Mekanotransduksi dan Perbaikan Patah Tulang

Penyembuhan patah tulang diatur sebagiannya oleh faktor mekanis. Studi dari proses di mana lingkungan mekanis patah tulang dapat memodulasi penyembuhan dapat menghasilkan strategi-strategi baru untuk pengobatan cedera tulang. Tulisan ini memusatkan pada beberapa pertanyaan belum terjawab yang menjadi kunci dalam studi mekanotransduksi dan perbaikan fraktur. Ini menyangkut pertanyaan mengidentifikasi rangsangan mekanik yang mendorong penyembuhan-tulang, mendefinisikan mekanisme yang terlibat dalam proses ini, dan memeriksa potensi untuk cross-talk antara investigasi mekanotransduksi dalam penyembuhan-tulang dan dalam penyembuhan jaringan berasal-mesenkhim lainnya. Beberapa pendekatan untuk mendapatkan perkiraan yang akurat dari rangsangan mekanik yang hadir dalam kalus fraktur diusulkan, dan pemahaman kita tentang proses mekanotransduksi yang terlibat dalam penyembuhan-tulang ditinjau.

Lingkungan Mekanik dari Sebuah Penyembuhan Patah Tulang

Penyembuhan patah tulang diatur oleh faktor genetik serta epigenetik. Lingkungan mekanis penyembuhan patah tulang adalah salah satu faktor epigenetik seperti yang dikenal memiliki pengaruh besar pada tingkat dan keberhasilan proses perbaikan. Memahami pengaruh lingkungan mekanik, dan khususnya mekanisme yang memodulasi isyarat mekanis penyembuhan tulang, memiliki aplikasi mulai dari manajemen klinis patah tulang hingga teknik rekayasa jaringan tulang dan penyelidikan dalam bidang ilmu dasar nasib sel.

Beberapa parameter berkontribusi terhadap lingkungan mekanik dari kalus fraktur. Ini termasuk stabilitas fiksasi, geometri atau jenis fraktur, dan jenis pembebanan. Sebagai contoh, fiksasi yang sangat stabil, seperti yang diberikan oleh sebuah plat fiksasi kaku diterapkan internal dan oleh sebuah sekrup interfragmen, menghasilkan dalam penyembuhan kortikal primer tanpa pembentukan kalus. Fiksasi kurang stabil eksternal menghasilkan dalam kalus tulang rawan, dengan ukuran yang sangat bergantung pada kekakuan rangka fixator (1-3). Geometri atau tipe patahan mempengaruhi bagaimana beban eksternal akan ditransfer ke jaringan kalus. Sebuah contoh sederhana adalah perbandingan antara garis fraktur melintang dengan garis fraktur oblik. Bahkan di bawah beban kompresif aksial yang sama, fraktur oblik akan menghasilkan strain geser jauh lebih tinggi di jaringan kalus yang berdekatan dengan ujung tulang yang diosteotomi atau patah. Pembebanan mekanik dari kalus fraktur paling sering terjadi sebagai konsekuensi dari penyanggaan berat (weight-bearing); bagaimanapun, dinamisasi dari kesenjangan fraktur juga telah diteliti. Hasil dari studi ini menunjukkan bahwa sementara efek pembebanan sangat tergantung pada rate (4, 5), mode (6-9), dan magnitude (10, 11) beban, serta kesenjangan ukuran (10), penerapan pemindahan tekan siklik dapat meningkatkan penyembuhan melalui pembentukan kalus yang meningkat dan penulangan yang lebih cepat (12, 13). Seperti dibuktikan oleh keberhasilan osteogenesis regang (distraction osteogenesis) baik dalam setingan eksperimental maupun klinis, aplikasi perpindahan tarik (tensile displacement) berturut-turut juga dapat mendorong pembentukan tulang. Berbeda dengan efek pembebanan kompresif siklik, bagaimanapun, pembentukan tulang dalam osteogenesis regang terjadi terutama melalui penulangan intramembran. Perbedaan yang sangat jelas ini dalam efek pembebanan tarik dan kompresi pada modus pembentukan tulang menggambarkan kompleksitas serta potensi penggunaan beban mekanis untuk meningkatkan penyembuhan.

Dari contoh di atas, jelaslah bahwa gangguan mekanik dapat memodulasi penyembuhan tulang. Namun, dalam konteks pengembangan strategi efektif untuk meningkatkan pembentukan dan memperbaiki tulang, perlu untuk menjawab beberapa pertanyaan kunci. Pertama, rangsangan mekanik khusus apa yang mendorong penyembuhan tulang? Kedua, mekanisme mekanotransduksi apa yang terlibat dalam perbaikan fraktur? Ketiga, apa yang bisa dipelajari dari atau diterapkan untuk penyembuhan dan regenerasi jaringan lain? Pada bagian berikut, kita akan membahas setiap pertanyaan berkenaan dengan apa yang saat ini dikenal, menyarankan dan menyajikan teknik pendekatan baru yang dapat digunakan untuk meningkatkan pemahaman yang ada saat ini dari topik ini, dan garis besar tantangan yang ada dalam studi proses mekanotransduksi dalam perbaikan fraktur .

Rangsangan Mekanik Khusus Apakah yang Mendorong Penyembuhan Patah Tulang?

Melalui pengamatan dan, pada tingkat lebih rendah, studi empiris, beberapa teori telah dikembangkan pada peran rangsangan mekanik tertentu dalam mengatur diferensiasi jaringan mesenkim berpotensi majemuk ke dalam tulang, tulang rawan, tulang rawan fibrus, dan jaringan fibrus. Sebagai contoh, Carter et al. (14) mengusulkan bahwa kombinasi yang berbeda dari tekanan hidrostatik dan regangan tarik mendorong pembentukan jaringan tulang yang berbeda, dan Claes dan Heigele (15) mendalilkan bahwa kedua jenis rangsangan di atas mengatur pengerasan intramembran versus endokhondral. Prendergast et al. (16, 17) malah mengusulkan agar dua rangsangan mekanik kunci yang mengatur diferensiasi jaringan mesenkim adalah regangan geser dan aliran fluida. Perbandingan langsung dari prediksi teori-teori ini kepada analisis histologis penyembuhan tulang menunjukkan bahwa prediksi yang paling akurat adalah yang didasarkan pada regangan geser dan aliran cairan (18). Namun, masing-masing teori tidak dapat memprediksi gambaran tertentu dari proses penyembuhan patah (18), menunjukkan bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan di wilayah ini.

Pengujian pengaruh variabel mekanik tertentu pada penyembuhan fraktur memerlukan, di atas segalanya, sebuah metode untuk mengukur distribusi rangsangan mekanis dalam kalus fraktur. Ini bukan tugas yang mudah, karena rangsangan mekanik "tingkat jaringan "ditentukan tidak hanya oleh pembebanan melintang, aksial, dan bending yang diterapkan untuk tulang tetapi juga oleh geometri kesenjangan tulang dan fraktur dan sifat mekanik jaringan kalus. Pendekatan alami untuk mengatasi masalah yang rumit ini adalah untuk memperkirakan rangsangan mekanik melalui analisis elemen yang terbatas. Dalam pendekatan komputasi ini, penyidik harus memasok data beban yang diterapkan, kalus dan geometri tulang, dan sifat mekanik jaringan sebagai masukan. Ketepatan masukan ini harus dipertimbangkan dengan cermat karena kesalahan dalam memberi masukan secara substansiil dapat mempengaruhi kualitas hasil luaran analisis.

Meskipun banyak analisis elemen hingga rangsangan mekanik lokal pada penyembuhan tulang hanya memperkirakan atau mengidealkan geometri, sifat mekanik jaringan, dan beban yang diterapkan, beberapa teknik telah dikembangkan untuk mengukur atau untuk mendapatkan beberapa besaran secara langsung. Data imejing, seperti yang diperoleh melalui tomografi komputer, dapat digunakan untuk membuat semacam model elemen terbatas yang menangkap geometri sebenarnya dari tulang dan kalus (Gambar 1, A dan 1, B). Kelemahan dari pendekatan pemodelan "spesimen-khusus" adalah meningkatnya waktu yang diperlukan untuk menghasilkan model dan secara potensiil membatasi hasilnya untuk dapat digunakan bagi spesimen lainnya. Namun, perbedaan dalam distribusi tegangan, strain, dan aliran fluida antara model ber-geometri ideal dengan model ber-geometri yang lebih realistis dapat menjadi substansiil (Gambar 1, C dan 1, D), menunjukkan bahwa model yang disebut belakangan mungkin memerlukan uji hipotesis yang ketat tentang peran rangsangan mekanik tertentu dalam mempengaruhi perbaikan tulang dan regenerasi.

Gambar 1

Penciptaan dari sebuah model elemen terbatas (finite) sebuah fraktur kalus tikus besar dari data imej tomografi terkomputerasi mikro (μCT). A: Segmentasi imej semiotomat dibuat untuk menentukan the boundaries dari korteks dan kalus dalam setiap imej. B: Mesh elemen terbatas yang dihasilkan. C: Sebuah estimasi dari distribusi strain utama maksimum pada sebuah potongan longitudinal kalus menggunakan mesh elemen terbatas dalam Gambar 1, B. Pergeseran diaplikasikan ke arah tepi kiri tulang kortikal untuk menciptakan sebuah sudut bending 11°. D: Sebuah estimasi dari distribusi strain utama maksimum pada sebuah potongan longitudinal dari sebuah kalus dengan geometri yang dibuat ideal. Pergeseran diaplikasikan dengan cara yang sama sebagaimana Gambar 1, C. Tambahannya, meshes yang berasal-μCT dan yang dibuat ideal memiliki ukuran kesenjangan yang identik, juga ketebalan korteks, dan diameter kanal meduler, demikian juga diameter-diameter kalus maksimumnya sebanding. Sifat-sifat material jaringan yang sama dan ukuran-ukuran elemen yang sebanding digunakan dalam kedua analisis. Hasil-hasilnya hanya dipertunjukkan dalam jaringan kalus dan bukan dalam korteks dan kanal meduler.

Metode pengukuran sifat mekanik dari jaringan kalus harus dapat menjelaskan tentang distribusi jaringan heterogen dalam kalus. Khusus untuk studi penyembuhan patah yang menggunakan model binatang kecil, nanoindentation dan microindentation merupakan beberapa teknik yang layak untuk mengkuantifikasi sifat mekanik jaringan di banyak lokasi di seluruh kalus. Sebagai contoh, nanoindentation dapat memberikan pengukuran yang sangat berulang terhadap kekakuan jaringan untuk jaringan granulasi serta tulang yang masih sebagian termineralisasi dan tulang kortikal yang sepenuhnya matang (Gambar 2). Sementara kekakuan hanyalah merupakan satu sifat mekanik, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa teknik indentasi dapat juga digunakan untuk mengkuantifikasi sifat poroelastic dan poroviscoelastic (19, 20). Penting untuk dicatat bahwa, karena adanya langkah-langkah persiapan spesimen invasif yang terlibat dalam indentasi dari jaringan kalus, pendekatan ini terbatas untuk karakterisasi mekanik ex vivo. Prakiraan in vivo sifat jaringan kalus telah dibuat berdasarkan atenuasi nilai sinar x yang diperoleh dari radiograf digital (21); namun, untuk pengetahuan kita, tidak ada satupun pengukuran langsung dan noninvasif bagi sifat mekanik dari jaringan kalus telah dilaporkan hingga waktu penulisan ini dibuat.

Gambar 2

Modulus elastisitas jaringan kalus didapat dari nanoindentasi. Pengindentasian dilakukan pada sebuah kalus tikus potongan longitudinal setebal 200-μm menggunakan sebuah 50-μm conospherical tip. Potongan dibuat dengan sebuah mikrotom geser, dan tidak dibuat embedding, dehidrasi, atau penghalusan. Dilakukan empat indentasi dalam setiap dua area, satu terdiri dari tulang termineralisasi sebagian dan satunya terdiri dari jaringan granulasi. Untuk tulang kortikal dewasa, empat indentasi dilakukan pada sebuah potongan melintang transversal dari sebuah diafisis femur tikus besar. Protokol pengindentasian menggunakan sebuah fungsi pembebanan trapezoidal terdiri dari sebuah 2-sec loading ramp terhadap sebuah specified peak force (9000, 300, 20 μN untuk tulang kortikal, tulang termineralisasi sebagian, dan jaringan granulasi, bertrut-turut), kemudian terhadap sebuah periode tertentu atau hold period (15 deti, 15 detik, dan 5 detik untuk tulang kortikal, tulang termineralisasi sebagian, dan jaringan granulasi secara berurutan), dan sebuah 2-sec unloading ramp terhadap tanpa gaya (zero force). Modulus indentasi dihitung menggunakan metode Oliver dan Pharr (46). Ditunjukkan dalam gambar rerata modulus indentasi untuk setiap tipe jaringan; balok kesalahan mengindikasikan 1 deviasi baku

Pengukuran terhadap beban yang diterapkan atau pengukuran terhadap adanya perpindahan (displacement) juga masih merupakan tantangan besar. Fixator eksternal yang diinstrumentasikan dengan pengukur regangan atau transduser perpindahan dapat memberikan prakiraan yang cukup baik dari perpindahan yang dialami oleh kalus fraktur. Namun, karena pendekatan ini tidaklah mengukur gerakan relatif kalus terhadap fixator itu, estimasi ini cenderung meremehkan perpindahan kalus yang sebenarnya untuk beberapa tingkatan. Satu kelas teknik yang menjanjikan untuk kuantifikasi langsung pemindahan kalus adalah analisis radiostereometrik dinamis, yang telah berhasil digunakan untuk menilai stabilitas patah dan osseous union (22, 23). Berdasarkan laporan terakhir (24, 25), akurasi dan presisi dari teknik ini mungkin cukup untuk mengukur perpindahan kalus pada manusia dan hewan model besar di semuanya tapi tahap akhir penyembuhan fraktur.

Mekanisme Mekanotransduksi apa yang terlibat dalam Perbaikan Patah Tulang?

Mekanotransduksi melibatkan tiga proses utama: mechanosensing (biochemical coupling), transduksi sinyal, dan respon sel efektor. Dalam bidang penyembuhan tulang dan perbaikan, mayoritas penelitian hingga saat ini adalah difokuskan pada yang terakhir dari tiga tersebut. Sebagai contoh, khondrosit telah ditunjukkan untuk pengaturan ke hulu kolagen tipe-II pada patah tulang yang tak distabilisasi dibandingkan dengan fraktur yang distabilisasi, dan sebaliknya ditunjukkan menjadi kasus pengekspresian osteokalsin dalam sel-sel osteoblas dan sel-sel yang mirip osteoblas (26). Demikian pula, selama fase perpanjangan osteogenesis regang (distraction osteogenesis), sel-sel osteoblas presumtif di dalam regenerasi telah menunjukkan mengatur ke hulu osteopontin dan beberapa protein morfogenetik tulang, termasuk BMP-2, BMP-4, dan BMP-7 (27, 28). Dengan demikian, perubahan dalam lingkungan mekanik dari penyembuhan tulang mempengaruhi ekspresi morfogens dan protein matriks ekstraseluler dalam sel-sel efektor (yaitu, kondrosit dan osteoblas).

Hanya sedikit yang diketahui tentang mekanisme mechanosensing dan jalur sinyal transduksi yang paling kritis dan aktif selama perbaikan fraktur. Secara khusus, sedikit yang diketahui tentang jenis sel yang bertindak sebagai mechanosensors selama fase tertentu proses perbaikan, bagaimana sel-sel ini mengerti lingkungan mekanik mereka, dan bagaimana tindakan penginderaan pada akhirnya tertransduksi ke dalam respon-respon sel efektor. Studi mekanotransduksi dalam sel-sel osteosit, osteoblas, dan prekursor osteoblas telah mengidentifikasi beberapa kandidat mechanosensing mechanisms (29). Ini termasuk mechanically-gated ion channels (30-32), integrin dan adhesi-adhesi fokal (33, 34), protein G (35), dan kaitan antara sitoskelet dan isoform-isoform fosfolipase C tertentu (36, 37). Penelitian terbaru telah mengimplikasikan adhesi fokal kinase sebagai mediator kunci dari pembentukan tulang terinduksi-mekanis in vivo (38, 39). Sehubungan dengan sinyal transduksi, beberapa jalur mekanotransduksi telah diidentifikasi melalui penelitian in vitro dan studi-studi adaptasi tulang (40-44). Seperti halnya studi mekanisme mechanosensing, tantangan masih tetap berlanjut untuk menentukan peran jalur-jalur ini selama berbagai tahap penyembuhan patah.

Apa yang dapat dipelajari dari atau diaplikasikan ke Penyembuhan dan Regenerasi dari Jaringan Lainnya?

Tidak seperti pada hampir semua jaringan lainnya, tulang memiliki kapasitas regenerasi alami dan dengan demikian merupakan subjek logis maupun tidak representatif untuk studi mekanotransduksi dalam jaringan tulang. Gangguan mekanis dapat secara dramatis mengubah laju dan perjalanan penyembuhan tulang namun sering bukan merupakan hasil akhir, yang secara tipikalnya merupakan sebuah tulang yang menyembuh baik dengan bentuk dan fungsi yang mendekati aslinya. Teori diferensiasi jaringan (14, 15,17) yang telah dikembangkan untuk menjelaskan dampak lingkungan mekanik pada penyembuhan tulang juga mencakup pembentukan jaringan fibrus, tulang rawan fibrus, dan tulang rawan. Studi mekanotransduksi dalam diferensiasi dan penyembuhan dari semua jaringan lain ini memberikan wawasan baru ke dalam prinsip-prinsip yang mengatur nasib sel-sel stem mesenkhim dan untuk menentukan spektrum lebih lengkap dari banyak respon jaringan skelet terhadap rangsangan mekanik.

Contoh model yang dapat digunakan untuk jenis penyelidikan ini adalah sebuah model neoarthrosis di mana gerakan bending siklik diterapkan ke defek tulang berketebalan penuh pada femur tikus besar (45). Stimulasi mekanik menghasilkan tulang rawan, tulang rawan fibrus, dan jaringan tulang di daerah-daerah tertentu dalam kalus (Gambar. 3). Rangsangan mekanik juga melibatkan induksi kisaran luas nilai lokal tegangan, strain, dan kecepatan cairan di seluruh kalus (Gambar. 1). Keragaman rangsangan ini, bersama-sama dengan pola karakteristik jaringan yang terbentuk, menunjukkan bahwa model ini menyediakan pijakan yang sangat baik untuk meneliti hubungan antara stimuli mekanis dan berbagai respon sel dan molekul.

Gambar 3

Penyetimulasian bending dari sebuah sela osteotomi transvers berketebalan penuh. Rekonstruksi tiga dimensi dari serial potongan histologis (A) sebuah specimen setelah tiga minggu penyetimulasian bending dan (B) sebuah kontrol pada waktu yang sesuai yang menjalani fikasi kontinyu dengan sebuah fiksator eksternal empat ­pin. Stimulasi mekanik menginduksi pembentukan jumlah banyak kartilago di dalam sela dan meluas ke luar menuju kalus perifer dalam konfigurasi bentuk-baji. Sejumlah kecil tulang rawan fibrus ditemukan pada kalus perifer, dan pembentukan tulang dibatasi pada region-regio sepanjang permukaan periosteal. Tidak teramati adanya jembatan tulang. Spesimen kontrol memperlihatkan pembentukan tulang di dalam dan sekitar sela juga sejumlah kecil kartilago di dalam sela.

SIMPULAN

Saat ini, pengaruh faktor mekanik pada perbaikan fraktur telah ditunjukkan dengan meyakinkan namun proses melalui mana faktor-faktor ini mempengaruhi penyembuhan belum sepenuhnya ditetapkan. Identitas dari rangsangan mekanik kunci masih perlu dibuktikan, dan mekanisme mekanotransduksi perlu diperjelas. Untungnya, terdapat banyak bantuan peralatan dalam perekayasaan dan biologi molekuler yang tersedia untuk aplikasi dikedua wilayah studi ini. Banyak kemajuan sampai saat ini telah datang dari kombinasi in vivo dan uji in vitro, dan menyikapi tantangan yang masih ada di dalam memahami peran mekanotransduksi dalam perbaikan fraktur akan terus memerlukan pendekatan yang beragam dan multidisiplin. Meskipun penelitian ini dapat paling langsung diterapkan pada pengobatan fraktur yang menunjukkan ketertundaan (delayed) atau gangguan penyembuhan, pemahaman yang lebih baik tentang pengaruh faktor mekanik pada penyembuhan tulang juga akan tidak diragukan lagi manfaatnya bagi penyembuhan, regenerasi, dan perekayasaan dari jaringan skelet lainnya.

Metaloproteinase dan Pengaturan Remodelling Jaringan

Abstrak

Metaloproteinase matriks (MMPs) terungkap karena perannya dalam metamorfosis khewan amfibi, di mana hingga kini mereka telah menyita lebih banyak perhatian lagi karena perannya dalam penyakit. Meski telah melalui pengamatan teliti in vitro, dalam kultur sel dan dalam banyak model binatang, berbagai peranan fisiologis normal dari berbagai protease ekstrasel ini masih sulit untuk difahami. Banyak studi terkini pada tikus kecil dan lalat menunjuk ke pada peran-peran MMPs sebagai mediator perubahan dan pengadaptasian fisik dalam jaringan, apakah teregulasi mengikuti perkembangan (developmentally), terinduksi lingkungan ataukah terkait penyakit.

Pendahuluan

Temuan anggota dari famili metaloproteinase matrix (MMP), kolagenase, yang diidentifikasikan pada 1962 oleh Gross dan Lapiere, mendapatkan bahwa kecebong selama masa metamorfosisnya mengandung enzim yang dapat mendegradasi kolagen fibriler (1, 2). Selanjutnya, suatu kolagenase interstisiil, kolagenase-1 atau MMP1, ditemukan pada penyakit kulit dan sinovium (3). In vitro, MMP1 menginisiasi pendegradasian kolagen-kolagen fibriler aslinya, yang merupakan komponen sangat penting dari matriks ekstrasel tulang belakang, dengan cara memutus ikatan peptid antara Gly775-Ile776 atau Gly775-Lys776 dari bentuk asli molekul-molekul kolagen tipe I, II atau III (3, 4). Penelitian lebih lanjut mengawali bagi pengungkapan sebuah famili dari berbagai proteinase yang terkait secara struktural (23 pada manusia, 24 pada tikus kecil), yang saat ini disebut sebagai famili MMP.
Ketertarikan terhadap MMP semakin meningkat dalam akhir tahun 1960-an dan awal 1970-an setelah banyak observasi mendapatkan bahwa MMP diregulasi ke hulu dalam berjenis penyakit manusia meliputi arthritis rheumatoid dan kanker. Pentingnya, level-level tinggi MMPs seringkali terkait dengan prognosis buruk bagi pasien-pasien manusia (5). Bagaimanapun, data klinis terkini mengindikasikan bahwa hubungan antara MMPs dan penyakit tidaklah sederhana; sebagai contoh, meningkatnya aktifitas MMP dapat menguatkan progresi tumor atau dapat menghambatnya (6). Hubungan kompleks antara pengekspresian MMP dan kanker telah meningkatkan ketertarikan terhadap pengetahuan dasar dan klinik dalam memahami fungsi MMP in vivo, namun juga perhatian difokuskan pada MMPs dan patologi, dan perhatian yang agak kurang difokuskan pada peran normal enzim-enzim ini. Sebenarnya kita tidaklah memiliki 23 MMPs dalam tubuh hanya untuk mendorong pertumbuhan tumor. Sebuah pertanyaan yang masih belum terjawab adalah, apakah sebenarnya fungsi normal famili gen MMP dalam proses perkembangan? Tinjauan ini memokuskan pada apa yang telah kita pelajari sekitar fungsi-fungsi normal MMPs in vitro dari analisis genetik.

MMPs in vivo: analisis dari mutan-mutan MMP

Analisis dari penghentian genetik (genetic knockouts) MMPs menawarkan banyak kesempatan untuk mengidentifikasi fungsi-fungsi esensiil dari suatu MMP dan untuk memvalidasi berbagai substrat kandidat dengan cara mencari produk-produk pecahan (cleavage products) dalam khewan-khewan kontrol dan protein-protein takterpecahkan dalam khewan-khewan mutan. Sedikitnya 14 jenis tikus kecil mutan yang telah dihasilkan. Pengkarakterisasian awal telah menjelaskan dengan takterduga fenotip-fenotip yang hampir tak kentara, dengan keseluruhan MMP-knokcout lines tetap bertahan hidup hingga lahir (Tabel 1). Penjelasan yang mungkin bagi “seperti takterpakainya” (the seeming dispensability) MMPs sepanjang masa perkembangan embryonik adalah meliputi: kebergantungan enzimatik (enzymatic redundancy), kompensasi dan perkembangan adaptif enzimatik, meski adalah memungkinkan bahwa MMPs tidaklah penting hingga setelah masa perkembangan embryonik. MMPs memiliki banyak substrat yang bertumpang-tindih in vitro (5), yang mengindikasikan kebergantungan genetik (genetic redundancy) in vivo. Memang, kebergantungan (redundancy) seperti itu saat ini ditunjukkan dengan generasi terkini dari MMP double mutants (7, 8). Pengompensasian juga diperlihatkan dalam famili MMP (9, 10). Dalam bagian tulisan berikut ini, akan didiskusikan berbagai fenotip tikus kecil mutan yang mengandalkan pada berbagai teknik pendekatan genetik. Para peneliti dapat juga saat ini mengambil keuntungan dari sistim model genetik yang lebih sederhana, seperti misalnya Drosophila melanogaster, pada mana memungkinkannya untuk memutasikan keseluruhan gen MMP.

Proteolisis MMP

MMPs merupakan anggota dari kelompok metzincin dari protease, yang dinamai demikian setelah ion zeng dan residu Met yang terkonservasi terletak pada lokasi aktif (active site) (11, 12). Seluruh usaha terkini telah menyiptakan sebuah nomenklatur peptidase terunifikasi (13) pada mana MMPs meliputi subfamili M10A, famili M10 dan MA clan of metallopeptidases. MMPs mamalia berbagi sebuah struktur domain terkonservasi (gambar 1) yang terdiri dari sebuah domain katalitik dan sebuah pro-domain otoinhibitor. Pro-domain terdiri dari sebuah residu Cys terkonservasi yang mengkoordinasi lokasi aktif zeng untuk menghambat katalisis. Ketika pro-domain distabilisasi atau dibuang, lokasi aktif menjadi tersedia bagi penerimaan substrat-substrat pemecahan. Kebanyakan anggota famili-MMP juga mengandung sebuah domain hemopeksin, terikat pada C termini mereka melalui suatu gantungan fleksibel. Domain hemopeksin mengkode a four-bladed β-propeller structure yang memediasi berbagai interaksi protein dengan protein . Domain ini juga menyumbang bagi ketepatan pengenalan substrat, pengaktifasian enzim, pelokalisasian, penginternalisasian dan pendegradasian protease (14). Struktur domain-domain katalitik dan hemopeksin dari beberapa MMPs, termasuk MMP1, MMP2, MMP3 dan MMP4 (juga dikenal sebagai MMP tipe 1 membran [MT1-MMP]), telah dapat diuraikan (13, 15). MMP2 dan MMP9 juga memiliki pengulangan fibronektin tipe II, yang memediasi pengikatan dengan kolagen, diinsersikan ke dalam domain katalitik. Kebanyakan MMPs merupakan protein tersekresikan; bagaimanapun, mereka adalah enam buah MT-MMPs: MMP14, MMP15, MMP16 dan MMP 24 memiliki domain transmembran dan ekor sitoplasmik pendek; MMP17 dan MMP25 memiliki linkage glikosilfosfatidilinositol (GPI). Juga, MMP23 merupakan suatu protein transmembran tipe II. Aktifitas MMPs dikontrol pada banyak level dan pengaturan aktifitas MMP masih tetap merupakan satu topik penelitian yang intens (BOX 1)

Fungsi dari Proteolisis MMP

Riwayatnya, MMPs disangka berfungsi utama sebagai enzim yang mendegradasi komponen-komponen structural ECM. Bagaimanapun, proteolisis MMP dapat menyiptakan ruang bagi sel-sel untuk bermigrasi, dapat memroduksi fragmen-fragmen pemecahan substrat spesifik dengan aktifitas biologis yang bebas, dapat mengatur arsitektur jaringan melalui berbagai efek pada ECM dan intercellular junction, dan dapat mengaktifasi, mendeaktifasi atau memodifikasi aktifitas molekul-molekul pensinyalan, baik secara langsung maupun tidak langsung (16) (Gambar 2). Oleh karena sebuah sel adalah memiliki reseptor (sebagai misal, integrin) bagi komponen ECM struktural, MMPs dapat juga memengaruhi fungsi sel melalui pengaturan protein-protein ECM lewat mana sel-sel berinteraksi (17). Dalam banyak kasus, substrat ECM hasil pemecahan MMP membangkitkan fragmen-fragmen yang memiliki banyak aktifitas biologis berbeda dari prekursor-prekursor mereka. Sebagai contoh, pemecahan laminin-5 atau kolagen IV menghasilkan adanya paparan lokasi kriptik yang mendorong migrasi (18, 19). Pendegradasian kolagen tipe I yang dimediasi oleh MMP1 adalah perlu bagi migrasi sel epitel dan penyembuhan luka dalam model-model kultur (20). Pemecahan protein-protein ECM oleh MMPs dapat juga melepaskan faktor-faktor pertumbuhan yang terikat ECM, termasuk insulin growth factors dan fibroblast growth factors (21, 22). Berbagai mekanisme aksi alternatif telah juga terobservasi, meliputi kompleks-kompleks MMP intermolekuler fungsional: MMP14 berikatan dengan tissue inhibitor of metalloproteinase-2 (TIMP2), yang berikatan dengan Pro-MMP2, sehingga memosisikannya bagi pengaktifasian oleh sebuah molekul kedua MMP14 (23). Lebih lanjut, MMP11 manusia memiliki sebuah alternatif splice isoform yang fungsinya sebagai satu proteinase intraseluler dan memasuki nukleus (24).
Substrat MMP meliputi peptide growth factors, tyrosine kinase receptors, cell-adhesion molecules, sitokin dan khemokin, demikian juga MMPs lainnya dan berbagai protease yang tak terkait (BOX 2). MMPs dan berbagai famili proteinase terkait, ADAMs (a disintegrin and metalloproteases) dan ADAM-TSs (ADAMs dengan thrombo spondin repeats) adalah penting dalam penyimbahan (shedding) protein membrane-plasma-bound. ADAMs dan ADAM-TSs berpartisipasi dalam penyimbahan berbagai faktor pertumbuhan yang disintesis berupa bentuk-bentuk prekursor cell-membrane-bound, meliputi heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF), neuregulin, amfiregulin dan transforming growth factor- α (TGFα) (25-28). Pemecahan berbagai protein membran lainnya, seperti misalnya E-kadherin dan CD44, menghasilkan pelepasan fragmen-fragmen spesifik dan aktif secara biologis dari domain ekstrasel mereka, dan meningkatnya tingkah laku invasif (29, 30). Molekul-molekul cell-surface-adhesion, seperti misalnya sindekan-1 juga disimbahi oleh MMPs membran yang dapat larut (31, 32). MMP9 dan MMP12 menyumbang bagi penyimbahan proteolitik dari lipopolisakharid (LPS) reseptor CD14, dan karenanya memengaruhi daya tahan inang bawaan (33). TGFβ merupakan substrat MMP penting lainnya, yang mana pengaktifasiannya seringkali mengubah migrasi sel; sebagai contoh, MMP9 membatasi migrasi epitel kornea lewat pengaktifasian TGFβ (34). Baik MMP4 maupun MMP9 dapat melepaskan TGFβ dari sebuah kompleks ekstrasel tak aktif, yang mengandung TGFβ, TGFβ latency-associated proteine (yang merupakan pro-domain TGFβ), dan latent TGFβ-binding proteine (35).
Sebuah tantangan yang saat ini sedang berlangsung adalah mengaitkan pemahaman kita tentang substrat MMP yang telah teridentifikasi in vitro atau dalam kultur sel dengan substrat yang dipecah oleh MMPs in vivo. Keterbatasan dari teknik pendekatan saat ini adalah bahwa MMPs sering kali diekspres sebagai domain katalitik tersendiri (isolated) tanpa domain hemopeksin pengenal-substrat mereka. Semua domain katalitik ini telah terbukti berkemampuan memecah ratusan jenis substrat in vitro, termasuk hampir keseluruhan komponen ECM.

MMPs dalam Modelling dan Remodelling tulang

Tulang merupakan sebuah lokasi penting bagi remodelling jaringan yang terjadi selama proses perkembangan, homeostasis dan perbaikan. Tulang berkembang atas dasar satu dari tiga buah proses berbeda: osifikasi intramembran, osifikasi endokhondral (Gambar 3A) atau osifikasi pseudo-metamorfik. Klavikula dan beberapa tulang kepala berkembang melalui osifikasi intramembran, pada mana prekursor-prekursor mesenkhim berdiferensiasi secara langsung menjadi osteoblas. Tulang apendikuler dan aksial, termasuk tulang panjang, berkembang melalui osifikasi endokhondral, di mana sebuah template kartilago dibentuk mula-mula dan kemudian diserap dan digantikan oleh tulang bermineralisasi. Sel-sel kartilago, atau khondrosit, berdiferensiasi dan digantikan pada plat pertumbuhan, di mana mereka mengikuti sebuah stereotyped progression dari proliferasi, diferensiasi, hipertrofi, penginvasian angiogenik dan apoptosis. Pada osifikasi pseudo-metamorfik, sebuah template kartilago berfungsi sebagasi sebuah temporary mould untuk membentuk deposisi tulang. Bahkan ketika tulang telah terbentuk, mereka terus menerus di-remodel sepanjang kehidupan.

Kehilangan MMP9 adalah dikaitkan dengan defek-defek plat pertumbuhan
Fenotip perkembangan tubuh yang pertama dilaporkan dalam sebuah percobaan menggunakan tikus kecil yang dikondisikan MMP-knockout adalah sebuah defek dalam osifikasi endokhondral tulang panjang (36). Dilesi/penghilangan Mmp9 menghasilkan penginvasian zona khondrosit hipertrofik dalam plat pertumbuhan (36) akibat dari gagalnya apoptosis (Gambar 3b). Sebuah substrat MMP9 yang relevan nampaknya adalah galektin-3, suatu lektin dengan aktifitas anti-apoptotic yang dapat disekresikan dan dilokalisasikan ke ECM. MMP9 memecah dan menginaktifasi galektin-3. Memang, tikus-tikus kecil mutan-galektin-3 mempertunjukkan berbagai defek plat pertumbuhan yang berlawanan dari berbagai defek yang diperlihatkan pada tikus-tikus kecil defisien-Mmp9, dengan premature apoptosis sel-sel khondrosit hipertrofi (37). Galektin-3 yang tak terurai adalah juga berlimpah secara spesifik dalam plat pertumbuhan pada mutan-mutan Mmp9. Galektin-3 tak terurai, yang ditambahkan dari luar ke pada wild type bone explants, menyebabkan suatu pengekspansian plat pertumbuhan yang adalah sama halnya pada fenotip mutan-mutan Mmp9, di mana galektin-3 yang terurai tidak memiliki efek (38).
MMP9 juga diekspresikan kuat selama penyembuhan tulang setelah fraktur, dan fraktur-fraktur tulang pada tikus-tikus kecil mutan-Mmp9 sembuh lebih lambat dibandingkan kontrol. Exogenous vascular endothelial growth factor (VEGF) menyelamatkan defek perbaikan jaringan, yang mengindikasikan bahwa MMP9 processing of VEGF dapat merupakan tingkat laju penghambatan (rate limiting) dalam perbaikan tulang (39). Menariknya, khewan-khewan Mmp9-null menyembuh dari fraktur-fraktur yang distabilisasi dengan cara osifikasi endokhondral dari pada lewat osifikasi intramembran seperti halnya dalam wild type (39), mengindikasikan bahwa sebuah mekanisme berbeda digunakan untuk menyembuhkan fraktur dalam ketidakhadiran MMP9.

MMP13 berfungsi dalam Pembentukan dan Remodelling tulang
Mutan-mutan Mmp13 memerlihatkan suatu pengekspansian terhadap zona khondrosit hipertrofi dan sebuah perlambatan dalam apoptosis, mengindikasikan bahwa MMP13 adalah diperlukan bagi pentransisian dari bentuk kartilago ke bentuk tulang pada plat pertumbuhan tulang-tulang panjang (7, 40) (Gambar 3b). MMP13 memecah kolagen tipe II dan aggrekan in vivo, dan produk pecahannya dapat dikenali dalam zona tight yang berada tepat di distal zona osifikasi dan angiogenesis. Defek utama dalam mutan-mutan Mmp13 adalah adanya kegagalan sel-sel khondrosit me-remodel ECM yang kaya dengan kolagen tipe II dan aggrekan. Pemecahan kolagen tidak terjadi pada ketidakhadiran MMP13, pada mana baik MMP13 maupun MMP9 memecah aggrekan. Produk pecahan aggrekan tidak ada dalam mutan ganda Mmp13Mmp9 (7). Adalah perlu diperhatikan bahwa tidak terdapat konsekuensi fenotipik dari penggantian aggrekan endogen dengan aggrekan yang tahan terhadap pemecahan MMP, ini mengindikasikan bahwa berbagai mekanisme lain hadir untuk membuang aggrekan pada proses cartilage-bone transition (41). Fungsi kedua MMP13 dalam perkembangan tulang panjang terjadi selama masa osifikasi. ECM kartilago menjadi scaffold bagi mineralisasi, membentuk spikula atau trabekula tulang. Mutan-mutan Mmp13 memerlihatkan spikula-spikula tulang berbentuk tak beraturan, ini menunjukkan bahwa MMP13 adalah diperlukan bagi modelling awal mereka (7).
MMP13 juga berfungsi dalam proses remodelling berkelanjutan dari spikula; mutan-mutan Mmp13 memiliki peningkatan tak normal dalam massa tulang trabekuler yang tetap bertahan hingga masa dewasa. Mutan-mutan Mmp13 kondisional dalam tulang atau kartilago memerlihatkan bahwa pengaturan apoptosis khondrosit hipertrofi oleh MMP13 dan fungsi modelling spikula awal bermediasikan MMP13 adalah terletak dalam sel-sel khondrosit. Fungsi remodelling bermediasikan MMP13 yang mengatur massa tulang adalah terletak dalam sel-sel osteoblas. Maka dari itu, MMP13 adalah berfungsi dalam pembentukan tulang, baik pada plat pertumbuhan maupun pada spikula, dan dalam remodelling tulang.

Defisiensi MMP14 menimbulkan lethalitas
MMP14 memiliki beraneka peran dalam perkembangan skelet. Mmp14 knockouts adalah satu-satunya tikus kecil mutan-MMP yang lethal; tikus-tikus ini adalah normal saat lahirnya namun mengembangkan ketidaknormalan berganda dan mati pada usia 3 – 12 minggu (42, 43). Mutan-mutan Mmp14 dengan jelas menunjukkan defek dalam remodelling jaringan ikat. Hilangnya enzim pendegradasi-ECM dapat diperkirakan akan menghasilkan deposisi tulang meningkat; secara paradoks, alih-alih, mutan-mutan Mmp14 memerlihatkan efek sekunder dari meningkatnya penyerapan tulang dan pusat osifikasi sekunder defektif (42, 43). Sel-sel osteogenik dari tikus-tikus kecil mutan-Mmp14 tidak dapat mendegradasikan kolagen dan tidak membentuk tulang ketika ditransplantasikan secara subkutan ke dalam inangan tikus-tikus kecil yang defisiensi imun (42). Bila diambil bersamaan, fenotip tikus-tikus kecil mutan-Mmp14 dengan kuat menyokong relevansi fisiologis data in vitro, yang memerlihatkan bahwa kolagen tipe I, II dan III merupakan substrat-substrat bagi MMP14 (44).
Beberapa modelling tulang awal adalah juga bergantung pada MMP14. Bentuk pseudo-metamorfik dari proses perkembangan tulang terungkap begitu setelah ditemukannya aberrant residual cartilagenous tissues dalam mutan-mutan Mmp14 (45). Dalam wild-type mice, beberapa tulang kepala dan diafisis dari tulang-tulang panjang dibentuk oleh osteoblas yang meletakkan tulang termineralisasi dalam aposisinya dekat dengan kartilago yang telah ada sebelumnya dan berfungsi sebagai sebuah mould yang belakangan mengalami apoptosis. Tulang-tulang ini berkembang melalui cara penggantian sebuah jaringan juvenile dengan sebuah jaringan dewasa, sebuah proses yang sebanding dengan metaformosis. Dalam ketiadaan MMP14, template kartilago ini tetap tidak mengalami perubahan.
Tikus-tikus kecil Mmp2-Mmp14-null mati saat lahir (8). Mutan-mutan ganda ini menyerupai mutan-mutan Mmp14 tunggal yang jauh lebih dahulu ada, mengindikasikan bahwa fungsi MMP2 dan MMP14 saling tergantung satu sama lain. Adalah jelas bahwa MMP14 mengaktifasi MMP2, oleh karena aktifitas MMP2 dikurangi, bukannya ditiadakan, dalam tikus-tikus kecil MMP14-null. (43, 46). Bagaimanapun, aktifator-aktifator lainnya juga tampil di situ, kemungkinannya meliputi MMP15 dan MMP16. Akhirnya, MMP14 memiliki peranan yang tak bergantung MMP2 dalam remodelling tulang dan jaringan ikat dan selama angiogenesis (8, 43, 46).

Mutasi MMP pada Manusia menimbulkan Defek dalam Proses Perkembangan Tulang

Terdapat tiga jenis kondisi penyakit skelet manusia yang dikaitkan dengan mutasi-mutasi MMP loss-of-function. Ketiganya merupakan sebuah sindrom osteolitik yang jarang, yang disebabkan oleh mutasi-mutasi MMP2 (47), the Missouri variant of spondyloepimetaphyseal dysplasia (SEMD), yang disebabkan oleh point mutations dalam MMP13 (48), dan the tooth enamel defect amelogenesis imperfecta, yang disebabkan oleh mutasi-mutasi splice-acceptor dalam MMP20 (49).
Meskipun tikus-tikus kecil yang kokondisikan Mmp2-knockout memiliki hanya semacam defek skelet tak kentara (50), mutan-mutan MMP2 manusia memilki semacam sindrom osteolitik (vanishing bone), yang meliputi destruksi dan penyerapan tulang progresif, juga dwarfism dan arthritis (47). Defek-defek dari sindrom ini adalah sama dengan pada fenotip tikus-tikus kecil mutan-Mmp14. Sebagaimana halnya dengan tikus-tikus kecil Mmp14, observasi paradoksnya adalah bahwa sebuah mutasi loss-of-function dalam sebuah protease penghancuran-ECM menyebabkan, dari pada penghambatan, pendegradasian tulang. Fenotip ini berhubungan dengan sejumlah berlebihan sel-sel osteoklas, yang mungkin mengompensasi bagi kegagalan primer dari pendegradasian ECM tipe yang lainnya.
Kesamaan antara penyakit manusia yang disebabkan oleh mutasi MMP2 dan tikus-tikus kecil dengan kondisi Mmp14-knockout adalah khususnya menarik dalam menerangkan interaksi biokhemis antara dua jenis protease ini. Membran-bound MMP14 mengaktifasi MMP2 tersekresi melalui pemecahan pro-domain-nya (51, 52). Memang, MMP2 aktif adalah secara bermakna menurun dalam Mmp14-null mice, yang dengan kuat mengindikasikan bahwa MMP2 merupakan suatu substrat in vivo dari MMP14 (43). Karenanya, adalah jelas bahwa MMPs memiliki banyak peran penting dalam perkembangan tulang.

MMPs dalam Remodelling Pembuluh Darah

Analisis dari suatu rentangan lebar mutan-mutan MMP memerlihatkan bahwa perkembangan vaskuler embryonik adalah berlangsung secara normal, sekalipun demikian, defek-defek adalah terobservasi baik dalam remodelling dan angiogenesis vaskuler pascanatal normal maupun patologis (Tabel 1). Data ini menunjukkan secara tak langsung bahwa MMPs mungkin memiliki sebuah peran spesifik dalam proses penyempurnaan (refinement) pascanatal, remodelling dan neoangiogenesis, namun tidak dalam konstruksi asli jejaring vaskuler embryonik.
Tikus-tikus kecil mutan-Mmp9 memerlihatkan defek dalam angiogenesis pada plat pertumbuhan tulang panjang (36). Hal yang sama, tikus-tikus kecil mutan-Mmp14 memerlihatkan rendahnya penginvasian vaskuler yang mencukupi pada pusat-pusat osifikasi sekunder, meskipun level-level VEGF dan reseptornya VEGFR2 (juga dikenal dengan FLK1) adalah normal (43). Kurangnya pertumbuhan vaskuler direkapitulasikan dalam sebuah assay angiogenesis kornea yang terinduksi secara eksperimental (43), yang menginduksi pertumbuhan pembuluh darah baru dalam tikus-tikus kecil kontrol. Pertumbuhan pembuluh darah tidak terobservasi dalam mutan-mutan Mmp14 (43), sedangkan hal ini terreduksi namun tidak dihilangkan dalam khewan-khewan mutan-Mmp2 (55). Dalam sebuah model injuri terinduksi-laser dari degenerasi retina, neovaskularisasi adalah berkurang dalam mutan-mutan tunggal Mmp2 dan Mmp9 dan dengan kuat berkurang pada mutan ganda Mmp2 Mmp9, mengindikasikan bahwa kedua MMPs ini berfungsi saling bergantung (56). Mutan-mutan ganda Mmp2 Mmp14 juga memiliki defek-defek perkembangan vaskuler, termasuk kapiler-kapiler dengan lumen yang sangat kecil. Semua pembuluh darah defektif adalah mencukupi untuk mendukung proses perkembangan dan pertumbuhan embryonik, namun tidak bagi keperluan daya tahan hidup pascanatal.
Bagaimana MMPs berkontribusi ke pada remodelling vaskuler? Mekanisme yang mungkin adalah meliputi proteolisis kolagen tipe I, pemodifikasian pensinyalan platelet-derived growth factor (PDGF), pengaturan sel-sel perivaskuler dan pemrosesan VEGF. Pembuluh-pembuluh darah yang menginvasi dalam jaringan pascanatal menghadapi ECM yang kaya akan kolagen tipe I, jenis protein yang tidak begitu kuat terekspres dalam embryo. Ketika eksplan-eksplan aorta kontrol direndam ke dalam matiks-matriks kolagen tiga dimensi (57), mereka menyebarkan pembuluh-pembuluh baru dan sel-sel endotel menginvasi matriks kolagen dalam sebuah cara-cara yang bergantung faktor pertumbuhan. Secara menyolok, eksplan-eksplan Mmp14-null tidak menyebarkan (sprout) neovaskuler atau menginvasi matriks kolagen, pada mana eksplan-eksplan dari tikus-tikus kecil Mmp2- dan Mmp9-null tidak dapat dibedakan dari eksplan-eksplan kontrol. Bagaimanapun, ketika eksplan-eksplan Mmp14-null direndam dalam sebuah matriks fibrin (yang sama seperti ECM provisional pada sebuah lokasi luka) mereka membentuk kapiler-kapiler, mengunjukkan adanya spesifisitas matriks. Jadi, MMP14 berkontribusi bagi perkembangan vaskuler pascanatal dengan cara memecah kolagen tipe I; ketidakhadiran relatif dari kolagen tipe I dalam embryo mungkin sebagiannya menjelaskan rendahnya defek-defek vaskuler embryonik.
MMP9 dan MMP14 memiliki efek lainnya pada vasculature: sel-sel perivaskuler (atau otot polos) yang membungkus sel-sel endothel pembuluh darah menghilang atau kepadatan mereka secara bermakna menurun dalam pembuluh normal dan selama neoangiogenesis tumor (57-59). Defek ini adalah terbukti secara khusus dalam arteriol-arteriol yang lebih kecil dari otak, dan banyak dari sel-sel perivaskuler sisanya memiliki morfologi takteratur. Fenotip ini adalah sama dengan pada tikus-tikus kecil yang membawa allele PDGF-B lemah. Pensinyalan yang mengatur ke hilir PDGF dihentikan dalam tikus-tikus kecil Mmp14-null, dan PDGF receptor-β (PDGFRβ) ber-co-immunoprecipitates dengan MMP14, mengunjukkan bahwa mereka membentuk sebuah kompleks fisik (60). Semua data ini mengidikasikan sebuah fungsi baru dan langsung dari MMP14 dalam pensinyalan PDGF.

MMPs dan Pensinyalan VEGF

Jenis pemrosesan MMP dari VEGF (MMP processing of VEGF) mungkin memiliki semacam peran penting dalam angiogenesis fisiologis dan angiogenesis tumor. VEGF disimpan di luar sel: setelah sekresinya, VEGF berikatan dengan ECM, dari mana ia harus dilepaskan untuk menginisiasi angiogenesis (61). Bentuk insulinoma kecil yang terutama mengisi dalam model sel-sel Langerhans pankreas tikus RIP1-Tag (rat insulin promoter 1-T antigen), namun hanya 1 -2 % dari padanya berkembang menjadi adenoma dan karsinoma angiogenik (62). Meskipun terdapat pengekspresian berkelanjutan dari VEGF dan reseptornya, VEGFR2, ketersediaan VEGF adalah terbatas dan tidak dapat berikatan ke reseptornya dalam tumor-tumor pra-angiogenik. MMP9 memobilisasi VEGF dan menginisiasi angiogenesis. Pentingnya, ketika mutasi-mutasi Mmp9 disilangkan ke dalam RIP1-Tag background, hanya sedikit tumor yang menjadi bersifat angiogenik, menyokong peran dari MMP9 dalam memobilisasi VEGF (63).
MMPs dapat juga memecah VEGF, memisahkan domain pengikatan-matriks dari domain pengikatan-reseptor. VEGF bentuk takterpecah adalah diperkaya pada sedikitnya sejenis jaringan pascanatal mutan-MMP9, yaitu zona hipertrofik khondrosit (38), yang mengindikasikan bahwa VEGF merupakan sebuah efektor ke hilir yang penting, dan mungkin merupakan sebuah substrat, dari MMP9. Truncated VEGF memiliki banyak efek berbeda pada pembuluh darah tumor dibandingkan yang dikerjakan oleh VEGF bentuk takterpecah; truncated VEGF meningkatkan diameter pembuluh , pada mana VEGF yang tak dapat pecah meningkatkan penyebaran pembuluh (54). Tikus-tikus kecil Mmp9-null mempertunjukkan neovaskulatur pascaembryonik defektif, menyarankan bahwa dalam tikus-tikus kecil liar, pembuluh darah pascanatalnya berrespon secara berbeda terhadap VEGF bentuk terpecah maupun terhadap VEGF bentuk takterpecah. Kemungkinan dari fungsi penginisasian penyebaran pembuluh dari bentuk VEGF tak terpecah adalah merupakan satu-satunya fungsi VEGFyang diperlukan dalam embryo, bagaimanapun, fungsi VEGF ini tidak dipengaruhi dalam embryo-embryo mutan-Mmp9.

MMPs dalam Proses Inflamasi dan Perlukaan

Peranan MMPs tidaklah terbatas pada proses-proses perkembangan, dan banyak eksperimen pada tikus-tikus mutan sedang mulai memerlihatkan bahwa MMPs adalah dibutuhkan guna memertahankan homeostasis dalam berrespon terhadap berbagai tantangan lingkungan, seperti misalnya perlukaan dan infeksi. Di sini secara ringkas didiskusikan berbagai temuannya yang paling penting.

MMP7 adalah Terlibat dalam Imunitas Bawaan dan Penyembuhan Luka
MMP7 (atau matrilisin) tidak memiliki peran daam proses perkembangan dan tidak diekspres pada level-level tinggi dalam perkembangan embryonik. Dalam jaringan dewasa yang sehat, MMP7 diekspres hanya dalam epitel-epitel mukosa dan ia diregulasi ke hulu dan teraktifasi secara proteolitik dalam responnya terhadap paparan bakteri dalam epitel (82). Konsisten dengan pola pengekspresian ini, tikus-tikus kecil mutan-Mmp7 adalah lebih mudah terinfeksi dengan bacteria intestinal. Kepekaan ini sebagiannya adalah disebabkan oleh ketidakmampuan mutan-mutan Mmp7 untuk mengaktifkan secara proteolitik peptid antibiotik endogen, pro-cryptdin. In vivo, prekursor, namun bukan bentuk yang dewasa, dari cryptdin ditemukan dalam contoh-contoh epitel intestinal dari tikus-tikus kecil mutan-Mmp7 (83). Berbagai eksperimen ini dengan kuat memapankan sebuah peran MMP7 dalam imunitas bawaan.
MMP7 adalah juga diperlukan bagi penyembuhan luka. Sel-sel epitel pada tepi-tepi luka eksplan-eksplan trachea bermigrasi menuju kearah satu sama lainnya dan bersatu. MMP7 nampaknya memediasi migrasi epitel yang terinduksi-luka dengan cara memecah E-cadherin (84). MMP7 colocalizes dengan E-cadherin dan memecahkan domain ekstraselnya dalam epitel luka, yang menghasilkan semacam kelonggaran perlekatan sel ke sel. Dalam tikus-tikus kecil mutan-Mmp7 yang luka, sel-sel epitel tidak bermigrasi dan pemecahan E-cadherin tidak terjadi (85). MMP3 juga berfungsi dalam penyembuhan luka epidermal, sebagaimana halnya luka-luka kulit tikus-tikus kecil mutan-Mmp3 menyembuh lebih lambat dibandingkan dengan mereka yang dalam kelompok kontrol, akibat dari defisit dalam actin purse-string formation (86).

Fungsi-fungsi Pro-inflamasi dan Anti-inflamasi MMP
Baik cedera maupun infeksi akan menginduksi inflamasi, sebuah respon fisiologis lain terhadap tantangan lingkungan yang memerlukan MMPs. Epitelium paru mengontrol perekrutan sel-sel inflamasi menuju alveoli, melalui pemroduksian khemoatraktan, setelah cedera, infeksi atau paparan alergen atau bahan kimia. Cedera menginduksi lekosit untuk bermigrasi melewati epithelium ke dalam ruang udara alveolar dalam responnya terhadap gradien khemoatraktan. Transmembrane heparin sulphate proteoglycan syndecan-1 me-squester banyak khemokin. Pembentukan gradien khemoatraktan membutuhkan penyimbahan (shedding) syndecan-1 ectodomain yang bermediasikan MMP. Pelepasan khemokin lanjutannya menghasilkan migrasi lekosit ke dalam ruang-ruang udara dan lalu memerbaiki epitel. Dalam ketidakhadiran MMP7, netrofil tetap tak bergerak di luar epitel pada paru yang cedera, dan kerusakan paru bermediasikan inflamasi lanjutannya dihentikan (32). Migrasi netrofil adalah defektif pada mutan-Mmp7 akibat ketidakhadiran atraktan netrofil CXC-motif ligand-1 (CXCL1; juga dikenal sebagai keratinocyte-derived chemokine [KC]; atau GROα pada manusia) dalam cairan lumen-lumen alveolar. Sebagai simpulannya, cedera akan mendorong pengekspresian MMP7, MMP7 memecah syndecan-1 dan penyimbahan syndecan-1 melepaskan CXCL1, yang merekrut netrofil.
MMPs dapat menjadi pro-inflamasi maupun anti-inflamasi. MMPs memfasilitasi perekrutan sel inflamasi (87, 88) dan membersihkan sel-sel inflamasi (89-91) dengan cara memecah mediator inflamasi, menghasilkan ke dalam sebuah respon inflamasi yang terregulasi dengan ketat (92). Beberapa khemokin, termasuk C-C motif ligand-7 (CCL7) dan CXCL12 (92), merupakan substrat bagi MMP2. MMP9 memecah dan mengaktifasi CXCL6 dan CXCL8 (juga dikenal dengan interleukin-8 [IL8]), sedangkan ia menginaktifasi CXCL1 dan CXCL4 (93, 94). Dalam model-model asthma, eosinofil-eosinofil dari tikus-tikus kecil defisien-Mmp2 atau -Mmp9 gagal bermigrasi ke dalam saluran nafas dan berakumulasi dalam interstitium, sehingga memredisposisi khewan percobaan kekeadaan asfiksi (95, 96). MMP2 dan MMP9 berpartisipasi dalam sebuah regulatory loop yang mengimbangi proses inflamasi alergika. Pengakumulasian eosinofil interstitiil dapat dijelaskan melalui disrupsi gradien-gradien khemokin transepitelial, yang memengaruhi CCL7 (juga dikenal sebagai MCP3 atau MARC), CCL11 (juga dikenal sebagai eotaxin) dan CCL17 (juga dikenal sebagai TARC). MMP2 dan MMP9 juga memroses S100A8 dan S100A9, dua macam protein khemoatraktan yang spesifik-netrofil dan spesifik-makrofag yang dijumpai dalam cairan bronkhoalveolar dari tikus-tikus asmatik (97). Kedua MMPs ini memapankan gradien khemotaktik yang dibutuhkan bagi pembersihan sel-sel inflamasi paru dan pencegahan dari asfiksi lethal. Dalam sebuah model tikus kecil berpenyakit autoimmune skin blistering, bullous pemphigoid, tikus-tikus MMP-9 null mengurangkan perekrutan netrofil dan gagal untuk mengembangkan epidermal blistering. Defek ini disebabkan oleh kurangnya penginaktifasian dari α1-proteinase inhibitor oleh MMP9, yang tidak mengijinkan elastase netrofil untuk berfungsi (98).
Truncation of macrophage-derived CCL7 oleh MMP2 dan MMP14 mengakibatkan pembentukan peptid-peptid yang dapat berikatan dengan reseptor khemokin CC dan berfungsi sebagai antagonis-antagonis (99-101). Terbatasnya pemrosesan proteolitik terminal (terminal proteolytic processing) dari CXCL8 dan dari CXC khemokin LIX (the mouse equivalent dari CXCL5 dan CXCL6) oleh MMP9 dan MMP8, berturutan, menimbulkan pembangkitan khemoatraktan yang adalah lebih poten dibandingkan molekul-molekul full-length-nya (102, 103). Karenanya, khewan-khewan Mmp8-null (104) adalah terlindungi dari hepatitis lethal yang terinduksi tumour necrosis factor-α (TNFα) oleh karena terganggunya pelepasan LIX dan kerusakan influx lekosit ke dalam liver (103). Sebuah khemoatraktan netrofil tripeptid N-acetyl Pro-Gly-Pro, derived dari pemecahan ECM, berbagi homologi rangkaian dan struktur dengan sebuah domain penting pada khemokin-α dan menyebabkan khemotaksis lewat CXCR2 (105).

MMPs dalam Model-model Penyakit Inflamasi Manusia
Kebanyakan pathologi pada manusia memiliki sebuah komponen inflamasi, sebagaimana halnya pada model-model tikus. MMP yang sama dapat memiliki peran-peran berbeda dalam kondisi-kondisi berbeda. Sebagai contoh, MMP9 menyumbang bagi inflamasi dalam model-model tikus dengan stroke, serangan jantung, penyakit dari Alzheimer, beberapa aspek dari asma dan kondisi-kondisi inflamasi paru, aneurisma aorta dan encefalomyelitis otoimun (9, 106-110), bagaimanapun, ia berfungsi sebagai sebuah agen antiinflamasi dalam model-model penyakit-penyakit inflamasi kulit dan ginjal (89, 112, 112). Data saat ini mengindikasikan bahwa MMP12 menyumbang bagi emfisema (113, 114), sedangkan MMP3 dan MMP9 menyumbang bagi kondisi-kondisi inflamasi kulit (89, 115). Sebaliknya, MMP8 melindungi dari respon-respon inflamasi kulit (104) dan MMP2 melindungi dari inflamasi otak dan medula spinalis (116). Secara kolektif, berbagai observasi ini mengindikasikan bahwa MMPs berfungsi secara bebas dalam mengatur inflamasi, hal mana secara potensiil memberi kebermaknaan medik yang besar. Memang, progresi tumor juga memicu inflamasi, dan bahwa dalam observasi klinis didapatkan MMPs diregulasi ke hulu pada kanker, hal ini kemungkinan merefleksikan peran MMPs dalam pemicuan dan pengontrolan inflamasi.

Simpulan dan Arah Pemikiran ke Depan

Famili MMP dari proteinase-proteinase ekstrasel terdapat dalam kebanyakan organisme multisel, termasuk tanaman dan binatang (13). Fungsi MMP dapat menjadi sangat mudah dianalisis pada D. Melanogaster, yang hanya memiliki dua buah gen MMP. Mutan-mutan lalat ini mengunjukkan bahwa MMPs adalah dapat menjadi tidak terpakai baik secara sendiri-sendiri maupun bersama-sama bagi perkembangan embryonik lalat, namun menjadi sangat penting bagi pertumbuhan jaringan dan remodelling jaringan-ECM pada larva dan selama perkembangan masa larva. Pada mamalia, sebanyak 24 gen MMP nampaknya berbagi fungsi saling bergantung. Analisis dari tikus-tikus kecil mutan-MMP tunggal (Tabel 1) telah megidentifikasi fenotip-fenotip developmental dalam perkembangan payudara, skelet dan sirkulasi pascanatal, tiga di antara lokasi menonjol dari remodelling jaringan dan ECM pascanatal. Sebuah aspek mengejutkan dari fenotip-fenotip ini adalah bahwa MMPs adalah tidak dibutuhkan dalam membangun pembuluh-pembuluh darah atau tulang pada embryo, namun diperlukan bagi perkembangan pascanatal dan remodelling jaringan mereka. Pemeriksaan dari mutan-mutan tikus juga memerlihatkan sebuah fungsi penting MMPs dalam peregulasian respon jaringan terhadap berbagai tantangan lingkungan, seperti misalnya perlukaan, infeksi dan inflamasi. Analisis genetik dari manusia dan sistim model mendebatkan sebuah peran penting MMPs sebagai regulator aktif perkembangan jaringan pasca-natal, remodelling jaringan dan perbaikan jaringan sebagai responnya terhadap cedera, infeksi atau penyakit.
Berbagai usaha saat ini untuk menghilangkan MMPs tikus yang tersisa dan analisis berkelanjutan dari mutan-mutan yang ada akan memunculkan bagaimana MMPs disebarkan dalam hal perkembangan dan penyakit. Berbagai studi lebih lanjut dengan compound knockouts dapat menghasilkan fenotip-fenotip lethal, sehingga memunculkan peran-peran esensiil dalam proses perkembangan. Mengomplementasikan analisis dari mutan-mutan tikus compound (compound mouse mutants) akan menjadi eksperimen-eksperimen yang menggunakan banyak manipulasi farmakologis baik individu maupun klas-klas MMPs, juga berbagai analisis dalam sistim-sistim model yang dapat tertelusuri secara genetik. Berbagai tantangan biokimia adalah meliputi pemvisualisasian aktifitas MMP dalam sel-sel dan jaringan hidup, perkembangan dari substrat-substrat yang tak dapat terpecahkan dan penentuan dari degradome MMP komplit in vitro (117). Sebuah pertanyaan penting adalah, seberapa besarkah peran MMPs dalam remodelling jaringan versus sebuah peran dalam peregulasian akses ke molekul-molekul pensinyalan. Tantangan lainnya adalah, menentukan kepentingan relatif dari proteolisis ekstrasel secara umum, dan proteolisis bermediasikan-MMPs secara khusus, sebagai sebuah mekanisme pengaturan pasca-translasional dalam proses perkembangan dan penyakit. Stadium-stadium yang mana dalam masa perkembangan normal, proses-proses seluler yang mana dan jalur-jalur pensinyalan yang mana yang dipengaruhi dengan kuat oleh MMPs? Sebuah kunci untuk menjawab semua pertanyaan ini akan meningkatkan pemahaman kita tentang substrat-substrat in vivo relevan bagi MMPs spesifik. Tantangannya adalah, mengaitkan pemahaman in vitro kita tentang fungsi-fungsi potensiil MMPs dengan sebuah pemahaman in vivo tentang bagaimana fungsi MMPs dalam sebuah proses seluler yang ada. Menggabungkan teknik pendekatan biokimia dan genetik MMPs dengan substrat-substrat mutan harus menjadi mungkin untuk membuat kemajuan bagi pemecahan permasalahan penting ini.
Secara konseptual, satu di antara banyak kemajuan utama dalam biologi MMPs telah terrealisasikan yaitu, bahwa proteolisis ekstraseluler bukanlah hanya merupakan sebuah mekanisme penghancuran struktur atau informasi. Malahan, studi-studi yang berbeda-beda mengunjukkan bahwa MMPs dapat melepaskan faktor-faktor pertumbuhan dari ECM dan permukaan sel, mengaktifasikan protein-protein laten dan membangkitkan molekul-molekul bioaktif melalui proteolisis (BOX 2). Bersama kita memandang bahwa proteolisis ekstraseluler adalah sebagai sebuah bentuk lain dari modifikasi pasca-translasional. Dari perspektif ini, proteolisis dapat berfungsi untuk menghancurkan sebuah protein, namun ia dapat secara seimbang menyediakan sebuah mekanisme untuk memberikan sel akses bersyarat ke sebuah molekul pensinyalan khusus. Secara bermakna ditunjukkan bahwa, produk-produk pemecahan oleh MMP dapat berfungsi secara lokal (sebagai contoh, pengaktifasian khemokin). Meskipun bahwa banyak fenotip MMP telah terobservasi dalam remodelling jaringan yang tidak memerlukan MMPs bagi pembentukan awal mereka, adalah terdorong untuk berspekulasi bahwa MMPs mungkin berfungsi secara spesifik sebagai pengatur motilitas sel pasca-embryonik dan arsitektur jaringan.

Anatomi Sendi Lutut

Sendi terdiri dari 3 kompartemen berbeda yang sedikit terpisah ssl. Di depan, kompartemen PF, patella berartikulasi dengan sulkus femoral hingga sekitar 90D, setelah itu faset lateral dan medial berartikulasi secara terpisah dengan masing-masing kondilus femurnya. Dalam fleksi yang ekstrem, kontak PF passes dari fasies medial onto odd facet.

Patella memiliki 7 fasies. Kedua fasies medial dan fasies lateral terbagi secara vertikal menjadi tiga bagian yang sama, sementara fasies ke tujuh atau odd facet berada di sepanjang paling tepi medial. Fasies medial lebih kecil dan sedikit cembung, dan fasies lateral yang merupakan 2/3 bagian adalah konveks secara sagital dan konkav secara koroner. Patella tidak secara sempurna fit/pas dengan permukaan femurnya. Sulkus femoral terdiri dari medial dan lateral lip, yang mana lateral lebih lebar dan lebih tinggi dan keduanya memiliki konveks sagital. Sulkus femoral terpisah dari kedua kondilus oleh satu ridge yang tak jelas dan lebih menonjol jelas di lateral. Contact patch antara femur dan patella bervariasi sesuai posisi saat patella bergeser di permukaan femur. Daerah kontak tidak pernah melebihi 1/3 total permukaan patella, di mana kontak terbesar terjadi saat 45 D saat mana menunjukkan patch berupa ellipse meliputi central medial dan lateral facet. Saat ekstensi penuh, fasies medial bagian bawah dan fasies lateral terletak pada sulkus femoral bagian atas. Saat 90D, daerah kontak bergeser ke fasies lateral dan medial bagian atas dan bila fleksi berlanjut daerah kontak terpisah menjadi daerah lateral dan medial.

Kedua kondilus femur asimetris berdasarkan bentuk dan dimensinya, dengan kondilus medial yang lebih besar memiliki kurvatura yang lebih simetris. Kondilus lateral dilihat dari samping memiliki kurvatura yang menajam ke posterior. Kondilus femur dilihat dari permukaan artikulasinya dengan tibia menunjukkan bahwa kondilus lateral sedikit lebih pendek dari medial. Axis panjang dari kondilus lateral sedikit lebih panjang dari kondilus medial dan terletak dalam bidang yang lebih sagital, sementara kondilus medial berada rata-rata pada posisi menyudut sekitar 22D dan terbuka ke posterior. Lebar kondilus lateral sedikit lebih besar pada pusat intercondyler notch.

Permukaan femoral dan tibial tidaklah conform benar. Plateau tibia medial yang lebih besar adalah mendekati datar, sedangkan plateau lateral konkav. Keduanya berinklinasi posterior mendekati 10D terhadap shaft tibia.

Porsi tengah tibia antara kedua plateau dipenuhi oleh sebuah elevasi yang disebut spina tibia. Di depannya terdapat satu cekungan yang disebut fosa interkondiloid anterior, yang mana dari anterior ke posterior melekat tanduk anterior meniscus medial, ACL, dan tanduk anterior meniscus lateral. Di belakang daerah ini terdapat dua buah elevasi, yaitu tuberkulum medial dan lateral. Keduanya dipisahkan oleh sulkus intertuberkel. Kedua ligamen dan meniscus tidak melekat pada tuberkel, yang mana tuberkel menonjol ke dalam sela interkondiler sehingga berperan sebagai side-to-side stabilizer. Bersama-sama, kedua meniscus & spina tibia meningkatkan impression cupping. Dalam fosa interkondiler posterior di belakang kedua tuberkel melekat pertama meniscus medial kemudian meniscus lateral dan di belakang mereka di tepi posterior antara kedua kondilus tibia, melekat PCL.

Meniskus merupakan lamela kresentik yang berfungsi memperdalam permukaan fosa artikularis kaput tibia untuk menerima kedua kondilus femur. Setiap meniscus menutupi sedikitnya 2/3 bagian perifer masing-masing permukaan artikuler tibia. Batas perifer masing-masing meniscus tebal, konveks, dan melekat dengan kapsul sendi, sedangkan sisi dalamya tipis, bebas tidak melekat. Permukaan proximal meniscus adalah konkav dan kontak dengan kondilus femur, sedang permukaan distal flat dan terletak pada kaput tibia.

Bentuk meniskus medial mendekati semicircular dengan panjang sekitar 3.5cm. Potongan melintang berbentuk triangular dengan bagian posterior yang lebih lebar dari anterior. Ia melekat erat pada fosa interkondiler posterior tibia (gb.1.2). Perlekatan anteriornya lebih bervariasi; biasanya melekat secara firmly pada fosa interkondiler anterior, namun perlekatan ini dapat berupa flimsy masih dalam batas-batas normal. Terdapat juga satu fibrous band dengan ketebalan bervariasi yang menghubungkan kedua tanduk anterior lateral dan medial meniscus (ligamen transversum). Di perifer, medial meniscus melekat pada kapsul sendi baik tibia maupun femur. Perlekatannya ke tibia disebut coronary ligament. Pada titik tengah, ia melekat lebih kuat ke femur dan tiba melalui satu kondensasinya dalam kapsul sendi yang dikenal dengan ligamen medial profundus dari MCL.

Coronary ligament melekat ke tepi tibia beberapa milimeter di distal dari permukaan sendi, yang memberi satu synovial recess. Ke posteromedial, meniscus menerima satu bagian insersi semimembranosus melalui kapsul sendi.

Bentuk meniscus lateral adalah mendekati sirkuler dan menutup bagian yang lebih besar permukaan sendi dibanding meniscus medial. Tanduk anteriornya melekat pada interkondiler fosa, di sisi lateral dan posterior ACL. Tanduk posterior melekat pada fosa interkondiler di sisi anterior terhadap ujung posterior meniscus medial. Perlekatan posterior terdiri dari fibrous band yang menghubungkan lengkungan posterior meniscus lateral ke kondilus medial femur dalam fosa interkondiler, embracing PCL. Ini dikenal sebagai ligamen dari Humphry & Wrisberg (gb.1.3). Ke posterolateral, meniscus lateral di grooved oleh tendon popliteus, di mana beberapa seratnya bersinsersi ke tepi perifer dan superior meniscus lateral.

Ligamen patela merupakan bagian sentral dari tendo komunis quadriceps femoris. Ia merupakan ligamentous band yang kuat, flat, dengan panjang sekitar 6cm melekat ke proximal pada apex patela dan pada caking kasar di permukaan posterior patela, dan di distal melekat pada tuberositas tibia; serat-serat superficial berlanjut di depan patella dengan tendo quadriceps femoris. Bagian medial dan lateral tendon quadriceps lewat ke bawah pada kedua sisi patela kemudian berinsersi pada kedua sisi tuberositas tibia. Porsi ini menyatu dengan kapsul sendi membentuk retinakulum patela medial dan lateral. Permukaan posterior ligament patela terpisahkan dari membran sinovial oleh satu pad of fat infrapatela yang besar, dan terpisah dari tibia oleh satu bursa.

LIGAMEN LUTUT

Kapsul artikularis merupakan satu membran fibrus dengan ketebalan bervariasi mengandung daerah-daerah menebal yang dapat disebut sebagai satu ligamen. Di depan, kapsul digantikan oleh ligamen patela. Di posterior, kapsul terdiri dari serat-serat vertikal yang berawal dari kedua kondilus dan dari sisi-sisi fosa interkondiler femur. Ini diaugmentasikan oleh serat-serat yang berasal dari tendon semimembranosus, membentuk ligamen popliteal oblikuus, satu band yang lebar, flat melekat di proximal pada tepi fosa interkondiler dan permukaan posterior femur dekat dengan tepi-tepi artikuler kondilus femur, dan di distal melekat pada tepi posterior kaput tibia. Serat-serat ini berjalan utamanya ke arah bawah dan medial, dan fasikulanya dipisahkan oleh apertura untuk lewatnya pembuluh darah dan syaraf. Ligamen popliteal oblikuus membentuk sebagian dasar fosa poplitea dan arteri poplitea terletak di atasnya.

Di sisi medial lutut, struktur penunjang terdiri dari 3 lapis (gb.1.4). Lapis 1 adalah yang paling superficial tepat di bawah kulit. Lapis ini merupakan fasia profundus, dan bidangnya ditentukan oleh fasia yang menerima m. sartorius. Sartorius berinsersi pada jaringan serat-serat fasia ini dan tidak memiliki satu tendon insersi tertentu sebagaimana m. gracilis dan semitendinosus di bawahnya. Menuju lebih ke posterior, lapis 1 merupakan lembaran (sheet) di mana kedua kaput gastroknemius dan semua struktur fosa poplitea terletak. Lapis ini berfungsi sebagai penyokong bagi otot dan struktur neurovascular dalam daerah poplitea. Lapis 1 selalu dapat dipisahkan dari bagian-bagian paralel dan oblik ligamen medial superficial di bawahnya, dan bila satu incisi vertikal dibuat di posterior serat paralel dari ligamen, maka bagian anterior lapis 1 dapat di refleksikan ke depan sehingga menampakkan keseluruhan ligamen medial superficial. Lebih ke depan lagi, lapis 1 menyatu dengan bagian anterior lapis 2 dan retinakulum patela medial yang berasal dari vastus medialis. Di belakang terdapat satu lapis jaringan lemak yang terletak antara lapis 1 dan struktur-struktur lebih dalam. Tendon gracilis dan semitendinosus terletak di daerah ini. Ke anterior dan distal, lapis 1 menyatu dengan periosteum tibia.

Lapis 2 merupakan bidang (plane) dari ligamen superficial medial (gb.1.5). Ligamen medial superficial terdiri dari bagian paralel dan oblik. Serat-serat anterior atau paralel dimulai dari epikondilus medial femur dan terdiri dari serat-serat besar dan berorientasi vertikal berlanjut ke distal ke satu insersi pada permukaan medial tibia sekitar 4.6 cm inferior permukaan artikular tibia tepat di posterior insersi pes anserinus. Serat-serat oblik posterior berasal dari epikondilus femur dan menyatu dengan lapis 3 di bawahnya (kapsul), dan melekat tepat di inferior permukaan artikuler posterior tibia dan meniscus medial. Serat ini diperkuat oleh kontribusi dari selubung tendon semimembranosus.

Ke anterior, lapis 2 terbelah secara vertikal. Bagian depan belahan berlanjut ke arah cranial menuju vastus medialis dan menyatu dengan bidang lapis 1 membentuk serat-serat retinakulum parapatela. Bagian posterior belahan, berlanjut ke cranial menuju kondilus femur dari mana serat-serat transvers berjalan ke arah depan dalam bidang lapis 2 menuju patela membentuk ligamen patelofemoral. Karena ligamen patelofemoral merupakan kelanjutan dari lapis2, maka letaknya lebih dalam dari bidang lapis 1.

Lapis 3 merupakan kapsul sendi (gb. 1.6) dapat dipisahkan dari lapis 2 kecuali pada tepi patela; ke depan, kapsul sangatlah tipis. Di balik ligamen medial superficial, lapis 3 menjadi lebih tebal dan membentuk satu band serat pendek berorientasi ke vertikal yang dikenal dengan nama ligamen medial profundus. Ligamen profundus meluas dari femur menuju bagian tengah dari tepi perifer meniscus dan tibia. Di anterior, ligamen profundus jelas dapat dipisahkan dari ligamen superficial dengan adanya bursa yang interposes, namun di posterior, lapisan ini menyatu ketika bagian meniscal-femoral ligamen profundus cenderung menyatu dengan ligamen superficial di atasnya dekat dengan perlekatan kranialnya. Bagian menisco-tibial nya memang terpisah dari ligamen superficial. Lebih ke posterior, lapis 3 menyatu dengan lapis 2 membentuk conjoin kapsul posteromedial yang menyelimuti kondilus medial femur.

Jadi, ketiga lapisan paling mudah dapat dipisah-pisahkan dalam daerah ligamen medial superficial. Ke posterior, lapis dalam dan tengah menyatu dan lapis luar menjadi fasia profunda. Ke depan, lapis luar dan tengah menyatu dengan retinakulum diatasnya yang merupakan ekspansi quadriceps. Lapis dalam meskipun tetap terpisah, menjadi sangat tipis. Lapis tengah membelah anterior ligamen medial superficial, hingga bagian cranial tetap sebagai satu lapis terpisah membentuk ligamen patelofemoral.

Struktur penyokong di sisi lateral dapat juga dijelaskan sebagai terdiri dari tiga lapis. Yang paling superficial adalah retinakulum lateral, lapis tengah membentuk LCL, ligamen fabelofibular dan ligamen arkuatum, dan lapis dalam adalah kapsul lateral.

Retinakulum lateral (gb.1.7). Dimulai pada tepi lateral patela, perluasan fibrous dari vastus lateralis adalah berorientasi longitudinal sepanjang tepi lateral patela berjalan ke distal untuk menjadi bagian tendo patela. Yang berinterdigitasi dengan serat-serat ini adalah retinakulum oblikuus superficial yang berorigo pada iliotibial band. Sebagian terbesar dari serat-serat ini menyatu dengan bagian anterior tendo patela. Di posterior terletak fasia lata dan iliotibial band, berlanjut ke distal sepanjang sisi lateral lutut dan berinsersi pada tuberkel dari Gerdy di tibia. Beberapa dari serat tersebut melewati tuberkel Gerdy menuju tuberositas tibia. Ke proximal, fascia lata menempel ke septum intramuscular lateral, di mana ia melekat pada femur. Di posterior, fascia lata menyatu dengan fascia biceps. Terdapat satu bagian lebih dalam yang terpisah dari lapis ini berjalan lebih atau kurang transversal dari fascia lata ke lateral patela dan jke arah caudal bargeman lebih oblik untuk menghubungkan patela dengan tibia bagian atas. Di cranial, satu band serat-serat ditemukan berjalan dari septum intramuscular lateral dan epikondilus lateral ke lateral patela (ligamen epikondilopatela).

LCL berorigo pada epikondilus lateral femur anterior dari origo gastroknemius, membentuk struktur cordlike yang berjalan di balik retinakulum lateral untuk berinseri pada kaput fibula, menyatu dengan tendo insersi biceps femoris. Ligamen fabelofibular adalah satu kondensasi dari serat-serat yang berjalan antara ligamen arkuatum dan ligamen lateral, yang berjalan dari kaput lateral gastrocnomius ke styloid fibula. Pada kebanyakan lutut dapat ditemukan adanya ligamen fabelofibular dan arkuatum, namun pada kasus dengan fabela besar, mungkin tidak terdapat ligamen arkuatum, dan bila fabela tidak ada juga tidak ditemukan ligamen fabellofibula.


Knee Motion dan Fungsi Ligamen Pendukung

Kontrol dikerjakan oleh: (1) bony architecture, dan (2) ligamentous attachments.

Pada saat sendi ekstensi maximal, ligamen krusiatum dan kolateral keduanya tegang dan sisi depan kedua meniscus terjepit ketat di antara kondilus tibia dan femur. Saat fleksi dimulai, proses unlock terjadi, di mana tibia berrotasi-medial terhadap femur akibat kontraksi m. popliteus. Permukaan artikuler kondilus medial femur lebih besar dari pada lateral; saat arah gerakan sebaliknya, pertama, kompartemen lateral mencapai satu posisi dari ekstensi penuh sesaat sebelum kompartemen medial ekstensi penuh. Ekstensi terminal tercapai dan lutut di lock oleh gerakan rotasi eksternal tibia hingga kompartemen medial mencapai batas akhir ekstensinya.

Ketika lutut difleksikan, saat 30D pertama, femur mengalami rollback terhadap tibia yang lebih banyak terjadi di sisi lateral dari pada medial. Setelah 30D kondilus femur memutar pada satu titik di kondilus tibia. Meniscus juga mengikuti gerakan ke belakang sebagaimana femur (lateral lebih banyak dari pada medial).

Tibia berrotasi terhadap femur lebih banyak ke arah lateral dari pada medial, dan sebagai pusat rotasi adalah melalui kondilus medial femur. Beberapa bagian dari ligament medial superficial tegang selama fleksi, sedangkan ligament kolateral lateral tegang hanya saat ekstensi dan relaksasi segera setelah fleksi, sehingga memungkinkan ekskursi kondilus tibia lateral menjadi lebih besar.

Ligamen kolateral medial superficial merupakan penyetabil terpenting sisi medial. Serat paralelnya bergerak ke arah posterior saat lutut difleksikan. Perlekatannya pada kondilus femur sedemikian rupa sehingga saat ekstensi serat posterior tegang dan serat anterior relaks dan bergeser ke bagian dalam di balik bagian posterior ligamen. Saat fleksi, serat anterior bergerak ke arah proximal dan menegang dan siap mengalami peningkatan ketegangan saat lutut fleksi. Aksi ini dimungkinkan akibat bentuk oval dari origo femoral yang mengalami perubahan orientasi saat fleksi di mana bagian perlekatan serat paling anterior dielevasikan. Saat sisi anterior menjadi tegang, serat posterior slack (ketika fleksi) dan tetap relaks sepanjang fleksi. Serat oblik posterior relaks saat ekstensi dan letaknya sedikit di balik serat paralel. Saat fleksi serat ini bergerak ke luar, ini karena perlekatannya pada kapsul sendi dan bagian perifer meniscus medial, mereka me check sliding meniscus ke belakang yang terjadi saat fleksi.

Pada keadaan serat paralel MCL intak, maka hanya menimbulkan terbukanya sendi sekitar 1mm waktu stress valgus. Lutut sedikit lebih tight saat ekstensi penuh; medial opening terbesar dicapai saat fleksi 45D. Serat panjang ligament medial superfisial juga mengontrol rotasi (pemotongan kapsul, medial ligamen profundus, dan serat oblik ligamen superfisial hanya menimbulkan sedikit atau tidak sama sekali penambahan rotasi). Pemotongan serat panjang, tidak hanya meningkatkan besarnya medial opening saat stress valgus, juga meningkatkan rotasi eksternal yang bermakna.

Saat ekstensi, serat iliotibial band merupakan bagian terpenting dalam stabilitas lateral, karena serat ini melekat ke proximal pada femur (serat ini lebih merupakan true ligament karena kontraksi TFL dan gluteus maximus tidak sampai ditransmisikan ke tibia). Ketika lutut difleksikan, iliotibial tract bergerak ke posterior dan sedikit relaks; pada posisi ini, tendon biceps femoris menjadi penyetabil penting.

Ligamen lateral juga tegang saat ekstensi, namun relaks sepanjang fleksi. Demikian juga ligament arkuatum. Sehingga saat fleksi lebih banyak rotasi dimungkinkan di sisi lateral dibanding medial. Rotasi ini dimungkinkan oleh perlekatan meniscus lateral dan keadaan relaksasi ligamen penunjang saat fleksi. Demikian pula terjadinya rolling femur pada tibia yang lebih besar di sisi lateral, pada mana tidak demikian halnya terjadi di sisi medial. Perlekatan tendo popliteus pada meniscus lateral akan menarik meniscus ke posterior dan mencegahnya entrapped saat lutut difleksikan.

ACL terdiri dari dua bagian yaitu anteromedial band dan bagian posterolateral yang lebih kuat dan tebal. Saat ekstensi, ligamen terlihat sebagai flat band dengan bagian posterolateral yang tegang. Hampir segera setelah fleksi dimulai, anteromedial band yang lebih kecil menjadi tight dan bagian besar ligamen relaks. Dalam fleksi, anteromedial band lah sebagai primary restraint melawan anterior displacement tibia.

PCL terdiri dari dua bagian tak terpisahkan. Bagian anterior membentuk bagian terbesar dan bagian posterior yang lebih kecil barjalan oblik ke posterior tibia. Saat ekstensi bagian yang lebih besar relaks dan hanya bagian posterior yang tight. Dalam fleksi, bagian terbesar ligamen tight dan bagian kecil loose.

ACL merupakan satu check ligament melawan hiperekstensi dan rotasi eksternal. Sedangkan PCL merupakan satu check ligament melawan instabilitas posterior saat lutut fleksi, namun tidak untuk hiperekstensi (pada keadaan ACL intak).

Tight nya ACL saat ekstensi memfiksasi kondilus lateral femur di anterior; sehingga gerakan berlanjut menjadi hiperekstensi hanya dimungkinkan terjadi bila secara simultan juga terjadi gerakan rotasi internal femur, yaitu suatu gerakan supinasi sendi. Ini disebut sebagai compulsory final rotation yang disebabkan oleh menegangnya anterior band.

Rotasi sendi mengambil tempat pada satu aksis yang melalui pusat kondilus femur medial, dimulai dari tighter anchorage (pemegang kuat) kondilus ini yaitu oleh ligamen medial superficial. Bila ligamen ini ruptur, maka aksis bergeser ke lateral.

Oleh karena pergeseran aksis rotasi yang ke medial, rotasi eksterna tibia akan merelaksasi ACL melalui gerakan kondilus femur lateral ke depan, dan saat yang sama meregangkan PCL. Gerakan rotasi interna menimbulkan kebalikannya, yaitu menegangkan ACL dan merelaksasikan PCL.

Satu fibrous band menghubungkan PCL dengan tepi posterior meniscus lateral (ligamen tibiomeniskal dari Kaplan). Band ini berfungsi menahan gerakan sliding ke depan meniscus lateral saat rotasi interna.

Rotasi tibia terhadap femur terjadi di sepanjang ROM. ACL merupakan check ligament melawan rotasi eksterna saat fleksi namun tidak secara bermakna membatasi rotasi interna. Dalam ekstensi, ACL merupakan check ligament melawan rotasi eksterna dan sedikit melawan rotasi interna. Sehingga fungsi yang jelas dari ligamen krusiatum dalam gerakan rotasi tidak diketahui.