 2, ditandai oleh adanya resistensi insulin, disregulasi produksi glukosa hati, toleransi glukosa terganggu (TGT) dan penurunan fungsi sel pankreas. Untuk mengamati sindroma diabetes tipe 2 secara lengkap harus ada 2 kelainan sekaligus, yaitu resistensi insulin dan gangguan fungsi sel . Bila sel tidak lagi dapat menghasilkan sekresi insulin yang cukup tinggi untuk mengimbangi resistensi insulin akan muncul hiperglikemia saat puasa dan diabetes. Diabetes merupakan suatu penyakit yang progresif. Bila tidak diobati dapat terjadi komplikasi mikro dan makro vaskuler. Naskah ini akan membahas aspek yang utama mengenai insulin resistensi pada diabetes tipe 2.
Raymond R. Tjandrawinata Molecular Pharmacologist, Dexa Laboratoies of Biomolecular Sciences (DLBS) Dexa Medica Group, Jakarta
1
MEKANISME MOLEKULER DAN SELULAR PADA KEADAAN RESISTENSI INSULIN
Raymond R. Tjandrawinata Molecular Pharmacologist, Dexa Laboratoies of Biomolecular Sciences (DLS) Dexa Medica Group, Jakarta
Pendahuluan Diabetes tipe 2 merupakan penyakit yang paling sering menyerang jutaan penduduk di dunia. Meskipun banyak penelitian mengenai hal ini, namun masih belum diketahui secara pasti proses metabolik mana yang paling berperan dalam mengatur konsentrasi glukosa darah dalam mengimbangi perubahan konsentrasi insulin. Meskipun patogenesis diabetes tipe 2 belum sepenuhnya dipahami, peralihan dari toleransi glukosa normal sampai terjadinya diabetes tipe 2, ditandai oleh adanya resistensi insulin, disregulasi produksi glukosa hati, toleransi glukosa terganggu (TGT) dan penurunan fungsi sel pankreas. Untuk mengamati sindroma diabetes tipe 2 secara lengkap harus ada 2 kelainan sekaligus, yaitu resistensi insulin dan gangguan fungsi sel . Bila sel tidak lagi dapat menghasilkan sekresi insulin yang cukup tinggi untuk mengimbangi resistensi insulin akan muncul hiperglikemia saat puasa dan diabetes. Diabetes merupakan suatu penyakit yang progresif. Bila tidak diobati dapat terjadi komplikasi mikro dan makro vaskuler. Naskah ini akan membahas aspek yang utama mengenai insulin resistensi pada diabetes tipe 2.
Resistensi Insulin Diabetes tipe 2 merupakan penyakit yang heterogen, di mana banyak faktor yang berpengaruh. Penyakit ini ditandai dengaan adanya gangguan metabolik yaitu gangguan fungsi sel dan resistensi insulin di jaringan perifer seperti jaringan otot dan jaringan lemak, dan juga resistensi insulin di hati.1 Hal ini mengakibatkan terjadinya hiperglikemia kronik dan dalam jangka panjangnya, dapat terjadi komplikasi yang serius. Secara keseluruhan gangguan ini bersifat merusak terhadap diri sendiri dan memburuk secara progresif dengan berjalannya waktu. Resistensi insulin dianggap sebagai salah satu mekanisme yang mendasari terjadinya diabetes tipe 2. Resistensi insulin secara dramatis mengganggu ambilan glukosa di jaringan perifer dan mengakibatkan produksi glukosa yang berlebihan oleh hati. Hal ini berpengaruh pada terjadinya hiperglikemia pada penderita diabetes tipe 2. Keadaan awal dari diabetes tipe 2 yaitu terjadinya resistensi insulin dan hiperinsulinemia, tetapi tidak terjadi hiperglikemia. Namun dengan berjalannya waktu, mekanisme kompensasi ini tidak lagi dapat menahan progresifitas penyakit ini, sehingga terjadi diabetes tipe 2. Dipandang dari sudut metabolisme karbohidrat secara in vivo, otot merupakan tempat penyimpanan glukosa yang utama, dimana pemasukannya ke dalam sel otot dirangsang oleh insulin; sisa glukosa yang lainnya diangkut ke jaringan adiposa.2,3 Resistensi terhadap efek stimulasi insulin
2
bagi penggunaan glukosa merupakan ciri patogenik yang utama pada obesitas, sindroma X (disebut juga dengan sindroma Resistensi Insulin dan memiliki karakteristik: resistensi insulin, dislipidemia, hipertensi, dan peningkatan risiko penyakit kardiovaskular), dan hampir semua bentuk diabetes tipe 2. Glucose Transporter 4 (GLUT4) adalah pengangkut utama glukosa yang responsif terhadap insulin dan terletak terutama pada sel otot dan adiposit. 1 Pada sel otot dan adiposit yang normal, GLUT4 mengalami daur ulang di antara membran plasma dan pool penyimpanan intraselular.2,3 Pada keadaan terdapat insulin, ekuilibrium proses daur ulang ini diubah untuk memudahkan terjadinya translokasi reseptor dari vesikel penyimpanan intraselular ke membran plasma. Efek netto-nya adalah terjadinya peningkatan kecepatan maksimal pengangkutan glukosa ke dalam sel. 4,5 Pergerakan intraselular GLUT4 yang dirangsang oleh insulin diinisiasi dengan terikatnya insulin pada bagian ekstraselular dari reseptor insulin transmembran. Ikatan ini memicu serangkaian reaksi fosforilasi yang kritis untuk kerja insulin.6 Otofosforilasi residu tirosin yang dirangsang oleh insulin dalam domain sitoplasmik reseptor insulin memperkuat tirosin kinase, yang kemudian memfosforilasi protein intraselular multipel, termasuk substrat reseptor insulin-1 (insulin receptor substrate-1=IRS1).6,7 Fosforilasi IRS-1 menghasilkan sinyal sekunder yang kemudian berpasangan dengan jaras reseptor insulin menuju transpor glukosa transmembran. Selain itu, aktivasi Phosphoinositol-3 kinase (PI-3K) berikutnya diperlukan untuk perangsangan transpor glukosa oleh insulin, dan aktivasi ini juga sudah cukup untuk menginduksi translokasi GLUT4 ke membran plasma. 3,6 Insulin, selain menimbulkan efek menguntungkan yang diperantarai oleh insulin, sekaligus juga menimbulkan sejumlah efek yang merugikan. Insulin juga dapat meningkatkan kerja sel otot polos vaskular (vascular smooth muscle cells=VSMCs) yang berkontribusi terhadap terjadinya aterosklerosis dan 3,6 restenosis. VSMCs dapat bermigrasi dari tunika media ke tunika intima arteri. Sinyal yang digunakan oleh insulin adalah sebagai berikut: insulin terikat pada reseptor, mengaktifkan RAS, RAF, Mitogen-activated protein kinase (MAPK), dan akhirnya, merangsang pertumbuhan dan migrasi VSMC.3 Insulin juga merangsang produksi plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), yang menghambat fibrinolisis.3 Usaha kolektif dari pemberian sinyal ini adalah pertumbuhan dan migrasi VSMC, yang cenderung menyebabkan aterosklerosis dan restenosis.8,9 Karena pada subyek yang mengalami resistensi insulin terdapat hambatan pada jaras pertama pemberian sinyal insulin, maka penurunan kecepatan masuknya glukosa dari aliran darah ke dalam sel terjadi pada subyek ini. 3,6 Fenomena yang sama juga terjadi pada subyek yang kurus dengan toleransi glukosa terganggu, demikian juga pada subyek nonobes dan obes.3 Beberapa mekanisme telah diketahui dan diperkirakan dapat menyebabkan terjadinya resistensi secara molekuler maupun seluler. Sebelum membahas hal ini lebih jauh, ada baiknya kita melihat beberapa tahapan yang dapat terlibat pada metabolisme glukosa. Pengaturan metabolisme glukosa itu diperkirakan terdapat pada enzim Glikogen Sintase, Hexokinase II, atau GLUT4.5 Beberapa eksperimen telah dilakukan diberbagai pusat penelitian secara in vivo pada pasien penyandang diabetes tipe 2 dengan menggunakan kondisi hiperglikemi dan hiperinsulinemia pada pasien2, serta menganalisa kadar glukosa dengan menggunakan teknik Nuclear Magnetic Resonance (NMR).5 Glukosa intraseluler adalah metabolit intermediate antara transpor glukosa dan fosforilasi glukosa, dan konsentrasinya merefleksikan aktivitas dari transpor glukosa dan enzim hexokinase II. 5 Hasil dari percobaan-percobaan ini menggambarkan keadaan dimana konsentrasi glukosa intraseluler adalah sangat kecil pada subyek diabetes dibanding dengan konsentrasi yang diperkirakan apabila enzim pengontrol kecepatan reaksi untuk glikogen sintase adalah hexokinase II. Ketika kecepatan sintesa glikogen ditinggikan dengan cara menginfusi lebih banyak insulin pada subyek, perubahan konsentrasi glukosa intraseluler maupun glukosa-6-fosfat sangat berkorelasi dengan peningkatan
3
transpor glukosa.5 Hal ini menyimpulkan bahwa kontrol dari sintesa glikogen ada pada kontrol transpor glukosa, dan bukan pada kecepatan fosforilasi glukosa. 3,4,5 Dapat ditambahkan bahwa regulasi respons sel otot terhadap insulin ada pada tingkat transpor glukosa melalui GLUT4. 4 Berhubungan dengan hal ini adalah proposal dari beberapa peneliti bahwa resistensi insulin dapat dihasilkan oleh asam lemak bebas (FFA = free fatty acid).1,3,6 Randle dan kawan-kawan berpendapat bahwa terjadinya resistensi insulin pada sel otot rangka adalah karena peningkatan FFA yang dapat meningkatan rasio NADH/NAD dan juga meningginya kadar asam sitrat. 10 Asam sitrat ini dapat menekan aktivitas enzim Phosphofruktokinase (PFK) sehingga konsentrasi G-6-P juga meningkat yang dapat menghambat aktivitas enzim hexokinase II. Penghambatan aktivitas enzim hexokinase II ini dapat mengakibatkan tingginya kadar glukosa intraseluler dan penurunan transpor glukosa. Jadi, pada dasarnya Randle berpendapat bahwa kontrol metabolisme glukosa karena peningkatan FFA ada pada enzim PFK, dan bukan pada kontrol transpor glukosa seperti yang dibahas sebelumnya.10 Sampai sekarang, masih diperdebatkan teori mana yang benar. Namun, berbagai macam ekperimen yang dilakukan baru-baru ini menunjukkan bahwa kontrol dari resistensi insulin yang diinduksi oleh FFA adalah pada transpor glukosa.2,3,6 Penuruan aktivitas transpor glukosa dapat terjadi karena efek langsung FFA pada GLUT4 atau karena perubahan pada permulaan transduksi sinyal insulin, yang mengakibatkan turunnya jumlah transporter glukosa yang ditranslokasikan ke membran plasma.1,6,11 Ternyata hasil beberapa eksperimen menunjukkan bahwa FFA dapat menyebabkan tingginya kadar diacylglycerol (DAG), fatty 3,11 acyl CoA, dan ceramide. Metabolit-metabolit ini dapat mengaktivasi kaskade serine/threonine kinase lewat protein kinase C tipe theta dan menyebabkan fosforilasi IRS-1 dan IRS-2 pada residuresidu asam amino serine dan threonine.3 Fosforilasi residu-residu ini menyebabkan IRS-1 dan IRS-2 tidak bisa mengaktivasi enzim PI 3-kinase, dan akhirnya transpor glukosa dan reaksi-reaksi lainnya terhambat singgga menyebabkan tingginya glukosa darah.3,11 Peroxisome proliferator activated receptor- (PPAR) merupakan anggota superfamili reseptor nuklear dari faktor transkripsi yang diaktivasi oleh ligan.12,13 Ekspresi PPAR sangat banyak pada jaringan adiposa, dimana PPAR ini meningkatkan diferensiasi adiposit dan mengatur ekspresi gen yang terlibat dalam metabolisme asam lemak.12,13 Berbagai asam lemak dan eikosanoid tampaknya merupakan ligan yang fisiologis untuk PPAR. Studi yang dilakukan akhir-akhir ini juga telah mengidentifikasi PPAR dalam berbagai jaringan nonadiposa: otot rangka, jantung, tubuli proksimal ginjal, kolon, sel stroma sumsum tulang, neutrofil, makrofag dan kanker payudara, yang mengimplikasikan adanya fungsi baru reseptor ini yang berbeda dari aktivitas metabolik yang telah dikenal selama ini.12,13,14 Sehubungan dengan hal ini, PPAR telah diimplikasikan sebagai regulator utama (master regulator) metabolisme lipid dan adipogenesis; over-ekspresi ektopik PPAR dalam fibroblas mengarahkan kembali sel-sel ini ke dalam program adipogenik.12 Seperti reseptor inti lainnya, PPAR mengandung sebuah domain yang mengikat ligan (ligand binding domain) dan domain yang mengikat DNA di sentral, dimana domain ini kemudian berinteraksi dengan elemen respon PPAR dalam promoter dari gen sasaran.12 Aktivator spesifik yang telah diidentifikasi, sejauh ini meliputi baik metabolit prostaglandin D yang terjadi secara alamiah, seperti 15-deoksi-D12,14prostaglandin J2 (15 d-PGJ2) 17-19, maupun beberapa agen antidiabetik sintetik yang termasuk dalam kelas thiazolidinedione.13 Keluarga PPAR sebenarnya meliputi tiga subtipe, alfa, gama dan delta. Namun demikian, sampai saat ini, hanya subset gama yang diketahui memiliki implikasi
4
terhadap metabolisme glukosa.12,13 Fungsi biologik PPAR yang normal tampaknya adalah merupakan peran regulatorik pada ekspresi gen yang terlibat dalam metabolisme karbohidrat dan lipid, dan juga pada diferensiasi adiposit.12,14,15 Berbagai macam eksperimen telah dilakukan pada PPAR dengan bantuan ligan-ligan sintetiknya, termasuk obat antidiabetik golongan thiazolidinedione (TZD). Ternyata ligan-ligan PPAR dapat meningkatkan tidak hanya kecepatan sintesa GLUT4 namun juga mengtranslokasikan GLUT4 ke membran plasma sel.16 Tambahan lagi ligan PPAR juga dapat menurunkan tingginya FFA dan resistensi insulin yang diinduksi oleh Tumor Necrosis Factor- (TNF- ).12,17 Dengan adanya liganligan PPAR sintetik seperti TZD, pengertian mengenai patofisiologi resistensi insulin dapat terjadi lebih menyeluruh. Penggunaan ligan-ligan PPAR ini pada eksperimen-ekprerimen ilmiah, ditambah lain dengan pengalaman secara klinis, akan menyebabkan riset di bidang resistensi insulin terjadi lebih cepat. Dengan demikian para ilmuwan akan lebih mudah mengetahui disfungsi sinyal insulin ditempat lain dari pada yang telah diketahui, sekaligus memungkinkan sintesa lebih banyak liganligan PPAR. Hal ini memungkinkan problem resistensi insulin diatasi lebih mudah dengan obat yang efek sampingnya rendah, dan lebih dini sebelum seorang pasien didiagnosa sebagai penyandang diabetes tipe 2.
Kesimpulan Data-data mengenai patogenesis tipe 2 menunjukkan adanya suatu interaksi antara 2 persoalan yaitu: defisiensi insulin dan resistensi insulin. Salah satu dari persoalan ini bisa menjadi problema yang utama dan cukup salah satu juga dapat menyebabkan terjadinya hiperglikemia. Selama pankreas masih mempertahankan sekresi insulin yang tinggi dan memadai untuk mengurangi resistensi insulin, toleransi glukosa akan tetap normal. Bila sel mulai gagal berfungsi, toleransi glukosa akan menurun dan diabetes akan terjadi. Karena itu, perkembangan diabetes tipe 2 berdasar pada terjadinya persoalan fundamental yaitu resistensi insulin.
Daftar Pustaka 1. DeFronzo, R.A. From the Triumvirate to the Ominous Octet: A New Paradigm for the Treatment of Type 2 Diabetes Mellitus. Diabetes 2009 ; 58(4):773–795 2. Sheperd, P.R. and Kahn, B.B. Glucose Transporters and Insulin Action. New Eng J Med 199; 341:248-257. 3. Le Roith, D. and Zick, Y. Recent Advances in Our Understanding of Insulin Action and Insulin Resistance. Diabetes Care 2001;24: 588-597. 4. Cline, G. Glucose Transport is Rate Controlling for Insulin Stimulated Muscle Glycogen Synthesis in Type 2 Diabetes. New Eng J Med 1999;341: 240-246. 5. Kruszynska, Y.T., Mulford, M.I., Baloga, J., Yu, J.G., Olefsky, J.M. Regulation of Skeletal Muscle Hexokinase II in Insulin-resistant Diabetes. Diabetes 1998;44: 43-48. 6. Hirabara,S.M., Gorjão, R., Vinolo, M.A., Rodrigues, A.C., Nachbar, R.T. and Curi. R. Molecular Targets Related to Inflammation and Insulin Resistance and Potential Interventions. Journal
5
of Biomedicine and Biotechnology. Volume 2012 (2012), Article ID 379024, http://dx.doi.org/10.1155/2012/379024. 7. Solow, B.T., Harada, S., Goldstein, B.J., Smith, J.A., White, M.F., Jarett, L. Differential Modulation of the Tyrosine Phosphorylation State the Insulin Receptor by IRS (Insulin Receptor Subunit) Proteins. Mol Endocrinol 1999;13: 1784–1798. 8. Lusis, A.J. Atherosclerosis. Nature 2000;407:233-241. 9. Ross, R. Atherosclerosis - An Inflammatory Disease. N Eng J Med 1999;340:115-126. 10. Randle, P.J., Garland, P.B., Newshole, E.A., Hales, C.N. The Glucose Fatty-acid Cycle in Obesity and Maturity Onset Diabetes Mellitus. Ann NY Acad Sci 1965;131: 324-333. 11. Dresner A. Effects of Free Fatty Acids on Glucose Transport and IRS-1–Associated Phosphatidylinositol 3-kinase Activity. J Clin Invest 1999;103:253–259. 12. Kersten, S., Desvergne, B., Wahli, W. Roles of PPARs in Health and Disease. Nature 2000; 405:421-424. 13. Bishop-Bailey, D. Peroxisome Proliferator-activated Receptors in the Cardiovascular System. Br J Pharmacol 2000; 129:823-834. 14. Chinetti, G., Fruchart, J-C., Staels, B. Peroxisome Proliferator-activated Receptors (PPARs): Nuclear Receptors at the Crossroads Between Lipid Metabolism and Inflammation. Inflamm Res 2000; 49:497-505. 15. Martin, G., Schoonjans, K., Staels, B. Auxwerx, J. PPAR Activators Improve Glucose Homeostasis by Stimulating Fatty Acid Uptake in Adipocytes. Atherosclerosis 1998;137(Suppl): S75-S80. 16. Olefsky, J. Treatment of Insulin Resistance with Peroxisome Proliferator-activated Receptors Gamma Agonists. J Clin Invest 2000; 106:467-472. 17. Souza, S.C., Yamamoto, M.T., Franciosa, M.D., Lien, P., and Greenberg, A. BRL 49653 Blocks the Lipolytic Actions of Tumor Necrosis Factor-alpha. Diabetes 1998;47: 691-695.
