Perspektif sel osteoblas yang dikultur pada scaffold nanochitosan-karbonat apatit terhadap ekspresi BMP-2, FGF-2, dan TGF-β1

Oleh Agus Dahlan, drg., M.Kes., Sp.Pros(K)

Kehilangan gigi dapat menyebabkan resorbsi tulang alveolar. Ketika sifat osteoblastik tidak seimbang dengan osteoklastik, tulang menjadi resorbsi atau berkurang massanya yang dapat dilihat jelas pada lingir alveolus. Salah satu cara untuk mencegah resorbsi tulang alveolar adalah dengan bone graft. Terdapat berbagai macam bone graft, yaitu autograft yang merupakan graft ideal karena berasal dari jaringan tulang yang berasal dari individu yang sama, xenograft merupakan jaringan tulang yang berasal dari spesies berbeda, allograft merupakan jaringan tulang dari individu yang berbeda, serta alloplastic graft merupakan jaringan tulang yang menggunakan tulang sintetis¹.

Kapasitas regenerasi jaringan dari bone graft ini diukur dalam hal potensi osteogenik, osteokonduktif dan osteoinduksi². Potensi osteogenik dari

bone graft ditentukan oleh sel yang mendukung pembentukan tulang, yaitu mesenchymal stem cells (MSCs), osteoblas dan osteosit. Osteokonduktif merujuk pada scaffold yang menstimulasi bone cells untuk tumbuh pada permukaannya³. Osteoblas berproliferasi dan diferensiasi dari preosteoblas oleh osifikasi intramembranosa pada hari ke-3, lalu pada hari ke-7 terdapat puncak proliferasi sel pada osifikasi intramembranosa⁴.

Scaffold adalah sebuah graft sintetis yang berfungsi sebagai pengisi pada bagian yang cacat dan meningkatkan regenerasi tulang. Scaffold sering dikombinasikan dengan sel dan growth factor untuk mendukung osteoinduktivitas dan penunjang dalam proses regenerasi jaringan, salah satunya bone morphogenetic proteins (BMPs)⁵. Bone Morphogenetic Protein (BMP) adalah kelompok faktor pertumbuhan dan sitokin yang dikenal karena kemampuan mereka untuk menginduksi pembentukan tulang dan tulang rawan⁶. (BMPs) yang termasuk dalam superfamily dari transforming growth factor beta (TGF-β), memiliki sifat osteoinduktif. Khususnya, BMP-2 menunjukkan aktivitas osteoinduktif yang sangat kuat⁷. BMP-2 menjadi osteoinduktif growth factor yang digunakan secara klinis pada regenerasi⁸ tulang. BMP-2 telah banyak diteliti untuk meningkatkan penyembuhan fraktur karena sifatnya yang pleotropik. BMP-2 menguatkan stem cells pada tulang yang fraktur, mendukung angiogenesis dan menyebabkan differensiasi stem cells ke osteoblas⁹.

Chitosan merupakan natural polymers yang mempunyai sifat biokompabilitas dan biodegradabilitas. Chitosan dalam bentuk nanopartikel bersifat netral, tidak toksik, dan memiliki stabilitas yang konstan. Chitosan meningkatkan pertumbuhan dan diferensiasi sel osteoblas pada kultur sel, memiliki karakteristik menguntungkan seperti bakteriostatik, hemostatik, dan penurun kolesterol¹⁰.

Carbonate apatite (CA) merupakan bahan biokeramik yang banyak dikembangkan dan dipelajari untuk menjadi material pilihan sebagai bahan pengganti struktur tulang. Karena memiliki sifat bioresorpsi yang bagus, carbonate apatite menjadi bahan pilihan untuk bedah rekonstruksi tulang. Kombinasi antara chitosan dengan carbonate apatite memiliki tingkat proliferasi sel yang tinggi, penambahan carbonate apatite pada chitosan meningkatkan luas permukaan dari material untuk perlekatan sel. Pada penelitian ini digunakan nano chitosan-carbonate apatite scaffold, karena material pada skala nano diketahui memiliki fungsionalitas sel yang lebih baik¹¹.

Pada penelitian kali ini, kami ingin menguji peran sel osteoblas yang ditanam pada scaffold nano chitosan-carbonate apatite terhadap ekspresi bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) dan transforming growth factor beta-1 (TGF-β1). Kami menemukan bahwa terjadi peningkatan ekspresi BMP-2 dan TGF-β1  pada pengamatan hari ke-3, 5 dan 7. Hal ini dapat terjadi karena BMP-2 dan TGF-β1 mempunyai pengaruh induksi yang sangat besar dalam diferensiasi sel osteoblas secara in vitro dan formasi tulang secara in vivo. Sehingga dapat disimpulkan bahwa terdapat peningkatan ekspresi BMP-2 pada sel osteoblas yang ditanam dalam scaffold nano chitosan-carbonate apatite pada hari ke-3, ke-5, dan ke-7. Sementara itu, ekspresi TGF-β1 meningkat dari hari ke-3 hingga ke-5, namun relatif stabil antara hari ke-5 hingga ke-7.

Daftar Pustaka

1. Tan, Wah & Wong, Terry & Wong, May & Lang, Niklaus. (2012). A systematic review of post-extractional alveolar bone dimensional changes in humans. Clinical oral implants research. 23 Suppl 5. 1-21. 10.1111/j.1600-0501.2011.02375.x.
2. Naffizuddin M, Krishna B, Lokanathan Balaji D, Ram Sunil CH, Sujana V, Madhu Kiran Naik K (2021) Maxillary Alveolar Bone Dimensional Changes of Post -Extraction Sockets in Humans. J Ora Med Vol.5 No.4:126.
3. Zhao R, Yang R, Cooper PR, Khurshid Z, Shavandi A, Ratnayake J. Bone Grafts and Substitutes in Dentistry: A Review of Current Trends and Developments. Molecules. 2021 May 18;26(10):3007. doi: 10.3390/molecules26103007. PMID: 34070157; PMCID: PMC8158510.
4. Carlos Roberto Galia, Fernando Pagnussato, Tiango Aguiar Ribeiro and Luis Fernando Moreira. Biology of Bone Graft and the Use of Bovine Bone for Revision of Total Hip Arthroplasty with Acetabular Reconstruction. DOI: 10.5772/intechopen.79485.
5. Cheng A, Schwartz Z, Kahn A, Li X, Shao Z, Sun M, Ao Y, Boyan BD, Chen H. Advances in Porous Scaffold Design for Bone and Cartilage Tissue Engineering and Regeneration. Tissue Eng Part B Rev. 2019 Feb;25(1):14-29. doi: 10.1089/ten.TEB.2018.0119. Epub 2018 Sep 20. PMID: 30079807; PMCID: PMC6388715.
6. J. Song, L. Li, L. Fang, E. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, P. Vangari, Y. Huang, F. Tian, Y. Zhao, W. Chen and J. Xue, BMEMat 2023, 1(4), e12046. https://doi.org/10.1002/bmm2.12046.
7. Zhen Wang, Yichuan Wang, Jiaqi Yan, Keshi Zhang, Feng Lin, Lei Xiang, Lianfu Deng, Zhenpeng Guan, Wenguo Cui, Hongbo Zhang. Pharmaceutical electrospinning and 3D printing scaffold design for bone regeneration. Advanced Drug Delivery Reviews. 2021; 174 (9): 504-534. ISSN 0169-409X. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.05.007.
8. Todd EA, Mirsky NA, Silva BLG, Shinde AR, Arakelians ARL, Nayak VV, Marcantonio RAC, Gupta N, Witek L, Coelho PG. Functional Scaffolds for Bone Tissue Regeneration: A Comprehensive Review of Materials, Methods, and Future Directions. Journal of Functional Biomaterials. 2024; 15(10):280. https://doi.org/10.3390/jfb15100280.
9. Aravamudhan A. Ramos DM. Nip J. Harmon MD. James R. Deng M. Laurencin CT. Yu X. Kumbar SG. Cellulose and collagen derived micro-nano structured scaffolds for bone tissue engineering. J. Biomed. Nanotechnol. 2013; 9(4): 721.
10. Dewi AH & Triawan A. The newly bone formation with carbonate apatite chitosan bone subsitute in the rat tibia. J Dent Res. 2011; 01(03): 155.
11. Salim S & Ariani MD. In Vitro & in vivo evaluation of carbonate apatite-collagen scaffold with some cytokines for bone tissue engineering. The Journal of Indian Prostodontics Society. 2015; 15(04): 349-355.

Tentang penulis
Agus Dahlan, drg., M.Kes., Sp.Pros(K) adalah staf pengajar Prostodontia pada Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Airlangga