Kontribusi Bioteknologi untuk Ilmu Kedokteran!
Bioteknologi telah membuktikan keuntungan bagi ilmu kedokteran dalam beberapa cara. Baik itu dalam meningkatkan kekebalan terhadap penyakit, atau dalam menyediakan pengobatan penyakit yang ditingkatkan secara genetik, bioteknologi telah menjadi bagian yang tidak terpisahkan dari dunia medis.
Faktanya, pengembangan insulin manusia, obat hasil rekayasa genetika pertama, telah menandai dimulainya era aplikasi genetik yang sangat sukses dalam kedokteran. Mari kita periksa aplikasi ini secara detail.
Deteksi Penyakit Genetik:
Perawatan yang efektif untuk penyakit apa pun tergantung pada diagnosis yang benar. Pengobatan konvensional menawarkan sedikit jaminan untuk deteksi yang akurat, dan diagnosisnya selalu mengandung unsur probabilitas. Namun, teknik baru rekayasa genetika memungkinkan diagnosis yang akurat dengan menemukan dan menganalisis gen tunggal dalam rantai ribuan gen melalui ‘pemeriksaan gen’. Ini adalah segmen DNA, yang cocok dan karenanya berikatan dengan segmen DNA dari gen individu. Pengikatannya dapat dideteksi hanya dengan memberi label segmen DNA ini.
Probe semacam itu digunakan untuk mengenali urutan DNA yang terkait dengan penyakit genetik. Gen sekarang dapat dideteksi untuk berbagai kondisi genetik dalam sampel jaringan kecil yang dikumpulkan dari pasien atau bahkan dari embrio melalui amniosentesis. Probe DNA ini juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi organisme penyakit, dan digunakan dalam tes di mana seseorang mungkin tidak dapat menggunakan antibodi.
Antibodi Monoklonal dan Diagnosis:
Antibodi adalah protein yang dihasilkan oleh tubuh untuk melawan penyakit atau infeksi. Antibodi ini diproduksi oleh sel darah putih sebagai respons terhadap organisme penyebab penyakit atau infeksi, yang dikenali tubuh sebagai benda asing.
Antibodi bekerja dengan mengikat zat asing ini saat beredar di dalam darah, dan dengan demikian mencegahnya menyebabkan kerusakan pada tubuh. Antibodi ini berikatan dengan protein spesifik (antigen), yang memicu produksinya. Mereka dapat diperoleh dari darah hewan yang diimunisasi dan akhirnya digunakan untuk tujuan diagnostik dan penelitian.
Antibodi terdiri dari dua jenis. Antibodi poliklonal tidak bersifat spesifik, dan dapat mengenali banyak protein pada saat yang bersamaan. Antibodi monoklonal hanya mengenali jenis protein tertentu. Antibodi, terutama yang monoklonal, kini banyak digunakan untuk tujuan diagnostik. Beberapa area di mana mereka menemukan aplikasi yang lebih luas termasuk tes kehamilan, skrining kanker dan diagnosis virus gastro-enteritis, hepatitis B, cystic fibrosis dan penyakit menular seksual seperti AIDS.
Obat Terapi:
Vaksin modern telah membantu memberantas penyakit seperti cacar, dan mengurangi paparan polio, tifus, tetanus, campak, hepatitis, rotavirus, dan infeksi berbahaya lainnya. Namun, metode imunisasi standar kurang berhasil bila ditargetkan terhadap penyakit tertentu. Materi genetik, yaitu DNA dan RNA dapat digunakan untuk mengembangkan vaksin yang lebih baik.
Teknologi DNA rekombinan memfasilitasi perancangan dan produksi massal model tersebut, serta stabilitas penyimpanan yang lebih baik. Selanjutnya, karena vaksin ini dapat direkayasa untuk membawa gen dari strain patogen yang berbeda, mereka dapat memberikan kekebalan terhadap beberapa strain lain sekaligus.
Gagasan bahwa gen dapat digunakan dalam pembuatan vaksin diperdebatkan pada 1950-60an. Studi awal mengungkapkan bahwa jika bahan genetik dikirim ke sel hewan, itu menghasilkan sintesis protein yang dikodekan dan antibodi yang ditargetkan terhadap protein tersebut.
Organisme penyebab penyakit membawa antigen pada permukaannya, yang memicu mekanisme pertahanan tubuh, dan dengan demikian membantu mengendalikan kerusakan yang terjadi pada tubuh. Sel-sel khusus yang ditemukan di seluruh tubuh manusia menghasilkan antibodi dan antigen.
Sel-sel ini mengenali bentuk kelompok determinan tertentu dari antigen, dan menghasilkan antibodi spesifik untuk memerangi tidak hanya rangkaian besar invasi mikroba, tetapi juga berbagai bahan kimia sintetik yang tidak terbatas. Singkatnya, sistem mamalia dapat mengikat dan menonaktifkan hampir semua molekul asing yang masuk ke dalam sistem.
Vaksin dibuat dari mikroorganisme hidup atau mati yang dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia atau hewan untuk merangsang kekebalannya. Mereka dapat meniru agen infeksius dan selanjutnya membantu tubuh mengembangkan respons imun protektif.
Ketika digunakan dalam skala besar, vaksin telah menjadi kekuatan utama dalam pengendalian penyakit mikroba dalam masyarakat. Tujuan utama dari penelitian vaksin adalah untuk mengidentifikasi dan mengkarakterisasi antigen individu dari agen infeksius yang dapat membantu dalam mengembangkan respon imun.
Vaksin polio hampir menghilangkan penyakit itu dari dunia. Namun vaksin untuk tifus, kolera masih belum terlalu efektif, dan sedang dikerjakan. Penelitian juga dilakukan untuk mengembangkan vaksin melawan penyakit seperti sifilis, serum hepatitis, malaria dan banyak lainnya. Penelitian tentang vaksinasi terhadap HIV sekarang sedang dilakukan dalam skala dunia. Vaksin untuk penyakit bakteri dan parasit juga telah mengalami kemajuan pesat.
Biofarmasi:
Banyak produk farmasi merupakan senyawa yang berasal dari proses kimia sintetik atau dari sumber alami seperti tumbuhan dan mikroorganisme, atau kombinasi keduanya. Senyawa semacam itu digunakan untuk mengatur fungsi tubuh yang penting dan untuk memerangi organisme penyebab penyakit.
Upaya sekarang untuk memanfaatkan molekul pengatur tubuh manusia sendiri, yang biasanya ditemukan dalam konsentrasi yang sangat kecil. Jumlah terbatas dari beberapa senyawa ini secara historis berasal dari organ mayat atau dari bank darah. Rekayasa genetika sekarang diakui sebagai cara praktis untuk menghasilkan beberapa molekul langka ini dalam jumlah yang lebih besar.
Ini melibatkan penyisipan konstruksi gen turunan manusia yang diperlukan ke dalam mikroorganisme inang yang cocok yang akan menghasilkan protein terapeutik (biofarmasi) dalam jumlah yang terkait dengan skala operasi. Produk semacam itu tidak membawa risiko kontaminasi dari ekstraksi mayat (seperti penyakit otak degeneratif). Penyakit Creulzfelt-Jakob juga dikaitkan dengan pemberian hormon manusia sejak ekstraksi awal.
Keberhasilan pengembangan biofarmasi membutuhkan:
- Penelitian biokimia atau biomedis lanjutan untuk mengidentifikasi dan mengkarakterisasi senyawa asli.
- Biologi molekuler yang terampil dan teknologi kloning untuk mengidentifikasi sekuens gen yang relevan dan memasukkannya ke dalam inang mamalia atau mikrobiologis.
- Teknologi bioproses untuk menumbuhkan organisme untuk mengisolasi, memekatkan dan memurnikan senyawa pilihan.
- Keahlian klinis dan pemasaran.
Sekarang mari kita bahas beberapa biofarmasi penting yang sudah digunakan:
Insulin:
Jutaan orang menderita diabetes karena kekurangan insulin. Pasien-pasien ini harus bergantung pada asupan insulin eksternal. Secara konvensional, insulin yang digunakan oleh pasien diabetes telah diekstrak dari babi dan sapi. Ini telah dihentikan karena efek samping yang merugikan. Kami sekarang menggunakan insulin manusia rekombinan, yang bebas dari segala kontaminasi dan terbukti sangat efektif melawan penyakit.
Somatostatin:
Hormon pertumbuhan ini sangat sulit diisolasi dari hewan. Namun, kloning gen manusia untuk somatostatin ke dalam bakteri telah memungkinkan produksi skala besar. Hal ini terbukti bermanfaat untuk pengobatan dwarfisme hipo-pituitari, yang terjadi karena kekurangan hormon ini.
Interferon:
Interferon adalah glikoprotein (protein dengan molekul gula yang melekat), diyakini berperan penting dalam mengendalikan berbagai jenis infeksi virus termasuk flu biasa. Mereka juga menghambat pertumbuhan sel kanker dan merangsang pertahanan kekebalan alami tubuh terhadapnya.
Pada tahun 1957, dua peneliti Inggris mengenali interferon ini sebagai zat yang diproduksi di dalam tubuh yang dapat membuat sel kebal terhadap serangan virus. Namun, kelangkaan senyawa ini secara konsisten menghambat upaya untuk memahami sejauh mana efektivitasnya. Akhir-akhir ini dengan menggunakan teknik modern kita telah mampu menghasilkan molekul interferon, yang berperan dalam mengendalikan berbagai infeksi.
Limfokin:
Ini adalah protein yang diproduksi oleh limfosit (bagian dari sistem kekebalan tubuh) dan dianggap penting untuk reaksi kekebalan. Mereka memiliki kemampuan untuk meningkatkan dan memulihkan kapasitas sistem kekebalan tubuh untuk melawan infeksi, penyakit dan kanker. Interlukin-2 adalah limfokin yang paling umum digunakan yang diproduksi oleh rekayasa genetika.
Masing-masing senyawa ini telah membantu para ilmuwan mencapai tingkat baru pemberian obat farmasi yang realistis. Teknologi DNA rekombinan telah memungkinkan sintesis sejumlah besar produk ini. Farmasi molekuler ini menjadi sangat sukses dalam produksi obat-obatan manusia pada hewan transgenik juga.
Terapi gen:
Teknologi yang menjanjikan ini menggunakan gen sebagai obat untuk memperbaiki kelainan genetik yang diturunkan. Dengan menggunakan terapi gen, gen yang rusak atau hilang dapat diganti untuk memperbaiki penyebab genetik suatu penyakit. Ini dilakukan dengan menentukan fungsi gen normal dalam sel manusia, jenis protein yang diperintahkannya untuk diproduksi oleh sel, dan tingkat, jumlah, dan waktu pembentukan protein. Ini selanjutnya dapat menunjukkan apakah protein yang tepat sedang dibentuk pada waktu atau tempat yang tepat, dan bagaimana mengatasi efek dari kegagalan apa pun.
Terapi gen terdiri dari dua jenis: Terapi Gen Sel Kuman dan Terapi Gen Sel Somatik. Dalam Terapi Sel Kuman, perubahan diarahkan pada susunan genetik individu dan dapat diteruskan ke keturunannya. Sebaliknya, dalam Terapi Gen Sel Somatik, gen fungsional dimasukkan ke dalam sel tubuh yang kekurangannya. Efek terapi tidak diteruskan ke generasi berikutnya.
Kasus klasik dari terapi gen yang paling awal disetujui adalah Ashanti DeSilva yang berusia empat tahun, yang lahir dengan penyakit genetik langka yang disebut Severe Combined Immune Deficiency (SCID). Ashanti memiliki sistem kekebalan yang lemah yang membuatnya rentan terhadap setiap kuman yang lewat. Anak-anak yang lahir dengan penyakit ini biasanya mengalami infeksi yang luar biasa dan jarang bertahan hidup hingga dewasa.
Ashanti juga terpaksa menjalani kehidupan tertutup, menghindari kontak dengan orang-orang di luar keluarganya, terkurung di lingkungan steril rumahnya, dan sering melawan penyakit dengan antibiotik dalam jumlah besar. Melalui terapi gen, dokter mengeluarkan sel darah putih dari tubuhnya dan membiarkannya tumbuh di laboratorium.
Sel-sel ini kemudian dimasukkan kembali dengan gen yang hilang, dan sel darah yang dimodifikasi secara genetik dimasukkan kembali ke dalam aliran darah pasien. Tes laboratorium menunjukkan bahwa terapi tersebut sangat memperkuat sistem kekebalan Ashanti, dan dia sekarang menjalani kehidupan normal.
Terapi gen yang utama adalah untuk memperbaiki cacat gen tunggal seperti fibrosis kistik dan hemofilia, yang belum ada obatnya yang efektif. Namun, aplikasi yang efektif dari terapi ini akan membutuhkan pemahaman mendalam tentang mekanisme dimana gen yang rusak (tidak biasa) memberikan pengaruhnya pada individu.
Aplikasi lain yang menarik dari terapi gen muncul di bidang penyakit mata seperti Retinopati Diabetik. Studi awal menunjukkan bahwa terapi gen dapat melindungi pasien diabetes dari kehilangan penglihatan karena pertumbuhan berlebih dan kebocoran pembuluh darah.
Sidik Jari DNA:
Perkembangan teknik sidik jari DNA terbukti sangat signifikan dalam mengidentifikasi penjahat dan menetapkan keturunan. Prinsip dasar dari teknik ini didasarkan pada fakta bahwa tidak ada dua individu yang memiliki komposisi genetik yang sama.
Fragmen DNA orang tersebut dapat diambil dari sampel jaringan atau darah menggunakan enzim restriksi. Fragmen ini kemudian dapat dipelajari untuk menetapkan komposisi genetik yang tepat dari individu tersebut. Teknik ini menawarkan tingkat polimorfisme yang sangat tinggi sehingga kemungkinan dua orang memiliki karakteristik DNA yang sama sangat kecil.
Diagnosis Penyakit Keturunan Sebelum Kelahiran:
Genetika molekuler memiliki aplikasi yang signifikan dalam diagnosis pra-kelahiran dari kelainan bawaan seperti hemoglobinopati. Misalnya, teknik analisis DNA untuk mendiagnosis anemia sel sabit dari sel cairan ketuban ditemukan pada tahun 1978.
Regenerasi Jaringan:
Pencangkokan Kulit:
Kulit mungkin satu-satunya organ yang dapat disintesis secara artifisial dari kultur sel, dan digunakan untuk mencangkok ketika rusak parah. Sel-sel kulit (keratinosit) membentuk sembilan puluh persen dari epidermis kulit. Proliferasi sel-sel ini difasilitasi oleh fibroblas yang ada di lapisan kulit kulit.
Fibroblas berguna untuk membiakkan sel-sel kulit. Sel fibroblas ini, disebut sel 3T3, digunakan bersama dengan bahan kimia dan sel punca yang diperlukan. Namun, hanya sekitar satu hingga sepuluh persen sel epidermis yang berkembang biak. Sub-kultur ke media baru mendorong pertumbuhan lebih lanjut dari sel-sel ini.
Pencangkokan kulit memungkinkan pemulihan cepat dan normalisasi kulit yang rusak. Keratinosit yang diregenerasi juga telah digunakan untuk menyembuhkan sejumlah penyakit lain. Misalnya, bekas luka kulit dapat dihilangkan dengan menggunakan kultur kulit, dan kultur keratinosit oral dapat digunakan untuk meregenerasi epitel mulut.
Keratinosit uretra berbudaya telah digunakan untuk memperbaiki cacat penis bawaan. Ulkus kronis juga telah berhasil diobati dengan cangkok batang yang berhasil, dan alograf (kulit dari individu lain) telah berhasil menyembuhkan ulkus ini.
Kontrol Kesuburan:
Ilmuwan India telah berhasil mengembangkan obat seperti Centchroman untuk antifertilitas (kontrasepsi), yang telah menunjukkan hasil yang sangat baik tanpa efek samping. Pendekatan imunologis juga telah digunakan untuk mengembangkan vaksin anti-kesuburan.
Vaksin KB kini telah dikembangkan dengan menggunakan hormon HCG (Human Chorionic Gonadotrophin). Vaksin memunculkan antibodi terhadap tetanus dan hormon kehamilan HCG. Hal ini secara substansial mengurangi dampak tetanus, yang merupakan penyebab utama kematian bayi di India karena kondisi yang tidak higienis terutama di sektor pedesaan.
Konseling Genetik:
Aplikasi ini muncul karena meningkatnya kesadaran masyarakat yang menginginkan anaknya terbebas dari penyakit bawaan. Seorang konselor genetik memberi tahu pasien tentang konsekuensi dari cacat genetik tertentu.
Menundukkan cairan ketuban untuk berbagai tes dapat memeriksa kelainan bawaan ini dan hasil yang diperoleh dapat didiskusikan dengan pasien. Hal ini akan memungkinkan calon orang tua untuk memikirkan cacat pada janin jauh-jauh hari.
Diagnosis Genetik Pra-implantasi:
Diagnosis Genetik Pra-implantasi (PGD) muncul, ketika melalui Assisted Reproductive Technology (ART) sel punca tali pusat dari janin yang belum lahir (hanya janin) digunakan untuk menyembuhkan seorang anak berusia enam tahun yang menderita anemia fanconi. Ketika janin hanyalah bola sel blastomer, para peneliti di Reproductive Genetic Institute di Illinois Masonic Medical Center memisahkan beberapa sel ini.
Sel-sel ini dianalisis dan tidak hanya ditemukan bebas dari gen anemia fanconi, tetapi juga kompatibel dalam hal Antigen Leukosit Manusia (HLA). Para peneliti menanamkan sisa bola sel blastomere kembali ke rahim ibu. Sang ibu melahirkan anak yang sehat. Setelah sebulan, sel induk tali pusarnya diinfuskan ke saudara perempuannya.
Proses ini dimungkinkan berkat proses pengembangan inheren yang disebut ‘pembelahan tak tentu’. Seperti vertebrata lainnya, embrio manusia bersel delapan (dikenal sebagai pro-embrio) dapat terus berkembang bahkan setelah satu atau dua sel dihilangkan.
Dalam PGD, embrio yang diperoleh untuk fertilisasi in-vitro mengalami banyak tes (biopsi). Selanjutnya, susunan genetik diperiksa secara menyeluruh, dan hanya sel-sel yang ditransfer kembali ke ibu, yang bebas dari penyakit genetik. Teknik ini sangat membantu dalam diagnosis kelainan genetik.
Farmakogenomik:
Intervensi alat molekuler dalam domain farmasi telah melahirkan area baru Farmakogenomik. Penggabungan ilmu farmasi dan genetika, farmakogenomik menggabungkan ilmu farmasi tradisional termasuk biokimia, struktur molekul gen, dan perilaku serta fungsinya pada tingkat protein.
Ini pada dasarnya melibatkan studi tentang bagaimana susunan genetik seseorang memengaruhi respons tubuh terhadap obat-obatan. Bidang yang akan datang ini menjanjikan hari ketika akan memungkinkan untuk menyesuaikan obat untuk masing-masing pasien sesuai dengan arsitektur genetik mereka.
Beberapa bidang di mana farmakogenomik dapat memainkan peran penting adalah:
Obat Efektif:
Dengan menggunakan alat molekuler, perusahaan farmasi akan dapat mengembangkan obat berdasarkan protein, enzim, dan molekul RNA, yang terkait dengan gen dan penyakit. Ini akan membantu dalam penemuan dan pengiriman obat yang ditargetkan. Penghantaran obat dengan presisi tinggi tidak hanya akan menghasilkan aplikasi terapeutik yang maksimal, tetapi juga mengurangi kerusakan pada sel-sel sehat yang berdampingan.
Vaksin Efektif:
Vaksin berbasis DNA dan RNA akan menunjukkan tingkat efisiensi yang lebih tinggi. Ini tidak hanya akan mengaktifkan sistem kekebalan individu, tetapi juga akan membantu menghindari risiko infeksi. Vaksin rekombinan semacam itu tidak mahal, mudah disimpan, dan dapat direkayasa untuk menampung strain patogen alami dalam satu suntikan.
Menargetkan Penemuan Obat:
Target genom dapat digunakan untuk mengembangkan terapi baru. Obat baru ini dapat dicoba pada kelompok populasi genetik tertentu. Hal ini juga akan mengurangi biaya dan potensi risiko uji klinis dengan menargetkan hanya pasien yang mampu merespon obat.
Obat yang Lebih Aman:
Sekarang alih-alih menggunakan metode coba-coba konvensional untuk mencocokkan pasien dengan jenis obat yang tepat, dokter akan dapat menganalisis susunan genetik pasien, dan meresepkan terapi obat yang sesuai. Obat generasi baru ini juga akan meningkatkan kecepatan pemulihan.
Skrining Penyakit:
Informasi tentang kode genetik pasien, perilakunya, gaya hidup dan lingkungannya dapat digunakan untuk memperingatkan dia tentang timbulnya penyakit jauh sebelumnya. Ini akan memfasilitasi pemantauan yang cermat, dan perawatan pada tahap yang tepat untuk meminimalkan kerusakan.
Menentukan Dosis Obat:
Dokter biasanya meresepkan dosis obat sesuai dengan berat badan dan usia pasien. Ini dapat diganti dengan dosis berdasarkan genetika seseorang yaitu seberapa baik tubuhnya memproses obat dan waktu yang dibutuhkan untuk memetabolisme itu. Ini akan meningkatkan nilai terapeutik obat dan membantu mencegah risiko overdosis.
Pembuatan Profil Gen:
Alat bioteknologi modern telah benar-benar merevolusi bidang medis. Salah satu alat tersebut, microarray, telah ditemukan sangat menguntungkan. Teknik ini memungkinkan untuk menunjukkan dengan tepat perbedaan molekuler di antara berbagai gen yang diekspresikan.
Gambar molekuler terperinci yang diperoleh dengan teknik ini akan membantu dalam merancang obat-obatan molekuler, seperti halnya metode pencitraan radiografi beresolusi tinggi yang membantu dalam mengobati penyakit pada tingkat anatomis. Salah satu penelitian terbaru yang menggunakan ekspresi gen berdasarkan susunan mikro DNA adalah untuk klasifikasi molekul kanker.
Dilaporkan bahwa pembuatan profil membantu dalam membedakan strain patologis yang berbeda, seperti leukemia myeloid akut dan leukemia limfoblastik akut, berdasarkan pola ekspresi gen yang khas. Susunan mikro DNA juga membantu mengungkap penyakit baru lainnya.
Sel Punca dan Aplikasinya:
Sel induk adalah sel yang mampu membelah untuk waktu yang tidak terbatas dalam kultur untuk menghasilkan sel khusus. Kita semua tahu perkembangan manusia dimulai ketika sperma membuahi sel telur dan menciptakan sel tunggal (embrio) yang mampu membentuk seluruh organisme.
Sel induk embrionik adalah sel yang dapat memunculkan 210 jenis jaringan berbeda dalam tubuh manusia. Meskipun satu sel punca dapat memunculkan sel-sel yang lebih terspesialisasi, tetapi ia tidak dapat dengan sendirinya membentuk manusia seutuhnya. Sel-sel ini disebut sel pluripoten – karena mereka mampu memunculkan sebagian besar jaringan organisme.
Karena sel induk mampu berdiferensiasi menjadi berbagai jenis jaringan, ini dapat digunakan untuk “terapi sel”. Sel punca dapat distimulasi untuk berkembang menjadi sel khusus dan dengan demikian dapat menawarkan kemungkinan sumber terbarukan untuk menggantikan sel dan jaringan yang sakit/rusak.
Dapat menyembuhkan banyak penyakit seperti penyakit Parkinson dan Alzheimer, stroke, luka bakar, penyakit jantung, diabetes, osteoarthritis, rheumatoid arthritis; keganasan, kesalahan metabolisme bawaan dan banyak lagi. Misalnya, mencangkokkan sel otot jantung yang sehat dapat memberikan harapan baru bagi pasien yang menderita penyakit jantung, yang jantungnya tidak lagi dapat memompa secara memadai.
Studi sel punca telah meningkatkan harapan untuk mengembangkan sel otot jantung dari sel punca manusia dan mentransplantasikannya ke dalam otot jantung yang rusak untuk meningkatkan fungsi jantung yang gagal. Penyakit penting lainnya adalah diabetes tipe I, di mana produksi insulin oleh sel pankreas khusus yang disebut sel islet terganggu.
Studi menunjukkan bahwa transplantasi seluruh pankreas atau pulau kecil yang terisolasi dapat menggantikan kebutuhan akan suntikan insulin. Garis sel islet yang berasal dari sel induk dapat digunakan untuk penelitian diabetes dan akhirnya untuk transplantasi. Biologi sel induk memiliki potensi besar dalam menyelamatkan banyak nyawa.
