Perawatan biologis degenerasi cakram mencakup banyak pendekatan terapi yang berbeda. Secara garis besar, pendekatan terapeutik mencakup aplikasi seluler, matriks dan molekuler, dan bab ini berfokus pada terapi molekuler. Molekul terapeutik mencakup seluruh rangkaian molekul terapeutik, bukan hanya ‘faktor pertumbuhan’ klasik. Nomenklatur ini penting karena faktor pertumbuhan dinamai karena efeknya pada mitosis sel, tetapi efek terapeutik dari molekul terapeutik yang efektif tidak selalu dicapai dengan memengaruhi replikasi sel. Molekul terapeutik dapat diklasifikasikan sebagai antimetabolit, faktor pro-apoptosis, chondroformer, dan molekul pengatur intraseluler. Bab ini mengkaji literatur utama dan mendefinisikan masing-masing klasifikasi ini. Pemahaman tentang proses degenerasi diskus sangat membantu dalam memahami terapi molekuler. Proses degenerasi diskus mencakup hilangnya proteoglikan, air, dan kolagen tipe II dari matriks nukleus pulposus. Beberapa perubahan yang tidak pasti dalam matriks, seperti proteoglikan polimer dan lainnya, sulit diukur. Perubahan pada cincin fibrosa mencakup gangguan pada laminae annular dan cacat pada matriks kolagen. Umumnya, perubahan matriks ini memakan waktu bertahun-tahun dan terutama disebabkan oleh ketidakseimbangan antara sintesis dan katabolisme. Tujuan terapi molekuler adalah untuk menghentikan perubahan dalam matriks ekstraseluler diskus dengan menyeimbangkan sintesis dan katabolisme. Berikut ini adalah klasifikasi spesifik. I. Efek antimetabolik Kehilangan matriks adalah keseimbangan antara sintesis dan katabolisme, sehingga matriks ekstraseluler diskus dapat ditingkatkan dengan meningkatkan sintesis atau mengurangi katabolisme. Salah satu pendekatannya adalah menghentikan hilangnya matriks dengan menghambat aktivitas enzim katabolik. Ada banyak enzim katabolik dalam matriks ekstraseluler, di mana matriks metaloproteinase (MMP) adalah kelompok yang paling penting, yang memainkan peran penting dalam daur ulang molekul matriks ekstraseluler dan degenerasi diskus. Hipotesis ini didukung oleh tingkat MMP yang secara signifikan lebih tinggi pada diskus yang mengalami degenerasi. Dalam matriks ekstraseluler, penghambat MMP terutama adalah penghambat jaringan dari matriks metaloproteinase (TIMP), dan Wallach menguji apakah molekul anti-katabolik ini (TIMP-1) dapat meningkatkan jumlah proteoglikan dalam matriks melalui jalur transduksi gen adenoviral in vitro. Dia menemukan bahwa ekspresi TIMP-1 dalam sel diskus intervertebralis memang meningkatkan jumlah proteoglikan, dan juga bahwa laju sintesis proteoglikan meningkat dengan pengukuran. Molekul ampuh lainnya adalah CPA-926, prekursor hesperidin tetapi dengan sifat farmakokinetik yang lebih baik. CPA-926 memiliki sifat anti-inflamasi dan anti-tumor dan mencegah degenerasi tulang rawan pada osteoartritis. okuma telah menunjukkan bahwa CPA-926 dapat mencegah atau menunda timbulnya degenerasi cakram tinggi dengan memberikannya secara oral kepada kelinci dengan degenerasi cakram dan telah menemukan bukti histologis degenerasi diskus. Tingkat metabolisme matriks juga penting dalam konteks keseimbangan antara sintesis dan katabolisme. Misalnya, tingkat metabolisme diskus secara signifikan lebih tinggi pada orang muda daripada orang tua, yang juga dapat menyebabkan perubahan komposisi matriks, seperti proteoglikan agregat yang mengalami degenerasi dan proteoglikan agregat yang baru disintesis (dari tulang rawan). Laju metabolisme total juga dapat memengaruhi kebutuhan nutrisi sel cakram. Sitokin, seperti IL-1 dan TNF-a, keduanya memiliki peran penting dalam metabolisme cakram. Namun demikian, beberapa molekul seperti IL-1Ra dan infliximab dapat memblokir efek IL-1 dan TNF-a dan juga berguna secara terapeutik. Penelitian lebih lanjut tentang molekul antimetabolik dapat mengarah pada penemuan lebih lanjut. Faktor pro-apoptosis Faktor pro-apoptosis adalah kelas molekul yang meningkatkan laju mitosis sel, mereka membentuk faktor pertumbuhan yang sebenarnya dan oleh karena itu kita dapat membedakan faktor pertumbuhan pro-apoptosis dari molekul kondrogenik, yang meliputi faktor pertumbuhan seperti insulin (IGF-1), faktor pertumbuhan epidermal (EGF), dan faktor pertumbuhan fibroblast (FGF). Thompson menunjukkan secara in vitro pada sel diskus intervertebralis anjing dewasa bahwa IGF meningkatkan laju mitosis dan laju sintesis proteoglikan sel, dengan EGF umumnya lebih kuat. Kadar IGF-1 pada diskus intervertebralis tikus menurun seiring bertambahnya usia, sehingga para peneliti menyimpulkan bahwa sintesis matriks dapat ditingkatkan dengan meningkatkan IGF-1 pada diskus yang lebih tua. hasil uji in vivo Walsh dengan faktor pertumbuhan dalam model degeneratif kompresi diskus kaudal pada tikus konsisten dengan hasil in vitro Thompson, keduanya menunjukkan sedikit efek IGF-1, sedangkan FGF pada dasarnya tidak berpengaruh. Faktor pertumbuhan lain juga dapat mencegah apoptosis sel diskus dengan mekanisme yang sama atau berbeda. gruber menunjukkan bahwa sel diskus mengalami apoptosis dalam lingkungan serum rendah secara in vitro, tetapi penambahan IGF-1 atau PDGF mengurangi laju apoptosis. igf-1 memiliki efek pro-sintetik tetapi juga pro-katabolik. Dalam uji kultur jaringan, IGF-1 mengurangi kadar TIMP-2, sehingga dikatakan memiliki efek ganda pada metabolisme matriks diskus intervertebralis III. 3. Hormon pembentuk kondrosit Hormon pembentuk kondrosit adalah kelas sitokin dengan kapasitas pro-apoptosis tetapi dengan karakteristik utama meningkatkan fenotip spesifik kondrosit. Sifat-sifat kondrosit spesifik ini ditentukan oleh kolagen tipe II, gen Sox9, proteoglikan teragregasi, dan Aminoglukan tersulfasi. Sebagian besar penelitian tentang elemen pembentuk kondrosit telah dilakukan pada faktor pertumbuhan transformasi (TGF-b), protein osteogenik (BMP), dan faktor diferensiasi pertumbuhan (GDF). Hormon pembentuk kondrosit telah menarik perhatian karena kemampuannya untuk membalikkan fenotipe fibrosa sel diskus intervertebralis normal menjadi fenotipe kondrosit. Molekul-molekul ini bertindak secara autokrin, parakrin dan endokrin, dan mereka mampu mengerahkan efek yang besar dengan cara berdifusi dan bekerja pada sel-sel yang berbeda. Aktivitas pembentuk kondrosit prototipikal ditentukan oleh reseptor permukaan ekstraseluler dan sistem pesan intraseluler aktif dari sel-sel yang terlibat, sedangkan sel-sel diskus intervertebralis mampu mengekspresikan TGF, molekul BMP dan reseptor, dan tingkat ekspresi berubah seiring dengan penuaan diskus. TGF-b1 adalah molekul diskogenik pertama yang diidentifikasi dan Thompson melaporkan bahwa TGF-b1 bukan hanya mitogen tetapi juga molekul pro-anabolik yang mampu meningkatkan sintesis proteoglikan seluler dan bahwa kemampuannya untuk meningkatkan sintesis proteoglikan lebih unggul daripada faktor pertumbuhan seperti EGF, IGF-1, PDGF dan FGF. Kemudian, Nishida mendemonstrasikan bahwa vektor adenoviral yang membawa gen TGF-b1 dapat disuntikkan langsung ke dalam diskus intervertebralis kelinci imun dan dapat meningkatkan sintesis proteoglikan dengan mengekspresikan TGF-b1. Uji in vitro dengan sel diskus degenerasi manusia juga menunjukkan bahwa TGF-b1 meningkatkan laju sintesis proteoglikan dan kolagen, menunjukkan bahwa sel diskus degenerasi masih sensitif terhadap TGF-b1. Uji in vitro pada sel cakram ekor tikus menunjukkan efek proliferatif TGF-b1 pada sel cincin-serat bagian dalam, tetapi tidak secara signifikan mengubah ketinggian cakram. Meskipun TGF-b1 memiliki efek ini, perannya dalam diskus intervertebralis manusia yang hidup masih belum terbukti. BMP-2 adalah elemen pembentuk kondrosit prototipe lainnya, dan Hutton melaporkan bahwa BMP-2 manusia rekombinan meningkatkan sintesis proteoglikan dalam sel cakram tikus dan secara signifikan meningkatkan fenotipe kondrosit sel cakram, serta meningkatkan ekspresi gen proteoglikan teragregasi dan kolagen tipe II, tetapi tidak ada perubahan signifikan pada kolagen tipe I. Kim melaporkan bahwa BMP-2 sebagian membalikkan efek penghambatan nikotin pada sintesis proteoglikan sel diskus intervertebralis, seperti yang diketahui bahwa BMP-2 mempromosikan diferensiasi terminal osteoblas selama pembentukan tulang, tetapi masih harus ditunjukkan apakah BMP-2 juga mempromosikan diferensiasi sel diskus intervertebralis, seperti yang ditunjukkan oleh tes in vitro pada sel diskus intervertebralis manusia, di mana BMP-2 meningkatkan ekspresi gen kondrosit tetapi tidak berpengaruh pada gen osteoblas. Efek pro-anabolik BMP-2 telah ditunjukkan lebih lanjut oleh aplikasi selektif terapi gen pada sel diskus intervertebralis secara in vitro selama operasi tulang belakang. Hingga saat ini, masih belum ada penelitian tentang efek BMP-2 pada cakram degenerasi hidup manusia, yang merupakan topik hangat penelitian. BMP-7 (juga dikenal sebagai protein osteogenik OP-1) juga merupakan cytoformer diskus intervertebralis dan Masuda melaporkan hubungan yang bergantung pada dosis antara pertumbuhan sel diskus intervertebralis dari kelinci berserat annulus dan asal nukleus pulposus dan BMP-7 secara in vitro. Takegami mendemonstrasikan bahwa pertumbuhan sel cakram tikus dalam lingkungan alginat dengan penambahan faktor inflamasi IL-1 mengakibatkan hilangnya proteoglikan dan kolagen dalam alginat, sedangkan proteoglikan dan kolagen dalam medium setelah penambahan 200 mg/ml BMP-7 bahkan lebih besar daripada yang tanpa adanya IL-1. Zhang melaporkan peningkatan proliferasi ketiga fraksi sel diskus intervertebralis sapi (dari zona luar annulus fibrosus, zona dalam dan nukleus pulposus, masing-masing) dikultur secara in vitro sebagai respons terhadap BMP-7. Namun, hanya sel-sel dari zona luar annulus fibrosus dan nukleus pulposus yang menunjukkan peningkatan laju sintesis proteoglikan. Uji coba menggunakan BMP-7 dalam model degenerasi diskus kelinci telah dimulai, dan uji coba ini telah menunjukkan bahwa injeksi intradiscal langsung BMP-7 meningkatkan tinggi diskus dan tingkat proteoglikan pada kelinci. Data dari uji coba ini juga menunjukkan bahwa injeksi BMP-7 intradiscal juga efektif dalam degenerasi diskus pada tikus. BMP-13 juga dikenal sebagai faktor diferensiasi pertumbuhan (GDF-6) atau protein morfogenetik-2 yang diturunkan dari tulang rawan (CDMP-2). Meskipun BMP-13 termasuk dalam keluarga BMP, urutan asam aminonya hanya 50% homolog dengan BMP-2. Meskipun BMP-13 tidak bersinergi dengan BMP-2 dalam sintesis proteoglikan dan ekspresi gen kondrosit, efek gabungannya bersifat kumulatif. BMP-13 bukanlah protein rekombinan yang dapat diproduksi dalam jumlah besar, membuat penelitian yang membutuhkan BMP-13 dalam jumlah besar sulit untuk diselesaikan. Walsh membandingkan efek GDF-5, TGF-b1, IGF-1 dan FGF pada model tikus degenerasi cakram ekor dan menemukan bahwa GDF-5 adalah satu-satunya molekul yang meningkatkan tinggi cakram dibandingkan dengan kontrol saline. Selain itu, proliferasi sel pada medial band dan zona migrasi cincin fibrosa terlihat pada bagian jaringan. Namun, suntikan berulang rentan terhadap respons inflamasi, yang penulis kaitkan dengan cedera injeksi daripada GDF-5, karena respons inflamasi yang sama terlihat bahkan pada kelompok kontrol salin. Wang menggunakan terapi gen untuk menunjukkan bahwa transduksi adenoviral GDF-5 mendorong pertumbuhan sel diskus yang dikultur secara in vitro. GDF-5 sedang dikembangkan secara komersial untuk fusi tulang belakang, namun, sejumlah besar protein rekombinan masih diperlukan. untuk studi uji klinis. Link N adalah fragmen terminal amino dari protein linker, yang telah ditunjukkan oleh Mwale memiliki aktivitas stimulasi pada sel diskus intervertebralis. uji kultur pelet telah menunjukkan bahwa Link N meningkatkan sintesis proteoglikan tetapi tidak pada jumlah sel, dengan peningkatan 113% pada kolagen tipe II dalam sel yang diturunkan dari nukleus pulposus dan peningkatan 25% pada sel yang diturunkan dari cincin fibril. Mekanisme Link N menginduksi regulasi spesifik dari penanda penting kondrosit (kolagen tipe II) tetapi tidak meningkatkan jumlah sel masih belum jelas. Namun, temuan ini sudah menunjukkan bahwa Link N juga merupakan formulator pro-kondrogenik. Molekul pengatur intraseluler adalah kelas khusus molekul yang tidak bertindak melalui reseptor transmembran. Mereka bukan sitokin atau faktor pertumbuhan, tetapi mereka memiliki peran yang sama seperti molekul-molekul yang disekresikan yang dibahas sebelumnya. Molekul-molekul ini umumnya mengendalikan satu atau lebih arah diferensiasi sel. SMADs, misalnya, adalah kelas molekul intraseluler yang mengatur BMP-R. Meskipun masih belum ada yang tertulis tentang peran SMADs pada sel diskus intervertebralis, telah dihipotesiskan bahwa SMADs juga dapat memiliki efek yang sama pada sel diskus seperti BMP-2 dalam meningkatkan sintesis proteoglikan dan kolagen tipe II. Paul menunjukkan bahwa transduksi adenoviral gen Sox9 meningkatkan ekspresi Sox9 dan sintesis kolagen tipe II dalam sel diskus intervertebralis secara in vitro. Ketika disuntikkan ke dalam tubuh, adenovirus yang membawa Sox9 mencegah perubahan degeneratif pada model cincin fibrosa cakram kelinci. Model diskus degeneratif digunakan dengan jarum tusukan 27-gauge, yang menyebabkan kerusakan minimal pada diskus dan karenanya menghasilkan degenerasi minimal. Temuan utama dari uji coba in vivo ini adalah bahwa cakram yang diberi perlakuan Sox-9 memiliki fenotipe yang lebih mirip kondrosit dibandingkan dengan kelompok kontrol, namun, laporan ini tidak menyajikan data kuantitatif tentang pengaruhnya terhadap matriks cakram atau komposisi uji coba in vivo. Protein mineralisasi (LMP-1) adalah kelas molekul intraseluler yang diidentifikasi karena perannya dalam mempromosikan pembentukan tulang dan diferensiasi osteoblas. yoon menemukan bahwa dalam sel diskus intervertebralis, LMP-1 meningkatkan produksi BMP-2, BMP-7, dan proteoglikan tidak hanya dalam kultur monolayer tetapi juga dalam uji kultur alginat yang berkepanjangan (3 minggu). Yoon menunjukkan bahwa mekanisme kerja LMP-1 bergantung pada BMP. Eksperimen in vivo selanjutnya pada diskus intervertebralis kelinci menunjukkan bahwa dosis kecil adenovirus yang mentransduksi LMP-1 meningkatkan kadar mRNA BMP-2, BMP-7, dan proteoglikan dalam jaringan diskus intervertebralis. Karena LMP-1 menstimulasi pembentukan heterodimer BMP-2 dan BMP-7, efeknya 20 kali lipat lebih besar daripada homodimer. Dihipotesiskan bahwa pengurangan risiko terapi gen adenoviral dapat dicapai dengan mengurangi dosis adenovirus di bawah pengaruh super BMP yang diinduksi. V. Ringkasan Molekul yang digunakan untuk degenerasi diskus tidak lagi hanya faktor pertumbuhan klasik, setidaknya ada empat kelas molekul yang memiliki efek restoratif pada diskus. Terdapat antimetabolit, faktor pro-apoptosis, formagen yang diturunkan dari kondrosit, dan molekul pengatur intraseluler. Meskipun hanya ada beberapa data uji in vitro dan sangat sedikit hasil in vivo dari model hewan degenerasi diskus, namun uji skrining saat ini akan segera berakhir dan, dalam waktu dekat, penelitian pada model hewan degenerasi diskus akan dimulai sebelum penelitian pada manusia.