Antioxidant Function in Inhibiting Lipid Peroxidation and Increasing Erythrocyte Membrane Resistance in Diabetes Mellitus Patients

Abstract

Diabetes mellitus (DM) is a chronic disease rooted in insulin deficiency, causing metabolic disorders and micro- and macrovascular complications. Hyperglycemia in DM triggers oxidative stress by increasing free radical production, damaging vascular through activation of the diacylglycerol/protein kinase C pathway and increased polyol pathway activity. The impact of oxidative stress manifests in changes in lipid composition on erythrocyte membranes, increases microvascular flow resistance, and produces malondialdehyde (MDA) as a biomarker of oxidative stress. The protection system against free radicals involves non-enzymatic enzymes and antioxidants, which work together to neutralize the damaging effects of free radicals. A deep understanding of these interactions opens up opportunities for the development of strategies for preventing and managing DM complications more effectively through continued research.

PENDAHULUAN

Diabetes melitus (DM) merupakan penyakit kronis yang disebabkan oleh defisiensi bawaan dan/atau didapat dalam produksi insulin oleh pankreas, atau penurunan kecepatan produksi atau ketidakefektifan insulin yang diproduksi oleh sel-sel beta pulau Langerhans (Diabetes Canada Clinical Practice Guidelines Expert Committee et al., 2018). Manifestasi klinis DM dengan konsekuensi metabolik defisiensi insulin adalah akibat gangguan sekresi insulin, aksi insulin yang rusak atau keduanya.

Tiga efek utama kekurangan insulin yang dikaitkan dengan sebagian besar patologi DM: (1) pengurangan penggunaan glukosa oleh sel-sel tubuh, sehingga terjadi peningkatan konsentrasi glukosa darah hingga 300 sampai 1200 mg/100 ml, (2) peningkatan mobilisasi lemak dari jaringan adiposa sehingga menyebabkan kelainan metabolism lemak maupun pengendalian lipid pada dinding vaskuler yang menyebabkan atherosclerosis, dan (3) pengurangan protein dalan jaringan tubuh (Petersen & Shulman, 2018).

Dalam keadaan normal kira-kira 50% glukosa yang dimakan mengalami metabolisme sempurna menjadi CO2 dan H2O, 5% diubah menjadi glikogen dan kira-kira 30 – 40 % diubah menjadi lemak. Pada keadaan DM semua keadaan tersebut terganggu, glukosa tidak dapat masuk ke dalam sel sehingga energi terutama diperoleh dari metabolisme protein dan lemak (Dilworth et al., 2021).

Sebenarnya hiperglikemia sendiri relatif tidak berbahaya, kecuali jika hiperglikemia berat dan melebihi ambang batas ginjal maka timbul glikosuria. Glikosuria akan mengakibatkan diuresis osmotik yang meningkatkan pengeluaran urin (poliuria), dan akan timbul rasa haus (polidipsia). Karena glukosa hilang bersama urin, maka penderita diabetes melitus mengalami keseimbangan kalori negatif dan berat badan berkurang. Selain kedua konsekuensi metabolik tersebut manisfestasi klinik yang terjadi adalah rasa lapar yang semakin besar (polifagia), akan timbul sebagai akibat kehilangan kalori (Diabetes Canada Clinical Practice Guidelines Expert Committee et al., 2018).

Kondisi DM yang kronis dan hiperglikemia diabetes berhubungan dengan komplikasi mikrovaskular yang mempengaruhi mata, ginjal dan saraf, serta peningkatan risiko penyakit kardiovaskular (CVD) (Giri et al., 2018).

ANTIOKSIDAN, PEROKSIDASI LIPID, DAN DIABETES MELITUS

Keterkaitan Diabetes Melitus dan Peningkatan Stres Oksidatif

Stres oksidatif merupakan salah satu kontributor yang berperan penting mempercepat komplikasi pada penyakit DM (Matough et al., 2012). Keadaan DM karena hiperglikemia dapat menginduksi radikal bebas dan penurunan sistem pertahanan oksidan, hiperglikemia kronis akan mengakibatkan meningkatnya produksi radikal bebas sehingga terjadilah stres oksidatif (Kumawat et al., 2012). Kaitan antara stres oksidatif yang diinduksi oleh hiperglikemia dan komplikasi vaskuler pada DM.

Gambar 1. Skema Kaitan antara Stress Oksidatif yang diinduksi oleh Hiperglikemia dan Komplikasi Vaskuler DM (Giugliano et al., 1996).

Kondisi hiperglikemia dapat menyebabkan kerusakan fungsi dan integritas vaskuler melalui beberapa mekanisme. Mekanisme patogenik yang menimbulkan kerusakan vaskuler akibat hiperglikemia adalah peningkatan aktivitas polyol pathway, peningkatan gliko oksidasi, peningkatan glycation non enzymatic, aktivasi diacylglycerol-protein kinase C (DAG-PKC).

Beberapa mekanisme yang paling banyak dipelajari termasuk peningkatan polyol pathway, aktivasi jalur diasilgliserol (DAG)/protein kinase C (PKC), peningkatan stres oksidatif, peningkatan pembentukan dan advanced glycation end product (AGE), dan peningkatan jalur hexosamine. Selain itu, perubahan jalur transduksi sinyal yang disebabkan oleh hiperglikemia atau metabolit toksik dilaporkan menyebabkan beberapa disfungsi vaskular dan neurologis, seperti aliran darah abnormal, peningkatan laju apoptosis, hiperpermeabilitas, dan akumulasi extracellular matrix (ECM) dalam pembuluh darah dengan perubahan fungsi pembuluh darah. Hiperglikemia juga dapat menghambat faktor pelindung endogen dalam jaringan vaskular, seperti insulin, faktor pertumbuhan endotel vascular/vascular endothel growth factor (VEGF), faktor pertumbuhan turunan trombosit/ plateled derived growth factor (PDGF), dan protein C yang diaktifkan/activated Protein C (APC), berperan penting dalam mempertahankan homeostasis vaskular dan menetralkan faktor toksik yang diinduksi hiperglikemia termasuk stres oksidatif, advanced glycation end product (AGE) atau aktivasi nuclear factor-jB (NF-jB), yang mengakibatkan pencegahan dan penundaan perkembangan komplikasi diabetes (Kitada et al., 2010).

Tujuh jalur efek toksik hiperglikemia (lebih dari 200 mg/dl) yang berkepanjangan (Kitada et al., 2010).

Efek toksik langsung terhadap endotelium, membran basalis (MB atau BM), kolagen, dan SMC (smooth muscle cell) Jalur gangguan rheologi, baik melalui kelainan/disfungsi trombosit, eritrosit, lekosit, viskositas plasma, dan viskositas darah Gangguan respons imunologi karena adanya disfungsi makrofag Proses glikasi protein tubuh, terutama terbentuknya AGEs (advanced glycosylated end products) dengan segala efek toksiknya Melalui polyol pathway dengan pembentukan sorbitol Over produksi radikal bebas Pembentukan sitokin yang berlebihan dan toksik, terutama TNF-? dan Interleukin-1

Gambar 2. Mekanisme Hiperglikemia Menyebabkan Komplikasi Vaskular Diabetik ET ? 1, endotelin ? 1; NADPH, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; PDGF, faktor pertumbuhan turunan trombosit; TGF ?, mengubah faktor pertumbuhan ?; VEGF, faktor pertumbuhan endotel vaskular

Kadar gula darah yang tinggi pada keadaan diabetes melitus juga mempengaruhi metabolisme eritrosit dimana terjadi peningkatan HbA1c yang disebabkan karena meningkatnya proses glikosilase Hb pada proses glikosilasi non enzimatik yang menghasilkan produk AGEs, peningkatan aktivitas aldose reduktase dan polyol pathway (Viskupicova et al., 2015). Glikosilasi non enzimatik akibat stres oksidatif berdampak pada perubahan komposisi serum lipid pada membran eritrosit. Ketika kadar lipid meningkat, terjadi peningkatan peroksidasi lipid dan komposisi membran berubah, seperti penurunan aktivitas Na + K + -ATPase dan perubahan lain dalam membran eritrosit. Selain itu, kelainan metabolik diabetes menyebabkan kelebihan produksi mitokondria superoksida dalam sel endotel baik pembuluh besar maupun kecil, dan juga pada area mikrovaskuler dan kardiovaskular (Giacco & Brownlee, 2010). Komplikasi mikrovaskular termasuk retinopati, nefropati dan neuropati, yang merupakan penyebab utama kebutaan, penyakit ginjal tahap akhir dan berbagai penyakit neuropati, sedangkan komplikasi makrovaskular melibatkan penyakit terkait aterosklerosis, diantaranya penyakit arteri koroner, penyakit pembuluh darah perifer dan penyakit stroke. Bila sistem pertahanan oksidan tersebut tidak dapat menghambat propagasi radikal bebas, maka akan terjadi efek oksidan yang lebih luas dan menyebar kejaringan sampai organ, serta menimbulkan kerusakan oksidatif (Ceriello, 2003).

Efek Diabetes Melitus terhadap Eritrosit

Kondisi diabetes melitus menunjukkan gangguan signifikan dalam berbagai parameter hematologis. Faktanya, beberapa perubahan hematologis yang mempengaruhi sel darah merah (RBC), sel darah putih (WBC), platelet dan faktor koagulasi terbukti berhubungan langsung dengan DM (Antwi-Baffour et al., 2018). Hiperglikemia pada keadaan DM mempengaruhi metabolisme eritrosit dimana terjadi peningkatan HbA1c (hemoglobin A1c) atau glycated hemoglobin yang disebabkan karena meningkatnya proses glikosilasi Hb (Beltran Del Rio et al., 2016).

Dalam studi pendahuluan dilakukan S AlSalhi et al. (2018) dengan analisis kekuatan atom mikroskopis dan spektral pada dampak diabetes pada eritrosit, ditunjukkan bahwa kelebihan glukosa dalam darah mengarah kepada terjadinya deformasi yang signifikan dari bentuk sel darah merah dan korosi ringan pada permukaannya karena glukosa dapat melewati membran dan mengelilingi sel. Ada dua hasil abnormal yang ditemukan, salah satunya adalah sel darah merah menjadi “kembung”, dan "mandi glukosa" membantu sel untuk tetap bersatu dengan istilah roleaux formation, karena gula adalah perekat. Kedua abnormalitas tersebut Keduanya mengarah pada peningkatan viskositas dan menurunkan mobilitas sel darah merah (S AlSalhi et al., 2018).

Selanjutnya, dengan sifat glukosa yang korosif yang menyebabkan eritrosit semakin lemah dari luar dan dalam (S AlSalhi et al., 2018). Umur eritrosit menjadi lebih pendek dibandingkan dengan eritrosit orang normal hal ini berhubungan dengan kerentanan eritrosit akibat stress oksidatif. Rata-rata rentang hidup sel darah merah adalah 80 ± 10,9 hari (Kim et al., 2015). Deformabilitas sel darah merah memainkan peran penting dalam fungsi utamanya, pengangkutan gas (O2 dan CO2 ) melalui sirkulasi darah. Sedikit penurunan deformabilitas sel darah merah menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam resistensi aliran mikrovaskular dan viskositas darah. Deformabilitas sel darah merah menentukan oksigen yang mencapai setiap bagian tubuh melalui kapiler yang sekecil sekitar 3 ?m. Eritrosit dimungkinkan untuk melakukannya dengan geometri mereka, viskositas sitoplasma karena adanya hemoglobin (diwakili oleh MCHC) dan viskoelastisitas membran sel (Agrawal et al., 2016). Karena pembentukan radikal bebas pada DM melalui proses glikosilasi non enzimatik yang menghasilkan produk AGEs, peningkatan aktivitas aldose reduktase dan polyol pathway, stress oksidatif dan glikosilasi oksidatif seperti dalam patogenesis diabetes melitus. Keadaan hiperglikemia pada eritrosit menyebabkan peningkatan agregasi, menurunnya deformitas, dan terjadinya glikosilasi Hb dan oksigenasi yang berkurang.

Sel darah merah memiliki sistem antioksidan yang terdiri dari antioksidan non-enzimatik dan enzimatik termasuk katalase, glutation peroksidase, dan peroxiredoxin. Terdapat kajian ilmiah yang berkaitan dengan hubungan linier antara deformabilitas sel darah merah dan stres oksidatif sel darah merah, yang diukur dengan tingkat produk degradasi heme. Proses lain yang tidak terkait dengan stres oksidatif juga dapat menyebabkan penurunan deformabilitas pada sel darah merah tua (Kim et al., 2015).

Efek Diabetes Melitus terhadap Peroksidasi Lipid

Radikal bebas yang berasal dari oksigen seperti hidroksil dan hidroperoksil telah terbukti mengoksidasi komponen membran lipid, terutama fosfolipid, dan menyebabkan peroksidasi lipid (Catalá & Díaz, 2016). Membran fosfolipid yang mengandung asam lemak tak jenuh ganda dominan rentan terhadap peroksidasi. Peroksidasi lipid membran diketahui mengubah secara substansial sifat fisik bilayers lipid, khususnya, peroksidasi mengubah interaksi lipid-lipid, gradien ion, fluiditas membran, dan permeabilitas membran (Gaschler & Stockwell, 2017).

Peroksidasi lipid secara umum dapat digambarkan sebagai proses oksidan seperti radikal bebas atau non-radikal menyerang lipid yang mengandung ikatan rangkap 2 karbon, terutama asam lemak tak jenuh ganda (PUFA) yang merupakan unsur esensial dalam membran biologi, peroksidasi lipid melibatkan abstraksi hidrogen dari karbon, dengan penyisipan oksigen yang dihasilkan dalam radikal peroksil lipid dan hidroperoksida (Ayala et al., 2014).

Peroksidasi terhadap lipid yang terpajan oksigen tidak hanya terjadi pada makanan, namun juga pada jaringan tubuh secara in vivo sehingga meningkatkan risiko terhadap penyakit akibat gangguan sel. Peroksidasi lipid merupakan reaksi berantai yang terus menghasilkan pasokan radikal bebas sehingga terjadi peroksidasi berikutnya dan menisme tersebut dapat dikendalikan dengan mengurangi peroksidasi lipid (Ramana et al., 2013).

Seperti halnya reaksi radikal bebas, mekanisme peroksidasi lipid terdiri dari tiga langkah utama, inisiasi, propagasi, dan pemutusan. Tiga langkah peroksidasi lipid non-enzimatik. Uji thiobarbituric acid (TBA) merupakan parameter yang umum digunakan untuk mengidentifikasi malondialdehid (MDA) sebagai akibat terputusnya rantai asam lemak yang bersifat toksik terhadap sel. Hidrogen peroksida lipid yang terjadi pada pembentukan peroksida lipid dipecah menjadi malonil aldehida yang apabila dipanaskan dengan reagen asam barbitirat membentuk warna merah muda dan dapat dibaca dengan Spectofotometer ? 529 nm (Christodoulou et al., 2022).

Antioksidan dan Sistem Proteksi terhadap Radikal Bebas

Senyawa anti oksidan adalah senyawa pemberi elektron. Antioksidan adalah zat yang dapat mencegah atau memperlambat kerusakan sel yang disebabkan oleh radikal bebas (Sharifi-Rad et al., 2020). Pada hubungannya dengan radikal bebas, sebagaimana diketahui bahwa radikal bebas (RB) adalah atom atau molekul yang memiliki satu atau lebih elektron yang tidak berpasangan. Konsekuensi berupa kecenderungan memperoleh elektron dari substansi lain menjadikan radikal bebas bersifat sangat reaktif (Phaniendra et al., 2015).

Radikal bebas adalah zat limbah yang diproduksi oleh sel ketika tubuh memproses makanan dan bereaksi terhadap lingkungan. Jika tubuh tidak dapat memproses dan menghilangkan radikal bebas secara efisien, oksidatif dapat terjadi dan merusak sel dan fungsi tubuh (Phaniendra et al., 2015). Radikal bebas juga dikenal sebagai spesies oksigen reaktif (ROS). ROS adalah molekul yang sangat reaktif dan dapat merusak struktur sel seperti karbohidrat, asam nukleat, lipid, dan protein serta mengubah fungsinya. Pergeseran dalam keseimbangan antara oksidan dan antioksidan yang mendukung oksidan disebut "stres oksidatif" (Gupta et al., 2014).

Kajian terdahulu menyatakan bahwa radikal bebas berperan terhadap perkembangan dan komplikasi diabetes (Singh et al., 2015; Wolff, 1993), karena radikal bebas memiliki kemampuan untuk merusak lipid, protein dan DNA. Berbagai kondisi patologis diinduksi oleh stres oksidatif seperti radang sendi, DM dan kanker. Biomarker stres oksidatif pada diabetes melitus termasuk protein, lipid, dan vitamin, antioksidan enzimatik dan non-enzimatik (Ghasemi-Dehnoo et al., 2020). Radikal bebas menghasilkan proses peroksidasi lipid dalam suatu organisme. Salah satu produk akhir dari peroksidasi asam lemak tak jenuh ganda dalam sel adalah malondialdehyde (MDA). Peningkatan radikal bebas menyebabkan kelebihan produksi MDA. Mengukur produk akhir dari peroksidasi lipid adalah salah satu tes yang paling banyak diterima untuk kerusakan oksidatif. Produk sekunder aldehid peroksidasi lipid ini umumnya diterima sebagai penanda stres oksidatif. Tingkat malondialdehyde umumnya dikenal sebagai penanda stres oksidatif dan status antioksidan (Choosong et al., 2021; Shawki et al., 2020).

Sistem Proteksi terhadap Radikal Bebas

Antioksidan pertahanan lini pertama adalah kumpulan antioksidan yang bertindak untuk menekan atau mencegah pembentukan radikal bebas atau spesies reaktif dalam sel. Tiga enzim utama yaitu superoksida dismutase, katalase dan glutation peroksidase. Enzim ini masing-masing melepaskan radikal superoksida, memecah hidrogen peroksida dan hidroperoksida menjadi molekul yang tidak berbahaya (H2O2/alkohol dan O2 ) (Ighodaro, 2018). Enzim-enzim tersebut bekerja sangat cepat dalam menetralkan molekul yang memiliki potensi untuk berkembang menjadi radikal bebas atau radikal bebas apa pun dengan kemampuan untuk menginduksi produksi radikal lain. Kelas ini juga termasuk ion logam protein pengikat seperti transferrin dan caeruloplasmin yang masing-masing mengkelat atau menyita besi dan tembaga, akibatnya mencegah mereka dari pembentukan radikal bebas. Bekerjanya enzim-enzim ini sangat dipengaruhi oleh mineral-mineral seperti mangan, seng, tembaga dan selenium (Dubey et al., 2020).

Antioksidan pertahanan lini kedua yaitu kelompok antioksidan yang termasuk asam askorbat, asam urat, glutathione yang hidrofilik dan alfa tokoferol (vitamin E) dan ubiquinol yang bersifat lipofilik. Peran antioksidan ini adalah menghambat inisiasi rantai dan memutus reaksi propagasi rantai, dan menetralkan dengan memecah radikal bebas melalui mekanisme transfer elektron, dan dalam prosesnya menjadi radikal bebas sendiri tetapi dengan efek merusak yang lebih kecil (Ighodaro, 2018).

Antioksidan pertahanan lini ketiga yaitu peran yang ada setelah terjadi kerusakan akibat radikal bebas. Adanya enzim de novo yang memperbaiki kerusakan yang disebabkan oleh radikal bebas untuk biomolekul dan merekonstitusi membran sel yang rusak. Enzim terebut berperan dalam perbaikan DNA, protein dan lipid yang rusak, dan mengidentifikasi, memecah dan menghilangkan protein teroksidasi, DNA dan lipid, untuk mencegah akumulasi mereka yang dapat menjadi racun bagi jaringan tubuh (Ighodaro, 2018).

Antioksidan pertahanan lini keempat yaitu mekanisme adaptasi dengan memanfaatkan sinyal yang diperlukan untuk produksi dan reaksi radikal bebas. Sinyal yang dihasilkan dari pembentukan radikal bebas menginduksi pembentukan dan pengangkutan antioksidan yang tepat ke tempat yang tepat untuk mencegah pembentukan atau reaksi radikal bebas (Ighodaro & Akinloye, 2018).