Fukoxantin yang Dienkapsulasi Mono-Carrier Zein Hidrolisat untuk Diabetes Tipe 2

Sekitar 422 juta orang di seluruh dunia menderita diabetes, mayoritas tinggal di negara dengan penghasilan menengah dan ke bawah. Kemudian, 1.5 juta kematian secara langsung disebabkan oleh diabetes setiap tahunnya (WHO 2022). Dari seluruh kasus diabetes, 90-95% di antaranya merupakan diabetes tipe 2 (T2DM).

Penyakit diabetes terdiri dari berbagai macam tipe, umumnya adalah diabetes mellitus tipe 1 (T1DM) dan diabetes mellitus tipe 2 (T2DM). T1DM merupakan diabetes yang diakibatkan oleh sistem imun. T2DM merupakan diabetes yang paling sering terjadi. 

T2DM merupakan diabetes yang tergolong sebagai penyakit kronis, yaitu berlangsung dalam jangka panjang. T2DM memiliki karakteristik berupa kerusakan aktivitas sel beta yang dapat menyebabkan hiperglikemia, resisten insulin, dan gangguan sintesis glikogen. 

Penyakit diabetes mellitus tipe 2 terjadi karena adanya penurunan insulin dalam tubuh akibat gangguan pada tahap sekresi dan pada reseptor insulin. Mekanisme terjadinya resisten insulin adalah kerusakan sel beta pankreas yang mengganggu aktivitas hormon insulin. 

Akibat gangguan tersebut, tubuh tidak dapat menurunkan kadar gula dalam darah sehingga terjadinya hiperglikemia atau kadar gula darah menjadi tinggi. Hiperglikemia dapat memicu kelelahan pada sel beta dan stress oksidatif, memasuki kondisi glukotoksistas yang berpotensi untuk menghentikan kerja sel beta sehingga menyebabkan resisten insulin. 

Resisten insulin berarti sel target insulin tidak dapat merespon insulin yang dihasilkan (Fatimah 2015). Jadi, pada dasarnya, tubuh tidak dapat menggunakan insulin secara efektif.

Dengan teknologi yang semakin berkembang, serta akses terhadap bahan yang semakin mudah, peneliti mencari dan mengembangkan suplemen yang dapat mengurangi penyakit T2DM. Salah satunya adalah suplemen berbasis nanopartikel koloid senyawa aktif fukoxantin yang dienkapsulasi mono-carrier zein hidrolisat (FZNP).

 FUKOXANTIN

Fukoxantin atau FX merupakan "emas" lautan yang sering ditemukan pada macroalgae dan microalgae, serta merupakan karotenoid yang paling melimpah di alam, yaitu lebih dari 10% dari seluruh karotenoid alam. FX telah menarik perhatian dunia dalam beberapa tahun ini karena memiliki banyak aktivitas fisiologis seperti antioksidan, anti-inflamasi, pencegahan terhadap penyakit non-alcoholic fatty liver, hidropolipidemic, anti-obesitas, anti-diabetes, dan anti-kanker. 

Sebagai contoh, FX digunakan sebagai karotenoid kemoterapi dalam mengobati kanker usus besar. FX dipandang oleh para peneliti sebagai kandidat yang sangat menjanjikan untuk pengobatan di masa depan dan untuk pengembangan pangan fungsional atau suplemen diet. FX dapat menjadi anti-diabetes karena dapat meregulasi insulin signaling pathway. 

Berbagai uji klinis dilakukan terhadap penerapan FX sebagai anti-diabates dan studi mengatakan bahwa secara signifikan FX dapat mengurangi glukosa plasma dan intoleransi glukosa yang sama baiknya dengan mengurangi ekspresi dari gen pro-inflamasi. 

Sementara itu, FX memiliki sifat tidak larut air dan rentan terhadap kondisi lingkungan.  Hal tersebut dapat mempengaruhi delivery dan manfaat terhadap tubuh. 

Oleh karena itu, melalui sistem targeted delivery, didapatkan cara lain yang merupakan in vivo delivery senyawa aktif dengan efisiensi yang lebih baik. Berbagai sistem delivery obat dengan kemampuan yang sangat baik untuk mencegah pelepasan obat secara langsung pada daerah usus sehingga obat dapat diarahkan ke sel target. 

Beberapa agen pembawa telah dikembangkan, termasuk yang natural, sintetis, dan semi sintetis polimer untuk berbagai bentuk delivery, seperti microspheres, nanopartikel, liposom, microcapsules, dan microtablets. Jadi, untuk mengatasi asam kuat dan lingkungan enzimatik pada sistem pencernaan, senyawa aktif fukoxantin dikemas (enkapsulasi) dalam agen pembawa berupa mono-carrier zein hidrolisat.

ZEIN HIDROLISAT

Penggunaan zein hidrolisat sebagai mono-carrier dilakukan dengan tujuan pembentukan nano-kompleks dengan struktur yang stabil. Mengapa menggunakan zein hidrolisat dan bukan zein? Zein berbentuk koloid memiliki muatan negatif pada permukaannya dan cenderung kehilangan stabilitas fisik ketika dalam lingkungan pH netral sehingga dapat mengarah pada proses agregasi partikel. Hal tersebut dapat dicegah dengan penggunaan zein yang disertai penggunaan protein lain atau polisakarida. 

Di sisi lain, penggunaan zein hidrolisat dapat berperan sebagai mono-carrier. Zein hidrolisat merupakan peptida rantai pendek yang didapatkan dari proses hidrolisis zein. Sama halnya dengan zein, zein hidrolisat memiliki kemampuan self-assemble dalam air sehingga membentuk partikel nano dan kemudian berperan dalam enkapsulasi senyawa aktif.

FZNP (Fucoxanthin encapsulated with mono-carrier hydrolyzed Zein Nano Particle)

Keefektifan FZNP diuji secara in vivo pada tikus yang mengidap T2DM dan dibandingkan dengan efek fukoxantin tanpa enkapsulan (FX), keduanya terbukti dapat mengurangi diabetes. FZNP dan FX secara signifikan memperbaiki kerusakan sel hati dan sel beta pankreas, meningkatkan aktivitas superoksida dismutase (SOD) dan menurunkan nilai insulin dalam serum.

SOD merupakan senyawa antioksidan yang dapat digunakan untuk mengobati penyakit seperti kanker (Wu et al. 2021). Insulin merupakan senyawa yang disekresikan oleh sel beta pancreas, dan merupakan salah satu hormone metabolik penting untuk mengontrol gula darah. SOD dapat meningkat dan jumlah fasting serum insulin (INS) menurun karena FX dan FNZP yang dienkapsulasi akan lebih menghambat produksi dari ROS dan juga dapat mencegah terjadinya kerusakan pada sel serta dapat memperbaiki hepatocyte dan sel beta pankreas.

FZNP dan FX juga efektif dalam meningkatkan respon untuk ekspresi gen dalam jalur PI3K-AKT, serta ekspresi protein CaMK dan GNAs di dalam pankreas. PI3K dan AKT merupakan gen dalam hati yang berperan dalam sintesis glikogen dan jalur gluconeogenesis yang mengontrol aktivitas transport glukosa, metabolisme glukosa, serta homeostasis glukosa. Pada tikus yang menderita diabetes, ekspresi kedua gen tersebut menurun, artinya kemampuan tikus dengan diabetes dalam meregulasi glukosa plasma tidak terlalu baik. Ketika ekspresi gen jalur PI3K-AKT ditingkatkan oleh adanya senyawa FZNP dan FX, artinya jalur sinyal insulin yang abnormal pada penderita diabetes dihambat sehingga meningkatkan penyerapan glukosa dan metabolisme glukosa hati, juga menurunkan resistensi insulin.

Aktivitas sel beta pada pankreas dapat dipengaruhi oleh beberapa ekspresi gen protein. CaMK merupakan gen yang berperan dalam sekresi insulin. CaMK akan meningkatkan respirasi mitokondria serta membantu sel beta untuk bertahan pada kadar glukosa tinggi secara berulang yang dapat meningkatkan sekresi insulin (Sabatini et al. 2018). Ekspresi gen GNAs juga berpengaruh pada sekresi insulin karena berkolerasi dengan indeks sekresi insulin melalui regenerasi sel cAMP. 

picture11-637799427bda0277a8711893.png

Gen GNAs mengatur jumlah regenerasi sel cAMP, jika selnya sedikit maka dapat mengurangi sekresi insulin oleh sel beta pankreas (Taneera et al. 2019). Senyawa FZNP dan FX berpengaruh dalam menstimulasi ekspresi kedua gen protein tersebut, yatiu CaMK dan GNAs, dimana keduanya merupakan gen yang berguna untuk memproduksi insulin. Dengan peningkatan ekspresi kedua gen tersebut, sekresi insulin oleh sel beta pankreas juga akan mengalami peningkatan.

Hasil perbandingan keefektifan antara FZNP dan FX menunjukkan bahwa FZNP memiliki beberapa keunggulan signifikan dibandingkan FX, yaitu dapat lebih efektif mengurangi fasting blood glucose (FBG) pada tikus dengan T2DM sampai ke batas normal. FBG adalah pengukuran kadar gula darah setelah melakukan puasa atau tidak makan selama 8-10 jam. Menurut data dari Centers for Disease and Control Prevention, kadar FBG yang normal pada manusia adalah 99 mg/dL atau kurang, sedangkan 100-125 mg/dL menandakan prediabetes, dan nilai 126 mg/dL atau lebih merupakan ciri-ciri pengidap diabetes.

Selain itu, FZNP juga lebih signifikan dalam meningkatkan nilai adiponektin (ADPN) dan aktivitas glutation peroksidase (GSH-Px). Senyawa ADPN berfungsi mengontrol efek dari T2DM, menjadi salah satu alat terapi atau pencegahan terhadap diabetes. Mekanismenya adalah dengan mediasi pada reseptor membran sel yang meningkatkan pembentukan protein untuk mengaktivasi oksidasi asam lemak dan penyerapan glukosa (Ibrahim et al. 2010). 

GSH-PX merupakan enzim glutation peroksidase pada plasma yang berpengaruh terhadap perlindungan dari stres oksidatif pada tubuh dengan cara mereduksi glutation dan mencegah terbentuknya radikal bebas. Penyakit diabetes dapat disebabkan dari stres oksidatif karena berkurangnya enzim, seperti GSH-PX yang ditunjukkan oleh rendahnya status GSH-PX pada penderita diabetes (Riyanti et al. 2014). Di antara senyawa FZNP dan FX, FZNP memberikan hasil yang lebih signifikan dalam meningkatkan senyawa ADPN dan GSH-PX. Peningkatan kedua senyawa tersebut menunjukkan efektivitas senyawa terhadap mengurangi efek diabetes mellitus pada penderita.

FZNP dapat lebih menurunkan nilai resistensi insulin (HOMA-IR) dan malondialdehid (MDA) dari pada FX bebas. HOMA-IR merupakan suatu indeks dari resistensi insulin yang dapat dihitung dengan rumus: HOMA-IR = FIN (mIU/L)/FBG (mM/L)/22.5. Resistensi insulin merupakan suatu kondisi dimana terdapat kegagalan organ dalam kondisi normal merespon aktivitas hormon insulin (Muhammad 2018). Jika nilai HOMA-IR menurun, dapat dikatakan bahwa organ target sudah mulai dapat merespon aktivitas hormon insulin. 

Kemudian, MDA merupakan penanda kerusakan seluler yang disebabkan oleh radikal bebas. MDA dapat terbentuk dalam darah karena radikal bebas dapat meningkatkan peroksidasi lipid yang kemudian akan terurai menjadi MDA. Semakin tinggi kadar dari MDA maka semakin tinggi kadar radikal dalam darah (Zaetun et al. 2017).

Regulasi ekspresi gen GLUT2 juga dipengaruhi oleh FZNP. GLUT2 merupakan gen yang yang memfasilitasi transport glukosa melalui sel pankreas & hati untuk mencapai metabolisme glukosa yang sesuai dan juga regulasi glikogen. Efek superior FZNP dibandingkan FX dalam regulasi gen GLUT2 diperkirakan karena perlindungan dari dinding zein hidrolisat sehingga menghindari katabolisme dalam lambung dan langsung menuju ke fase usus untuk digunakan oleh organisme, yang dibuktikan secara in vitro.

Oleh karena itu, dari penelitian di atas dapat disimpulkan bahwa FZNP terbukti efektif dalam mengurangi dampak T2DM dan dapat digunakan sebagai pangan masa depan maupun industri farmasi untuk bahan pengobatan T2DM. Tidak hanya itu, enkapsulasi dengan sistem mono-carrier terhadap senyawa aktif dapat dilakukan untuk meningkatkan uptake serta efektivitas senyawa aktif dalam tubuh manusia dengan lingkungan yang lebih ekstrem.

DAFTAR PUSTAKA

Centers for Disease Control and Prevention. Diabetes Tests Overview. Available online: https://www.cdc.gov/diabetes/basics/getting-tested.html (accessed on November 9, 2022).

Fatimah RN. 2015. Diabetes melitus tipe 2. J Majority. 4(5): 93 -- 101.

Muhammad AA. 2018. Resistensi insulin dan disfungsi sekresi insulin sebagai faktor penyebab diabetes melitus tipe 2. Jurnal Kesehatan Masyarakat. 8(2): 173-178.

Sabatini PV, Speckmann T, Lynn FC. 2018. Friend and foe: -cell ca2+ signaling and the development of diabetes. Molecular Metabolism. 21(2019): 1 -- 12.

Taneera J, Dhaiban S, Mohammed AK, Mukhopadhyay D, Aljaibeji H, Sulaiman N, Fadista J, Salehi A. 2019. GNAS gene is an important regulator of insulin secretory capacity in pancreatic -cells. Gene. 715: 1 -- 33.

Ibrahim MI, Bastawy NA, Rateb MA, Haidara MA, Jaliah IM, Al-Hashim F, Dallak MM, Soskic S, Isenovic ER. 2010. Effects of insulin on adpn and adipor1 in diabetic rats. iMedPub J. 3(1): 1 -- 7.

Riyanti H, Simanjuntak SBI, Winarsi H. 2014. Aktivitas glutation peroksidase dan kadar gula darah tikus diabetes yang diberi ekstrak daun kapulaga (Amomum cardamomum). Scripta Biologica. 1(2): 153 -- 156.

World Health Organization. Diabetes Overview. Available online: https://www.who.int/health-topics/cardiovascular-diseases/#tab=tab_1 (accessed on November 9, 2022).

WU SJ, Liou CJ, Chen YL, Cheng SC, Huang WC. 2021. Fucoxanthin ameliorates oxidative stress and airway inflammation in tracheal epithelial cells and asthmatic mice. Cells. 10(1): 1-18.

Zaetun S, Dewi LBK, Wiadnya IBR, Srigede L. 2017. Profil kadar mda (malondialdehide) sebagai penanda kerusakan seluler akibat radikal bebas pada tikus yang diberikan air beroksigen. Jurnal Analisis Media Bio Sains. 4(2): 63-68.

Zhang, X., Fan, M., Luo, K., Xu, W., Dong, J., Wang, D., Chen, L., Yu, J. (2022). In Vivo Assessment of the Effects of Mono-Carrier Encapsulated Fucoxanthin Nanoparticles on Type 2 Diabetic C57 Mice and Their Oxidative Stress. Antioxidants, 11(10), 1976.