BDNF and HSP 70 level in csf severe TBI related to cognitive function

ABSTRACT

The changes of BDNF and HSP70 level in cerebrospinal fluid ventricle of severe traumatic brain injury patients related to cognitive function

Fenny L. Yudiarto, Umar Kasan, Judajana, Jan Sudir Purba

Backgrounds:

Mechanical impact and hypoxic ischemic after traumatic brain injury (TBI) can cause some biomolecular and biochemistry changes. Clinically this can be seen as motor weakness, cognitive problems and mental disability.

The neurotrophins (NTs) are growth factors that play critical role in the development, maintenance, survival, and regeneration of the nervous system. Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) is one of the neurotrophin family plays a pivotal function in synaptic and learning plasticity. Ischemia can induce Heat Shock Protein 70 (HSP70) expression that has molecular chaperone function and anti apoptotic function.

Objectives:

The aim of this study is to identify the expression of BDNF and HSP 70 from csf of severe TBI patients at day I-IV, and to know whether the changes of level of those proteins have some implications on cognition outcome or not.

Materials and Methods:

Design of this research is observational analytic using time series study. Samples from cerebrospinal fluid were taken from ventricle of 19 severe TBI patients with Glasgow Coma Scale (GCS) 3-8 (> 14 - <>

We also evaluated the cognitive function with some neuropsychological assessments such as; Mini Mental State Examination (MMSE) for screening of cognitive impairment, Trail Making Test A (TMT-A) to evaluate attention, concentration, visual tracking, and visuomotor (measured on time and errors), TMT-B to evaluate working memory (measured on time and errors), Continuous Performance Test (CPT) and Vigilance Complex Task (VCT) to evaluate attention and concentration, Digit Span (DS) forward to assess the verbal memory, DS backward to assess executive function, and Word Fluency to evaluate the language ability, and recall memory. The first neuropsychological assessments were done on the day when patient can verbal commands, and the second evaluations were 3 months from the first assessments.

Results:

The results showed that all samples distributed in normal curve, there were no significant difference between total BDNF male and female (P=0.924). There was a negative correlation on Pearson between the changes of level HSP70 day II-III and TMT-B (time) (p=0.045), mean the higher changes of the level of HSP70 day II-III patients would finish the test faster. The changes of BDNF level on day I till IV gave negative significant correlation with the TMT-A (error), mean the higher level of the changes of BDNF day I-III(p=0.002), I-IV(p=0.040), II-III(p=0.020), II-IV(p=0.014) gave less errors on TMT-A.

Conclusion:

The changes of level BDNF on day I-III, II-III, I-IV, II-IV, and the changes of HSP70 level on day II-III gave good results on cognitions including attention, concentration, visuomotor speed, visual tracking ability, and working memory. TMT is suitable test to evaluate the cognition of TBI.

Keywords: severe traumatic brain injury, HSP70, BDNF, Cognitive function

Introduction:

Some biomolecular and biochemical pathologic changes on traumatic brain injury (TBI) can cause damage of the cells, which can result in necrosis and apoptosis. Clinically, these can be seen as prolonged disability on both motor functions and cognition. The cognitive sequel will more severe especially on severe TBI, affecting among other things attention, concentration and memory.

The neurotrophins (NTs) are growth factors that play a critical role in the development, maintenance, survival, and death of the nervous system. Brain Derived Neurotrophic factor (BDNF) is one of the neurotrophin family and plays a pivotal function in synaptic and learning plasticity. BDNF activates two different receptors, the Trk family of receptor tyrosine kinases and p75NTR, a member of the TNF receptor superfamily. BDNF can be secreted by neuron and glial cells and is distributed in all brain tissues but in different concentrations. The hippocampus has the highest concentration of BDNF.

Heat Shock Protein 70 (HSP70) is a stress protein that can be produced by neurons and glial cells on stress conditions. It has molecular chaperone and anti apoptotic functions. On ischemic conditions, both BDNF and HSP70 can be expressed in high concentrations.

The aim of this study is to get the profile of BDNF and HSP70 concentration on the first day until the fourth day of severe TBI, and to know whether those profiles have any implications on cognitive outcome. Neuropsychological assessment was done by the researcher and psychologist.

Design of this research is observational analytic using time series study. Results were analyzed by same subject ANOVA, paired t test and Pearson correlation with probability value (p)= 0.05. Samples (cerebrospinal fluid) were taken from ventricle via ICP monitoring of 19 severe TBI patients (13 alive, 6 dead) with Glasgow Coma Scale (GCS) 3-8 (> 14 - < style=""> We measured the BDNF protein with double antibody sandwich anti-immunoglobulin ELISA (Indirect Sandwich ELISA with BDNF reagent produced by Promega) and HSP70 using double antibody sandwich ELISA (reagent of HSP70 made from Stressgen Bioreagent Corp catalog no. EKS-700).

We also evaluated the cognitive function with some neuropsychological assessments such as; Mini Mental State Examination (MMSE) for screening of cognitive impairment, Trail Making Test A (TMT-A) to evaluate attention, concentration, visuotracking, and visuomotor, TMT-B to evaluate working memory, strategic and planning, Continuous Performance Test (CPT) and Vigilance Complex Task (VCT) to evaluate attention and concentration, Digit Span (DS) forward to assess the verbal memory, attention and concentration, DS backward to assess executive function, and Word Fluency to evaluate the language ability, and recall memory. The first neuropsychological assessments were done on the day when patient can communicate (verbal command), on gaining consciousness and the second evaluations were done 3 months from the first assessments.

The results showed:

· All samples distributed in normal curve with sphericity test from Mauchly and with adjustment factor from Huynh-Feldt found that all samples were homogenous, except total BDNF levels on surviving patients on day II were lower than day I (P_1-tailed = 0.009), with day III higher than day II (P_1-tailed = 0.004), day IV higher than day II (P_1-tailed = 0.028) and day IV lower than day III (P_1-tailed = 0.000).

· There were no significant differences between total BDNF in men and women (P=0.924).

· These are the profiles of HSP70 and BDNF

• Evaluation of neuropsychological findings showed significant differences on MMSE (P_1-tailed = 0.023), TMT-A (time) (P_1-tailed = 0.021), TMT-B (time) (P_1-tailed = 0.019), TMT-B (error) (P_1-tailed = 0.031), VCT (P_1-tailed = 0.038), CPT (P_1-tailed = 0.029) and word fluency (P_1-tailed = 0.001) between 1^st and 2^nd assessments in severe TBI patients. Patients do better on 2^nd assessment than the 1^st evaluation.
• There was a negative significant correlation on Pearson between the changes of level HSP 70 day II-III and TMT-B (time) (p=0.045). Those results concluded that higher changes of the level of HSP70 day II-III will give a good outcome on cognition including attention, concentration and working memory.
• The correlation between the changes of BDNF level day I-IV and the cognitive evaluation, showed that the changes of BDNF level day I-III, II-III, I-IV, and II-IV gave negative significant correlation with the TMTA (error)_, meaning the higher level of the changes of BDNF day I-III (p=0.002), I-IV (p=0.040), II-III (p=0.020), II-IV (p=0.014) gave less error on TMT-A.
• Correlation between BDNF and HSP70 levels day by day with the neuropsychological evaluation, showed no improvement on cognitive outcome.

The level of HSP70 on surviving patients day III (19.76 ng/ml) was low, but total BDNF on day III was the highest compared with the other days (25.64ng/ml). There was a study showing that the BDNF exogenous with the ras/MAPK signaling can suppress the expression of HSF gene of HSP27. HSP27 also has an anti apoptotic function as inhibition of protein aggregation. This findings need further research to know whether the signaling BDNF endogenous with MAPK can also suppress the HSF gene of HSP70 so HSP70 expression was low.

The profile showed the highest concentration of BDNF was on the 3^rd day both on surviving and dying patients. Studies on animal models showed that the peak of glutamate released was also on the 3^rd day, and activation of NMDA receptor of glutamate can induce the release of BDNF. Astrocytes can also release the BDNF protein on the 3^rd day on ischemic conditions.

Mattson (2000) and Hellmich (2005) mentioned that the increase of HSP70 on the 1^st day followed by the increase of BDNF was the important factor determining whether the subjects can survive. On this study, patients who survived (see the profile on green line) the level of BDNF and HSP70 on the 1^st day had higher levels compared with levels of patients who died.

The expression of HSP70 on day 4 of dying patients was higher than the ones that survived. Ran (2004) said that over expression of HSP70 could not give protection effect but would induce apoptosis by binding with IKKg that can inhibit the release of NF-kB. The protective function of HSP70 depended on the degree and the cause of the damage.

On this study, the researcher used many neuropsychological tests because cognitive function is a complex higher function of the brain, which includes attention, concentration, visuospatial and memory.

The changes of HSP70 level day II-III gave good outcome in cognition. This was due to the expression of HSP70 on the 1^st day that could give the protection effect not only as a molecular chaperone also as an anti apoptotic. But if the stresses are very severe the HSP70 could not compensate for the huge damage to the cells.

The changes of BDNF level day I-III, I-IV, II-III and II-IV, can give good outcome on cognition. But the correlation day by day of BDNF gave the reverse. These findings can be explained that BDNF on this study was measured by ELISA which can not differentiate between proBDNF (immature type) and mature BDNF.

Beattie(2002) and Harrington (2004) mentioned that proBDNF would be released in big amounts on spinal cord and brain injury. ProBDNF has high affinity to p75 receptor that will induce apoptosis of the cells; this is opposite to the survival effect of mature BDNF. Lu (2005) mentioned the ‘yin and yang effect’ of this phenomenon of BDNF.

ProBDNF can have extracellular cleavage to the mature one by plasmin and matrix metallo protein 7 (MMP7). The findings on this study could be explained that at the beginning proBDNF might have a dominant role but from day I until day IV there would be a shift to the function of mature BDNF as a survival agent, after the release of plasmin/MMP7

On this study, the researcher had not compared cognition and the location of the injury showed by CT scan. This was because the previous study from Hellmich et al (2005), where he used fluid percussion injury on mice, showed that the pro apoptotic gene could be found on both ipsilateral and contralateral sides of the lesion and also on CA1, and CA3 of the hippocampus. Gusev (2003) mentioned that the hippocampus is a part of the brain which has a lot of NMDA receptors, so can be easily damaged by glutamate toxicity.

This research is a preliminary study on human brain to make the connection between biomolecular changes with the clinical outcome on cognition. Severe TBI has a multifactorial response like immunological, endocrinological and neurotransmitter interventions, and all of these are interconnected in the body. So the prediction of outcome could not be based on day by day evaluation but what was important was the fluctuation of the levels of BNDF and HSP70 on the csf in the ventricles.

Conclusion: The fluctuation of BDNF levels on day I-III, I-IV, II-III and II-IV gave good correlation on attention and concentration, and the HSP70 level changes in day II-III gave significant correlation on attention, concentration, visuomotor speed and visual tracking ability, and working memory. Trail Making Test (A and B) could be used as a test to evaluate the cognitive function of TBI. Better intellectual functions of patients post TBI could give better quality of life.

Stress dan adaptasi otak

STRES dan ADAPTASI OTAK

Fenny L. Yudiarto

Abstract.

Stressors will trigger physiological and behavioral responses, have profound effects on brain structure and function. Activation of HPA axis stimulate the release of adrenal corticosteroid hormones that bind to two types of receptors which act as transcriptional regulators, and have a function on controlling neuronal network and behavioral adaptation.

Genetic background and priming life experiences have a role on a coping mechanism of stress.

Keywords: Stress, HPA axis, adaptation

Pendahuluan.

Setiap individu mempunyai persepsi dan respons yang berbeda terhadap suatu rangsang atau stresor. Stresor bisa memicu seseorang untuk lebih maju, di tingkat biomolekuler bahkan dapat merangsang neurogenesis. Di lain pihak, stresor dapat mengakibatkan seseorang patah semangat bahkan bunuh diri, di tingkat seluler dapat ditemukan kematian sel atau apoptosis. Sering kali istilah stres dikonotasikan ke hal yang negatif, padahal tidak selalu demikian.

Pada setiap organisme hidup terdapat suatu keseimbangan yang dinamik yang disebut sebagai homeostasis. Stresor akan marangsang reaksi di otak yang disebut sebagai persepsi stres, yang kemudian akan mengaktifkan perubahan sistem fisiologik pada tubuh yang disebut sebagai respons stres (Dhabhar,1999). Proses yang mendasari respons stres ini dikenal dengan nama allostasis (McEwen.,1998). Stresor akan memicu suatu kaskade peristiwa di otak dan sistem perifer yang menyebabkan individu mampu melakukan mekanisme coping atau adaptasi terhadap stresor tersebut .

Beberapa studi telah membuktikan bahwa stresor adalah suatu modulator yang poten di otak dan berguna untuk fungsi kognisi. Pada saat belajar maka aktivasi stres fisiologis dapat merangsang konsolidasi memori. Di lain pihak, stresor kronis dapat mengakibatkan gangguan siklus sirkadian, gangguan hormonal, dan penurunan fungsi kognisi. Stresor dan kesehatan mempunyai hubungan bi-direktional, yang dipengaruhi oleh intensitas, lama dan frekuensi paparan stresor serta mekanisme coping otak.

Stres dan tahapannya

Menurut Hans Selye stres terbagi menjadi dua secara makro yaitu :

- Fisiologik (= Eustress), misalnya saat bayi dilahirkan, pubertas, kehamilan dan pesalinan dll.

- Patologik (= Distress), stres yang terjadi pada kehidupan sehari-hari (‘real-life stres’) misalnya terpapar sinar ultra violet dalam waktu lama, infeksi, beberapa sosial stres (kehilangan pekerjaan, PHK, kehilangan rumah dll) dan personal stres (kematian pasangan hidup, perceraian, kematian anak dll)

HIPOTALAMUS-PITUITARI-ADRENOKORTIKAL aksis (HPA aksis)

Perubahan biomolekuler terhadap stres akut berbeda dengan kronik stres. Pada akut stres (menit-jam), sistem simpatik (terutama noradrenergik) akan teraktivasi, kondisi ini terjadi pada stres psikologik ringan atau selama latihan fisik tertentu. Sebaliknya pada kronik stres (hari-bulan) yaitu pada stres psikologik berat, stres fisik berat, maka akan mengaktivasi sistem HPA aksis yang nantinya akan mengakibatkan gangguan pada sistem imunologis dan gangguan pada proses plastisitas (Dhabhar et al., 1997).

Dengan adanya suatu rangsangan berupa stres maka akan mengaktifkan HPA aksis yaitu dengan dikeluarkan corticotropin-releasing hormon (CRH) dan vasopresin (AVP) oleh nukleus paraventrikular dari hipotalamus, kemudian akan merangsang produksi dari adrenocorticotropik hormon (ACTH) oleh kelenjar pituitari anterior. ACTH ini akan merangsang sintesis dari glukokortikoid dari kelenjar adrenal korteks (pada manusia kortisol, pada hewan seperti tikus dan ayam). Pengaturan kontrol HPA aksis yang seimbang sangatlah penting untuk survival sel dan kesehatan. Ini dilakukan dengan adanya mekanisme feedback dari glukokortikoid pada kelenjar pituitari maupun pada beberapa tempat di otak termasuk pada hipokampus (De Kloet et al.,1998). Sebaliknya semua input dari amigdala akan mengaktifkan HPA aksis (Herman et al., 2003).

Stres dapat mengakibatkan perubahan molekular dan selular di dalam otak, Hal ini terutama melalui 2 reseptor yaitu reseptor mineralocorticoid (MR) dan glucocorticoid (GR). Pada stres yang singkat maka MR akan terangsang lebih dahulu (Karst et al., 2005), sedangkan untuk kronik stres maka GR yang berperan. Aktivasi dari GR ini melalui 2 mekanisme independen yang dapat menghasilkan suatu protein yaitu mekanisme langsung dimana GR dengan DNA spesifik sequences pada regio promoternya dan interaksi dengan beberapa faktor transkripsi seperti c-Jun, API, NF-kB, STAT 5, CREB (Sandi.et al.,2004)

Peran adrenal steroid pada hipokampus

MR disebut pula sebagai tipe I dari reseptor kortikosteroid, sedangkan GR merupakan tipe II dari reseptor kortikosteroid. Tipe I terdistribusi tidak merata, terutama terdapat di daerah sistem limbik, sedangkan tipe II terdistribusi sangat luas di otak, yaitu di daerah para ventrikel, limbik, korteks serebral dan batang otak (Reul, 1985).

Pada sistem limbik terdapat baik reseptor I dan II dari kortikosteroid. Sistem limbik ini meliputi beberapa area yaitu hipokampus, girus parahipokampal, korteks entorinal dan insular, amigdala, nukleus septal, hipotalamus, anterior talamus, nukleus akumbens serta korteks cingulatus. Sistem ini juga mempunyai interkoneksi yang luas dengan beberapa area yaitu lobus temporal media, diencephalon, subkorteks dari forebrain, dan regio septal dari lobus frantalis. Jadi sistem limbik tersebut menerima input dari sekitarnya baik berupa afektif, kognitif maupun emosional data (Lupien at al., 1997).

Hipokampus adalah organ yang mempunyai ke 2 reseptor baik tipe I dan ke II. Beberapa studi menunjukkan adanya modulasi kortikosteroid terhadap aktivitas hipokampus dalam proses belajar dan memori. Diamond dkk (1994) menyebutkan bahwa tipe I mempunyai efek dalam merangsang peningkatan LTP (Long-term Potentiation) berarti terdapat neurite outgrowth, sedangkan rangsangan dari tipe II justru didapatkan LTD (Long-term Depression) atau penurunan LTP, dengan dikeluarkannya beberapa neurotransmiter yang berakibat buruk pada hipokampus (Diamond et al., 1994). Aktivasi kortikosteroid terhadap fungsi kognisi berupa dose, time dan reseptor-dependent (Lupien et al., 1997).

Aktivasi dari tipe 2 akan mengakibatkan peningkatan Ca current yang kemudian akan merangsang N-methyl D-aspartate (NMDA) reseptor dari glutamat pada neuron hipokampus tapi tidak pada daerah kortek (Weiland et al., 1995), juga merangsang dikeluarkannya beberapa asam amino serta serotonin oleh neuron di hipokampus (DeKloet et al., 1998). Serotonin juga akan dilepaskan oleh rangsangan dari stres itu sendiri yang nantinya dapat berinteraksi dengan NMDA-R dari glutamat melalui 5-HT₂ reseptor (Rahmann et al., 1993).

Area CA3 di hipokampus merupakan subregio yang sensitif terhadap rangsang kronik stres, selain itu kerusakan cabang-cabang dendrit juga dapat ditemukan di daerah CA1 (Sousa et al., 2000), amigdala (Vyas et al., 2002) serta korteks prefrontal (Wellman., 2001).

Adrenal steroid ikut berperan dalam 3 tipe plastisitas pada hipokampus, yaitu:

1. Berperan dalam LTP dan LTD, ini adalah efek biphasic pada eksitabilitas, kognisi dan memori pada ritmik diurnal dan setelah stres tipe acute non-painful (Diamond et al 1996).
2. Berparitisipasi dalam neurogenesis di girus dentatus dengan eksitabilitas asam amino. Pada keadaan akut stres dapat menghambat neurogenesis yang berlangsung (Galea et al 1996), terutama menyangkut fear-related learning and memory karena secara anatomi dan fungsional terdapat hubungan antara amigdala dan girus dentatus (Ikegaya et al., 1997).
3. Partisipasi pada stress-induced atrophy pada girus dentatus dan regio CA3 pada hipokampus yang berakibat penurunan fungsi memori (McEwen., 1999).

Stres akan mempengaruhi baik fungsi maupun struktur hipokampus, beberapa studi menunjukkan korelasi ke duanya, sebagai contoh stres dapat mengakibatkan demensia (Kaplan et al., 2001), depresi ataupun skizofrenia (Heim et al., 2004). Stres pada saat prenatal dapat menyebabkan pengecilan ukuran pada hipokampus yang nantinya mengakibatkan penurunan fungsi kognisi (Kim et al., 2002). Akibat stres baik akut atau kronik akan mengaktivasi beberapa gen yaitu CREB dan Fos yang menyebabkan terjadinya perubahan tingkah laku dan memori (Blank et al., 2004, Chen et al., 2006).

Rangsangan HPA aksis dengan dilepaskannya adrenal steroid akan berperan dalam plastisitas di hipokampus melalui NMDA dan beberapa asam amino, di saat yang sama juga dapat menimbulkan efek destruksi sehingga berakibat penurunan fungsi kognisi.

Glucocorticoid, CAMs dan Faktor Neurotropik

Stresor mempunyai dampak di tingkat biomolekuler, serta dapat mengakibatkan gangguan aktivitas neuronal, yaitu dengan ditemukannya ekspresi neuronal cell adhesion molecules (NCAM) yang berperan dalam formasi sinaps dan stabilisasi transmisi sinaps (Kiss, 2001).

Ekspresi kronik glucocorticoid akan mengakibatkan perubahan kadar CAM pada beberapa area di otak. Hal ini disebabkan karena adrenosteroid mempunyai efek langsung terhadap transkripsi gen dari CAM, yaitu dengan melakukan interaksi bersama dua faktor transkripsi yaitu nuclear factor-kB atau NF-kB dan activator protein-1 atau AP-1 (Vreugdenhil, 2001). Penelitian Datson (2001) menggunakan teknik Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) menemukan bahwa NCAM-140 tersupresi oleh reseptor glucocorticoid (GR) tetapi tidak oleh reseptor mineralocorticoid (MR)

Rangsangan Glucocorticoid pada kondisi stres kronis akan mengakibatkan peningkatan ekspresi dari NMDA reseptor dari glutamat, disertai penurunan respons AMPA reseptor di hipokampus (Bartanusz, 1995). NMDA akan mengaktivasi NCAM-140, sedangkan AMPA akan merangsang NCAM-180 tetapi bukan NCAM-140, NCAM-140 isoform yang mempunyai peran dalam stabilisasi sinaps.(Touyarot, 2002). Jadi setiap isoform dari NCAM mempunyai efek yang berbeda.

Rangsangan glucocorticoid akan menurunkan kadar brain derived neurotrophic factor (BDNF) (Smith et al., 1995) dan sebaliknya terjadi peningkatan ekspresi fibroblast growth factor-2 (FGF-2). Hal ini diduga merupakan mekanisme neuroprotektif. FGF reseptor mempunyai efek interaksi secara langsung ke NCAM-140 yang penting untuk neurite outgrowth (Niethammer, 2002). NCAM-140 juga mempunyai fungsi sebagai reseptor dari glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) yang mempunyai peran penting dalam perkembangan akson di hipokampus (Paratcha, 2003). Beberapa studi menunjukkan bahwa pada kondisi distress juga akan mempengaruhi intracellular tranduction pathway dari neurotrophin, yaitu kaskade dari Ras-mitogen acctivated protein kinase (MAPK), yang berperan penting dalam sinaptik plastisitas dan ketahanan neuronal (Meller, 2003). Stimulasi GR yang berlebihan akan mengakibatkan defisit energi dari hipokampus berupa penurunan ATP sehingga aktivitas proteolitik dari NCAM meningkat serta penurunan ikatan membran dari NCAM (Skladchikova, 1999). Jadi kondisi distress yang berkepanjangan dapat mengakibatkan penurunan biosintesis NCAM disertai peningkatan katalisis.

Peran Adaptasi Otak

Dengan adanya suatu stres, maka otak akan memberikan 2 macam bentuk respon, yaitu respon cepat dan lambat. Respon cepat dari otak berupa pelepasan corticotropin-releasing hormone (CRH) yang merupakan motor sistem simpatik melalui CRH-1 reseptor (CRHR1) yang akan mengakibatkan respon fight-flight. CRHR1 akan merangsang HPA aksis yang nantinya akan menghasilkan mineralocorticoid. Sedangkan pada respon lambat ini dapat terjadi mekanisme koping dan adaptasi melalui perangsangan CRHR2, yang nantinya akn merangsang pelepasan glucocorticoid (Heinrichs et al., 2004) (Gambar.3).

Corticosteroid mempunyai binary action terhadap suatu stres yaitu respon akut dan respon recovery atau adaptasi. Akibat dari stres maka baik MR maupun GR akan menyebabkan ekspresi 70-100 gen di hipokampus antara lain: biogenik amine, neuropeptide (Sabban et al., 2001), neurotrophic factor atau growth factor (Schaaf et al 1997), dan CAMs (Sandi et al., 2004) yang nantinya akan mengakibatkan perubahan baik pada tingkat molekular, selular dan behavioral .

Kortikosteroid mempunyai sifat sebagai pleiotropic agents, mempunyai efek sebagai hormon yang dapat mengatur transkripsi beberapa gen. Beberapa protein dan neurotransmiter diantaranya voltage gated ion-channel, G protein-couple receptor, serta serotonin 5-HT reseptor, kadarnya terpengaruh akibat rangsangan corticosteroid dan stres. Meskipun bersifat pleiotropic, steroid tidak mempengaruhi seluruh tingkat seluler, misalnya: meskipun L-type Ca²⁺ channel sangat terpengaruh akan tetapi potassium dan sodium channel kurang terpengaruh (de Kloet et al., 2005).

Gagalnya mekanisme koping

Respon dari suatu stres dipengaruhi oleh predisposisi genetik dan juga pengalaman sebelumnya terutama pada saat usia muda, hal ini merupakan seleksi genetik dimana terdapat dysregulasi dari HPA dan sistem biogenic amine pada individu tertentu (Veenema et al., 2203, Degen et al., 2004) .

Beberapa studi menunjukkan bahwa adanya korelasi antara disregulasi HPA aksis dengan risiko terjadinya depresi, meskipun sering kali tidak ditemukan hiperkortisolemia pada pemeriksaan basal cortisol level, akan tetapi pada pemeriksaan cortisol urine per hari terlihat peningkatan yang jelas (de Kloet et al., 2005).

Gangguan pada aksis HPA juga merupakan risiko untuk terjadi relaps pada pasien depresi (Zobel, 2001). Penelitian pada individu yang sehat menunjukkan bahwa perubahan yang subtle dari fungsi aksis HPA merupakan suatu pertanda untuk terjadinya suatu depresi atau penyakit lain akibat distress (Sullivan, 2000).

Kesimpulan

Kortikosteroid merupakan mediator penting dalam respon terhadap stres. Ke dua resptornya yaitu MR dan GR, mempunyai fungsi yang sangat kompleks, yang dapat mengakibatkan perubahan baik di tingkat molekuler, seluler maupun tingkah laku.

Adanya perubahan yang sangat kecil pada fungsi HPA aksis dapat mengakibatkan gangguan pada mood dan tingkah laku. Hal ini disebabkan karena adanya interaksi antara hipokampus, korteks pre-frontal dan amigdala dengan HPA aksis.

Profil genetik, kepribadian dan pengalaman masa kecil berperan pada mekanisme koping individu terhadap stres.

DAFTAR PUSTAKA

Bartanusz V, Aubry JM, Pagliusi S, Jezova D, Baffi J, Kiss JZ, 1995. Stress-induced changes in messenger RNA levels of NMDA and AMPA receptor subunits in selected regions of the rat hippokampus and hypothalamus. Neuroscience 66: 247-52.

Blank T, Nijholt I, Spiess J, 2004. Molecular determinants mediating effects of acute stress on hippocampus-dependent synaptic plasticity and learning. Mol. Neurobiol. 29:131-8

Chen Y, Fenoglio KA, Dube CM, Grigoriadis DE, Baram TZ, 2006. Cellular and molecular mechanism of hippocampus activation by actue stress are age-dependent. Mol. Psychiatry 11:992-1002.

Cohen S, Frank E, Doyle WJ, Skoner DP, Rabin BS et al, 1998. Types of stressor that increase susceptibility to the common cold in healthy adults. Health Psychology 17:214-223.

Datson NA, van der Perk J, de Kloet ER, Vaugdenhil E, 2001. Identification of corticosteroid responsive genes in rat hippocampus using serial analysis of gene expression. Eur. J. Neurosci 14: 675-89.

Degen SB, Verheij MM, Cools AR, 2004. Genetic background, nature of event, and time of exposure to event direct the phenotype expression of a particular genotype. A study with apomorphine-susceptible wister rats. Behav. Brain Res. 154: 107-12.

de Kloet ER, Vreugdenhil E, Oitzl MS, Joeis M, 1998. Brain corticosteroid receptor balance in health and disease. Endocr. Rev 19:269-301.

de Kloet ER, Joels M, Holsboer F, 2005. Stress and the brain: from adaptation to disease. Nature Rev Neurosci. 6(6): 463-75.

Diamond DM, Fleshner M, Rose GM, 1994. Psychological stress repeatedly blocks hippocampal primed burst potentiation in behaving rats. Behav Brain Res 62:1-9.

Diamond DM, Fleshner M, Ingersoll N, ose GM, 1996. Psychological stress impairs spatial working memory: relevance to electrophysiological studies of hippocampal function. Behav Brain Res 62:1-9

Dhabhar FS, McEwen BS, 1997. Acute stress enhances while chronic stress suppresses immune function in vivo. A Potential role for leukocyte trafficking. Brain, Behavior & Immunity 11:286-306

Dhabhar FS, McEwen BS, 1999. Enhancing versus suppressive effects of stress hormones on skin immune function. Proceeding of the National Academy of Sciences USA, 96:1059-64.

Galea LAM, Tanapat P, Gauld E,1996. Exposure to predator odor suppresses cell proliferation in the dantate gyrus of adult rats via a cholinergic mechanism. Soc. Neurosci 22:1196 (abstract).

Heim C, Plotsky PM, Nemeroff CB, 2004. Importance of studying the constribution of early adverse experience to neurobiological findings in depression. Neuropsychopharmacology 29:641-8.

Heinrichs SC, Koob GF, 2004. Corticotrophin-releasing factor in brain: a role in activation, atousal, and affect regulation. J. Pharmacol. Exp. Ther 311:427-40.

Herman JP et al, 2003. Central mechanism of stress integration: hierarchical circuitry controlling Hypothalamo-Pituitary-Adrenocortical responsiveness. Front Neuroendocrinol 24: 151-80.

Ikegaya Y, Saito H, Abe K, 1997. The basomedial and basolateral amygdaloid nuclei contribute to the induction of LTP in the dentate gyrus in vivo. Eur. J. Neurosci. 8:1833-9.

Kaplan Z, Iancu I, Bodner E, 2001. A review of psychological debriefing after extreme stress. Psychiatr. Serv. 52:824-7.

Karst H, Berger S, Turiault M, Tronche F, Schultz G, Joels M, 2005. Mineralocorticoid receptors are indispensable for non genomic modulation of hippocampal glutamate transmission by corticosterone. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102: 19204-7.

Kim J, Diamond D, 2002. the stressed hippocampus, synaptic plasticity and lost memories. Nat. Rev. Neurosci. 3:453-62.

Kiss JZ, Troncoso E, Djebbara Z, Vutskits L, Muller D, 2001. The role of neural cell adhesion molecules in plasticity and repair. Brain Res Rev 36: 175-84.

Lupien SJ, McEwen BS, 1997. The acute effects of corticosteroid on cognition: Integration of animal and human model studies. Brain Res Rev 24:1-27.

Meller E et al, 2003. Region-specific effects of acute and repeated restraint stress on the phosphorilation of the MAPKs. Brain Res. 979:57-64.

McEwen BS, 1998. Protective and damaging effects of stress mediators: allostasis and allotatic load. New England Journal of Medicine 338:171-79.

McEwen BS, 1999. Stress and hippocampal plasticity. Neurosci 22:105-22.

Niethammer P et al., 2002. Cosignaling of NCAM via lipid rafts and the FGF receptor as required for neuritogenesis. J. Cell Biol 157:521-32

Rahmann S, Neumann RS, 1993. Activation of 5-HT2 receptor facilitates depolarization of neocortical neurons by NMDA. Eur .J Pharmacol 231: 347-54.

Paratcha G, Ledda F, Ibanez CF, 2003. The NCAM is an alternative signaling receptor for GDNF family ligands. Cell 113: 867-79.

Sabban EL, Kvetnansky R, 2001. Stress triggered activation of gene expression in catecholaminergic systems: dynamics of transcriptional events. Trends Neurosci 24:91-8

Sandi C., 2004. Stress, cognitive impairment and cell adhesion molecules. Nature Rev Neurosci 5(12):917-31.

Scaaf MJ, Hoetelmans RW, de Kloet ER, Vreugdenhil E, 1997. Corticosterone regulates expression of BDNF and TrkB but not NT-3 and TrkCmRNA in the rat hippocampus. J. Neurosci. Res. 48:334-41.

Scheier MF, Bridges MW, 1995. Person variables and health: personality predisposition and acute psychological states as shared determinants for disease. Psychosomatic Medicine 57:255-68.

Skladchikova G, Ronn LC, Berezin V, Book E, 1999. Extracellular ATP affects neural and NCAM-mediated cell adhesion and neurite outgrowth. J. Neurosci Res 57:207-18

Smith MA, Makino S, Kvetnansky R, Post RM, 1995. Stress and glucocorticoid affect the expression of BDNF and NT-3 mRNAs in the hippocampus. J. Neurosci 15: 1768-77.

Sousa N, Lukoyanov NV, Madeira MD, Almeida OF, Paula-Barbossa MM, 2000. Reorganization of the morphology of hippocampus neurites and synapses after stress-induced damage correlates with behavioral improvement. Neuroscience 97:253-66.

Sullivan PF, Neale MC, Kandler KS, 2000. Genetic epidemiology of major depression: review and meta-analysis. Am. J. Psychiatry 49: 1023-39.

Touyarot K, Sandi C, 2002. Chronic restraint stress induces an isoform-specific regulation on the neural cell adhesion molecule in the hippocampus. Neural Plast 9: 147-59.

Uchino BN, Berntson GG, Holt-Lunstad J, Cacioppo JT, 2001. Stress-induced autonomic and immunity reactivity. In: Ader R, Felden DL, Cohen N (eds). Psychoneuroimmunology. 3^rd ed. USA: Academic Press. Pp: 317-33.

Reul JMHM, De Kloet ER, 1985. 2 receptor systems for corticosterone in rat brains: microdistribution of different occupation. Endocrinology 117:2505-12.

Veenema AH, Meijer OC, de Kloet ER, Koolhaas JM, 2003. Genetic selection for coping style predicts stressor susceptibility. J. Neuroendocrinol 15:256-67.

Vreugdenhil E, de Kloet ER, Schaaf M, Datson NA, 2001. Genetic dissection of corticosterone receptor function in the rat hippokampus. Eur. Neuropsychopharmacol 11:423-30.

Vyas A, Mitra R, Shankananarayana Rao BS, Chattarji S, 2002. Chronic stress induces contrasting pattern of dendritic remodelling in hippokampal and amygdaloid neurons. J. Neurosci 22:6810-8.

Weilan NG, Orchinik M, McEwen BS, 1995. Corticosterone regulates mRNA levels of specific subunits of the NMDAR in the hippocampus but not in cortex of rats. Soc. Neurosci. Abstr. 21 (207): 502-12.

Wellman CL, 2001. Dendritic reorganization in pyramidal neurons in medial predrontal cortex after chronic corticosterone administration. J. Neurosci 49: 245-53.

Zobel AW et al., 2001. Cortisol response in the combined dexamethasone/CRH test as predictor of relapse in patients with remitted depression. A propective study. J. Psychiatr Res 35:83-94.

Anti aging by Fenny L. Yudairto MD., PhD

KIAT MENCEGAH PROSES PENUAAN OTAK

Fenny L. Yudiarto

Mardi Rahayu Hospital, Kudus – Jawa tengah

Life is a temporary victory over the causes of death

Abstract:

Aging is not same as a disease, but aging can stimulate some diseases such as: neurodegeneration, cancer and atherosclerosis. We can not prevent the aging, aging is a given. What we can do is slowing the rate of aging process to avoid the frailty or the impact of aging to achieve the longevity.

Many theories have been published to explain the aging process. Shortening the telomere and excessive free radical play an important role to stimulate DNA damage and genomic instability, also increase activity of oncogene.

Calorie restriction, exercise, resveratrol, statin, enough sleep, intake PUFA, vitamins B6, B12 and folic acid, PDE-5 inhibitor have been proved to delay the aging process.

Key words: Aging process, telomere, free radical, calorie restriction, statin, resveratrol

Pendahuluan

Penuaan adalah proses fisiologis yang terjadi pada mahluk hidup. Dengan bertambah majunya suatu negara dimana tingkat kesehatan semakin mapan maka akan terjadi lonjakkan tajam populasi usia di atas 60 tahun. Hal ini dapat disebabkan oleh karena migrasi, peningkatan angka harapan hidup, dan penurunan angka kelahiran. Saat ini di USA 35 juta (13%) penduduk berusia > 65 tahun, tahun 2030 jumlah itu akan melonjak 2 kali lipat.

Usia tua adalah karunia Tuhan yang terindah, semua orang berkeinginan mempunyai umur panjang dan tetap sehat serta mempunyai kualitas hidup yang memadai. Apa artinya hidup apabila berumur panjang tapi sakit-sakitan dan pikun???

Banyak sekali iklan-iklan yang menjual produk antiaging, bahkan sekarang ada banyak sekali perkumpulan-perkumpulan antiaging di Indonesia akan tetapi sebagian besar memfokuskan pada penampilan fisik/lahiriah atau gangguan ereksi pada pria usia lanjut. Peran otak sebagai pusat regulasi semua sistem, pusat pemikiran, intelektual hampir terabaikan pada slogan-slogan antiaging. Apa artinya badan tegap dan tidak ada disfungsi ereksi pada pria, serta muka cantik tanpa keriput pada wanita, akan tetapi pikun, otak tidak dapat berfungsi dengan baik???

Ahli biologi telah mengetahui bahwa sel-sel kita dapat membelah sampai lebih dari 50 kali in vitro sebelum sel tersebut menjadi tua. Akan tetapi Leonard Hayflick seorang ahli genetik, berhasil mengisolasikan gen yang dapat mengakibatkan sel membelah sangat cepat, sehinga cepat menjadi senescent cells sebelum waktunya. Akan tetapi ada pula gen yang dapat menyebabkan sel dapat membelah hingga 100 kali sebelum sel itu menjadi tua.

Proses penuaan meliputi beberapa proses perubahan antara lain perubahan fisik, psikologik dan sosial. Menjadi tua bukan saja terlihat pada perubahan biologik akan tetapi juga disertai perubahan dalam cara pikir serta semakin berkembangnya kebijaksanaan.

Telah dikenal dikalangan masyarakat umumnya bahwa seseorang apabila berusia senja, maka akan menyandang 6 B yaitu, Bodo (penurunan fungsi memori), Buram (presbiop dan katarak), Budeg (istilah bahasa Jawa artinya tuli), Bongkok (osteoporosis), Beser (terutama pada laki-laki karena prostat hipertrofi) dan Buyuten (karena Parkinson). Dari ke 6 B tersebut ada 2 B yang sumbernya dari otak yaitu penurunan fungsi memori dan terjadinya penyakit Parkinson.

Semua manusia di dunia ini menginginkan umur panjang. ‘Umur panjang, sehat dan berkualitas’ adalah suatu goal yang harus dicapai oleh setiap insan di permukaan bumi ini, lebih dikenal dengan istilah succesful aging atau healthy aging ataupun optimal aging (Strawbridge et al., 2002).

(Health is an important concept, with very little chance of instant replay).

Untuk mencapai succesful aging, harus mengandung 3 komponen (Rowe et al., 1997, Diane et al., 2003):

• Bebas dari penyakit dan kecacatan.
• Memiliki kapasitas fungsi kognisi dan fisik yang tinggi.
• Mampu berinteraksi aktif dalam kehidupan, meliputi: perkawinan, cukup produktif, mampu berinteraksi sosial, memiliki hobi, olah raga serta kehidupan rohani yang seimbang.

Selain succesful aging, dikenal beberapa istilah ’tua’ (aging), yaitu:

- Chronological aging yaitu usia berdasarkan tahun kelahiran

- Social aging yaitu pengharapan dari lingkup sosial terhadap seseorang bagaimana harus

bersikap.

- Biological aging yaitu usia berdasar penampilan seseorang secara biologik.

(Chronological age is given, biological age is something we all may do something about)

Teori yang mendasari proses penuaan (http://www.hcoa.org/aging/process.htm dan http://en.wikipedia.org/wiki/Ageing)

Beberapa teori tentang proses penuaan, yaitu:

1. Damage theory atau Free radical theory

Teori ini berdasarkan asumsi bahwa proses penuaan merupakan akibat dari penumpukkan radikal bebas. Oksigen radikal bebas berperan dalam terjadinya penyakit-penyakit cardiocerebrovaskuler, kanker dan penyakit neurodegeneratif.

2. Programmed theory atau Aging clock theory

Teori ini mengemukakan bahwa usia sel itu telah terprogram. Misalnya usia sel pada manusia 120-130 tahun.

3. Telomeres theory

Telomeres adalah tonjolan berbentuk topi yang berada di ujung kromosom. Setiap kali sel membelah telomer akan memendek, panjang telomer disebut juga sebagai ‘molecular clock’. Pada proses penuaan secara fisiologis, telomer sudah sangat pendek sehingga sel tidak mungkin lagi untuk membelah sehinga akhirnya sel tersebut akan mati atau mutasi. Leibel mengemukakan bahwa mereka dengan kelebihan berat badan (obesitas) akan memiliki telomer yang lebih pendek dibandingkan orang berat badan normal, terdapat keterkaitan antara kadar leptin dengan panjang telomer. Tim Spector dari St. Thomas Hospital di London mengemukakan bahwa merokok akan mengakibatkan biological age lebih tua 4.6 tahun dibandingkan dengan yang tidak merokok. Apabila merokok 20 batang/hari selama 40 tahun maka 7.6 tahun akan terlihat lebih tua. Hal ini diakibatkan telomer rusak oleh karena paparan radikal bebas yang sangat kuat.

Panjang telomere pada manusia berkisar dari beberapa kb sampai 10-15 kb. Panjang telomer juga dipengaruhi oleh gen, sebagai contohnya lekosit telomer orang African Amerika lebih panjang dibandingkan warga kulit putih Amerika (Hunt et al., 2008).

4. Mitohormesis

Restriksi kalori telah dikenal sejak 1930 dapat mencegah proses penuaan, hal ini diterangkan oleh Sculz dkk bahwa penumpukan radikal bebas dalam mitokondria justru mengakibatkan sekunder induksi antioksidan (Schulz et al., 2007)

Fakta-fakta menunjukkan bahwa sistem dalam tubuh mencapat efisiensi maksimal pada usia 30 tahun kemudian secara pelahan akan mengalami penurunan. Apabila usia 30 tahun fungsi tubuh diasumsikan 100% efektif, maka (Sylvester Graham, http://www.therubins.com/aging/process.htm):

• Pompa jantung akan menurun efisiensinya sebesar 20% apabila seseorang mencapai usia 55 tahun.
• Fungsi ginjal berkurang sekitar 25% pada usia 55 tahun.
• Kapasitas inspirasi maksimal menurun sekitar 20% pada usia 55 tahun dan 60% pada usia 75 tahun.
• Basal metabolism rate akan menurun sekitar 10%.

Perubahan makroskopik dari otak karena proses penuaan

Studi post mortem dari otak manusia menunjukkan bahwa usia antara 30-50 tahun, otak akan mengecil 0.1-0.2%/tahun, kemudian akan mengerut lebih cepat dimana usia > 70 tahun otak akan mengecil 0.3-0.5%/tahun. Pengerutan ini relatif difus dan merata di substansia alba, akan tetapi berbeda di tiap regio pada substansia grisea dimana massa korteks frontal dan parietal akan lebih cepat mengecil dibandingkan dengan korteks temporal dan oksipital. Sistem ventrikular akan tampak membesar karena pengurangan volume otak, leptomeningen cenderung menebal disertai pelebaran ruang subarachnoid (Dekaban et al., 1978).

Perubahan mikroskopik dari otak karena proses penuaan

Penelitian secara mikroskopik menemukan adanya populasi neuron yang tidak berkurang jumlahnya akibat usia, yaitu neuron saraf kranial (Esiri., 1994). Sedangkan korteks serebral, hipokampus dan sel purkinye serebellar adalah yang paling berkurang akibat bertambahnya usia (Henderson et al., 1980). Ukuran sel saraf juga mengecil, hal ini disebabkan karena berkurangnya cabang-cabang akson dan pengerutan dendritic spines (Jacobs et al., 1997).

Beberapa gambaran mikroskopis yang terjadi pada otak usia tua (Esiri., 2007):

· Peningkatan jumlah corpora amylacea yang terletak sekitar pembuluh darah dekat dengan permukaan piamater dan ependimal.

· Peningkatan jumlah zat besi (Fe) di otak, hal ini menunjukkan suatu Fe reaktif yang dapat memicu stres oksidatif.

· Peningkatan glycation dan produk-produknya.

· Peningkatan jumlah dan ukuran astrosit dan mikroglia.

· Peningkatan konsentrasi lipofuscin di neuron. Lipofuscin adalah produk degradasi dari lisosomal, yang berhubungan dengan proses autofagi.

· Peningkatan penumpukan melanin pada substansia nigra

Perubahan seluler dan molekuler pada usia tua

Faktor penting yang berperan dalam proses penuaan pada otak diakibatkan:

1. Karena neuron membutuhkan enersi cukup besar dalam menjalankan fungsinya, hal ini disebabkan karena (Toescu., 2005):

• Ukuran dari neuron dimana permukaan membran yang luas dan transport molekul yang membutuhkan enersi yang besar.

• Aktivitas elektrik untuk transmisi menggunakan ion gradient sangat membutuhkan enersi yang cukup besar.

Aktivitas mitokondria untuk metabolisme oksidatif akan membentuk sejumlah radikal bebas yang mempunyai kapasitas merusak protein, asam nukleat dan lipid. Kerusakan DNA akan mengurangi ekspresi gen atau membentuk abnormal protein. Beberapa gen yang penting seperti untuk aktivitas sinaptik, plastisitas, fungsi mitokondrial, kalsium homeostasis ternyata ekspresinya berkurang pada usia tua, sebaliknya gen untuk protein folding, respons stres, respons inflamasi dan defens antioksidan justru meningkat.

Defens antioksidan di otak relatif rendah, sebaliknya otak mengandung prooksidan ferrum (Fe) dan asam lemak tidak jenuh. Hal ini mengakibatkan otak rentan terhadap kerusakan akibat peroksidasi (Floyd et al., 2002).

Perubahan protein, lipid dan asam nukleat pada usia tua mengakibatkan pembentukan advance glycation end-products (AGEs). Perlekatan AGEs dengan reseptor RAGE akan mengakibatkan stres oksidatif. Hal ini berperan penting untuk terjadinya neurodegenerasi pada usia tua (Chen et al., 2004).

2. Disregulasi kalsium

Pada usia tua, efisiensi mitokondria menurun, disertai dengan depolarisasi yang persisten sehingga masuknya Ca²⁺ secara gradient tidak dapat diambil oleh mitokondria, akibatnya terjadi peningkatan Ca²⁺ intraselular, dan merangsang NMDA reseptor dari glutamat yang mengakibatkan semakin banyak Ca²⁺ masuk ke dalam sel. Hal ini nantinya akan mengaktifkan calsium-activated proteases (Caspases), yang dapat mengakibatkan kematian sel.(Gilman et al., 2002).

3. Gen yang mempengaruhi proses penuaan otak

2 gen yang berpengaruh terhadap terjadinya successful aging adalah apolipoprotein E (ApoE) dan gen prion protein PRNP (Kachiwala et al., 2005). Apo E mempunyai 3 isoform e2, e3 dan e4. e2 adalah isoform yang jarang, biasanya berhubungan dengan successful aging dan proteksi terhadap Alzheimer dementia (AD). e4 sangat banyak ditemukan, dan berhubungan dengan late onset of AD (Deary et al., 2004).

Gen-gen lain yang juga berperan dalam proses penuaan antara lain: gen yang terlibat dalam insulin signalling (Wolkow., 2002), DNA dan protein methylation dan acetylation (Mattson., 2003), DNA repair (Kyng et al., 2005) dan metabolisme lipid (Yehuda et al., 2002), P53 dan p16INK4a (Finkel et al., 2007).

Faktor-faktor yang dapat mengakibatkan proses penuaan otak (Campri et al., 2007)

1. Telomere-dependent senescence
2. DNA-damage initiated senescence
3. Akibat kromatin pertubasi: zat-zat yang mengandung histone deacetylase inhibition (HDAi)akan merangsang pembentukan euchromatin dan merangsang proses penuaan.
4. Rangsangan dari onkogen
5. Akibat stres dan induksi yang lain, contohnya toksin yang berasal dari lingkungan

Toxin lingkungan seperti pestisida, CO2, freon, ultraviolet dan lain-lain berperan untuk meningkatkan kandungan radikal bebas dalam tubuh manusia. Pestisida rotenone dan herbisida paraquat berperan untuk pencetus timbulnya penyakit Parkinson (Di Monte., 2003).

Apa yang akan terjadi bila sel kita mengalami penuaan?

Terdapat 3 kategori penyakit yang sering diderita manula: kanker, gangguan vaskuler, baik kardio maupun serebrovaskuler dan neurodegeneratif seperti penyakit Parkinson, Alzheimer dan lain-lain.

Proses penuaan secara biomolekuler akan ditemukan penumpukan senescent cells dan DNA-damage response (DDR) di dalam sel progenitor maupun pada sel yang berdiferensiasi. DDR marker sangat berkaitan dengan telomeres, apabila telomere memendek sampai batas tertentu maka akan mengaktifkan DDR. Dengan adanya DDR maka sel akan mengalami permanent cell-cycle arrest jadi tetap viable (Fagana., 2008).

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa senescent cells dapat disebabkan tidak hanya akibat expresi dari telomerase akan tetapi juga oleh stres oksidatif yang berlebihan ataupun aktivasi dari oncogene. Aktivasi oncogene akan merangsang expresi DDR dan aberrantly active signal transduction pathway, yang akan mengakibatkan ketidakstabilan gen, kemudian akan merangsang Ras atau expresi MYC. Expresi Ras akan diikuti dengan peningkatan kadar CDC6 yang merupakan regulator DNA replikasi. Di lain pihak senescent cells pada tipe sel tertentu misalnya sel fibroblast, mempunyai sifat kebal atau resisten terhadap apoptotic signalling, sehingga sel tersebut akan tumbuh berlebihan (Campisi et al., 2007). Terdapat 2 protein yang berperan dalam timbulnya sel kanker, yaitu P53 suatu tumor supresor dan p16INK4a suatu biomarker dari proses aging. P53 akan merangsang mekanisme otofagi terhadap protein-protein atau organel yang telah rusak, apabila P53 tidak bekerja dengan baik akibat ketidak stabilan gen atau radikal bebas yang berlebihan, maka protein tersebut akan bermutasi menjadi sel kanker (Finkel et al., 2007).

Expresi P16-dependent senescence sudah mulai ditemukan pada usia 45 tahun. P16 mempunyai 3 sifat penting menghambat neurogenesis, haematopoiesis dan fungsi pankreas. Hal ini berkaitan dengan timbulnya penurunan fungsi memori, penurunan fungsi sumsum tulang dan timbulnya diabetes type II pada usia lanjut (Krisnamurthy et al., 2006).

Beberapa faktor dan obat-obat yang dapat digunakan sebagai antiaging, antara lain:

1. Restriksi kalori

Diit adalah faktor lingkungan yang berperan penting untuk mencegah proses penuaan. Pembatasan asupan kalori akan mengakibatkan enersi dialihkan untuk mempertahankan fungsi sel dan memperbaiki kerusakan sel serta mengurangi produksi radikal bebas (Merry., 2002, Martin et al., 2006). Menurut penelitian Bishop et al (2007) pada C.elegans, kalori restriksi dapat meningkatkan respirasi dan metabolisme pada jaringan perifer sehingga dapat meningkatkan kemampuan hidupnya (Bishop et al., 2007). Efek dari kalori restriksi adalah: mengurangi produksi radikal bebas, memperbaiki kerusakan sel, meningkatkan kadar BDNF dan menekan expresi gen penuaan (Prolla et al ., 2001)

2. Olah raga, exercise yang teratur dapat menghambat pemendekan telomer (Cotman., 2002)

3. Pendidikan yang berkelanjutan (Shenkin., 2003, Staff., 2004)

4. Rangsangan kognisi (Lazarov., 2005)

5. Peningkatan asupan polyunsaturated fatty acids, seperti Omega 3 (Kyle., 2002)

6. Vitamin B6, B12 dan asam folat (Elias., 2006).

7. Meditasi (Khalsa., 1998)

8. Cukup tidur

Kurang tidur akan meningkatkan radikal bebas dan juga mengakibatkan menurunnya produksi growth hormon. Pada usai tua terjadi penurunan produksi melatonin yang mengakibatkan proses tidur kurang berkualitas, hal ini akan mengakibatkan gangguan konsentrasi dan penurunan fungsi memori (Karasek., 2004).

9. Statin

Statin dapat meningkatkan eNOS, menghambat respon inflamasi, mempunyai efek antioksidan, memperbaiki fungsi endotel, dan menurunkan aktivasi platelet. Pada Alzheimer, terjadinya komplex beta amyloid dan Cu²⁺ merupakan katalisator dari H₂O₂ yang merupakan hasil dari oksidasi cholesterol. Baik H₂O₂ dan kompleks Ab-Cu sangat berperan terjadinya degenerasi sel (Puglielli et al., 2005, DeKosky., 2005). Penelitian secara klinis menunjukkan bahwa atorvastatin bermakna untuk penderita Alzheimer serta dapat memperbaiki fungsi kognisi (Spark et al., 2006, Parale et al., 2005).

10. Mengkonsumsi wine, karena kulit dan biji anggur mengandung resveratrol (3,5,4-trihydroxystilbene) yang dapat meningkatkan sensitivitas dari insulin, menurunkan insulin-like growth factor-1 (IGF-1), meningkatkan AMP-activated protein kinase (AMPK) dan peroxisome proliferator-activated receptor-gcoactivator1a (PGC-1a), serta meningkatkan aktivitas mitokhondria (Baur etal., 2007).

11. Sildenafil, suatu PDE-5-inhibitor dapat meningkatkan plasma nitrik oksida (NO), cAMP, menghambat hidrolisis cGMP, merangsang forforilai Akt (Li et al., 2007).

Favorite marker untuk proses penuaan (Weale., 2005):

• Tekanan darah sistolik
• Hb
• Kapasitas paru-paru
• Serum profil lipid
• Hs-CRP
• Hormon: Estrogen, Testosteron, DHEA, Melatonin, Growth Hormon, Tiroid
• Pemeriksaan status antioksidan: SAT, SOD, Gluthation Peroksidase
• Densitas lensa mata
• Pemeriksaan telomere pada tulang rawan

(DHEA: Dehidroepiandrosteron, SAT: Status Antioksidan Total, SOD: Superoxide Dismutase)

Kesimpulan:

Menjadi succesful aging merupakan impian setiap individu, pemendekan telomer dan penumpukan radikal bebas akan mengakibatkan kerusakan DNA yang berakibat terjadinya ketidak stabilan gen, antara lain gen P53 suatu tumor supressor dan p16. Ketidak stabilan gen, demetilasi dan deasetilasi dari gen akan berperan untuk terjadinya penyakit-penyakit usia tua seperti neurodegenerasi, cerebrovascular dan kanker.

Kalori restriksi, olah raga, statin, segelas anggur, vitamin B6, B12 dan asam folat serta tidak merokok akan banyak membantu untuk mengurangi dampak akibat proses penuaan.

Beberapa tip-tip untuk menjadi succesful aging:

1. Olah raga 3-5 kali/minggu
2. Diit rendah lemak
3. Mempertahankan berat badan
4. Mempertahankan tekanan darah dalam batas normal
5. Tidak merokok
6. Konsumsi alkohol dalam dosis moderat
7. Mempunyai teman-teman untuk berbagi suka dan duka
8. Mempertahankan tingkah laku positif
9. Berwawasan ke depan
10. Tetap aktif dalam memperlajari sesuatu yang baru.
11. Mendekatkan diri kepada Tuhan

Daftar Pustaka

Baur JA, Pearson KJ, Price NL, Jamieson HA, Lerin C, Kalra A et al, 2006. Resveratrol improves health and survival of mice on high-calorie diet. Nature collections: aging. 444: 21-6.

Bishop NA, Guarente L, 2007. Two neurons mediate diet-restriction-induced longevity in C elegans. Nature collections: aging. 447:39-43.

Campisi J, Fagagna FD, 2007. Cellular senescence: when bad things happen to good cells. Nature Rev Mol cell Biol. 8: 729-40.

Chen F, Wollmer MA, Hoerndli F, Munch G, Kuhla B, Rogaev EI et al, 2004. Role for glyxalase I in alzheimer’s disease. Proc Natl Acad Sci USA 101: 7687-92.

Cotman CW, Berchtold NC, 2002. Exercise: a Behavioral intervention to enhance brain health and plasticity. Trends Neurosci 25: 295-301

Deary IJ, Whiteman MC, Pattie A, Starr JM, Hayward C, Wright AF et al, 2004. ApoE gene variability and cognitive functions at age 79: a follow up of the Scottish mental survey of 1932. 19: 367-71.

DeKosky ST, 2005. Statin therapy in the treatment of Alzheimer disease: what is the rationale? Am J Med 118 (Suppl 12A): 48-53.

Dekaban AS, 1978. Changes in brain weights during the span of human life: relation of brain weights to body height and body weights. Ann Neurol 4:345-6.

Diane F. Gilmer; Aldwin, Carolyn M, 2003. Health, illness, and optimal aging: biological and psychosocial perspectives. Thousand Oaks: Sage Publications.

Di Monte DA, 2003. the environment and Parkinson’s disease: is the nigrostriatal system preferentially targeted by neurotoxin?. Lancet Neurol 2:531-8.

Elias MF, Robbins MA, Budge MM, Elias PK, Brennan SL, Johston C et al, 2006. Homocystein, folate and vit B6 and B12 blood levels in relation to cognitive performance: the Maine-Syracuse study: Psychosom Med 68:547-54.

Esiri MM, 1994. Dementia and norml aging: neuropathology. In: Dementia and normal aging. Huppert F, Brayne C, O’Connor D (eds). Cambridge University Press: Cambrigde pp: 385-436.

Esiri MM, 2007. Ageing and the brain. J Pathology 211:181-7.

Fagagna FD, 2008. Living on a break: Cellular senescence as DNA-damage response. Nature Rev Neurosci 8:S12-S22.

Finkel T, Serrano M, Blasco MA, 2007. The common biology of cancer and aging. Nature collections on Aging 448:5-12.

Floyd RA, Hensley K, 2002. Oxidative stress in brain aging. Implication for therapeutics of neurodegenerative diseases. Neurobiol Aging 23: 795-807.

Gilman CP, Mattson MP, 2002. Do apoptotic mechanism regulate synaptic plasticity and growth-cone motility? Neuromol Med 2: 197-214.

Hunt SC, Chen W, Gardner JP, Kimura M, Srinivasan SR, Eckfeldt JH, 2008. Leucocyte telomeres are longer in African Americans than in white: the National heart, lung, blood institute family heart study and Bogalusa study. Aging cell 2: 1-8.

Henderson G, Tomlinson BE, Gibson PH, 1980. Cell counts in human cerebral cortex in normal adults throughtout life using an image analyzing computer. J Neurol Sci 46: 113-36.

http://en.wikipedia.org/wiki/Ageing

http://www.hcoa.org/aging/process.htm

Jacobs B, Driscoll L, Schall M, 1997. Life-span dendritic and spine changes in areas 10 and 18 of human cortex: a quantitative Golgi study. J Comp Neurol 386: 661-80.

Kachiwala SJ, Harris SE, Wright AF, Haywaed C, Starr JM, Whalley LJ et al, 2005. Genetic influences on oxidative stress and their association with normal cognitive aging. Neurosci Lett 386: 116-20.

Karasek M, 2004. Melatonin, human aging, age related diseases. Exp Gorontol 39(11-12):1723-9.

Khalsa DS, 1998. Integrated medicine and the prevention reversal of memory loss. Altern Ther Helath Med 4(6):38-43.

Kyle D, 2002. The role of docosahexaenoic acid in the evolution and function of the human brain. In: Skinner E (ed). Brain Lipids and Disorders in Biological Psychiatry. Elsevier Science: Amsterdam 1-22.

Kyng KJ, Bohr VA, 2005. Gene expression and DNA repair in progeroid syndromes and human aging. Ageing Res Rev 4: 579-602.

Krishnamurthy J et al, 2006. P16 induces an age dependent decline in islet regenerative potential. Nature 43: 453-7.

Lazarov O, Robinson J, Tang YP, Hairston IS, Korade-Mimics Z, Lee VM et al, 2005. Environmental enrichment reduces a beta levels and amyloid deposition in transgenic mice. Cell 120:701-13.

Li L, Jiang Q, Zhang L, ding GL, Zhang ZG, Li QJ et al, 2007. Angiogenesis and improved CBF in the ischemic boundary area detected by MRI after administration sildenafil to rats with embolic stroke. Brain Res 1132:185-92.

Martin B, Mattson MP, Maudsley S, 2006. Caloric restriction and intermittent tasting: two potential diets for successful brain aging. Aging Research Rev 5: 332-53.

Mattson MP, 2003. Methylation and acetylation in nervus system development and neurodegenerative disorders. Ageing Res Rev 2: 329-42.

Merry BJ, 2002. Molecular mechanism linking caloric restriction and longevity. Int J Biochem Cell Biol 34: 1340-54.

Parale GP, Baheti NN, Kulkarin PM, Panchal NV, 2005. ffects of atorvastatin on higher functions. Eur J Clin Pharmacol.

Prolla TA, Mattson MP, 2001. Molecular mechanisms of brain aging and neurodegenerative disorders: lessons from dietary restriction. Trends Neurosci 24(11Suppl):S21-31.

Puglielli L, Friedlich AL, Setchell KDR, Nagano S, Opazo C, Cherny RA, 2005. Alzheimer disease beta amyloid activity mimics cholesterol oxidase. J Clin Investigation 115(9):2556-63.

Rowe JW, Kahn RL, 1997. Successful aging. Gerontologist 37 (4): 433–40.

Schulz TJ, Zarse K, Voigt A, Urban N, Birringer M, Ristow M, 2007. Glucose restriction extends Caenorhabditis elegans life span by inducing mitochondrial respiration and increasing oxidative stress. Cell Metab. 6 (4): 280–93.

Shenkin SD, Bastin ME, MacGillivary TJ, Deary IJ, Starr JM, Wardlaw JM, 2003. Childhood and current cognitive function in healthy 80 years olds: a DT-MRI study. NeuroReport 14:345-9.

Spark DL, Connor DJ, Sabbagh MN, Petersen RB. Lopez J, Browne P et al, 2006. Circulating cholesterol levels apolipoprotein E genotype and dementia severity influence the benefit of atorvastatin treatment in AD: results of the Alzheimer’s Disease Cholesterol-Lowering Treatment (ADCLT) trial. Acta neurol Scand 114(Suppl 185):3-7.

Staff RT, Murray AD, Deary IJ, Whalley IJ, 2004. What provides cerebral reserve? Brain 127:1191-9.

Strawbridge WJ, Wallhagen MI, Cohen RD, 2002. Successful aging and well-being: self-rated compared with Rowe and Kahn. Gerontologist 42 (6): 727–33.

Sylvester Graham, (http://www.therubins.com/aging/process.htm)

Toescu EC, 2005. Normal brain ageing models and mechanisms. Phil Trans R Soc Lond B Biol Sci 360: 2347-54.

Weale R., 2005. A note on age-related biomarkers. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 60(1):35-8

Wolkow CA, 2002. Life span: getting the signal from the nervous system. Trends Neurosci 25: 212-6.

Yehuda S, Robinovitz S, Carasso RL, Mostofsky DI, 2002. The role o polyunsaturated fatty acids in restoring the aging neuronal membrane. Neurobiol Aging 23: 843-53.