67
penyebaran rongga hidung asimptomatik, sementara sebagian besar yang lain membawa bakteri pada kulit mereka (Lowy, 1998). Bayi yang baru lahir memiliki tingkat tertinggi staphylococcus di rongga hidung sedangkan kelompok penyebaran terbesar kedua adalah petugas rumah sakit (Williams, 1963).
Gambar 18. Scanning Electron Microscope (SEM) dari S. aureus. strain (ILRI_Eymole1/1). Diisolasi dari hidung unta dromedari (Camelus dromedarius) di Kenya Utara. Kiri: gambaran umum sel yang tumbuh di koloni; Kanan: sel tunggal pada pembesaran yang lebih tinggi (Zubair, dkk., 2015)
S. aureus ditransfer melalui kontak kulit ke kulit dan lebih sering mempengaruhi orang yang sebelumnya berpenyakit atau dengan sistem kekebalan tubuh rendah. Transfer yang paling umum terjadi dari petugas kesehatan yang telah kontak dengan strain aktif. Transfer lainnya terjadi dari sumber lingkungan atau dari pembawa lain dari bakteri. Hasil yang mungkin dari infeksi S. aureus berasal dari rumah sakit pasien yang mengidap pneumonia, transfusi darah dan infeksi luka. Ketika S. aureus pertama kali diidentifikasi, dan sebelum antibiotik dikembangkan, bakteri ini memiliki angka kasus kematian 80%. Hari ini, dengan pengobatan
69
antibiotik, angka kematian dunia sekitar dari 20 sampai 40%, tapi dengan fenomena resistensi antibiotik, angka kematian akibat S. aureus secara perlahan meningkat (Lowy, 2003).
1. Komponen dan produk
S. aureus adalah anggota keluarga Micrococcaceae. Pada pemeriksaan mikroskopis, organisme tersebut muncul sebagai coccus gram positif dalam kelompok (Gambar 18). S. aureus dibedakan dari spesies staphylococcus lainnya berdasarkan pigmentasi emas koloni dan hasil positif dari koagulase, fermentasi mannitol, dan uji deoksiribonuklease (Wilkinson, 1997).
a. Genom
Genom staphylococcus terdiri dari kromosom melingkar (dari sekitar 2800 bp), dengan prophages, plasmid, dan transposon. Gen yang mengatur virulensi dan resistensi terhadap antibiotik ditemukan pada kromosom, serta elemen ekstrakromosomal (Novick, 1990). Gen ini ditransfer antara strain staphylococcus, spesies, atau spesies bakteri gram positif lain melalui unsur-unsur ekstrakromosomal (Schaberg & Zervos, 1986).
b. Dinding sel
Dinding sel staphylococcus terdiri dari 50 persen peptidoglikan berdasarkan bobot. Peptidoglikan terdiri dari polisakarida subunit yang bergantian dari N-asetilglukosamin dan asam N-acetylmuramic dengan keterkaitan 1,4-β. Rantai peptidoglikan
cross-linked oleh rantai tetrapeptide yang terikat asam N-acetylmuramic dan oleh sebuah jembatan pentaglisin spesifik untuk S. aureus. Peptidoglikan diduga memiliki aktivitas seperti endotoksin, merangsang pelepasan sitokin oleh makrofag, aktivasi komplemen, dan agregasi trombosit. Perbedaan dalam struktur peptidoglikan strain staphylococcus dapat menyebabkan variasi dalam kapasitas mereka untuk menyebabkan koagulasi intravaskular disseminated (Kessler dkk., 1991). Asam teikoik ribitol yang terikat kovalen pada peptidoglikan adalah konstituen utama dari dinding sel. Asam lipoteikoat merupakan polimer gliserol fosfat terkait dengan ujung glikolipid berlabuh di membran sitoplasma (Lowy, 1998).
c. Kapsul
Kebanyakan staphylococcus menghasilkan mikrokapsul. Dari 11 jenis serotipe polisakarida microcapsular yang telah diidentifikasi, jenis 5 dan 8 menyebabkan 75 persen dari infeksi manusia.
Kebanyakan isolat S. aureus methicillin-resistant adalah tipe 5.
Komposisi kimia dari empat ini polisakarida antifagositosis, termasuk jenis 5 dan 8, telah ditentukan, dan keempat telah terbukti terkait secara kimiawi. (Lee, 1996).
d. Protein permukaan
Banyak protein permukaan staphylococcal memiliki fitur struktural tertentu yang sama. Fitur-fitur ini termasuk urutan sekretorik sinyal
71
pada terminal N, bermuatan positif asam amino yang memperpanjang ke dalam sitoplasma, domain membran-spanning hidrofobik, dan daerah sel-dinding-penahan, semua di terminal karboksil. Sebuah domain ligan mengikat di terminal N yang terpapar pada permukaan sel bakteri memungkinkan beberapa protein ini berfungsi sebagai adhesins (Foster & McDevitt, 1994).
Gambar 19. Molekul virulensi S. aureus. S. aureus dapat menghasilkan beberapa jenis molekul yang berkontribusi terhadap virulensi dan patogenesis. Banyak dari molekul-molekul ini telah dikaitkan dengan patogenesis abses (teks merah). (Kobayashi, 2015).
Protein A, prototipe dari protein ini, memiliki sifat antifagositosis yang didasarkan pada kemampuannya untuk mengikat bagian Fc dari imunoglobulin (Gambar 23). Beberapa protein-protein yang berkaitan mengikat molekul matriks ekstraseluler dan telah dinamakan MSCRAMM. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa protein ini memainkan bagian penting dalam kemampuan staphylococcus mengkolonisasi jaringan inang (Patti dkk., 1994).
e. Toksin
Staphylococcus menghasilkan banyak racun yang dikelompokkan atas dasar mekanisme aksi mereka. Sitotoksin, seperti protein-alpha toksin 33-kd, menyebabkan pembentukan pori dan menyebabkan perubahan proinflamasi dalam sel mamalia. Akibat kerusakan sel dapat berkontribusi manifestasi dari sindrom sepsis (Bhakdi & Tranum-Jensen, 1991; Walev dkk., 1995). Superantigen pirogenik-toksin secara struktural terkait, berbagi berbagai tingkat asam amino homologi. Mereka berfungsi sebagai superantigens dengan mengikat MHC protein II yang menyebabkan proliferasi sel T yang luas dan pelepasan sitokin (Marrack & Kappler, 1990).
Domain yang berbeda dari molekul enterotoksin bertanggung jawab untuk dua penyakit yang disebabkan oleh protein ini, sindrom shock beracun dan keracunan makanan (Harris dkk., 1993). Meskipun sedikit asam amino homologi urutan, toxic shock syndrome toxin 1 secara struktural mirip dengan enterotoksin B dan C. Gen untuk toxic shock syndrome toxin 1 ditemukan pada 20 persen dari isolat S.aureus (Marrack & Kappler, 1990). Racun eksfoliatif, termasuk racun epidermolitik A dan B, penyebab eritema kulit dan pemisahan, seperti yang terlihat di staphylococcal scalded skin syndrome (Cribier dkk, 1992). Mekanisme kerja dari racun ini masih kontroversial. Leukocidin Panton-Valentine adalah racun
73
leukocytolytic yang telah epidemiologis terkait dengan infeksi kulit yang parah (Cribier dkk, 1992).
Gambar 20. Struktur dari S. aureus. Panel A menunjukkan permukaan dan protein yang disekresikan. Sintesis yang terjadi di antara protein ini tergantung pada fase pertumbuhan, seperti yang ditunjukkan oleh grafik, dan dikendalikan oleh gen pengatur seperti accessory gene regulator (Agr). Panel B dan C menunjukkan penampang dari amplop sel. Banyak dari protein permukaan memiliki organisasi struktural mirip dengan faktor penggumpalan, termasuk segmen berulang asam amino (Panel C) (Lowy, 1998)
f. Enzim dan kandungan lainnya
Staphylococcus menghasilkan berbagai enzim, seperti protease, lipase, dan hyaluronidase, yang merusak jaringan. Produk-produk bakteri dapat memfasilitasi penyebaran infeksi ke jaringan sekitarnya, meskipun peran mereka dalam patogenesis penyakit tidak didefinisikan dengan baik. β-laktamase adalah enzim yang menginaktivasi penisilin. Protein pengikat penisilin adalah enzim yang terletak di membran sitoplasma yang terlibat dalam perakitan
dinding sel (Wilkinson, 1997). Protein pengikat penisilin baru bertanggung jawab atas resistensi staphylococcus terhadap penisilin dan sefalosporin resisten penisilinase. Koagulase, aktivator protrombin, mengubah fibrinogen menjadi fibrin.
kontribusinya terhadap virulensi bakteri tidak pasti (Lowy, 1998).
2. Epidemiologi
Prevalensi penyebaran S. aureus bervariasi dalam populasi yang berbeda. Dalam populasi umum, rata-rata tingkat penyebaran adalah 37% (kisaran 19-55%) (Kluytmans dkk., 1997) tetapi beberapa sub-populasi menunjukkan tingkat penyebaran secara signifikan lebih tinggi, misalnya pasien dengan diabetes mellitus tergantung insulin, pasien dalam dialisis, pengguna obat secara intravena, individu dengan human immunodeficiency virus dan pasien dengan infeksi kulit S.aureus. Misalnya, hingga 100% dari pasien dengan dermatitis atopik yang dikolonisasi (Hoeger dkk, 1992; Kluytmans dkk, 1997; Monti dkk, 1996).
Penyebaran berdasarkan populasi usia yang berbeda, tingkat kolonisasi pada anak-anak telah dilaporkan secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan orang dewasa (Armstrong-Esther & Smith, 1976; Cunliffe, 1949; Melles dkk, 2004; Noble dkk, 1967; Wertheim dkk., 2005), dan dalam beberapa studi variasi antara jenis kelamin telah diamati baik dalam tingkat kolonisasi (Mernelius dkk, 2013; Olsen dkk, 2013).
75
Perbedaan prevalensi antara berbagai negara juga telah tercatat. Dalam sebuah penelitian di Eropa, variasi yang besar dalam tingkat penyebaran nasal ditemukan, terendah di Hungaria (12%) dan tertinggi (29%) di Swedia (den Heijer dkk., 2013). Dalam sebuah penelitian Norwegia, tingkat yang sama (29%) di Norwegia seperti pada populasi umum Swedia telah dilaporkan (Olsen dkk., 2013).
Gambar 21. Kecenderungan perkiraan jumlah bakteri MRSA dan G3CREC di wilayah Eropa. Angka EARSS ekstrapolasi untuk tahun 2003-2009, dan perkiraan berdasarkan analisis regresi untuk tahun 2010-2015 (de Kraker, dkk., 2011).
Dalam sebuah penelitian dari Kanada, kejadian dilaporkan infeksi S. aureus invasif adalah 28,4 kasus / 100 000 individu dan infeksi yang lebih umum pada orang di atas 65 tahun dan pada laki-laki (Laupland dkk., 2003). Di Amerika Serikat, 0,8% dari semua pasien
rawat inap di rumah sakit didiagnosis dengan infeksi S. aureus dan pasien ini telah secara signifikan lebih lama tinggal di rumah sakit, membayar biaya yang lebih tinggi dan memiliki risiko kematian lebih tinggi daripada pasien rawat inap tanpa infeksi S. aureus (Noskin dkk., 2005). Di Eropa tingkat bakteremia yang disebabkan oleh MRSA secara konsisten meningkat antara 2003 sampai 2009 (Gambar 21) (de Kraker, dkk., 2011).
3. Patogenesis
S. aureus memiliki beragam komponen dan produk yang berkontribusi terhadap patogenesis infeksi. Komponen dan produk ini memiliki peran yang tumpang tindih dan bisa bertindak baik dalam konser maupun sendiri. Banyak yang diketahui tentang kontribusi faktor bakteri ini terhadap perkembangan infeksi. (Marrack & Kappler, 1990;
Waldvogel, 1995; Foster dkk., 1997; Crossley & Archer, 1997). Virulensi infeksi S. aureus sangat luar biasa, mengingat organisme itu adalah komensal yang mengkolonisasi rongga hidung, ketiak, vagina, pharynx, atau permukaan kulit yang rusak (Noble dkk., 1967; Casewell & Hill, 1986). Infeksi dimulai saat pelepasan kulit atau penghalang mukosa memungkinkan akses staphylococcus ke jaringan yang berdampingan atau aliran darah. Infeksi terjadi atau menyebar bergantung pada interaksi yang kompleks antara determinan virulensi S. aureus dan mekanisme pertahanan inang (Lowy, 1998).
77
Gambar 22. In vitro Fagositosis Sel Endotelial pada S. Aureus. Panel kiri menunjukkan staphylococcus setelah inkubasi dengan sel endotel vena umbilikalis manusia dalam kultur jaringan selama 30 menit. Bakteri telah fagositosis, tertutup dalam vakuola terikat membran, dan diangkut ke dalam sel. Bar pengukur mewakili 0,5 μm. Panel kanan menunjukkan sel endotel dari bagian aorta kelinci yang diinkubasi dengan staphylococcus.
Bakteri diinkubasi dengan jaringan selama 30 menit dan kemudian diinkubasi dengan media selama 5/2 jam. Sel endotel mengandung sejumlah besar bakteri yang tertutup dalam vakuola. Sel telah pecah, melepaskan bakteri ke medium. Bar pengukur mewakili 1,0 μm (Lowy dkk., 1988).
Bakteremia staphylococcus dapat menjadi semakin rumit oleh endokarditis, infeksi metastatik, atau sindrom sepsis. Sel endotel sangat penting bagi proses patogenik ini. Tidak hanya itu target potensial untuk cedera, tapi juga aktivasinya berkontribusi pada perkembangan penyakit endovaskular. Staphylococcus dengan rajin mematuhi sel ndothelial dan mengikat melalui interaksi perekat-reseptor (Vercelotti dkk., 1984; Ogawa dkk., 1985; Tompkins dkk., 1990).
Gambar 23. Patogenesis staphylococcus menginvasi jaringan. Urutan kejadian berlangsung dari kiri ke kanan. Peredaran staphylococcus mengikat situs kerusakan endovaskular dimana PFT terbentuk.
Bakteri dapat menempel melalui mekanisme yang dimediasi MSCRAMM. Sebagai alternatif, mereka dapat menempel pada sel endotel secara langsung melalui interaksi perekat-perekat atau dengan cara menjembatani ligan yang mencakup konstituen serum seperti fibrinogen. Modifikasi endotelium akibat perubahan lingkungan mikro (seperti perubahan ECM) dapat memberi sinyal perubahan pada kerentanan seluler terhadap infeksi (Alston dkk, 1997). Setelah fagositosis oleh sel endotel, bakteri menguraikan enzim proteolitik yang memfasilitasi penyebaran ke jaringan yang berdampingan dan pelepasan staphylococcus ke dalam aliran darah. Faktor jaringan diekspresikan oleh sel endotel yang terinfeksi, yang memfasilitasi pengendapan fibrin dan pembentukan vegetasi (Drake & Pang, 1988). Setelah berada di jaringan subepitel yang berdampingan, bakteri menghasilkan respons inflamasi yang menghasilkan pembentukan abses. Urutan kejadian ini berkontribusi pada pembentukan fokus metastasis infeksi, serta patogenesis endokarditis saat endothelium jantung terlibat. Setelah fagositosis, sel endotel mengekspresikan reseptor Fc dan molekul adhesi (molekul VCAM dan ICAM dan melepaskan interleukin-1, interleukin-6, dan interleukin-8. Akibatnya, leukosit menempel pada sel endotel, dengan diapedesis ke tempat infeksi.
Perubahan dalam konformasi sel endotel menghasilkan peningkatan permeabilitas vaskular, dengan transudasi protein plasma. Kedua makrofag berbasis jaringan dan monosit yang bersirkulasi melepaskan interleukin-1, interleukin-6, interleukin-8,
79
dan TNF- setelah terpapar staphylococcus. Aktivasi makrofag terjadi setelah pelepasan interferon- oleh sel T. Sitokin dilepaskan ke aliran darah dari monosit atau makrofag, serta sel endotel, berkontribusi pada manifestasi sindrom sepsis dan vaskulitis yang terkait dengan penyakit staphylococcus sistemik. Ekspresi reseptor Fc dapat berkontribusi pada vaskulitis yang biasanya ditemui selama bakteremia dengan bertindak sebagai tempat pengikatan untuk imunoglobulin (Ig) atau kompleks imun (Lowy, 1998).
Studi in vitro menunjukkan bahwa setelah terikat, staphylococcus mengalami fagositosis oleh sel endotel (Gambar 22) (Hamill dkk., 1986). Lingkungan intraseluler melindungi staphylococcus dari mekanisme pertahanan host serta efek bakterisida dari antibiotik.
Vesga dkk. (1996) menunjukkan bahwa lingkungan sel intraendothelial memupuk pembentukan varian koloni kecil. Faktor-faktor ini dapat meningkatkan kelangsungan hidup bakteri dan berkontribusi terhadap perkembangan infeksi persisten atau recurrent (Proctor dkk., 1995).
Resisten terhadap serum, melekat pada permukaan valvular asli yang rusak dan tidak rusak, resisten terhadap protein mikrobisida platelet (Wu dkk., 1994), dan enzim proteolitik yang rumit yang memfasilitasi penyebaran ke jaringan di sekitarnya (Wilkinson, 1997).
Kepatuhan stafilokokus terhadap trombus trombosit-fibrin yang terbentuk pada permukaan katup yang rusak mungkin melibatkan kepatuhan protein MSCRAMM terhadap molekul matriks yang terbuka.
Endokarditis stafilokokus juga terjadi pada katup yang tidak rusak.
Invasi sel endotel dengan dapat memulai perubahan seluler, termasuk ekspresi faktor jaringan, yang mendorong pembentukan vegetasi
(Gambar 23) (Ogawa dkk., 1985; Tompkins dkk., 1990; Hamill dkk., 1986; Drake & Pang, 1988; Ing dkk., 1997)
Gambar 24. Fagositosis leukosit polimorfonuklear (PMN) dan proses mikrobisida. Reseptor permukaan untuk opsonin host, seperti pelengkap dan antibodi, meningkatkan konsumsi S. aureus, yang kemudian mengaktifkan proses mikrobisida yang beroperasi pada bakteri yang mengandung phagosome (bakteri vakuola yang mengandung sitoplasma). Kompleks enzim yang bertanggung jawab atas pembentukan oksidase superoksided NADPH digambarkan oleh gugus bentuk biru pada membran fagosom. CR, komplemen komplemen; HOCl, asam hipoklorida; MPO, myeloperoxidase; ROS, spesies oksigen reaktif (Kobayashi, 2015) Leukosit polimorfonuklear (PMN) merupakan pertahanan sel yang paling penting melawan bakteri yang menyerang, seperti S.aureus (Gambar 24) (Lowy, 1998). Kelainan genetik yang secara negatif mempengaruhi fungsi PMN biasanya mempengaruhi individu terhadap infeksi bakteri dan jamur yang parah. Misalnya, individu dengan penyakit granulomatosa kronis, kelainan genetik. Ditandai dengan ketidakmampuan PMN dan fagosit lainnya untuk menghasilkan superoksida, sering mengalami infeksi S.aureus yang parah dan
81
berulang. Infeksi ini sering bermanifestasi sebagai abses yang akhirnya bisa berubah menjadi granuloma, yang menghalangi fungsi organ dan harus diangkat melalui operasi (Kobayashi, 2015). PMN direkrut secara cepat ke tempat infeksi dan menghapus serangan mikroorganisme melalui proses yang dikenal sebagai fagositosis. Fagositosis PMN paling efisien dipromosikan oleh opsonisasi bakteri dengan antibodi dan komplemen. Antibodi spesifik mengikat epitop pada permukaan bakteri dan memungkinkan pengendapan komplemen (Kobayashi, 2015).
Antibodi terikat pada permukaan bakteri diakui oleh reseptor neutrofil khusus untuk daerah Fc, termasuk CD64 (FcγRI, reseptor IgG), CD32 (FcγRIIa, IgG reseptor afinitas rendah), CD16 (FcγRIIIb, afinitas rendah IgG reseptor), CD89 (FCαR, reseptor IgA), dan CD23 (FcεRI, reseptor IgE). Bakteri opsonized dengan pelengkap diakui oleh reseptor permukaan PMN, termasuk ClqR, CD35, CD11b / CD18 (CR3), dan CD11c / CD18 (CR4). bakteri yang tertelan yang diasingkan dalam vakuola membran-terikat disebut phagosomes (Kobayashi, 2015).
4. Resisten terhadap beberapa obat
Pada awal 1970-an, dokter mulai meninggalkan keyakinan mereka bahwa, mengingat sejumlah agen antimikroba yang efektif, terhadap hampir semua infeksi bakteri dapat diobati. Optimisme mereka berubah oleh munculnya resistensi terhadap beberapa antibiotik di antara
patogen seperti S. aureus, S. pneumoniae, P. aeruginosa, dan M.
tuberculosis (Tomasz, 1994; Swartz, 1997).
Evolusi spesies bakteri resisten antimikroba meningkat disebabkan oleh banyak faktor yang mencakup penggunaan antimikroba yang luas dan terkadang tidak tepat, penggunaan ekstensif agen ini sebagai peningkat pertumbuhan pakan ternak, dan dengan peningkatan perjalanan regional dan internasional, relatif mudah dengan yang bakteri resisten antimikroba melewati hambatan geografis (Cohen, 1992; Tomasz, 1994; Swartz, 1997).
Tabel 1. Mekanisme resistensi S. aureus terhadap antimikroba. Beberapa contoh mekanisme resistensi S. aureus terhadap antibiotik. (Tsiodras dkk., 2001; Lyon & Skurray, 1987; Lina dkk., 1999; Allignet dkk., 1996)
Antibiotik Gen Resistensi Produk Gen Mekanisme Resistensi Lokasi β-laktam blaZ β-laktamase Hidrolisis enzimatik inti
β-laktam Plasmid :
Transposon
mecA PBP2a mengurangi afinitas untuk
PBP
Kromosom:
SSCmec Glikopeptida Tidak diketahui
(VISA)
Peptidoglikan diubah
Menjebak vancomycin dalam dinding sel
Kromosom D-Ala-D-Lac Sintesis dipeptida dengan
mengurangi afinitas untuk vankomisin
Plasmid : Transposon
Quinolon parC komponen PARC
(atau GrlA) topoisomerase IV
Mutasi di wilayah QRDR, mengurangi afinitas enzim-DNA
kompleks untuk quinolon
Kromosom
gyrA or gyrB Komponen gyrA atau gyrB dari girase
Kromosom Aminoglikosida
(Gentamisin)
Enzim yang memodifikasi Aminoglikosida (aac, aph)
Acetyltransferase, phosphotransferase
Acetylating dan / atau fosforilasi enzim
memodifikasi aminoglikosida
Plasmid, Plasmid : Transposon
Trimethoprime-Sulfamethoxazole
Sulfonamida : sulA
Dihydropteroate synthase
Kelebihan dari asam p-aminobenzoat oleh enzim
Kromosom
Trimethoprime : dfrB
Dihydrofolate reductase (DHFR)
Mengurangi afinitas DHFR Kromosom Oxazolidinones Rrn 23S rRNA Mutasi pada domain V 23S
rRNA komponen dari 50S ribosom. Mengganggu pengikatan ribosom
Kromosom
Quinupristin - dalfopristin
Quinupristin : ermA, ermB, ermC
Ribosomal
methylases Mengurangi ikatan ribosomal
subunit 23S Plasmid,
Kromosom Dalfopristin :
vat, vatB
Acetyltransferases Modifikasi enzimatis dari Dalfopristin
Plasmid
83
L. Kerangka Teori
Mikroorganisme : bakteri, fungi, dll., mampu melakukan invasi
terhadap tanaman. Invasi mikroorganisme menghasilkan
interaksi (simbiosis)
Tanaman mati karena mikroba bersifat patogen
Tumbuhan inang (Host)
Tumbuhan mendapatkan keuntungan dari mikroba melalui metabolit sekunder yang dihasilkannya, berfungsi
membantu inang melawan pathogen, stres abiotik, dan
bermanfaat untuk pertumbuhan
Senyawa antimikroba
Mikroba mendapatkan nutrisi yang dibutuhkan
dalam siklus hidupnya
Mikroba endofit : bakteri, fungi, dll
Memungkinkan terjadinya transfer genetik, mikroba endofit mampu menghasilkan metabolit yang sama
dengan inangnya
Menghasilkan senyawa bioaktif:
alkaloid, triterpenoid, flavonoid, dll
Aktivitas biologi:
Antioksidan Antikanker Antimikroba
84