Besi merupakan faktor pertumbuhan yang penting bagi bakteri patogen. Besi diperlukan hampir sebagian besar mikroorganisme untuk beberapa proses metabolisme yang penting seperti replikasi kuman, transport elektron, glikolisis, sintesis DNA dan pertahanan terhadap reactive oxygen intermediates (ROI). Sistem pengambilan besi pada kuman, memungkinkan kuman tersebut untuk berkompetisi mendapat elemen penting seperti besi dari lingkungan (Schaible et al., 2004). Pada tubuh manusia banyak sel dan organ yang memiliki mekanisme spesifik untuk transport besi melalui membran sel.
Sumber besi yang utama untuk produksi haem dan proliferasi sel adalah transferin. Protein transferin ini dapat membawa dua atom besi. Besi ini akan dihantarkan kepada sel yang membutuhkan besi secara fisiologis melalui reseptor transferin. Pada umumnya reseptor ini ditemukan pada permukaan eritroblas, yang bertanggung jawab atas terbentuknya hemoglobin. Sekarang telah diketahui variasi-variasi molekul besi di dalam tubuh (Marx, 2002).
Gambar 1. Akses mikroorganisme terhadap cadangan besi tubuh (Marx, 2002).
Sumber-sumber besi tubuh yang dapat diperoleh mikroorganisme adalah di dalam plasma, sel, saluran cerna dan permukaan tubuh. Transferin: transferrin;
NTBI, non-transferrin-bound iron; BM, bone marrow; Hb, hemoglobin; RBC, red blood cells; MPS, momonuclear phagocyte system.
Mikroorganisme mempunyai beberapa cara untuk mengambil besi dari sekitarnya baik dari cairan tubuh fisiologis, saluran intestinal, saluran nafas, urogenital, kulit dan permukaan tubuh. Molekul yang berperan terhadap pengambilan besi tersebut dapat berupa reseptor, kanal yang lokasinya di bagian luar atau dalam membran sel mikroba dan siderophores yang memiliki afinitas yang tinggi terhadap molekul pengikat besi.
Mekanismekumanuntukmemperolehbesisangatkomplek. Beberapakumanmenunjukkan adanya mekanisme pengambilan besi lebih dari satu dan pada saat yang sama. Gambar 1 menunjukkan kompleksitas dari sumber-sumber besi, sistem transport pada bakteri gram negatif. Membran luar dari bakteri ini tersusun lipid bilayer, tempat dari insersi protein. Molekul hidrofilik yang lebih kecil dari 700 Da dapat melewati pori-pori air pada priotein terinsersi. Kompleks besi pada umumnya berukuran lebih dari 700 Da sehingga memerlukan reseptor spesifik untuk dapat melewati membran tersebut (Marx, 2002).
Berdasarkan kemampuannya mengikat besi mikroba patogen dapat dibedakan menjadi 2 kelompok yaitu kelompok yang mengikat besi dari inang melalui reseptor yang dapat berikatan dengan transferin, lactoferin (Lf) atau hemoglobin; dan melalui molekul siderofor yang berukuran < 1kDa yang dapat memperoleh besi dari protein inang atau komponen besi lainnya. Patogen yang mendapatkan besi melalui mekanisme pertama adalah host spesific. Contoh, reseptor laktoferin mampu berikatan dengan Helicobacter pylori untuk mendapatkan besi secara langsung dari laktoferin gaster manusia (saturasi besi 10%) namun tidak pada laktoferin gaster pada sapi. Neisseria meningitidis mendapatkan besi dari transferin manusia (saturasi besi 30%) dan beberapa mamalia seperti simpanse tapi tidak dari transferin kera maupun non primata lain. Patogen tersebut dapat tumbuh dengan injeksi transferin manusia pada inokulum bakteri atau pada tikus transgenik yang mengekspresikan transferin manusia (Zarantonelli et al., 2007). Strain dari Hemophillus somnus membentuk reseptor untuk transferin sapi namun tidak pada transferin manusia. Patogen ini bersifat virulen pada sapi namun tidak pada manusia.
Actinnobacillus pleuropneumonia mensintesis reseptor transferin yang spesifik untuk babi yang menyebabkan pneumonia yang serius pada babi.
Sebaliknya patogen yang menggunakan siderofor untuk mendapatkan besi dapat bermultiplikasi pada spesies yang berbeda. Listeria monocytogenes didapatkan manusia melalui makanan yang kurang matang seperti ikan, mamalia maupun sayuran. Patogen ini tidak memproduksi siderofor-nya sendiri namun mendapatkan besi via ikatan reseptor dengan siderofor yang diproduksi mikroorganisme lain atau cathecol yang terdapat dalam lingkungan. Jadi dopamine atau norefinefrin yang dikeluarkan pada saat stres dapat berfungsi sebagai siderofor. Dari 500 komponen yang diketahui, iron binding ligands yang utama adalah yang mengandung cathecol, hydroxamates atau α-hydroxy carboxylates (Raymonds, 2004). Kompleks besi-siderofor dapat ditransportasikan ke sel mikrobial dan logam besi dari komplek protein-besi diekstraksikan pada permukaan sel yang kemudian akan digunakan mikroba tadi. Pada beberapa sistem, akuisisi besi membutuhkan reduksi besi dari bentuk feri pada permukaan sel selanjutnya diasimilasi dalam bentuk fero.
Pada tubuh inang mikroba dapat memperoleh besi dari sumber yang mengandung lingkungan biokimia yang berbeda sebagai sumber untuk ketersediaan besi. Sebagai contoh, Neisseria meningitidis hidup di dalam nasofaring dimana besi diperoleh melalui laktoferin. Di dalam darah dan cairan serebrospinal, transferin merupakan sumber dari besi. Patogen enterik seperti Shigella flexnerri menggunakan sidherophore aerobactein pada ruang ekstraseluler namun tidak pada intraseluler (Payne dan Mey, 2004).
Candida albicans dalam bentuk ragi/yeast biasanya bersifat non patogen pada saluran gastrointestinal dan vagina. Akan tetapi bentuk hifa akan menginvasi jaringan sistemik.
Tidak seperti bentuk yeast yang menggunakan siderofor, sel hifa melisis eritrosit dan memproduksi reseptor hemoglobin. Neisseria gonorrhoeae dapat mensintesis reseptor untuk transferin, laktoferin, dan hemoglobin. Pada saluran reproduksi pria, besi diperoleh melalui transferin dan laktoferin, namun hemoglobin secara normal tidak tersedia, jadi isolat dari saluran genetalia pria adalah hemoglobin negatif. Pada saluran genetalia perempuan, ketersediaan hemoglobin berhubungan dengan fase awal dari siklus menstruasi. Dari 65 isolat perempuan menstruasi, 14 diantaranya dapat berikatan dengan hemoglobin. Median waktu isolasi pada wanita yang positif sejak onset dari akhir siklus menstruasi adalah 12 hari. Sebanyak 51 isolat tidak menggunakan hemoglobin, median waktunya adalah 19 hari (p = 0,031).
Sumber besi lain yang potensial adalah feritin, protein berukuran 480 kDa. Setiap molekul feritin mengandung lebih dari 4500 atom besi. Pada kultur sel epitel yang di inokulasikan dengan Neisseria meningitidis, waktu paruh ferrtin menurun dari 20,1 jam menjadi 5,3 jam (Larson, 2004). Pengeluaran besi mendukung pertumbuhan bakteri.
Pada pasien dengan cystic fibrosis, Burkholdeia cencepacia dapat memanfaatkan feritin inang sebagai sumber besi. Sekresi saluran nafas pada pasien cystic fibrosis mungkin mengandung lebih dari satu macam spesies bakteri. Pada koinfeksi Staphilococcus aureus dan Pseudomonas aeruginosa, sel yang lisis spesies sebelumnya merupakan sumber dari besi (Mashburn et al., 2005).
Patogen yang tumbuh dalam sel inang pada beberapa kasus dapat menyebabkan peningkatan besi sel inang. Ehrlichia chaffeensis yang dikultur pada sel premielositik lekemia manusia, dalam 24 jam inokulasi, bakteri dapak menginduksi tujuh kali transferin reseptor (TfR) sel inang. Hal yang sama terjadi pada macrophage cell line, inokulasi Coxiella burnetii menyebabkan upregulasi dari TfR inang. Sebanyak 2,5 kali peningkatan besi pada sel inang meningkatan tujuh kali akumulasi besi pada sel bakteri. Kemampuan beberapa patogen tertentu untuk memperoleh besi dari inang sangat terbatas, namun
demikian patogen ini dapat menimbulkan penyakit pada inang dengan ketersediaan besi yang berlebihan. Patogen yang kurang dapat mengikat besi (iron impaired pathogens) membutuhkan peningkatan besi intra makrofag seperti Legionella pneumophilla dan Tropheryma whipelli. Bakteri lain seperti Capnocytophaga canimorsus, Vibrio vulnificuc dan Yersinia enterocolinica membutuhkan peningkatan kadar besi plasma untuk tumbuh.
Sebagai contoh studi pada inokulasi V. vulnificus pada tikus dimana dalam keadaan normal 50% lethal dose adalah 10 juta sel bakteri, namun pada tikus yang diinjeksi dengan garam besi non toksik, 50% lethal dose hanya satu sel bakteri.
Saat pertumbuhan mikrobial lambat, sel mulai berdeferensiasi menjadi bentuk kista, spora dan beberapa bentuk morfologi lain untuk meningkatkan survival. Bentuk ini berbahaya bagi tubuh karena dapat membentuk biofilm (Weinberg, 2004). Pertumbuhan mikroba melambat dan menjadi resisten terhadap antibodi, fagositosis, dan antibiotik.
Pembentukan biofilm ini membutuhkan sejumlah besi yang lebih banyak dari yang dibutuhkan untuk pertumbuhan vegetatif ini (Ojha et al., 2007).
Berbeda dengan jamur, protozoa dan bakteri, pertumbuhan virus sendiri tidak membutuhkan besi. Namun demikian, sel inang membutuhkan besi untuk mengkatalisasi sintesis dari partikel virus. Beberapa studi pada hewan dan manusia melaporkan peningkatan besi meningkatkan risiko dari infeksi virus. Lebih lanjut, pada penyakit imunodefisiensi, besi terakumulasi dalam makrofag, mikroglia, sel endotel, dan monosit.
Pada sel yang terinfeksi Human immunodeficiency virus, peningkatan besi meningkatkan aktifitas reverse transcriptase sebesar 82%. Sebagai tambahan NEF protein dari HIV menyebabkan penurunan 92% ekspresi macrophage HFE protein yang menyebabkan peningkatan besi intra makrofag dan peningkatan sintesis virus (Drekesmith et al., 2005).
Penelitian pada 158 pasien, peningkatan feritin berhubungan dengan peningkatan 1,67 kali angka mortalitas. Pada studi terhadap 1362 pasien HIV, odds ratio mortalitas dengan peningkatan saturasi besi transferin adalah 1,77 (p < 0,001), peningkatan feritin 1,40 (p = 0,014) dan kombinasi peningkatan status besi 2,20 (p = 0,016) (McDermid et al., 2007).
Infeksi HIV dapat menyebabkan perubahan paradoks dalam metabolisme besi dengan koeksistensi adanya anemia bersama feritin yang tinggi dan timbunan zat besi dimana hal ini memberi kesan tentang kelebihan zat besi. Banyak studi melaporkan status besi yang abnormal pada orang dengan infeksi HIV stadium lanjut, akan tetapi sulit untuk menentukan apakah perubahan yang terjadi mungkin disebabkan karena infeksi HIV itu sendiri, akibat infeksi oportunistik dan komplikasinya atau akibat perawatan misalnya transfusidarahataukarenaAZTyangdapatmerusaksumsumtulang(azidothymidine), yang mempengaruhi metabolisme besi pada infeksi HIV. Ada kemungkinan bahwa kelainannya mungkin telah dimulai pada awal infeksi serta mendahului perkembangan gejala klinis.
Spada et al., (1998) menemukan bahwa, meskipun tingkat penurunan haematopoiesis (ditandai dengan zat besi serum dan hemoglobin menurun) adalah lebih besar dengan berlanjutnya penyakit, kelainan ini juga diamati pada awal proses penyakit.
Gangguan dalam metabolisme besi yang terjadi pada infeksi HIV dapat muncul sebagai hipoferemia, hipotransferinemia, saturasi transferin yang rendah atau tinggi dan hiperferitinaemia dikombinasikan dengan timbunan yang meningkat dari besi feritin serta atau haemosiderin di makrofag, mikroglia sel Kupffer, sel endotel dan miosit dari sumsum tulang, otak, otot, tulang dan kadang-kadang hati (Savarino et al., 1999). Penyebab yang pasti dari perubahan adalah sulit dan belum sepenuhnya dijelaskan, tetapi melihat besi penyimpanandisumsumtulangseringmeningkat, halitumenunjukkanbahwametabolisme
besi di HIV dapat disebabkan adanya hambatan pelepasan besi fungsional dari RES (reticulo-endotheleal system). Dilaporkan bahwa hambatan pada RES dan kelebihan besi pada makrofag ditemukan pada 65% dari subyek AIDS, sementara simpanan besi yang kosong hanya didapatkan pada 16% dari subyek. Dalam sebuah studi diawal epidemi (1984 – 1987), 155 subjek direkrut untuk memeriksa darah perifer serta sumsum tulang.
Mayoritas subyek mengalami kelebihan zat besi (93% pada mereka yang mendapat AZT dibandingkan dengan 65% pada sisanya), sedangkan hanya 2% mengalami defisiensi zat besi. Dengan demikian penurunan kadar besi serum mencerminkan gangguan metabolisme besi karena proses imunologis yang berubah ketimbang defisiensi zat besi sebenarnya.
Hal ini didukung pengamatan bahwa defisiensi zat besi yang terjadi tidak dapat dikoreksi walaupun diberikan suplementasi besi oral (Kreuzer et al., 1997).
Transferin dan laktoferin sebagai sumber besi
Mikroorganisme yang menggunakan sistem transport transferin maupun laktoferin dapat mengambil besi secara langsung dari plasma, seperti pada Haemophillus influenzae, Neisseriameningitidis dan Neisseriagonorrhoeae. Mekanismeinternalisasidari transferin- besi pada mikroba berbeda dengan proses pada mamalia (Marx, 2002). Diduga ada dua macam transferrin-binding protein pada mikroba, yaitu Tbp1 dan Tbp2. Transferrin- binding protein ini dapat mengikat molekul transferin-Fe3+. Tbp1 merupakan bagian dari protein lapisan membran luar dan Tbp2 merupakan lipoprotein pada lapisan membran dalam. Berbeda halnya dengan transferin reseptor pada mamalia, reseptor tansferrin pada mikroba tidak mengalami proses internalisasi. Setelah terjadinya ikatan antara transferin dengan Tbp1 maupun Tbp2, besi akan dilepaskan dan masuk kedalam periplasmic space melalui lubang (gate pore). Selanjutnya besi akan diikat ferric-binding protein dan dibawa masuk kedalam sitoplasma (Marx, 2002). Sistem transport untuk transferin maupun laktoferrin sangat spesifik dan sangat tergantung dari inang. Lapisan membran luar N. meningitidis dapat berikatan dengan transferin manusia tetapi tidak dapat berikatan dengan transferin kerbau atau sapi. Mikroba tetap dapat hidup di dalam inang apabila memiliki reseptor spesifik terhadap transferin. Transferin atau lactoferrin binding system akan menentukan lokasi dari infeksi. Kuman yang menggunakan transferin binding system untuk mengambil besi biasanya dijumpai di dalam plasma atau cairan serebrospinal.
Sedangkan kuman yang menggunakan lactoferrin binding system biasanya terdapat pada permukaan mukosa seperti mukosa saluran nafas, gastrointestinal dan urogenital (Marx, 2002).
Heme dan hemoglobin sebagai sumber besi
Dalam tubuh manusia, hemoglobin yang berada di dalam eritrosit mengandung besi paling banyak dibandingkan sumber besi lainnya di dalam tubuh dan berbagai kuman patogen mempunyai berbagai macam cara untuk mendapat besi dari eritrosit ini. Beberapa kuman dapat mengambil besi dari haem. Haem ini akan ditransportasikan menuju ke periplasma melalui haem-specific outer membrane receptor selanjutnya ke dalam sitoplasma. Beberapa bakteri dapat mengambil besi dari hemoglobin atau dari haem dan hemoglobin. Afinitas terhadap hemoglobin manusia lebih tinggi dibandingkan mamalia lainnya. Haptoglobulin dan haemopexin dapat bersifat bakteriostatik apabila tidak mempunyai besi (Marx, 2002). Strategi yang paling efektif dari kuman untuk mendapatkan besi adalah dengan merusak eritrosit dan mengambil besi dari hemoglobin.
Cara ini terjadi pada Plasmodium sp. dan beberapa bakteri seperti Bartonella spp.
Siderofor
Bakteri dan jamur dapat memproduksi molekul yang disebut siderofor. Molekul ini merupakan molekul dengan berat molekul rendah dan dapat mengadakan ikatan dengan besi. Disekresi kuman di lingkungannya dan dapat mengambil besi dari ligan, kemudian kompleks besi-siderophore kembali ke kuman. Siderophore merupakan substrat yang spesifik bagi outer dan inner membrane receptor. Beberapa contoh siderophore adalah ferrichrome, enterobactin atau enterochelin, staphyloferrin A, ferrioxamine. Pada bakteri gram negatif ferrichrome dapat berikatan dengan membran transporter yang disebut FhuA. Selanjutnya ferrichrome akan dihantarkan menuju ke sitoplasma. Pada keadaan besi inang yang sangat rendah, sintesis FhuA meningkat ratusan sampai ribuan kali.
Sebaliknya pada jumlah besi yang berlebihan akan terjadi penurunan jumlah FhuA. Hal ini merupakan mekanisme pertahanan kuman untuk mencegah terjadinya kelebihan besi yang dapat merusak sel dan DNA. Secara skematis transpor besi melalui siderophore dapat digambarkan pada gambar 2 (Marx, 2002).
Gambar 2. Gambar skematik mekanisme pengambilan Fe2+dan Fe3+ pada bakteri gram negatif (Marx, 2002)