mikrobiologi farmasi - Cipto Suriantika I Cs I

Kuliah 12 – 13
MEKANISME PATOGENESIS
FARMASI – UHAMKA
2013
Priyo Wahyudi
Definisi
•
•
•
•
Patogen = penyebab penyakit
Patogenik = bersifat menyebabkan penyakit
Patogenesis = proses terjadinya penyakit
Patogenisitas = kemampuan menyebabkan penyakit ;
umumnya dipakai untuk menggambarkan perbedaan
kemampuan menyebabkan penyakit antara dua spesies yang
berbeda
• Virulensi = kemampuan menyebabkan penyakit ; umumnya
dipakai untuk menggambarkan perbedaan kemampuan
menyebabkan penyakit antara dua strain dalam satu spesies
• Virulensi juga sering dikatakan sebagai tingkat patogenisitas
(degree of pathogenicity)
Dasar Patogenesis
Untuk dapat menyebabkan penyakit mikroba harus:
1. Mempunyai suatu reservoir sebelum dan sesudah infeksi
(manusia, binatang, lingkungan dll),
2. Meninggalkan reservoir dan mendapatkan akses pada inang
baru
3. Mengkoloni tubuh inang
4. Membahayakan / merusak sel inang
Faktor virulensi yang mempengaruhi patogenesis:
1. Faktor virulensi pada kolonisasi
2. Faktor virulensi untuk merusak
Mekanisme Patogenesis
Portals of Entry:
How the agents
enter the body
MEKANISME PATOGENESIS
a. Faktor virulensi pada kolonisasi (adesi, invasi,
komplemen, antibodi, kehidupan intrasel)
b. Faktor virulensi pada kerusakan (toksin, protease,
autoimun)
Faktor virulensi pada kolonisasi
adesi , invasi , komplemen , antibodi,
kehidupan intrasel
Faktor virulensi pada kolonisasi
1. Kemampuan untuk kontak dengan sel inang
2. Kemampuan untuk adhere (menempel) pada sel inang dan
bertahan dari physical removal
3. Kemampuan menginvasi sel inang
4. Kemampuan berkompetisi dengan Fe dan nutrien lainnya
5. Kemampuan untuk tahan terhadap sistem imun: fagositosis
dan komplemen
6. Kemampuan mengevasi sistem imun adaptif
1. Kemampuan untuk kontak dengan sel inang
• Lapisan mukosa dan epitel sel usus secara konstan menolak
bakteri untuk kolonisasi
• Motilitas menjadi penentu keberhasilan bakteri untuk kontak
dengan sel inang, terhindar dan bertahan dari proses
penolakan fisik
• Flagella menjadi alat bantu utama

Helicobacter pylori: dengan flagella mampu
berenang melewati lapisan mukosa sel dan
menempel pada sel epitel dari membran mukosa.
Untuk bertahan dari pH yang sangat asam H.
pylori menghasilkan acid-inhibitory protein.
2. Kemampuan untuk adhere (menempel) pada
sel inang
•
•
Physical removal (imun inate): gerakan silia pada sel epitel
kulit dan membran mukosa, batuk, bersin, muntah, diare.
Penhilangan bakteri melaui cairan saliva, darah, mukosa dan
urin
Bakteri akan menempel pada sel inang dan bertahan dari
physical removal, dengan bantuan: Pili , Adhesin dan Kapsul
(biofilm)
Pili (fimbriae)
• Pili struktur menyerupai rambut yang tidak berfungsi untuk
motilitas
• Pili membuat mikroba mampu menempel (adhere) pada
reseptor sel target, yang dilanjutkan dengan kolonisasi serta
bertahan dari physical removal
• Jenis bakteri yang berpili:
–
–
–
–
–
Neisseria meningitidis
Neisseria gonorhoeae
Escherichia coli
Vibrio cholerae
Pseudomonas aeruginosa
Pili
Adhesin
• Adhesin: protein pada dinding sel bakteri yang berikatan
dengan reseptor spesifik pada permukaan sel inang;
membuat bakteri dapat adhere (menempel) dengan erat,
untuk mulai kolonisasi dan bertahan dari physical removal
 Streptococcus pyogenes (group A
beta streptococci) menghasilkan
adhesin:
 Protein F, berikatan dengan fibronectin
pada sel epitel.
 Lipoteichoic acid, berikatan dengan
fibronectin sel epitel
 M-protein
Adhesin
• Treponema pallidum memproduksi adhesin untuk berikatan
dengan fibronectin pada sel epitel
• Borrelia burgdorferi
• Bordetella pertussis menghasilkan adhesin:
– Filamentous hemagglutinin
– Pertussis toxin
– Pertactin
•
•
•
•
•
Neisseria gonorrhoeae menghasilkan adhesin Opa (protein II)
Salmonella
Pseudomonas aeruginosa
Helicobacter pylori
Streptococcus pneumoniae
Kapsul (Biofilm)
• Banyak flora normal menghasilkan matriks polisakarida
kapsular atau glycocalyx membentuk biofilm Biofilm terdiri
atas lapisan-lapisan populasi bakteri yang menempel pada sel
inang dan menyatu dalam suatu massa kapsular
 Glycocalyx berfungsi:
 Bertahan dari
fagositosis
 Menempel pada sel
inang, bertahan dari
physical removal
 Streptococcus mutans
menyebabkan caries
gigi
Kapsul (Biofilm)
3. Kemampuan menginvasi sel inang
• Beberapa bakteri menghasilkan molekul adhesin yang
disebut invasin
• Invasin adalah protein yang terdapat pada dinding sel bakteri,
yang menfasilitasi penetrasi ke dalam sel inang
Penetrasi bakteri pada sel via Invasin


Beberapa bakteri menghasilkan molekul adhesin
yang disebut invasin yang mengaktifkan
mekanisme pertahanan diri sel inang, yang justru
menyebabkan sel bakteri dapat masuk ke dalam
sel inang akibat Fagositosis.
Bakteri selanjutnya menghasilkan protein sistem
sekresi tipe III, yang menyebabkan sel inang
menelan bakteri masuk ke dalam sel ditempatkan
dalam vakuola. Namun sel bakteri tidak
dihancurkan, bahkan dibebaskan sehingga dapat
berkembang biak di sitoplasma sel inang
Invasin
Invasin
Bacteria Involved
Activity
Hyaluronidase
Streptococci, staphylococci
and clostridia
Degrades hyaluronic of connective tissue
Collagenase
Clostridium species
Dissolves collagen framework of muscles
Neuraminidase
Vibrio cholerae and Shigella
dysenteriae
Degrades neuraminic acid of intestinal mucosa
Coagulase
Staphylococcus aureus
Converts fibrinogen to fibrin which causes clotting
Kinases
Staphylococci and
streptococci
Converts plasminogen to plasmin which digests fibrin
Leukocidin
Staphylococcus aureus
Disrupts neutrophil membranes and causes discharge of
lysosomal granules
Streptolysin
Streptococcus pyogenes
Repels phagocytes and disrupts phagocyte membrane and
causes discharge of lysosomal granules
Hemolysins
Streptococci, staphylococci
and clostridia
Phospholipases or lecithinases that destroy red blood cells
(and other cells) by lysis
Lecithinases
Clostridium perfringens
Destroy lecithin in cell membranes
Clostridium perfringens
Destroy phospholipids in cell membrane
Anthrax EF
Bacillus anthracis
One component (EF) is an adenylate cyclase which causes
increased levels of intracellular cyclic AMP
Pertussis AC
Bordetella pertussis
One toxin component is an adenylate cyclase that acts
locally producing an increase in intracellular cyclic AMP
Phospholipases
Model Invasin: Shigella melewati membran mukosa dan
menginvasi sel epitel mukosa kolon
•
•
•
•
Shigella pertama-tama menyeberang mukosa dengan melewati sel khusus yaitu sel M. Setelah
melewati sel M, Shigella akan ditelan oleh makrofag. Namun makrofag mengalami apoptosis,
sehingga bakteri bebas di dalam sitoplasma.
Selanjutnya Shigella menggunakan invasin untuk memasuki sel epitel dari dalam (sisi
sitoplasma). Invasin akan menyebabkan polimer actin pada dinding sel inang menelan sel
Shigella masuk ke dalam selnya dan menempatkannya dalam sebuah vesikel endositik (mirip
sel fagositik).
Shigella yang bebas akan berkembangbiak dan menyebar ke sel di sampingnya, melalui suatu
proses unik disebtu actin-based motility. Pada proses ini, filamen-filamen actin berpolimerisasi
pada membran bakteri, membentuk struktur seperti ekor komet yang panjang mencapai
sitoplasma sel inang yang baru
Setelah mencapai sitoplasma sel inang baru, filamen actin akan mendorong Shigella masuk ke
sel baru tersebut
4. Kemampuan berkompetisi dengan Fe dan
nutrien lainnya
• Keberhasilan patogen menginvasi jaringan ditentukan pada kemampuan
berkompetisi dengan flora normal dan jaringan inang untuk mendapatkan
nutrien yang terbatas (contoh Fe)
• Patogen berkompetisi untuk mendapatkan nutrien dengan mensintesis:
– komponen dinding sel atau sistem transpor spesifik yang akan mengikat nutrien
yang jumlahnya terbatas
– menghasilkan eksotoksin
• Patogen menghasilkan pengkelat besi disebut siderophor. Sementara sel
inang akan menghasilkan pengkelat besi seperti transferrin, lactoferrin,
ferritin dan hemin, sehingga jumlah Fe sangat rendah.
• Contoh: Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Haemophilus
influenzae, Yersinia pestis, Borrelia burgdorferi mampu menyerap Fe dari
pengkelat besi sel inang
Siderofor
5. Kemampuan bertahan dari fagositosis dan
komplemen
• Beberapa patogen bertahan dari sistem imun
alami:
– Penelanan fagositik (attachment dan ingestion)
– Penghancuran fagositik dan lisis serum
Bertahan dari Fagositosis
Bacteria Escaping from a
Phagosome
Blocking Fusion of Lysosome
and Phagosome
6. Kemampuan mengevasi sistem imun adaptif
(imunoglobulin)
•
•
•
•
•
Imunoglobulin G (IgG) berfungsi untuk mengikat antigen (protein atau polisakarida
bakteri) pada sel fagosit
Ujung Fab menempel pada bakteri
Bagian Fc menempel pada reseptor fagosit
Begitu juga dengan komplemen C3b. Ada yang berikatan dengan protein permukaan
bakteri dan ada yang berikatan dengan reseptor C3b sel fagosit.
IgG dan C3b dikenal sebagai OPSONIN dan proses yang meningkatkan pelekatan
disebut OPSONISASI
Faktor virulensi pada kerusakan
toksin, protease, autoimun
Faktor virulensi pada kerusakan
1. Kemampuan menghasilkan protein/komponen dinding sel
yang menempel pada sel inang, sehingga menyebabkan sel
inang untuk menghasilkan dan mengeluarkan sitokin dan
kemokin (bahan inflamasi)
2. Kemampuan menghasilkan toksin
3. Kemampuan menginduksi respon autoimun
1. Kemampuan menghasilkan protein/komponen dinding sel yang
menempel pada sel inang, sehingga menyebabkan sel inang untuk
menghasilkan dan mengeluarkan sitokin dan kemokin
•
•
•
•
•
•
Langkah awal tubuh melindungi dari infeksi adalah mendeteksi kehadiran mikroba,
melalui pengenalan molekul unik dari mikroba (pathogen-associated molecular
patterns) seperti: peptidoglikan, asam tekoat, LPS, mycolic acid dan mannosa
Terjadinya pengikatan dengan pattern-recognition receptor dari permukaan sel
pertahanan tubuh merangsang tubuh menghasilkan dan mengeluarkan berbagai
protein yang disebut Sitokin.
Sitokin akan mempromote sistem imun alami seperti: inflamasi, fagositosis, aktivasi
jalur complement dan aktivasi jalur koagulasi.
Sitokin: tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha), interleukin-1 (IL-1), interleukin-6
(IL-6) dan interleukin-8 (IL-8) dikenal sebagai proinflammatory cytokines yang
mempromot inflamasi.
Beberapa sitokin juga dikenal sebagai Kemokin. Contohnya IL-8 . Kemokin akan
mempromot suatu respon inflamasi dengan membuat sel darah putih meninggalkan
pembuluh darah, masuk ke jaringan sekitar secara kemotaktis.
Sitokin juga mengaktifkan jalur complement dan jalur koagulasi
Harmful Effects of Lipopolysaccharide (LPS; Endotoxin)
Released from the Gram-Negative Cell Wall
•
•
•
•
•
•
Lisisnya bakteri G- melepaskan (LPS;
endotoxin). LPS akan berikatan dengan
LPS-binding protein dalam darah, yang
akan diikat oleh reseptor (CD14) yang
berada di permukaan makrofag.
Hal tsb mentrigger makrofag untuk
mengeluarkan berbagai bahan sitokin :
mencakup IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha dan
PAF.
Sitokin akan berikatan dengan reseptor
sitokin yang tdpt pada sel target,
merangsang produksi mediator inflamasi
seperti prostaglandin dan leukotrein, yang
akan mengaktivasi jalur komplemen dan
koagulasi
Produksi berlebih dari clotting factors
dapat menyebabkan terjadinya ARDS
dan DIC .
Produksi berlebih dari prostaglandin
leukotrein dan complemen dapat
merusak vascular endothelium sehingga
terjadi shock dan MOSF.
(PAF = platelet-activating factor; ARDS = acute
respiratory distress syndrome; DIC =
disseminated intravascular coagulation; MOSF =
multiple organ system failure.)
2. Kemampuan menghasilkan toksin
•
Toksin pada bakteri ada 2:
1.
Endotoksin, merupakan LPS bagian dari membran luar dinding sel
bakteri Gram-negatif
Eksotoksin, merupakan protein yang dikeluarkan sel ke lingkungan
2.
PROPERTY
ENDOTOXIN
EXOTOXIN
CHEMICAL NATURE
Lipopolysaccharide(mw = 10kDa)
Protein (mw = 50-1000kDa)
RELATIONSHIP TO CELL
Part of outer membrane
Extracellular, diffusible
DENATURED BY BOILING
No
Usually
ANTIGENIC
Yes
Yes
FORM TOXOID
No
Yes
POTENCY
Relatively low (>100ug)
Relatively high (1 ug)
SPECIFICITY
Low degree
High degree
ENZYMATIC ACTIVITY
No
Usually
PYROGENICITY
Yes
Occasionally
Endotoxins
Source:
Relation to microbe:
Gram –
Present in LPS of outer membrane
Chemistry:
Lipid
Fever?
Yes
Neutralized by antitoxin?
No
LD50:
Relatively large
Exotoxin
Source:
Relation to microbe:
Chemistry:
Mostly Gram +
By-products of growing cell
Protein
Fever?
No
Neutralized by antitoxin?
Yes
LD50:
Small
Endotoksin
Release of LPS (Endotoxin) from
the Gram-Negative Cell Wall
Binding of LPS to Neutrophils and
Release of Killing Agents
Eksotoksin
•
Eksotoksin terdiri atas:
1.
2.
3.
Superantigen (Type I toxin),
A-B toxin and other toxin that interfere with host cell function (Type
III toxins),
Exotoxins that damage host cell membranes (Type II toxins)
The Fab portion of the antibodies made against epitopes of
the binding site of an exotoxin blocks the exotoxin from
binding to the host cell membrane. As a result, the toxin can
not enter the cell and cause harm.
A-B toxins consist of two parts, an A (active) component and
a B (binding) component. The B component of the exotoxin
binds to a receptor on the surface of a susceptible host cell.
The exotoxin now enters the host cell, in this case by
endocytosis, and causes harm by inactivating a host cell
target protein through ADP-ribosylation
Toksin
NAME OF TOXIN
BACTERIUM
INVOLVED
ACTIVITY
Anthrax toxin (EF)
Bacillus anthracis
Edema Factor (EF) is an adenylate cyclase that causes
increased levels in intracellular cyclic AMP in phagocytes and
formation of ion-permeable pores in membranes (hemolysis)
Adenylate cyclase toxin
Bordetella pertussis
Acts locally to increase levels of cyclic AMP in phagocytes and
formation of ion-permeable pores in membranes (hemolysis)
Cholera enterotoxin
Vibrio cholerae
ADP ribosylation of G proteins stimulates adenlyate cyclase
and increases cAMP in cells of the GI tract, causing secretion
of water and electrolytes
E. coli LT toxin
Escherichia coli
Similar to cholera toxin
Shiga toxin
Shigella dysenteriae
Enzymatically cleaves rRNA resulting in inhibition of protein
synthesis in susceptible cells
Botulinum toxin
Clostridium botulinum
Zn++ dependent protease that inhibits neurotransmission at
neuromuscular synapses resulting in flaccid paralysis
Tetanus toxin
Clostridium tetani
Zn++ dependent protease that inhibits neurotransmission at
inhibitory synapses resulting in spastic paralysis
Diphtheria toxin
Corynebacterium
diphtheriae
ADP ribosylation of elongation factor 2 leads to inhibition of
protein synthesis in target cells
Pertussis toxin
Bordetella pertussis
ADP ribosylation of G proteins blocks inhibition of adenylate
cyclase in susceptible cells
Staphylococcus
enterotoxins*
Staphylococcus aureus
Massive activation of the immune system, including
lymphocytes and macrophages, leads to emesis (vomiting)
Toxic shock syndrome
toxin (TSST-1)*
Staphylococcus aureus
Acts on the vascular system causing inflammation, fever and
shock
Erythrogenic toxin
(scarlet fever toxin)*
Streptococcus pyogenes
Causes localized erythematous reactions
3. Kemampuan menginduksi autoimun
•
•
•
•
•
Autoimunitas adalah suatu kesalahan respon sistem pertahanan tubuh
yang menyerang tubuh sendiri dan kadang ditrigger oleh bakteri
tertentu
Bakteri dapat menyebabkan autoimun dengan menginduksi produksi
antibodi-antibodi yang bereaksi silang (cross-reacting antibodies) dan
auto-reactive cytotoxic T-lymphocytes (CTL)
CRA dan CTL menghasilkan respon thdp antigen bakteri, dan bereaksi
silang dengan epitop pada sel inang. Hasilnya, CRA dan CTL akan
menghancurkan sel inang yang ditemuinya
Lebih lanjut lagi, saat CRA mengaktifkan jalur komplemen klasik, akan
menyebabkan kerusakan jaringan yang lebih parah.
Rheumatic fever disebabkan oleh Streptococcus pyogenes terjadi saat
CRA dan CTL yang distimulasi oleh antigen S. pyogenes bereaksi silang
denfan jaringan jantung dan jaringan ikat menyebabkan kerusakan
jantung dan jaringan ikat.
Kemampuan menginduksi autoimun
Opsonization During
Type-II Hypersensitivity
IgG reacts with epitopes on the host cell
membrane. Phagocytes then bind to the
Fc portion of the IgG and discharge their
lysosomes.
MAC Lysis During Type-II
Hypersensitivity
IgG or IgM reacts with epitopes on the host
cell membrane and activates the classical
complement pathway. Membrane attack
complex (MAC) then causes lysis of the
cell.
Kemampuan menginduksi autoimun
ADCC Apoptosis by NK Cells
ADCC Lysis During
Type-II Hypersensitivity
Antibodies react with epitopes on the
host cell membrane and NK cells bind to
the Fc of the antibodies. The NK cells
then lyse the cell with pore-forming
perforins and cytotoxic granzymes.
The NK cell releases pore-forming proteins called
perforins, proteolytic enzymes called granzymes, and
chemokines. Granzymes pass through the pores and
activate the enzymes that lead to apoptosis of the infected
cell by means of destruction of its structural cytoskeleton
proteins and by chromosomal degradation. As a result, the
cell breaks into fragments that are subsequently removed
by phagocytes. Perforins can also sometimes result in cell
lysis.
Portals of Exit
• Respiratory tract
– Coughing and sneezing
• Gastrointestinal tract
– Feces and saliva
• Genitourinary tract
– Urine and vaginal secretions
• Skin
• Blood
– Biting arthropods and needles or syringes