Peran Sel Osteoblas Yang Ditanam Pada Scaffold Collagen-Chitosan-Carbonate Apatite Terhadap Ekspresi Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2)

Oleh Harly Prabowo, drg., M.Sc., Ph.D., Sp.Pros

Pencabutan gigi baik traumatis maupun atraumatis akan menyebabkan berkurangnya dimensi dan volume tulang, hal ini bertolak belakang dengan kebutuhan tulang yang adekuat dan prominen untuk perawatan implan, serta untuk retensi dan stabilitas pada protesa konvensional.¹ Defek pada tulang dapat mengakibatkan terjadinya resorpsi tulang alveolar.² Resorpsi tulang alveolar akibat pencabutan gigi seringkali menjadi masalah untuk perawatan prostodontik. Salah satu cara untuk mencegah resorbsi tulang alveolar adalah dengan bone graft. Bone graft digunakan untuk menambah atau merangsang pembentukan tulang baru dalam kasus-kasus seperti penyembuhan fraktur tulang  yang menggantikan dan meregenerasi tulang yang hilang sebagai akibat dari trauma, infeksi, atau penyakit, meningkatkan respon penyembuhan tulang dan regenerasi jaringan tulang di daerah yang akan ditanam bone graft melalui proses pembedahan.³ Terdapat berbagai jenis bone graft yang telah diklaifikasikan untuk menggantikan kerusakan tulang, antara lain yaitu: autograft, allograft, xenograft, dan alloplastic graft.⁴ Upaya signifikan sedang dilakukan untuk mengembangkan pengganti tulang yang ideal, salah satunya adalah alloplastic graft. Substitusi alloplastic graft yang ideal harus biokompatibel, biodegradabel, dan biomimetik yang menunjukkan reaksi fibrotik minimal, mengalami remodeling dan mendukung pembentukan tulang baru, sehingga dibutuhkannya scaffold yang baik secara struktur dan komposisi mirip dengan tulang alami.⁵

Scaffold dapat dibuat dari berbagai macam biomaterial agar dapat memenuhi syarat yang ideal, yaitu harus biokompatibel, biodegradabel, mendukung interaksi selular dan pengembangan jaringan, dan memiliki sifat mekanik dan fisik yang tepat.  Scaffold dirancang untuk meningkatkan perbaikan tulang dan regenerasi dengan menggabungkan sel-sel progenitor tulang dan growth factor untuk merangsang sel-sel ke dalam scaffold.⁶

Collagen adalah bahan yang ideal untuk desain scaffold 3D.⁷ Secara inheren, collagen memiliki sifat yang biokompatibel dan biodegradabel, dan menstimulasi proliferasi dan diferensiasi sel sebagai matriks ekstraseluler.⁸ Chitosan merupakan natural polymers yang mempunyai sifat biokompabilitas, biodegradabilitas, tidak toksik dan anti bakteri serta mendukung perlekatan, diferensiasi dan morfogenesis osteoblas. Chitosan sering digunakan untuk scaffold karena menghasilkan glukosamin (C₆H₁₃NO₅) yang merupakan gula amino untuk melapisi tulang dan pergerakan sendi.⁹ Carbonate apatite (CA) juga memiliki sifat osteokonduktif sehingga penggunaan CAsebagai material pembuatan scaffold berpotensi menghasilkan scaffold dengan sifat osteokonduktif yang baik.¹⁰ Penggabungan chitosan dengan kalsium fosfat, seperti hydroxyapatite (HA), β-tricalcium phosphate (β-TCP), dan CA dapat meningkatkan sifat mekanik material dan meningkatkan sifat biologisnya. HA dan β-TCP telah banyak diterapkan dalam regenerasi jaringan tulang karena sifatnya yang menarik, terutama dari biokompatibilitas, osteokonduktivitas, dan osteoinduktivitas.^11,12,13,14

Bone Morphogenetic Protein (BMP) adalah kelompok faktor pertumbuhan dan sitokin yang dikenal karena kemampuannya untuk menginduksi pembentukan tulang dan tulang rawan.¹⁵ Peran BMP-2 dalam perbaikan fraktur dikaitkan dengan kemampuannya dalam menstimulasi proliferasi dan diferensiasi dari sel-sel mesenkimal dan osteoprogenitor.¹⁶ Osteoblas berproliferasi dan diferensiasi dari preosteoblas oleh osifikasi intramembranosa pada hari ke-3, lalu pada hari ke-7 terdapat puncak proliferasi sel pada osifikasi intramembranosa.¹⁷

Dalam penelitian ini, kami menguji peran sel osteoblas yang ditanam pada scaffold collagen-chitosan-carbonate apatite terhadap ekspresi bone morphogenetic protein-2 (BMP-2). Kami menemukan bahwa tertjadi peningkatan yang pesat pada pengamatan hari ke-3, 5 dan 7, karena BMP-2 mempunyai pengaruh induksi yang sangat besar dalam diferensiasi sel osteoblas secara in vitro dan formasi tulang secara in vivo. Sehingga dapat disimpulkan bahwa terjadi peningkatan ekspresi bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) pada sel osteoblas yang ditanam dalam scaffold collagen- chitosan-carbonate apatite pada hari ke 3, 5 dan 7.

Daftar Pustaka

1. van der Weijden, Fridus & Dell’Acqua, Federico & Slot, Dagmar. (2009). Alveolar bone dimensional changes of post-extraction sockets in humans: A systematic review. Journal of clinical periodontology. 36. 1048-58. 10.1111/j.1600-051X.2009.01482.x.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Li BQ, Hu QL, Wang M, Shen J. Bioresorbable chitosan/ hydroxyapatite composite rod for internal fixation of bone fracture prepared by in situ precipitation. Acta Polym Sin. 2002; 6(38): 828-833.
14. Salgado AJ, Coutinho OP, Reis RL. Bone tissue engineering: State of the art and future trends. Macromol Biosci. 2004; 4(40): 743-765.
15. Takahashi Y, Yamamoto M, Tabata Y. Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in biodegradable sponges composed of gelatin and β-tricalcium phosphate. Biomaterials. 2005; 26(41): 3587-3596.
16. Prakash, C.A., Parthiban, J., Balakrishnan, R., Anandh, B. and Lokesh, B. Bone Morphogenetic Prooteins. Biomedical and Pharmacology Journal. 2015; 8: 329-333.
17. Dimitriou, R., Jones, E., McGonagle, D. and Giannoudis, P.V. Bone Regeneration: Current Concepts and Future Directions. BMC Medicine. 2011; 9(66):1-10.

Tentang penulis
Harly Prabowo, drg., M.Sc., Ph.D., Sp.Pros adalah staf pengajar Departemen Prostodontia pada Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Airlangga