Ferroptosis dan cuprotopsis merupakan dua jenis kematian sel yang dipicu oleh gangguan ion logam dari besi dan tembaga. Ferroptosis bergantung pada zat besi dan ditandai dengan akumulasi peroksida lipid, sedangkan cuproptosis melibatkan stres oksidatif yang diinduksi tembaga. Kedua jenis kematian sel ini berbeda secara biokimia, genetik, dan morfologis dari bentuk kematian sel teratur lainnya seperti apoptosis dan necroptosis.

Ferroptosis adalah bentuk kematian sel teratur yang disebabkan oleh peroksidasi lipid tak terbatas yang bergantung pada zat besi, yang menyebabkan kerusakan membran berikutnya. Kelebihan ion besi dapat memicu ferroptosis dengan memicu reaksi Fenton dan menyebabkan peroksidasi langsung PUFA-PI, tetapi juga dengan berfungsi sebagai kofaktor yang diperlukan untuk enzim yang terlibat dalam peroksidasi lipid. Ferroptosis dapat dipicu melalui jalur ekstrinsik atau intrinsik. Jalur ekstrinsik dimulai melalui regulasi transporter, sedangkan jalur intrinsik terutama diinduksi dengan memblokir ekspresi atau aktivitas enzim antioksidan intraseluler.

Cuproptosis adalah jenis kematian sel yang dipicu oleh akumulasi tembaga intraseluler. Tembaga ekstraseluler diimpor ke dalam sel melalui copper ionophores atau melalui transporter tembaga seperti CTR1 dan DMT1. Begitu tembaga memasuki sel, ia berikatan dengan berbagai protein pendamping tembaga, yang memfasilitasi pengangkutannya ke kompartemen subseluler tertentu, termasuk mitokondria, jaringan trans-Golgi (TGN), dan inti. Di dalam sel, FDX1 mereduksi Cu2+ menjadi Cu+, yang berinteraksi dengan lipoic acid synthetase (LIAS) untuk memfasilitasi lipoilasi enzim metabolisme utama, termasuk DLAT. Disregulasi homeostasis tembaga menginduksi stres oksidatif dan respons kerusakan DNA, meningkatkan stres seluler yang dapat menyebabkan cuproptosis.

Dampak Ferroptosis Pada Kesehatan Manusia

Ferroptosis, sebagai bentuk kematian sel terprogram yang bergantung pada zat besi, memiliki dampak yang signifikan pada kesehatan manusia, baik dalam kondisi normal maupun patologis:

• Penyakit Ginjal Akut: Ferroptosis terlibat dalam cedera iskemia/reperfusi hati dan jantung serta cedera ginjal akut.
• Penyakit Neurodegeneratif dan Neurotoksisitas: Ferroptosis juga berperan dalam neurotoksisitas dan penyakit neurodegeneratif.
• Sindrom Kegagalan Sumsum Tulang: Sel induk hematopoietik (HSC) sangat rentan terhadap kematian akibat ferroptosis. Penghambatan ferroptosis pada HSC dapat meningkatkan kesehatan pasien dengan patologi ini.
• Preeklampsia (PE): Ketidakseimbangan zat besi dapat menyebabkan disfungsi plasenta dan komplikasi selama kehamilan. Ferroptosis, yang dipicu oleh akumulasi zat besi intraseluler, telah dikaitkan dengan kerusakan plasenta dan stres oksidatif pada PE.
• Penyakit Muskuloskeletal: Ferroptosis berperan dalam kondisi muskuloskeletal seperti osteoporosis, osteoarthritis, rheumatoid arthritis, dan osteosarcoma. Agonis ferroptosis telah terbukti meningkatkan sensitivitas sel osteosarcoma terhadap strategi terapeutik konvensional.
• Kanker: Ferroptosis dapat menghambat proliferasi sel kanker.

Dampak Cuproptosis Pada Kesehatan Manusia

Cuproptosis adalah proses kematian sel yang dipicu oleh kerusakan akibat akumulasi tembaga (Cu) dalam sel. Tembaga adalah unsur esensial yang diperlukan tubuh untuk berbagai fungsi biologi, namun ketika konsentrasinya terlalu tinggi, tembaga dapat beracun dan menyebabkan kerusakan sel. Cuproptosis berkaitan dengan metabolisme sel yang terganggu, di mana tembaga menumpuk dalam mitokondria dan memicu reaksi oksidatif yang berbahaya bagi sel. Dampak dari cuproptosis pada kesehatan manusia melibatkan beberapa aspek yang dapat berbahaya bagi tubuh, antara lain:

• Kerusakan Jaringan: Jika sel-sel tubuh mati akibat cuproptosis, hal ini dapat menyebabkan kerusakan jaringan, termasuk organ vital seperti hati, ginjal, dan otak, yang dapat menurunkan fungsi tubuh secara keseluruhan.
• Penyakit Neurodegeneratif: Tembaga yang berlebihan dapat berkontribusi pada perkembangan penyakit neurodegeneratif seperti Alzheimer dan Parkinson, di mana akumulasi tembaga merusak sel-sel saraf.
• Penyakit Kardiovaskular: Akumulasi tembaga yang berlebihan dapat merusak sel-sel jantung dan pembuluh darah, yang pada akhirnya dapat meningkatkan risiko penyakit jantung atau gangguan kardiovaskular lainnya.
• Gangguan Metabolisme Sel: Cuproptosis dapat mengganggu metabolisme sel, terutama pada sel-sel yang bergantung pada energi dari mitokondria, seperti sel otot dan sel darah merah. Ini dapat menyebabkan gangguan dalam fungsi tubuh secara umum.

Metode Deteksi Ferroptosis

Berbagai metode telah dikembangkan untuk mendeteksi ferroptosis meliputi flow cytometry, uji aktivitas sel, microscopic imaging, western blotting, dan quantitative polymerase chain reaction (qPCR). Selain itu, deteksi dapat dilakukan dengan mengukur spesies oksigen reaktif (ROS) dan metabolit lipid malondialdehyde (MDA), serta mengamati kerusakan mitokondria dan jalur terkait. Deteksi lebih lanjut sebagai berikut.

1. Deteksi Kondisi Seluler
   Reagen: Peneliti menggunakan reagen seperti MMT, CCK-8, PI, LDH, dan kit ATP untuk mendeteksi perubahan jumlah sel atau kondisi sel.
   
   Metode: Kit MMT, CCK8, LDH, dan APT berbasis warna atau noda, sementara PI dapat digunakan dengan flow cytometry atau mikroskop fluoresensi. Meskipun uji viabilitas sel tidak spesifik, mereka penting dalam membuktikan ferroptosis selama proses penemuan penyakit.

   Metode Umum: CCK-8 banyak digunakan karena kesederhanaannya dan fokus pada studi jalur dan mekanisme regulasi. Microplate reader dan mikroskop fluoresensi umum digunakan untuk mendeteksi kondisi seluler. Flow cytometry berguna untuk mempelajari efek berbagai faktor pada siklus dan aktivitas sel, tetapi membutuhkan personel khusus dan pemrosesan segera.

2. Deteksi Gen, Protein, dan Faktor Transkripsi
   Teknik: Real-time quantitative reverse transcription-PCR (RT qPCR) dan Western blotting adalah teknik umum.

   RT qPCR: Metode ini menggunakan fluorofor dalam PCR untuk menganalisis jumlah awal gen target dengan memantau kekuatan sinyal fluoresensi.

   Western Blotting: Metode ini menganalisis ekspresi protein tertentu dengan mengikatkan antibodi spesifik ke sampel sel atau jaringan.

   Target: Gen dan protein yang terlibat dalam ferroptosis terutama terkait dengan metabolisme lipid, metabolisme besi, dan sistem antioksidan.

3.  Probe Peroksidasi Lipid
   Peroksidasi lipid dapat dideteksi melalui deteksi fluoresensi ratiometrik menggunakan probe lipid BODIPY™. Hal ini juga dapat dideteksi dengan oksidasi linoleic acid yang tergabung melalui reaksi click menggunakan Click-iT™ Lipid Peroxidation Imaging Kit. Metode lainnya yaitu C11 BODIPY 581/591 dan LiperFluo merupakan probe fluoresen yang larut dalam lipid yang digunakan untuk memantau peroksidasi lipid dalam kultur sel melalui mikroskop, plate reader, atau flow cytometry. LiperFluo berinteraksi langsung dengan lipid hidroperoksida (fosfat), sehingga lebih efektif daripada C11-BODIPY. Liquid chromatography dengan tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) dapat digunakan untuk menganalisis perubahan profil lipid, spesies lipid peroksida kuantitatif (PUFA-OOH dan PL-OOH) atau identifikasi protein oksidatif. ELISA dapat mendeteksi produk akhir peroksidasi lipid, misalnya, malonyl dialdehyde (MDA).

Metode Deteksi Cuproptosis

Metode deteksi cuproptosis bertujuan untuk memverifikasi dan meneliti cuproptosis lebih lanjut. Metode ini mendeteksi perubahan karakteristik cuproptosis, termasuk verifikasi kematian sel, kandungan Cu, morfologi, biologi molekuler dari tingkat protein molekul terkait cuproptosis, jalur biokimia aktivitas enzim terkait cuproptosis, dan metabolit stres oksidatif. Metode deteksi cuproptosis dapat dikategorikan menjadi dua bagian yaitu fenomena seluler dan mekanisme molekuler.

1. Fenomena Seluler
   Verifikasi Kematian Sel: Efek kematian sel yang diselamatkan oleh pretreatment khelat tembaga dan deposisi Cu dapat mengindikasikan induksi cuproptosis. Inhibitor kematian sel klasik (apoptosis, nekrosis, autophagy, ferroptosis, dll.) tidak boleh sensitif terhadap efek penghambatan viabilitas sel, tetapi dapat diselamatkan dengan pretreatment chelators Cu.

   Kandungan Cu: Ketidakseimbangan homeostasis Cu menginduksi toksisitas Cu ke sel melalui memperburuk impor Cu dan mengurangi efisiensi Cu. Metode colorimetric, probe fluorescent, dan electrochemistry adalah metode yang efektif untuk mengukur kandungan Cu2+ dalam serum, lysate sel, dan sampel lain.

   Morfologi: Fitur morfologi cuproptosis melibatkan ruptur membran sel, kontraksi mitokondria, retikulum endoplasma, dan kerusakan kromatin. Mikroskop transmisi elektron (TEM) dapat memeriksa perubahan morfologi struktur dan organel subseluler secara intuitif.

2. Mekanisme Molekuler
   Biologi Molekuler Tingkat Protein: Cuproptosis ditandai dengan agregasi abnormal DLAT, hilangnya protein cluster Fe-S, dan peningkatan HSP701. Agregasi DLAT melibatkan lipoilasi yang diatur oleh DLAT/LIAS dan pengikatan Cu ke asam lipoat.

   Jalur Biokimia: Cuproptosis mengganggu jalur metabolisme seluler normal dari stres oksidatif, asam lipoat, siklus TCA, protein cluster Fe-S, fosforilasi oksidatif, dan intensitas respirasi sel1. Oleh karena itu, jalur biokimia aktivitas enzim terkait cuproptosis dan metabolit merupakan indikator penting untuk verifikasi dan evaluasi cuproptosis.

3. Analisis Molekuler Lebih Lanjut
   Metode kuantitatif lebih lanjut digunakan untuk mengevaluasi perubahan seluler dalam tingkat protein molekul terkait cuproptosis dan dalam aktivitas enzim terkait cuproptosis dan metabolit sebagai respons terhadap penanda kematian sel tergantung Cu.

   Perubahan karakteristik cuproptosis adalah agregasi abnormal DLAT, hilangnya protein cluster Fe-S, dan peningkatan HSP70. Hasil qRT-PCR dapat menunjukkan perubahan tingkat protein FDX1, DLAT, protein cluster Fe-S, dan HSP70 dalam sel dan jaringan.

   Agregasi Cu+-DLAT dapat ditangkap oleh IF, nondenaturing gel electrophoresis/Western blot, HPLC, DLS, TDA, ES-DMA1. Tingkat protein yang terlibat dapat diukur dengan qRT-PCR, Western blot, dan IHC assay. Lokalisasi SLC31A1 dan ATP7A/B dapat diukur dengan IF assay, dan mutasi ATP7A/B harus diukur dengan sequence alignment.

Produk ELISA Kit dari PT. Indogen untuk Deteksi Ferroptosis dan Cuproptosis

PT INDOGEN INTERTAMA, selaku distributor penyedia kebutuhan uji laboratorium untuk skala riset, klinis dan industrial menawarkan beberapa produk yang dapat digunakan dalam pendeteksian ferroptosis dan cuproptosis.

Assay kits dari Elabscience untuk penelitian ferroptosis

Assay kits dari Elabscience untuk penelitian cuproptosi

Daftar Pustaka

Chen, T., Liang, L., Wang, Y., Li, X., & Yang, C. (2024). Ferroptosis and cuproptposis in kidney Diseases: dysfunction of cell metabolism. Apoptosis : an international journal on programmed cell death, 29(3-4), 289–302. https://doi.org/10.1007/s10495-023-01928-z

Chen, X., Comish, P. B., Tang, D., & Kang, R. (2021). Characteristics and biomarkers of ferroptosis. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 9. https://doi.org/10.3389/fcell.2021.637162

Chen, Z., Lin, H., Wang, X., Li, G., Liu, N., Zhang, M., & Shen, Y. (2023). The application of approaches in detecting ferroptosis. Heliyon, 10(1), e23507. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e23507

Ferroptosis Research Solutions | Thermo Fisher Scientific – US. (n.d.). https://www.thermofisher.com/id/en/home/life-science/cell-analysis/cell-viability-and-regulation/ferroptosis.html

Liu, Z., Ma, H., & Lai, Z. (2023). The Role of Ferroptosis and Cuproptosis in Curcumin against Hepatocellular Carcinoma. Molecules, 28(4), 1623. https://doi.org/10.3390/molecules28041623

Tang, D., & Kroemer, G. (2020). Ferroptosis. Current biology : CB, 30(21), R1292–R1297. https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.09.068

Zhang, F., Yan, Y., Cai, Y., Liang, Q., Liu, Y., Peng, B., Xu, Z., & Liu, W. (2023). Current insights into the functional roles of ferroptosis in musculoskeletal diseases and therapeutic implications. Frontiers in cell and developmental biology, 11, 1112751. https://doi.org/10.3389/fcell.2023.1112751

Zhang, L., Deng, R., Guo, R., Jiang, Y., Guan, Y., Chen, C., Zhao, W., Huang, G., Liu, L., Du, H., & Tang, D. (2024). Recent progress of methods for cuproptosis detection. Frontiers in Molecular Biosciences, 11. https://doi.org/10.3389/fmolb.2024.146098