ORGANOGENESIS PENDAHULUAN Pengertian dan Batasan Istilah Organ adalah bagian tubuh individu yang tersusun atas beberapa jenis sel. Terkemas dalam jaringan, melakukan suatu fungsi tertentu atau beberapa fungsi. Contoh : paru-paru tersusun dari sel alveolus untuk fungsi pernafasan. Testis tersusun dari sel-sel spermatogenik dan sel Leydig sebagai pembentuk spermatozoa dan hormon testosteron. Organ interna di dalam tubuh, dan organ eksterna ada di luar tubuh. Organogenesis adalah proses pembentukan organ dari bakal calon organ, kemudian menjadi calon organ, sampai akhirnya menjadi struktur dasar dan posisi anatomiknya tetap, yakni di dalam atau di luar tubuh. Proses pembentukan organ meliputi migrasi sel, morfogenesis dan histogenesis. Semula organ sebagai organ primer memiliki 2 lapis benih dan berbentuk sebagai kuntum. Sebagai contoh : kuntum anggota badan (limb bud) terdiri dari lapis ektoderm dan mesoderm. Kuntum ini tumbuh dan berkembang, susunannya menjadi semakin kompleks dan akhirnya dapat berfungsi setelah bentuk definitifnya tercapai. Rentang kajian organogenesis dimulai dari PRA ORGAN, organ primer, sampai pembentukan organ pada fetus. Organogenesis pada mencit terjadi pada hari ke 6 – 13 kebuntingan, pada ayam pada hari ke 2 – 10 masa pengeraman dan pada manusia yaitu pada minggu ke 3 – 39 kehamilan.
Organ Mulai Berfungsi Semua calon organ dibentuk pada waktu perkembangan embrio, tetapi mulai berfungsinya bervariasi. Jantung embrio ikan karper mulai berdenyut pada 20 jam setelah fertilisasi. Jantung embrio ayam mulai berdenyut pada jam ke 29 dalam masa pengeraman. Jantung manusia mulai berdenyut pada minggu ke 3 kehamilan. Dalam hal ini jantung meskipun secara struktur belum sempurna, namun sudah mulai berfungsi sejak awal sekali. Organ-organ dan sistem syaraf terbentuk awal, tetapi mulai berfungsi pada waktu yang lebih akhir. Demikian juga dengan sistem reproduksi, mulai berfungsinya bahkan pada waktu yang paling akhir.
5
Organ Sementara Kehidupan embrio atau larva perlu dukungan organ yang sesuai dengan lingkungan hidupnya. Embrio ada yang berkembang di dalam uterus, telur dan air. Embrio hewan Amniota (hewan yang memiliki amnion pada penggal perkembangan awalnya), dilengkapi dengan khorion, amnion sebagai perangkat perlindungan fisik. Saccus vitellinus sebagai organ pencernaan dan allantois sebagai tempat eksresi (kantung kencing embrio). Organ-organ tadi bersifat sementara, fungsinya akan berakhir pada waktu individu anakan lahir atau menetas. Embrio burung memiliki GIGI EMBRIO yang berfungsi untuk memecah cangkang saat akan menetas. Larva katak memiliki insang eksternal sebagai organ respirasi, ekor sebagai organ gerak dan sucker sebagai organ pelekat. Organ-organ tadi akan diresorbsi pada waktu metamorfosis. Ada sisa organ embrio yang tetap berada pada individu dewasa, seperti : appendix, yaitu bekas calon usus belakang (hind gut). Fistula (pusar yang tumbuh) sebagai bekas taki pusat, karena sisa organ itu ada pada munusia.
Kajian Organogenesis Ada pertanyaan mendasar, dari manakah asal-usul organ? Bagaimana proses pembentukannya? Mengapa organ terbentuk tepat waktu, tepat struktur dan tepat fungsi? Apa yang terjadi seandainya ada penyimpangan ? Dalam hal kajian organogenesis, maka basis pengkajiannya didasarkan pada pendekatan deskriptif, eksperimental dan molekular. Asal mula organ dapat ditelusuri pada telur Drosophyla. Di bagian mikrofil yang mengandung gen BICOID akan menjadi bagian kepala, sedang ujung telur yang lain akan menjadi bagian ekor. Pembelahan pada telur Caenorhabditis elegans menunjukkan sel AB akan menjadi kulit dan otot, sedang sel P akan menjadi gonade. Bagian polus vegetativus pada telur katak yang mengandung GERM PLASM akan menjadi gonade. Telur mammalia belum dapat ditelusur bagian yang akan menjadi organ tertentu. Organogenesis dapat dipelajari secara sederhana dengan mengamati seri perkembangan embrio pada stadium yang berurutan (Stadiasi / Staging). Contoh : embrio ikan mengikuti seri perkembangan menurut Openhaimer (Std. 1 – 40), embrio katak menurut Neukoop (Std. 1 – 46), embrio ayam menurut Hamilton-Hamburger (Std. 1 – 46), embrio tikus menurut Theler (Std. 1 – 26) dan sebagainya. Pada
6
dasarnya seri perkembangan itu didasarkan pada hasil pengamatan bentuk dan struktur organ yang timbul pada setiap tahapan yang teridentifikasi. Untuk mengamati struktur calon organ dibuat preparat irisan dengan metode paraffin. Irisan diamati di bawah mikroskop transmisi cahaya secara seri dari awal perkembangan hingga akhir. Rekonstruksi bentuk dan struktur organ dapat dibangun dari irisan tersebut. Organogenesis dapat dipelajari dengan metode percobaan experimental. Contoh: percobaan memberi sekat pada calon jantung katak yang baru berupa sepasang pembuluh darah. Jantung yang terjadi ternyata tidak sempurna, tetapi ada kemiripan dengan struktur normalnya. Pada embrio ayam yang dilakukan pemecahan bersatunya pembuluh darah calon jantung pada umur inkubasi 24 jam pengeraman, yang terjadi adalah cardia bifida (jantung yang terbentuk 2 buah, kanan dan kiri). Pemutaran 180° calon kaki katak, hasilnya polaritas kaki bisa berubah tergantung saat pemutaran. Eksperimen dapat dilakukan pada berbagai jenis embrio. Stadium organogenesis termasuk saat-saat yang labil karena terjadi perubahan sel yang terusmenerus. Organogenesis dikaji secara molekuler, yaitu dengan mengamati ekspresi gen atau sintesis protein baru yang terjadi pada setiap tahap perkembangan.
Untuk
mengamati gen yang aktif (mRNA) dengan metode in situ hibridization, sedangkan untuk protein yang baru terbentuk dengan metode immuno staining. Contoh pada irisan calon sistem syaraf (canalis neuralis dan crista neuralis) tampak bahan fibronectin di sekitar sel crista neuralis yang mengalami migrasi.
POLA DASAR ORGANOGENESIS Asal Mula Pembentukan Organ Inisiasi pembentukan organ tampak pada stadium blastula. Sel embrional belum jelas dapat dibedakan satu dengan lainnya, dan disebut dengan blastoderm. Pada embrio katak, perbedaan ukuran sel menyebabkan terjadinya mikromer, medomer dan makromer. Beda lokasi menyebabkan penyebutan bagian yang berbeda seperti : sentroblast, periblast, epiblast, hypoblast dan sebagainya pada embrio burung. Pada tingkat gastrula awal, bagian-bagian yang disangka akan menjadi organ dapat dibuat peta nasib (fate map). Gastrula katak terdapat 6 daerah calon pembentuk organ : epidermal (kulit), neurooptodermal (syaraf), mesodermal (mesoderm), sentrodermal (entoderm), dan germinal (gonade). Gastrula burung dan mammalia 7
bentuknya mirip, yaitu sebagai dataran. Bagian yang akan membentuk badan embrio disebut dengan embryoblast (discoblast). Pada dataran itu terbentuk stria primitiva sebagai sumbu panjang embrio. Pada tingkat neurula terbentuk lamina neuralis (neural plate) sebagai awal organogenesis. Karena sumbu panjang embrio sudah jelas, maka ada bagian anteriorposteriorbadan embrio. Di bagian anterior timbul lipat kepala, bagian badan dan somit, dan di bagian posterior ada sisa stria primitiva. Pada tingkat neurula, bentuk dan struktur embrio ikan, katak, kadal, burung dan tikus tampak sama. Ini disebut stadium filotipic. Struktur luar terdiri dari bagian kepala dengan mata, bagian leher dengan arches visceralis (5 buah), bagian badan dengan somit (segmen mesoderm), sedangkan calon anggota badan belum muncul. Pada stadium fetus, semula calon organ sudah terbentuk dan bentuk bangun embrio sudah seperti tatanan sesuai spesies masing-masing. Calon organ tumbuh dan berkembang menjadi semakin kompleks, namun belum berfungsi sepenuhnya.
Lapis Benih (Germ Layer) Tiga lapis benih dibedakan menjadi ekto-, meso- dan endoderm. Sel ektoderm berbentuk kubus, sel rapat, penanda molekul adalah keratin atau melanin pada embrio katak. Sel mesoderm berbentuk stellat, polygonal, antar sel-selnya longgar, penanda molekulnya adalah laminin. Sel endoderm berbentuk kubus, sel rapat dan penanda molekulnya adalah gastrin. Adanya molekul penanda berarti sudah terjadi diferensiasi, tetapi belum bersifat akhir. Semua masih bisa berubah secara struktural (trans differentiation). Proses organogenesis sangat dinamis, lapis satu dengan yang lain bisa terjadi interaksi, induksi, separasi, kondensasi dan sebagainya. Lapis ektoderm bisa masuk ke dalam embrio yang jauh dari asal lapisannya. Ke tiga lapis itu akan mengalami diferensiasi dan membentuk organ primer, kemudian berkembang menjadi organ fungsional, baru setelah itu individu muda akan lahir atau menetas.
Jaringan Embrio Jaringan terdiri dari sel dan substansi antar sel. Ada 4 macam jarignan pada embrio, yaitu: epithelium, mesenkhim, endothelium dan neural, serta produk antar sel. Epithelium, misalnya neuroepithelium pada canalis neuralis, mesothelium pada somit dan epithelium pada entoderm/endoderm. 8
Mesenkhim merupakan perkembangan mesoderm somit di semua bagian embrio yang akan menjadi calon tulang, otot, darah dan berbagai calon organ mesodermal lainnya. Sel mesenkhim akan menjadi berbagai sel : endothelium, hipoblast, chondoblast, fibroblast, osteoblast, dan myoblast. Mesenkhim juga menjadi hemositoblast yang menjadi eritrosit, monosit, trombosit, leucosit dan makrofage. Substansi antar sel baru berupa molekul yang dihasilkan oleh sel sebagai Cell Adhession Molecule (CAM). Berbagai jenis CAM yaitu neural cell adhession molecule (NCAM). Cadhrin, substansi yang mengandung ion Ca2+ integrasi sebagai media untuk menyatukan CAM dengan substrat antar sel (MAS). Laminin adalah glikoprotein. Fibronektin yang berupa glikoprotein berfungsi sebagai media untuk migrasi calon sel syaraf. Semua protein antar sel berfungsi untuk proses morfogenesis. Sel embrio tidak pernah berhenti dalam proses perkembangan, selalu dinamis. Sel mengeluarkan substansi untuk menginduksi sel lain agar dapat tumbuh dan berkembang. Bila sel fibroblast dikultur mensekresikan growth factor (FGF), maka dia dapat menstimulasikan perkembangan sel yang lain. Sel epithel mengeluarkan platelate epidermal growth factor (PEGF). Pada embrio katak, jaringan khorda mesoderm, atau khorda dorsalis mensekresikan khordin (nogin) yang dapat menginduksi lamina neuralis untuk berkembang menjadi canalis neuralis. Proses pembentukan canalis neuralis sebagai induksi primer. Terbentuknya canalis neuralis juga disebut sebagai neurula primer, juga sebagai organ primer. Sel darah tidak terikat satu dengan lainnya, bebas bergerak naum ada molekul di membrannya, yaitu lectin.
Model Pembentukan Organ Pada awalnya organ terbentuk secara sederhana, yaitu: melekuk, menonjol, melipat, menebal, den membentuk kuncup. Kemudian terjadi interaksi, induksi antar 2 lapis benih untuk membentuk struktur organ. Calon organ Ektoderm a. Melekuk (invaginasi). Epitel atau epidermis melekuk selanjutnya berinteraksi dalam mesenkhim, akhirnya membentuk struktur organ. Contoh: pembentukan rambut, kelenjar keringar, kelenjar mammae, gigi dll.
9
b. Menonjol (evaginasi). Epidermis menonjol dan melipat, kemudian membentuk struktur organ. Contoh: pembentukan bulu, sisik dll. c. Menonjol dengan jaringan di bawahnya (kompleks). Epidermis dan dermis, serta mesenkhim tumbuh. Diikuti oleh tumbuhnya syarat. Contoh: pada pembentukan anggota badan, kaki, sayap dan karapak.
Calon organ dari Mesoderm Model pembentukan struktur organ (morfogenesis) dari mesenkhim meliputi : a. Kondensasi. Mesenkhim yang semula merenggang kemudian merapat membentuk sentrum. Contoh: pada pembentukan kartilago. b. Pembelahan sel yang terus-menerus. Sel mesenkhim proliferasi terus-menerus dan tumbuh memanjang. Contoh: pada pertumbuhan anggota badan. c. Migrasi sel. Sel bergerak menuju lokasi tempat pembentukan organ yang jauh dari asalnya. Contoh: mesenkhim pembentuk jantung. d. Sel mesenkhim mengeluarkan substansi tertentu. Extra Cellular Matrix (ECM) disekresikan oleh sel mesenkhim. Contoh: mesenkhim yang akan menjadi kartilago. e. Melipat membentuk saluran. Dinding coelom di bagian dorsal terbentuk 1 pasang saluran yang akan menjadi saluran kelamin. Contoh: pada terjadinya ductus Mulleri. Calon organ dari Entoderm a. Melekuk dan meninggi. Di bagian pharynx terjadi 5 pasang arches visceralis (celah insang). b. Membentuk kuntum atau diverticulum. Penonjolan entoderm calon paru, pancreas, hari, empedu dari calon usus depan (fore gut). c. Membentuk tonjolan kantung vitellus. d. Membentuk tonjolan allantois.
Perkembangan Lapis Benih Awal tubuh vertebrata, khususnya mammalia terdiri dari 3 lapis, berkembang menjadi 12 sistem organ, kemudian mempunyai calon organ sejumlah ± 48 jenis, diferensiasi menjadi ± 200 jenis sel dan jumlah sel yang belum bisa dihitung. Sebagai gambaran: jumlah sel pada jenis cacing cutera Chaenorhabditis elegans, pada waktu memutus: panjang 1 mm, sel badan 959 buah, sel kelamin 1050 buah, sel syaraf 302 10
buah, sel dalam program kematian 105. Tubuh C. elegans tidak kompleks seperti halnya tubuh vertebrata, tapi pola dasarnya serupa. Ringkasan perkembangan calon pembentuk organ pada Blastula-Gastrula adalah sebagaiberikut :
Epiderm berkembang menjadi : a. Epidermis berkembang menjadi rambut, bulu, sisik, kuku, cakar, tanduk dlsb. b. Lensa mata, organ dalam telinga, alat sensoris pada hidung, organ pada kulit, organ sensoris pada kulit. c. Stomodaeum (calon mulut) berkembang menjadi rongga mulut, adenohipofise, gigi, dan kelenjar-kelenjar di dalam mulut. d. Proctodaeum (calon anus) mengembangkan lapisan epitel anus.
Neuroektoderm berkembang menjadi: a. Canalis neuralis (neural tube). b. Nervus opticus dan lensa mata. c. Syaraf perifer dan ganglion. d. Kromatofora, jaringan kromafin seperti sel pigmen pada kulit, peritoneum seperti sel kromafin pada supra renalis. e. Mesenkhim di kepala, neuroglia. f. Otot halus pada iris.
Mesoderm berkembang menjadi: a. Epimer, mesomer, hipomer dan tubus mesoderm. b. Epimer penginduksi canalis neuralis. c. Otot sadar dan tidak sadar. d. Mesenkhim, jaringan ikat, tulang rawan dan tulang keras. e. Darah dan organ limfatik. f. Gonade (selain sel kelamin), saluran reproduksi, kelenjar asesoris alat reproduksi. g. Ginjal, ureter, otot-otot kandung kemih, otot-otot uterus, vagina dan urethra.
Calon Khordadorsalis berkembang manjadi: a. Membentuk khordadorsalis (batang punggung) sebagai sumbu anterior-posterior. 11
b. Sebagai penginduksi pembentukan medulla spinalis. c. Sebagai khorda dorsalis permanen pada Amphioxus atau batang punggung sebagai skeleton hewan chordata rendah. d. Sisa khordadorsalis terdapat di antara vertebrae chordata tinggi.
Calon entoderm berkembang menjadi: a. Lapisan epitel calon usus (gut) meliputi epitel pharynx, epitel saluran eustachius, epitel telinga dalam, parateroid dan timus, epitel kelenjar tiroid, epitel larynx, trachea dan paru-paru, epitel usus, pankreas, hepar dan kelenjar-kelenjar pencernaan. b. Epitel kandung kemih, vagina, urethra dan kelenjar asesoris alat genital. c. Epitel kantung Seasel (head gut). d. Epitel appendix.
Daerah germinal (mengandung calon sel kelamin) berkembang menjadi : a. Primordia sel kelamin atau pada hewan-hewan di bawah mammalia akan menjadi sel kelamin langsung. b. Primordial sel kelamin menjadi sel kelamin jantan atau betina pada mamalia.
12
