Mekanisme Adaptasi Sel

Sel menghadapi berbagai tantangan sepanjang masa hidupnya seperti stress, cedera, penyakit, dan faktor lain baik intrinsik atau ekstrinsik yang mengubah fungsi normal sel.

Adaptasi sel secara umum akan terus terjadi dalam berbagai perubahan lingkungan atau stressor. Namun, ketika stress atau perubahan yang terjadi sudah melebihi ambang batas, maka sel dapat mengalami cedera, kerusakan atau bahkan mengalami kematian sel.

Ketika dihadapkan dengan tekanan yang membahayakan struktur dan fungsi normalnya, sel mengalami perubahan adaptif yang memungkinkan kelangsungan hidup dan pemeliharaan fungsi. Hanya ketika stres luar biasa atau adaptasi tidak efektif, cedera dan kematian sel terjadi.

Sel beradaptasi dengan perubahan di lingkungan internal, sama seperti organisme secara keseluruhan beradaptasi dengan perubahan di lingkungan eksternal. Sel dapat beradaptasi dengan mengalami perubahan ukuran, jumlah, dan jenis. 

Perubahan ini, terjadi secara tunggal atau kombinasi, dapat berbentuk atrofi, hipertrofi, hiperplasia, metaplasia, dan displasia. Respon seluler adaptif juga mencakup akumulasi intraseluler dan penyimpanan produk dalam jumlah yang tidak normal.

Atrofi

Ketika dihadapkan dengan kondisi lingkungan yang merugikan atau penurunan fungsi, sebagian besar sel dapat berubah ke ukuran yang lebih kecil dan lebih efisien untuk menjaga kelangsungan hidup.

Penurunan ukuran sel ini disebut atrofi. Sel yang mengalami atrofi mengurangi konsumsi oksigen dan fungsi seluler lainnya dengan mengurangi jumlah dan ukuran organel serta struktur lainnya. Mengurangi mitokondria, miofilamen, dan struktur retikulum endoplasma. 

Ukuran sel, terutama pada jaringan otot, berhubungan dengan beban kerja. Saat beban kerja sel menurun, konsumsi oksigen, glukosa dan sintesis protein menurun. Selanjutnya, terjadi atrofi otot akibat proses sintetik yang berkurang, peningkatan proteolisis oleh sistem ubiquitin-proteasome, dan apoptosis. 

Penyebab umum atrofi dapat dikelompokkan menjadi lima kategori yaitu: Tidak digunakan, denervasi, hilangnya stimulasi endokrin, nutrisi yang tidak memadai, dan iskemia atau penurunan aliran darah. 

Atrofi karena kurangnya penggunaan otot terjadi ketika adanya imobilitas atau kurangnya pergerakan pada otot tertentu oleh berbagai sebab. Contohnya adalah atrofi disuse terlihat pada otot-otot ekstremitas yang telah terbungkus gips. Namun, karena atrofi bersifat adaptif dan reversibel, ukuran otot bisa dipulihkan setelah gips dilepas dan pergerakan otot optimalkan kembali.

Atrofi denervasi adalah bentuk atrofi yang terjadi pada otot tungkai yang lumpuh. Kurangnya stimulasi endokrin menghasilkan suatu bentuk disuse atrophy. Pada wanita, hilangnya stimulasi estrogen selama menopause mengakibatkan perubahan atrofi pada organ reproduksi. 

Hipertrofi

Hipertrofi merupakan peningkatan ukuran sel sehingga terjadi peningkatan jumlah massa jaringan yang berfungsi. Kondisi ini merupakan hasil dari peningkatan beban kerja pada organ atau bagian tubuh. Umumnya terlihat pada jaringan otot jantung dan rangka yang tidak dapat beradaptasi dengan peningkatan beban kerja melalui pembelahan mitosis dan pembentukan lebih banyak sel. 

Hipertrofi melibatkan peningkatan komponen fungsional sel yang memungkinkannya mencapai keseimbangan antara permintaan dan kapasitas fungsional. Misalnya, saat sel otot mengalami hipertrofi, terjadi penambahan filamen aktin dan miosin, dan peningkatan sintesis  enzim sel dan adenosin trifosfat (ATP).

Hipertrofi dapat terjadi akibat kondisi fisiologis normal atau kondisi patologis abnormal. Peningkatan massa otot yang berhubungan dengan olahraga adalah contoh hipertrofi fisiologis. 

Sedangkan hipertrofi patologis terjadi sebagai akibat dari kondisi penyakit dan mungkin adaptif atau kompensasi. Contoh hipertrofi adaptif adalah penebalan kandung kemih akibat obstruksi aliran keluar urin yang berkepanjangan dan hipertrofi miokard yang diakibatkan oleh penyakit katup jantung atau hipertensi. 

Hipertrofi kompensasi adalah pembesaran organ atau jaringan yang tersisa setelah sebagian diangkat atau dibuat tidak aktif melalui pembedahan. Misalnya, jika satu ginjal diangkat, ginjal yang tersisa akan membesar untuk mengkompensasi kehilangan tersebut.

Sinyal awal untuk hipertrofi tampak kompleks dan berhubungan dengan deplesi ATP, gaya mekanis seperti peregangan serat otot, aktivasi produk degradasi sel, dan faktor hormonal.

Dalam kasus jantung, sinyal pemicu dapat dibagi menjadi dua kategori besar, yaitu mekanisme biomekanik dan mekanisme neurohumoral dengan pelepasan hormon, faktor pertumbuhan, sitokin, dan kemokin.

Pada mekanisme biomekanik, reseptor peka regangan internal untuk sinyal biokimia dan susunan reseptor terikat membran untuk ligan neurohumoral spesifik, seperti IGF-1 dan faktor pertumbuhan epidermal (EGF), mengaktifkan jalur transduksi sinyal spesifik. 

Jalur ini mengontrol pertumbuhan miokard dengan mengubah ekspresi gen untuk meningkatkan sintesis protein dan mengurangi degradasi protein, sehingga menyebabkan pembesaran hipertrofi. 

Sebuah batas akhirnya tercapai di mana pembesaran lebih lanjut dari massa jaringan tidak dapat lagi mengimbangi tuntutan kerja yang meningkat. Faktor pembatas untuk hipertrofi lanjutan mungkin terkait dengan keterbatasan aliran darah. 

Contohnya pada hipertensi, peningkatan beban kerja yang dibutuhkan untuk memompa darah melawan peningkatan tekanan arteri menyebabkan peningkatan progresif massa otot ventrikel kiri dan kebutuhan aliran darah koroner.

Hiperplasia

Hiperplasia adalah peningkatan  jumlah  sel  dalam suatu  organ atau  jaringan.  Hiperplasia  terjadi pada jaringan dengan sel yang mampu membelah secara mitosis, seperti epidermis,  epitel usus, dan jaringan kelenjar.  

Terdapat bukti bahwa hiperplasia melibatkan aktivasi gen yang mengontrol proliferasi sel  dan adanya pembawa pesan intraseluler yang mengontrol replikasi dan pertumbuhan sel.  

Seperti halnya respons seluler adaptif normal lainnya, hiperplasia adalah proses terkontrol yang terjadi sebagai respons terhadap stimulus tertentu dan berhenti setelah stimulus tersebut dihilangkan.

Stimulus yang menginduksi hiperplasia bisa bersifat fisiologis atau non fisiologis. Terdapat dua jenis hiperplasia fisiologis yang umum terjadi yaitu hormonal dan kompensasi.

Pembesaran payudara dan rahim selama kehamilan adalah contoh hiperplasia fisiologis yang dihasilkan dari stimulasi estrogen. Regenerasi hati yang terjadi setelah hepatektomi parsial (pengangkatan sebagian hati) adalah contoh hiperplasia kompensasi. 

Hiperplasia juga merupakan respon penting dari jaringan ikat dalam penyembuhan luka, selama proliferasi fibroblas dan pembuluh darah yang berkontribusi pada perbaikan luka.

Meskipun hipertrofi dan hiperplasia adalah dua proses yang berbeda, keduanya dapat terjadi bersamaan dan seringkali dipicu oleh mekanisme yang sama. Sebagai contoh, rahim yang hamil mengalami hipertrofi dan hiperplasia akibat stimulasi estrogen.

Sebagian besar bentuk hiperplasia non fisiologis disebabkan oleh stimulasi hormonal yang berlebihan atau efek dari faktor pertumbuhan pada jaringan tertentu. Produksi estrogen yang berlebihan dapat menyebabkan hiperplasia endometrium dan perdarahan menstruasi yang tidak normal. 

Hiperplasia prostat jinak (BPH) merupakan kelainan umum pada pria berusia lebih dari 50 tahun yang diduga terkait dengan aksi hormon androgen. Kutil kulit adalah contoh hiperplasia yang disebabkan oleh faktor pertumbuhan yang dihasilkan oleh virus tertentu seperti virus papiloma.

Metaplasia

Metaplasia adalah perubahan reversibel di mana satu jenis sel dewasa (epitel atau mesenkimal) digantikan oleh jenis sel dewasa lainnya. Metaplasia dianggap melibatkan pemrograman ulang sel punca yang tidak berdiferensiasi yang ada dalam jaringan yang mengalami perubahan metaplastik.

Metaplasia biasanya terjadi sebagai respons terhadap iritasi dan peradangan kronis dan memungkinkan penggantian sel yang lebih mampu bertahan dalam keadaan di mana jenis sel yang lebih rapuh mungkin bisa mati. 

Namun, konversi jenis sel tidak pernah melewati batas jenis jaringan primer, dimana satu jenis sel epitel dapat diubah menjadi jenis lain dari sel epitel tetapi tidak menjadi sel jaringan ikat. Contoh metaplasia adalah substitusi adaptif sel epitel skuamosa bertingkat untuk sel epitel kolumnar bersilia di trakea dan bronkus perokok. 

Meskipun epitel skuamosa lebih mampu bertahan dalam situasi ini, fungsi pelindung yang disediakan oleh epitel bersilia untuk saluran pernapasan akan hilang. Selain itu, paparan terus-menerus terhadap faktor menyebabkan metaplasia dapat menjadi predisposisi transformasi kanker dari epitel metaplastik.

Displasia

Displasia adalah pertumbuhan sel yang tidak normal dari jaringan tertentu yang menghasilkan sel yang bervariasi dalam ukuran, bentuk, dan organisasi. Pada derajat dan area kecil displasia dikaitkan dengan iritasi atau peradangan kronis. 

Displasia paling sering ditemui di daerah epitel skuamosa metaplastik saluran pernapasan dan serviks uteri. Meskipun bersifat tidak normal, displasia bersifat adaptif karena berpotensi reversibel setelah penyebab iritasi dihilangkan. 

Displasia sangat berimplikasi sebagai prekursor kanker. Pada kanker saluran pernapasan dan serviks uteri, perubahan displastik ditemukan berdekatan dengan fokus transformasi kanker. Melalui penggunaan Papanicolaou (Pap) smear, telah didokumentasikan bahwa kanker serviks uteri berkembang dalam serangkaian perubahan epitel mulai dari displasia parah hingga kanker invasif.

Namun, displasia adalah proses adaptif dan karena itu tidak selalu menyebabkan kanker. Dalam banyak kasus, sel-sel displastik bisa kembali ke struktur dan fungsi sebelumnya.

Akumulasi Intraseluler

Akumulasi intraseluler adalah penumpukan zat yang tidak dapat segera digunakan atau dihilangkan oleh sel. Substansi dapat menumpuk pada sitoplasma terutama di lisosom atau di nukleus. 

Dalam beberapa kasus, akumulasi mungkin merupakan zat abnormal yang diproduksi sel, dan dalam kasus lain sel mungkin menyimpan bahan eksogen atau produk dari proses patologis yang terjadi di tempat lain di tubuh.

Zat-zat ini dapat dikelompokkan ke dalam tiga kategori yaitu: 

• Zat tubuh normal, seperti lipid, protein, karbohidrat, melanin, dan bilirubin, yang terdapat dalam jumlah besar yang tidak normal

• Produk endogen abnormal, seperti yang dihasilkan dari kesalahan metabolisme bawaan

• Produk eksogen, seperti agen lingkungan dan pigmen yang tidak dapat diuraikan oleh sel. Zat ini dapat terakumulasi secara sementara atau permanen, dan mungkin tidak berbahaya atau dalam dalam beberapa kasus bersifat beracun.

Akumulasi konstituen seluler normal terjadi ketika suatu zat diproduksi pada tingkat yang melebihi metabolisme atau pembuangannya. Contoh dari jenis proses ini adalah perubahan lemak di hati karena akumulasi trigliserida intraseluler. 

Sel-sel hati biasanya mengandung beberapa lemak yang dioksidasi dan digunakan untuk energi atau diubah menjadi trigliserida. Lemak ini berasal dari asam lemak bebas yang dikeluarkan dari jaringan adiposa. Akumulasi abnormal terjadi ketika pengiriman asam lemak bebas ke hati meningkat, seperti pada kondisi kelaparan dan diabetes mellitus, atau ketika metabolisme lipid intrahepatik terganggu, seperti pada alkoholisme.

Akumulasi intraseluler dapat terjadi akibat kelainan genetik yang mengganggu metabolisme zat-zat tertentu. Enzim normal dapat diganti dengan yang abnormal, menghasilkan pembentukan zat yang tidak dapat digunakan atau dihilangkan dari sel, atau enzim mungkin hilang, sehingga produk menumpuk di dalam sel. 

Setidaknya ada 10 kelainan genetik yang mempengaruhi metabolisme glikogen, yang sebagian besar menyebabkan akumulasi simpanan glikogen intraseluler. Dalam bentuk yang paling umum dari kelainan ini adalah penyakit von Gierke, dimana sejumlah besar glikogen menumpuk di hati dan ginjal karena kekurangan enzim glukosa-6- fosfatase. Tanpa enzim ini, glikogen tidak dapat dipecah menjadi glukosa.Gangguan tersebut menyebabkan tidak hanya akumulasi glikogen tetapi juga penurunan kadar glukosa darah. 

Pada penyakit kelainan genetik lain seperti penyakit Tay-Sachs, lipid abnormal menumpuk di otak dan jaringan lain, menyebabkan kemunduran motorik dan mental yang dimulai sekitar usia 6 bulan, diikuti kematian pada usia 2 hingga 5 tahun. Dengan cara yang sama, cacat enzim lainnya menyebabkan akumulasi zat lain.

Signifikansi akumulasi intraseluler tergantung pada penyebab dan tingkat keparahan kondisi. Berbagai jenis akumulasi seperti lipofuscin dan perubahan lemak ringan, tidak berpengaruh pada fungsi sel. Beberapa kondisi, seperti hiperbilirubinemia yang menyebabkan penyakit kuning, bersifat reversibel. 

Kalsifikasi

Kalsifikasi patologis adalah deposisi garam kalsium yang abnormal, bersama dengan sejumlah kecil zat besi, magnesium, dan mineral lainnya. Kondisi Ini dikenal sebagai kalsifikasi distrofik ketika terjadi pada jaringan mati dan dikenal sebagai kalsifikasi metastatik ketika terjadi pada jaringan normal.

Kalsifikasi Distrofik

Kalsifikasi distrofik merupakan pengendapan makroskopik garam kalsium pada jaringan yang mengalami cedera. Hal ini sering terlihat berupa endapan seperti butiran pasir hingga material batuan yang keras. 

Patogenesis kalsifikasi distrofik melibatkan pembentukan kalsium fosfat intraseluler atau ekstraseluler. Komponen endapan kalsium berasal dari badan sel  yang mati serta dari sirkulasi dan cairan interstitial.

Kalsifikasi distrofik biasanya terlihat pada lesi atheromatous dari aterosklerosis lanjut, area cedera di aorta dan pembuluh darah besar, dan katup jantung yang rusak. Meskipun adanya kalsifikasi mungkin hanya menunjukkan adanya cedera sel sebelumnya, seperti pada lesi tuberkulosis yang telah sembuh, hal ini juga sering menjadi penyebab disfungsi organ. Sebagai contoh, kalsifikasi katup aorta sering menjadi penyebab stenosis aorta pada manula. 

Kalsifikasi Metastatik

Berbeda dengan kalsifikasi distrofik, yang terjadi pada jaringan yang terluka, kalsifikasi metastatik terjadi pada jaringan normal akibat peningkatan kadar kalsium serum (hiperkalsemia).

Hampir setiap kondisi yang meningkatkan kadar kalsium serum dapat menyebabkan kalsifikasi pada tempat yang tidak seharusnya seperti paru-paru, tubulus ginjal, dan pembuluh darah. 

Penyebab utama hiperkalsemia adalah hiperparatiroidisme, baik primer atau sekunder akibat retensi fosfat pada gagal ginjal, peningkatan mobilisasi kalsium dari tulang seperti pada penyakit Paget, kanker dengan lesi tulang metastatik atau imobilisasi, dan keracunan vitamin D.

Kesimpulan

Sel beradaptasi terhadap perubahan lingkungan dan beban kerja fisiologis mereka dengan mengubah ukuran, jumlah, dan karakteristiknya. Perubahan adaptif ini konsisten dengan kebutuhan sel dan terjadi sebagai respons terhadap stimulus yang terjadi. Perubahan sel biasanya hilang setelah stimulus dihilangkan.

Ketika dihadapkan dengan penurunan beban kerja atau kondisi lingkungan yang merugikan, sel mengalami atrofi atau mengecil ukurannya dan kembali ke tingkat fungsi yang lebih rendah dan lebih efisien. 

Hipertrofi dihasilkan dari peningkatan beban kerja dan ditandai dengan peningkatan ukuran jaringan yang disebabkan oleh peningkatan ukuran sel dan komponen intraseluler fungsional. 

Peningkatan jumlah sel dalam suatu organ atau jaringan yang masih mampu melakukan pembelahan mitosis disebut hiperplasia. 

Metaplasia terjadi sebagai respons terhadap iritasi kronis dan merupakan substitusi sel dari jenis yang lebih mampu bertahan dalam keadaan di mana jenis sel yang lebih rapuh mungkin mati. 

Displasia ditandai dengan pertumbuhan sel yang tidak normal dari jaringan tertentu yang menghasilkan sel-sel yang bervariasi dalam ukuran, bentuk, dan penampilan. Kondisi ini sering merupakan prekursor kanker.

Dalam beberapa keadaan, sel-sel dapat menumpuk berbagai zat dalam jumlah yang tidak normal. Jika akumulasi mencerminkan kelainan sistemik yang dapat diperbaiki, seperti hiperbilirubinemia yang menyebabkan ikterus, akumulasi dapat dihilangkan. Jika gangguan tidak dapat diperbaiki, seperti yang sering terjadi pada banyak kesalahan metabolisme bawaan, sel menjadi kelebihan beban, menyebabkan cedera sel dan kematian.

Kalsifikasi patologis melibatkan deposisi jaringan garam kalsium yang abnormal. Kalsifikasi distrofik terjadi pada jaringan mati atau sekarat. Meskipun adanya kalsifikasi distrofik mungkin hanya menunjukkan adanya cedera sel sebelumnya, hal ini juga sering menjadi penyebab disfungsi organ, misalnya ketika mempengaruhi katup jantung. 

Kalsifikasi metastatik terjadi pada jaringan normal akibat peningkatan kadar kalsium serum. Hampir setiap kondisi yang meningkatkan kadar kalsium serum dapat menyebabkan kalsifikasi pada tempat yang tidak tepat seperti paru-paru, tubulus ginjal, dan pembuluh darah.

Dirangkum dari Buku:  Port C. M & Matfin G. 2009. Pathophysiology: Concepts of Altered Health States. Lippincott Williams & Wilkins.