PERANAN PLAK SEBAGAI ETIOLOGI PENYAKIT PERIODONTAL
1.1 Pendahuluan Sejak tahun 1965 telah dilakukan penelitian mengenai gingivitis (Loe et al, 1965), dan diakui bahwa plak merupakan etiologi utama penyebab gingivitis (Gambar 4.1). Saat ini, plak dianggap berkaitan dengan biofilm (Marsh, 2005) dan terdapat tiga hipotesis berbeda yang menjelaskan mengenai peranannya sebagai etiologi penyakit periodontal (Loesche, 1976, 1979; Theilade, 1986; Marsh, 1991, 1994) (Gambar 4.2).
1.2 Plak Sebagai Biofilm Plak merupakan koloni mikroorganisme yang beragam yang ditemukan pada permukaan gigi sebagai biofilm, tertanam dalam matriks ekstraseluler polimer dari host dan mikroba. Biofilm merupakan populasi mikroba yang tertanam dalam matriks, saling terikat satu sama lain pada permukaan atau pada antar permukaan (Marsh, 2005). Memproduksi polimer ekstraseluler yang membentuk sebuah matriks fungsional.
1
2
Tabel 4.1 Tingkatan studi klasik penelitian mengenai gingivitis pada manusia 9 mahasiswa kedokteran gigi, 2 tekhnisi, 1 guru dengan penyakit periodontal yang minimal Plak Index (PII) dan Gingival Index (GI) dicatat pada pemeriksaan Sampel plak dan mikroba dianalisis Pembersihan oral hygiene PII, GI dan mikroba dianalisis kembali dengan berbagai interval Pemeriksaan tanda-tanda gingivitis Kebersihan mulut dilanjutkan saat pengamatan pada gingiva Penelitian berlanjut hingga PII dan GI memperlihatkan hasil nol dan kembali sehat secara klinis Semua subjek berkmbang menjadi gingivitis: 3 orang selama 10 hari, 9-12 orang selama 21 hari Peningkatan jumlah plak dicatat ketika pembersihan oral hygiene Terjadi pergantian komposisi mikroba dari waktu ke waktu pada saat penelitian: (i) awalnya dominasi Gram positif kokus dan batang pendek >80%; (ii) dengan gingivitis, Gram positif kokus dan batang pendek berkurang menjadi 45-60%; sisanya terdiri Gram negatif kokus dan batang pendek (22%), Gram positif filamen (10%), Vibrio (6%) dan Spirochetes(1%) Terbukti bahwa plak menyebabkan inflamasi gingiva dan pembuangan plak merupakan solusinya
3
Gambar 4.1 (b) desain studi klasik penelitian mengenai gingivitis pada manusia
Gambar 4.2 Hipotesis plak non spesifik, spesifik dan ekologi
4
Gambar 4.3 Koloni mikroba pada biofilm plak memperlihatkan ragam berbeda pada pembentukan mikroba
Gambar 4.4 Gambaran mikroskop Noran Odyssey confical laser scanning dari pembentukan biofilm plak yang menempel selama 1 minggu secara in vivo menggunakan alat Leeds secara in situ. Gambar menunjukkan struktur 3D dan variasi kepadatan biofilm plak: area pink adalah biomasa bakteri; area gelap adalah ruang hampa, saluran atau jarak. Gambar didapatkan dari potongan horizontal dengan skala 50 μm
5
Gambar 4.5 Diagram skematis hipotesis plak secara ekologis GCF: Gingival Crevicular Fluid.
Tabel 4.2.Tahap Pembentukan Plak Biofilm Tahapan 1. Pellicle formation
Formasi Plak Biofilm Host dan molekul bakteri, glikoprotein yang berasal dari saliva yang teradsorpsi pada permukaan gigi
2. Transport
menyebabkan pembentukan pelikel Transportasi bakteri pada pelikel terjadi melalui aliran saliva alami, Brownian movement atau kemotaksis. Adsorpsi bakteri coccus ke dalam pelikel terjadi dalam 2 jam, termasuk spesies lain seperti Neisseria, Streptococcus sanguis, S. oralis dan S. mitis, juga
3. Long range interaction
bakteri batang Gram positif, terutama Actinomyces. Long range physicochemical interaction menyebabkan adhesi reversibel antara permukaan sel mikroba dan pelikel yang melibatkan gaya van der Waal’s dan
4. Short range interaction
pelepasan elektrostatik. Short range streochemical interaction antara adhesi
6
permukaan sel mikroba dan reseptor pada pelikel yang 5. Co-aggregation
menyebabkan adhesi ireversibel. Co-aggregation (co-adhesion) dari bakteri baru yang melekat pada mikroflora sehingga terjadi peningkatan
6. Multiplication
bermacam-macam mikroflora Multiplikasi organisme yang melekat menyebabkan meratanya pertumbuhan dan pembentukan biofilm.
7. Detachment
Adheren bakteri mensintesis polimer ekstraseluler. Detachment bakteri memungkinkan kolonisasi di tempat baru.
1.3 Pembentukan dan Sifat Biofilm Pembentukan biofilm melibatkan beberapa tahap (Gambar 4.1) sebelum koloni menjadi beragam (Gambar.4.3). Homeostasis mikrobasangat penting dan dapat melindungi pertumbuhan koloni dari spesies eksogen. Kerusakan homeostasis dapat terjadi karena pertahanan host, lokal, sistemik atau factor lainnya. Plak biofilm memiliki berbagai sifat: 1
Terdapat struktur tiga dimensi yang kompleks dengan saluran yang sangat teratur
2 3
(Gambar 4.4) Bentuknya dapat terlindung dari poses pengeringan dan fagositosis Kurang rentan terhadap antibiotik, misalnya dapat menetralisir enzim seperti βlaktamase dalam cairan sulkus gingiva, sehingga dapat menonaktifkan antibiotik
4
yang mengenailnya. Novel gene expression, mengekspresikan novel protein. Pertumbuhan pada biofilm dapat memberi efek langsung pada ekspresi gen, banyak organism yang
7
memiliki fenotipe yang berbeda mengikuti perlekatan pada permukaan atau pada reseptor host, co-adhesi dengan organisme lain atau protein host. Efek tidak langsung pada ekspresi gen mungkin karena perubahan lingkungan (misalnya pH, konsentrasi gula). Ekspresi gen yang berubah juga dapat mengurangi 5
6
sensitivitas biofilm terhadap antibiotik. Komunikasi sel-sel dapat berlangsung dalam berbagai cara, misalnya melalui: a transfer gen horizontal b small diffusibe peptides c quorum sensing, menggunakan senyawa sinyal untuk mengatur ekspresi gen; d autoinducer 2, yang memediasi sinyal antaraspesies Gram positifd an Gram negatif dalam koloni spesies campuran e cross talk antara sel host dan bakteri Heterogenita sfisiologis; mikroorganisme dari spesies yang sama dapat menunjukkan keadaan fisiologis yang berbeda dalam biofilm, bahkan jika saling
7
berdekatan satu sama lain. Heterogenitas ruang dan lingkungan: metabolisme bakteri dalam plak menyebabkan berbagai tingkatan yang sangat penting bagi pertumbuhan mikroba, dan berbagai lingkungan seperti pH, tekanan oksigen, potensial redoks dan nutrisi akan memberikan heterogenitas yang cukup untuk pertumbuhan dan metabolisme organisme yang beragam yang hidup berdampingan di tempat yang
8
sama. Kehidupan koloni mendukung pertumbuhan yang lebih luas dan sifat sinergistic. Koloni awal akan mengubah lingkungan sekitar dan memfasilitasi perlekatan dan pertumbuhan selanjutnya, sehingga mengakibatkan pergantian mikroba yang semakin beragam. Hal ini menghasilkan perbedaan metabolik lebih mudah. Selsel didekatnyadapat menghasilkan enzim penetral (β-laktamase) yang melindungi
8
mikroorganisme rentan terhadap antimikroba atau tekanan dari lingkungan. Sifat ini terdapat lebih besar pada koloni plak biofilm dibandingkan komponen lain 9
pada biofilm Sinergisme patogenik: sifat patogen adalah untuk merusak jaringan host dan memberi manfaat bagi koloni biofilm dalam meningkatkan potensi sinergis dari virulensi mikroba subgingival. Terdapat berbagai tahapan panjang saat potensi patogen dapat berpengaruh: adheren mikroba, perolehan nutrisi dari host, penggandaan, mengatasi dan menghindar dari pertahanan host, invasi jaringan dan akhirnya kerusakan jaringan.
1.4 Hipotesis Plak 1. Hipotesis plak non spesifik Hipotesis plak disini (Theilade, 1986) mencakup dugaan apabila plak berkembang tanpa terganggu, plak akan tumbuh semakin banyak dan komposisinya berubah dari bakteri batang dan kokus gram positif aerob yang terletak supragingival menjadi bakteri batang dan kokus gram negatif yang semakin anaerob menjadi plak yang meluas pada subgingiva, ditemukan juga filamen, fusobacteria, spiril dan spirochaetes. Microflora memproduksi faktor virulensi yang memicu kerusakan/inflamasi jaringan.Pembersihan plak dengan sikat gigi yang efektif disertai instruksi oral hygiene atau kontrol dengan obatobatan dapat mengembalikan flora normal supragingiva dan mempengaruhi juga daerah subgingiva. 2. Hipotesis plak spesifik
9
Hipotesis spesifik (Loesche, 1976, 1979) berpusat pada penyakit periodontal yang memiliki microflora spesifik yang berhubungan, seperti necrotizing ulcerative gingivitis dan periodontitis agresif lokalisata (Agrgregatibacter actinomycetemcomitans).Untuk kondisi-kondisi seperti ini, eliminasi bakteri spesifik menjadi solusi bagi penyakit tersebut, biasanya dengan tambahan antibiotik sistemik. 3. Hipotesis plak secara ekologi Lebih dari 700 tipe mikroflora berbeda telah diketahui.Untuk menimbulkan suatu penyakit, organisme perlu bertambah jumlahnya hingga mencapai tingkat dimana mereka dapat merusak host. Berdasarkan hipotesis ini (Marsh, 1991, 1994) pada gingivitis dimana terdapat akumulasi plak terjadi tekanan pada sistem, timbul inflamasi dan hal ini menyebabkan perubahan ligkungan menjadi pergantian secara ekologi pada mikroflora yang dapat menimbulkan inflamasi lebih lanjut.Filosofinya adalah penyakit tersebut dapat dicegah dengan menargetkan agen penyebab dan hal yang memperparah penyakit.Jika tidak berhasil, gingivitis dapat berkembang menjadi periodontitis.
Poin penting: -
Plak adalah suatu biofilm dan kunci dari etiologi penyakit
-
periodontal. Biofilm membentuk tingkatan dan memiliki sifat yang bervariasi. Terdapat tiga hipotesis plak berbeda yang saling berhubungan: non
-
spesifik, spesifik, ekologi.
10
1.5 Mikrobiologi Plak Tabel 5.1 Berbagai metode pemeriksaan komposisi mikroba plak Metode Mikroskopis
Kelebihan Kekurangan - Mengenali tipe morfologi - Lambat dan kerja yang intensif - Menentukan susunan spasial - Spesifikasi yang tepat organisme - Penemuan terbaru, aplikasi canggih, cth: atomic force microscopymemperlihatka n
gambaran
menggunakan
metode
imunologis atau hibridisasi hanya bisa digunakan untuk beberapa sampel spesies
dengan
resolusi tinggi Kultur – - Dapat mendeteksi spesies - Kerja yang sangat intensif - Mahal predominan yang tidak dikenali - Beberapa spesies tidak dapat - Menyediakan kultur untuk dibiakkan analisis lebih lanjut - Sulit mengkultur spirochaetes Kultur - media - Dapat mendeteksi spesies - Sama seperti diatas - Perlu mengetahui spesies mana selektif spesifik yang perlu diperiksa - Media yang cocok sedikit - Identifikasi spesies terbatas Immufluorescenc - Cukup spesifik - Jumlah antiserum monoclonal - Cepat e, ELISA atau polyclonal terbatas - Lebihmurah dibandingkan - Butuh waktu untuk kultur berkembang - Dapat membedakan spesies - jumlah spesies yang dapat - Dapat menetapkan jumlah menggunakan metode ini atau sifat dari spesies relatif sedikit spesifik PCR - Sensitifitas dapat diterima - Samar (cth: hanya mendeteksi - Cukup spesifik ada/tidaknya, bukan jumlah)
11
Real time PCR
- Dengan cara yang benar dapat mendeteksi spesies dengan jumlah sedikit - Cepat - Kuantitatif - Sensitivitas + - Spesifikasi +
Hibridisasi DNA- DNA -
Kuantitatif Sensitivitas* Spesifikasi+ Kemungkinan reaksi
Checkerboard DNA-DNA hybridization
16S cloning
spesies dalam sampel besar Relatif lambat Seperti sebelumnya,
terjadinya
silang
dengan
jumlah
spesies yang dapat diproses
terbatas - Hanya mendeteksi
spesies
yang sudah ada - Jumlah spesies sedang untuk sampel sedang
spesies lain rendah Kuantitatif - Hanya mendeteksi spesies Sensitivitas* yang sudah ada Spesifikasi+ - Sampel harus dalam jumlah Dapat menggunakan seluruh yang wajar sampel tanpa dilusi atau - Menimbulkan reaksi silang jika amplifikasi dengan PCR besar sampel tidak wajar - Jumlah spesies dan sampel -
banyak - Tidak mahal - Cepat rDNA - Mendeteksi spesies
amplification
Mahal Bergantung pada amplifikasi Tidak cocok untuk banyak
dapat/tidak
yang - Sangat mahal - Jumlah sampel sedikit dapat
dibiakkan - Phylogenetic positioning of taxa
*Sensitivitas adalah kemampuan untuk mengidentifikasi keberadaan organisme +Spesifikasi adalah kemampuan untuk menentukan ketiadaan organisme
12
Gambar 5.1 Gambaran atomic force microscope dari Streptococcus salivarius (NCTC 8618) yang terperangkap pada suatu pori dalam lintasan etsa membran polikarbonat dalam phosphate-buffered saline. Dimensi x-y = 774 nm. (Medical Research Council, UK)
Bakteri patogen periodontal yang
Bakteri patogen periodontal yang
sudah ada:
dicurigai:
-
Aggregatibacter Actinomycemtemcomitans Porphyromonas gingivalis Tannerella forythia
-
Prevotella intermedia (terbagi menjadi 2 spesies (1992): prevotella intermedia dan prevotella
-
nigroscens) Fusobacterium nucleatum Campylobacter rectus Eikenella corrodens Peptostreptococcus micros Spesies Selenomonas Spesies Eubacterium Spirochaetes (hanya 10 yang dibiakkan)
Gambar 5.2 Bakteri patogen periodontal yang ditunjuk dan dicurigai
Berdasarkan postulat Koch, untuk menimbulkan suatu penyakit bakteri patogen harus: -
Dapat diisolasi dari tiap penyakit Tidak dapat disembuhkan dari kasus penyakit non patogen atau tipe lain Menginduksi penyakit pada hewan penelitian setelah isolasi dan tumbuh berulang pada kultur asli
13
Gambar 5.3 Postulat Koch
Faktor virulensi meliputi: -
Fimbriae untuk menempel pada jaringan host, berinvasi Protease—merusak protein host, mengurangi pertahanan host Faktor resorbsi tulang Metabolit sitotoksis Leukotoxin – membunuh neutrophil Toxin cth: cytolethal distending toxin Kapsul Induksi respon inflamasi, modulasi sitotoksin/khemokin
Gambar 5.4 Faktor virulensi patogen
14
Gambar 5.5 (a) Kompleks mikroba (Socransky et al., 1998) (b) Perhitungan persentase ratarata DNA probe pada gusi sehat dan periodontitis (Socransky and Haffajee, 2008).
Lebih dari 700 spesies mikroba dalam ronnga mulut telah diketahui, namun hanya setengahnya yang dapat dibiakkan. Biasanya 100-200 spesies akan berkoloni dalam mulut seseorang, memperlihatkan perbedaan yang besar. Lebih dari 400
15
spesies yang dapat ditemukan dalam poket periodontal, dimana lebih dari 250 telah diisolasi, dicirikan dan dinamakan. Bakteri plak dapat menempel pada: permukaan gigi (baik pada mahkota atau akar), jaringan periodontal (perbatasan epithelium sulkus, junction atau poket), jaringan ikat (jika terdapat akses pada epitel poket yang terulserasi) atau bakteri lain terlebih dahulu menempel pada permukaan-permukaan tersebut. Karena itu terdapat banyak cara untuk bakteri rongga mulut menggunakan efek. Fakta bahwa gigi, tidak seperti permukaan tubuh yang lain, adalah struktur yang keras dan tertutup, menyediakan tempat untuk menempelnya bakteri.
1.6 Teknik Mikrobiologis Banyak cara untuk melihat komposisi mikroba dari plak yang telah digunakan, yang memiliki keuntungan maupun kerugian. (Socransky&Haffajee, 2005; Teles et al., 2006) (tabel 5.1) 1. Mikroskopis 2. Kultur 3. Imunofluroresens: (ELISA) menggunakan antibodi spesifik untuk mendeteksi antigen bakteri. 4. Reaksi rantai polimer (PCR): Ini menggunakan polimerasi DNA untuk mengurai potongan DNA dengan replikasi enzimatik in vitro dibandingkan dengan sel hidup seperti Escherichia coli;
16
PCR dapat mengurai satu atau beberapa potongan DNA dan menghasilkan berjuta copy potongan DNA dengan cepat. 5. Waktu sesungguhnya PCR; ini dapat menampilkan peningkatan jumlah DNA sebagaimana telah diperkuat 6. Hibridisasi DNA-DNA: Tindakan ini sebagai derajat kesamaan genetik diantara kelompuk urutan DNA. Ini biasanya digunakan untuk menghalangi jarak genetik diantara dua spesies. Ini memungkinkan spesies-spesies agar dapat diatur didalam pohon pilogenetik. 7. Checkerboard DNA hybridisation; ini memberikan analisis kuantitatif simultan dari 40 spesies mikroba terhadap 28 sampel campuran di dalam membran single. 8. 16S rDNA amplification cloning: 16S rDNA membagi isi regio yang menghasilkan tanda spesifik dari spesies yang berfungsi untuk atau mengidentifikasi tingkatan spesies. 1.7 Komposisi Mikroba pada Plak di dalam Keadaan Sehat dan Sakit Di dalam keadaan sehat, bakteri biasanya didomniasi oleh gram positif dan termasuk streptococcus, Neisseria, Necordia, dan Actinomices.Milleri streptococcus dipercaya memberikan kontribusi untuk progres penyakit.Gingivitis berkembang dengan jumlah dari peningkatan plak. Proporsi dari capnophylic
(terutama
Capnocytophaga spp) dan bakteri gram-negatif anaerob obligat; Fasobacteria juga biasa dan terdapat peningkatan proporsi dari Actinomyces. Periodontitis diasosiasikan dengan mikroflora subgingival yang berbeda-beda dan anaerob obligat yang cukup
17
banyak.Batang gram negatif dan bakteri filamen, juga banyak yang asacchatolytic tapi protcolytic. Tiga spesies bakteri ditunjuk sebagai patogen periodontal pada 1996 World Workshop di Periodontologi dan beberapa bakteri lain diduga patogen periodontal.
1.8 Mekanisme Patogenitas Hal ini termasuk sulit untuk menterjemahkan yang asli, dari dalil Koch klasik mengenai penyebab penyakit dari patogen (gbr.5) menjadi penyakit periodontal. Bagaimanapun, secara umum, untuk suatu patogen periodontal dapat menyebabkan penyakit, harus dapat melakukan tiga hal berikut: 1. Kolonisasi, dicapai dengan: Perlekatan pada satu atau lebih permukaan: (i) adhesi memungkinkan untuk mengikat jaringan host, dan (ii) co-agregasi agar bakteri dapat menempel pada permukaan. Menjadi lebih banyak menggunakan nutrisi yang tersedia. Berkompetisi dengan sukses terhadap spesies yang lain mencoba untuk mendiami tempatnya. Tergantung dari pertahanan host. 2. Menghasilkan faktor-faktor yang dapat merusak jaringan host secara langsung atau tidak langsung (dengan menyebabkan jaringan host untuk merusak dirinya sendiri) 3. Melepaskan dan menyebarkan
18
1.9Kompleks Ekologi plak tergolong sangat menarik.Hal ini telah diobservasi bahwa grup tertentu dari organisme dapat hidup bersama dengan cukup terstruktur. Menggunakan seluruh probe DNA genomik dan checkerboard DNA hybridisation didalam 13.261 sampel plak dari 185 subjek. Socransky et al (1998) mengidentifikasi lima kompleks dari bakteri yang diberi tanda dengan warna merah, oranye, hijau, kuning dan ungu (gbr 5.5a). Terdapat sebuah grup luar terdiri Actinomyces naeslundii genospesies 2 (A viscoxio; ditunjukan pada warna ungu yang dalam pada gambar 5.5a), yang mana terkadang bergabung dengan ungu kompleks,
dan selenomonas noxia dan
aggregatibacter actinomycetemcomiitans serotype b (ditunjukkan dalam warna abu pada gbr 5.5a) 1. Warna merah kompleks terkait dengan periodontitis, poket yang lebih dalam dan adanya bleeding on probing, hal ini berkurang dengan pembersihan permukaan akar. 2. Spesies warna merah kompleks secara umum ditemukan dengan spesies warna oranye kompleks 3. Actinomyces (warna ungu gelap) dan streptococci (kuning) merupakan penjajah awal, diikuti dengan hijau kompleks. 4. Spesies ungu kompleks terkait sangat dekat dengan yang lain, dan dapat berfungsi sebagai jembatan menuju oranye, kemudian warna merah kompleks. 1.10Proporsi
19
Jumlah relatif dari plak pada pasien periodontitis melebihi dari pasien sehat, dan proporsi relatif dari kompleks yang berbeda juga dilihat untuk berubah.Jumlah organisme yang ditemukan di supragingival pada sebuah permukaan gigi bisa melebihi 109, sedangkan subgingival dapat menampung mulai dari ribuan pada sulcus yang sehat hingga ratusan juta pada poket yang dalam.
Poin penting: 1. Terdapat lebih dari 700 spesies pada kavitas oral dan 400 spesies pada poket periodontal, hanya setengah yang dibudidayakan 2. Teknik mikrobiologis yang bervariasi telah dikembangkan untuk mengidentifikasi bakteri, dengan masing-masing keuntungan dan kerugian. 3. Komposisi mikrobial mengubah dari sehat menjadi penyakit 4. Beberapa bakteri telah ditunjuk sebagai patogen periodontal 5. Patogen menggunakan variasi dari mekanisme untuk menggunakan kerusakan 6. Kompleks mikrobial telah diidentifikasi
20
