Cara mikroba membuat sakit: faktor virulensi, menempel dan menembus jaringan, eksotoksin, endotoksin, dan enterotoksin, serta artinya bagi pembersihan dan penanganan pangan

Misalkan rapat mingguan tim pencegahan dan pengendalian infeksi (PPI) sebuah rumah sakit membahas tiga laporan. Petugas kebersihan ruang rawat intensif menyemprot lubang buangan wastafel yang licin berlendir dengan disinfektan lalu pergi tanpa menyikat, karena label produk menulis "membunuh kuman dalam satu menit". Petugas laundry tidak memisahkan linen pasien yang kateternya terinfeksi Staphylococcus epidermidis, dengan alasan bakteri itu ada di kulit semua orang. Juru masak dapur gizi menemukan sekarung kacang tanah berjamur dan ingin menyangrainya lebih lama supaya jamurnya mati. Ketiganya menganggap bahaya mikroba sebanding dengan jumlah mikroba hidup yang tersisa. Bab ini menunjukkan bahwa sakit ditentukan oleh kemampuan mikroba menempel, menembus jaringan, menghindari pertahanan, dan membuat racun, serta oleh keadaan tubuh yang dimasukinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas mekanisme patogenisitas. Rantai penularan dan tabel dosis infektif patogen pangan ada di Bab 11 tentang rantai penularan infeksi; gejala dan pencegahan tiap patogen pangan di Bab 20 tentang patogen bawaan makanan; norovirus di Bab 18 tentang virus; disinfektan dan cara kerjanya di Bab 4; biofilm di pipa, tangki, dan mesin di Bab 5; linen infeksius di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen; dan batas suhu pangan di Bab 7 tentang sanitasi dapur. Pertahanan tubuh dibahas di Bab 24 tentang pertahanan bawaan dan Bab 25 tentang pertahanan adaptif, dan perpindahan gen virulensi di Bab 30 tentang pertukaran gen bakteri.

Bab ini tidak memberi diagnosis atau anjuran obat; orang yang sakit diarahkan ke fasilitas kesehatan. Dosis infektif manusia di bab ini berasal dari rujukan FDA dan diperlakukan sebagai data Amerika Serikat.

Patogenisitas, virulensi, dan keadaan inang

Patogenisitas (pathogenicity) adalah kemampuan agen mikroba menimbulkan penyakit. Virulensi (virulence) adalah derajat kemampuan suatu organisme menimbulkan penyakit. Virulensi adalah rentang: patogen yang sangat virulen hampir selalu menimbulkan penyakit, sedangkan yang bervirulensi rendah mungkin hanya menimbulkan demam ringan atau tanpa gejala.

Keadaan inang sama menentukannya. Patogen primer (primary pathogen) adalah patogen yang dapat menimbulkan penyakit pada inang tanpa bergantung pada mikrobiota dan sistem kekebalan inang. Patogen oportunistik (opportunistic pathogen) adalah patogen yang hanya menimbulkan penyakit bila pertahanan inang terganggu, misalnya penghalang pelindung, sistem kekebalan, atau mikrobiota normal. Beberapa contohnya:

Penyakit nosokomial (nosocomial disease) adalah penyakit yang didapat di lingkungan rumah sakit. S. epidermidis termasuk penyebabnya yang paling sering. Patogen di rumah sakit berpindah lewat alat, sprei, gagang pintu, dan tangan petugas, sementara banyak pasien berkekebalan lemah. Jadi "bakteri kulit biasa" pada linen pasien berkateter menyangkut pasien berikutnya dan pekerja yang tangannya luka.

Postulat Koch dan postulat Koch molekuler

Dokter Robert Koch (1843 sampai 1910) menerbitkan empat postulat pada 1884:

1. Patogen yang dicurigai ditemukan pada setiap kasus penyakit dan tidak pada individu sehat.
2. Patogen dapat diisolasi dan ditumbuhkan dalam biakan murni.
3. Subjek uji sehat yang diinfeksi patogen itu menunjukkan tanda dan gejala yang sama.
4. Patogen diisolasi lagi dari inang baru dan identik dengan patogen pada postulat 2.

Tiga anggapan Koch sering tidak benar. Patogen juga ada pada orang sehat: diperkirakan lebih dari 50 persen manusia membawa Helicobacter pylori sejak kecil, sebagian besar tanpa pernah sakit (Contoh 6). Tidak semua orang sama rentan. Tidak semua patogen dapat dibiakkan murni; virus hanya tumbuh di dalam sel inang, dan HIV hanya menyebabkan penyakit pada manusia sehingga postulat 3 terbentur etika.

Postulat Koch molekuler (molecular Koch's postulates) adalah kriteria yang dikemukakan Stanley Falkow pada 1988 untuk menunjukkan bahwa suatu gen membuat organisme menjadi patogen.

ETEC dan EHEC muncul karena E. coli yang semula tidak berbahaya mendapat gen baru. Bagi pembaca laporan laboratorium, nama spesies saja belum menentukan bahaya; galur dan gen virulensinya yang menentukan. Peran E. coli sebagai indikator ada di Bab 14 tentang keragaman bakteri.

Mengukur virulensi: ID50 dan LD50

Dosis infektif median (median infectious dose, ID50) adalah jumlah sel patogen atau virion yang diperlukan untuk menimbulkan infeksi aktif pada 50 persen hewan yang diinokulasi. Dosis letal median (median lethal dose, LD50) adalah jumlah sel patogen, virion, atau banyaknya toksin yang membunuh 50 persen hewan yang diinfeksi. Persentase hewan yang terinfeksi atau mati diplot terhadap dosis; pada sebuah grafik hipotetis, LD50 terbaca $10^{4}$ sel atau virion. Makin kecil ID50 atau LD50, makin virulen patogennya.

Bila dua dosis uji mengapit 50 persen, nilai tengahnya dapat ditaksir dengan interpolasi pada skala logaritma; laboratorium memakai metode statistik yang lebih lengkap:

$$\log_{10} D_{50} = \log_{10} D_1 + \frac{50 - P_1}{P_2 - P_1}\left(\log_{10} D_2 - \log_{10} D_1\right)$$

dengan $D_1$ dan $D_2$ dosis uji yang lebih kecil dan lebih besar (sel, virion, atau mg/kg), $P_1$ dan $P_2$ persentase hewan yang terinfeksi atau mati pada kedua dosis (persen), dan $D_{50}$ taksiran ID50 atau LD50 dalam satuan yang sama.

ID50 manusia adalah nilai tengah; dosis nyata bergantung pada jalur masuk, umur, kesehatan, kekebalan, dan kepekaan patogen terhadap asam lambung, dan dosis infektif tidak sama dengan keparahan. Galur dalam satu spesies dapat berbeda jauh: ID50 E. coli enterohemoragik (EHEC O157) 10 sampai 100 sel, enteroinvasif (EIEC) 200 sampai 5.000 sel, sedangkan enteropatogenik (EPEC) dan enterotoksigenik (ETEC) $10^{7}$ sampai $10^{10}$ sel. LD50 toksin dibahas di Contoh 2.

Tahap patogenesis: paparan, perlekatan, invasi, dan infeksi

Patogenesis dibagi menjadi paparan, perlekatan, invasi, dan infeksi; siklusnya lengkap bila patogen keluar dan berpindah ke inang baru.

Pintu masuk (portal of entry) adalah bagian tubuh yang dilalui patogen untuk masuk ke jaringan inang. Selaput lendir saluran napas, cerna, dan kemih-kelamin adalah pintu masuk terpenting. Jalur parenteral (parenteral route) adalah jalan masuk patogen melalui kulit atau selaput lendir yang penghalangnya rusak, misalnya karena luka, gigitan, atau tusukan jarum.

Adhesin (adhesin) adalah molekul di permukaan patogen yang mengikat reseptor tertentu pada sel inang. Adhesin terdapat pada fimbria dan flagel bakteri, silia protozoa, dan kapsid atau membran virus; kapsul dan lapisan lendir juga membantu menempel. Biofilm (biofilm) adalah komunitas bakteri yang melekat pada permukaan dengan bantuan zat ekstrapolimer (EPS) buatan bakteri sendiri. EPS menyulitkan tubuh menyingkirkan bakteri secara fisik, melindunginya dari sistem kekebalan dan antibiotik, dan sebagian sel di dalamnya tumbuh lambat sehingga kurang terpengaruh antibiotik.

Invasi (invasion) adalah penyebaran patogen ke jaringan setempat atau ke seluruh tubuh, dengan bantuan eksoenzim dan toksin. Sebagian patogen berbiak di dalam sel; Listeria merobek fagosom, sedangkan Mycobacterium tuberculosis dan Legionella mencegah fagosom menyatu dengan lisosom.

Infeksi (infection) adalah keadaan ketika mikroorganisme masuk ke inang lalu berbiak di dalamnya. Infeksi dapat lokal, misalnya bisul S. aureus di folikel rambut; fokal, misalnya streptokokus mulut yang masuk ke darah setelah gusi tergores alat; atau sistemik, misalnya cacar air. Orang yang pulih dari diare dapat tetap mengeluarkan patogen lewat tinja.

Faktor virulensi untuk menempel, menembus, dan menghindar

Faktor virulensi (virulence factor) adalah produk patogen yang membantu kemampuannya menimbulkan infeksi dan penyakit. Faktor virulensi disandi gen; bila gennya dinonaktifkan, virulensi turun. Contoh adhesin: fimbria tipe 1 ETEC mengikat sel usus, hemaglutinin virus influenza mengikat asam sialat, dan gp120 HIV mengikat CD4.

Eksoenzim (exoenzyme) adalah enzim yang dikeluarkan mikroba dan meningkatkan kemampuannya menembus sel dan jaringan inang. Beberapa contohnya:

Koagulase (coagulase) adalah enzim yang mengaktifkan fibrinogen menjadi fibrin sehingga darah menggumpal. Koagulase S. aureus membungkus bakteri dengan bekuan yang melindunginya dari fagosit, sedangkan stafilokinase dan streptokinase mencerna bekuan sehingga bakteri lolos dan menyebar.

Untuk menghindar, kapsul mencegah fagosit menempel dan menelan bakteri; galur Streptococcus pneumoniae berkapsul lebih virulen daripada yang tidak berkapsul. Sebagian bakteri membuat protease yang mencerna antibodi, protein M streptokokus menghalangi komplemen, dan asam mikolat M. tuberculosis menahan sebagian mekanisme pembunuhan di dalam fagosit. Variasi antigen (antigenic variation) adalah perubahan antigen permukaan sehingga patogen tidak lagi dikenali sistem kekebalan inang. Variasi antigen virus influenza menjadi alasan utama vaksin influenza diberikan tiap tahun; vaksin dibahas di Bab 26 tentang vaksin dan kekebalan kelompok.

Endotoksin: racun dari dinding bakteri Gram negatif

Endotoksin (endotoxin) adalah komponen lipid A dari lipopolisakarida (LPS) pada membran luar bakteri Gram negatif. Endotoksin dilepas ketika sel mati dan membrannya hancur, atau ketika bakteri membelah. Lipid A relatif sama pada berbagai genus Gram negatif dan memicu respons peradangan; kadar rendah menjadi pertahanan yang efektif, tetapi kadar tinggi di darah memicu peradangan berlebihan, penurunan tekanan darah yang parah, kegagalan banyak organ, dan kematian.

Faktor nekrosis tumor dari fagosit membuat kapiler bocor, sehingga tekanan darah dapat turun sampai berbahaya. Syok (shock) adalah penurunan tekanan darah yang mengancam jiwa, dengan tekanan sistolik di bawah 90 mm Hg, sehingga sel dan organ kekurangan oksigen dan nutrien.

Endotoksin stabil pada suhu tinggi; inaktivasinya memerlukan pemanasan 121 °C selama 45 menit. Akibatnya, membunuh bakteri Gram negatif tidak menghilangkan endotoksinnya, karena sel yang mati justru melepasnya. Kebebasan alat medis dari endotoksin ditentukan proses tervalidasi dan pabrik, seperti pembuktian sterilisasi di Bab 22 tentang sterilisasi dan pembuktiannya. Peran LPS dalam demam ada di Bab 24 tentang peradangan.

Eksotoksin, enterotoksin, dan mikotoksin

Toksigenisitas (toxigenicity) adalah kemampuan patogen membuat toksin untuk merusak sel inang. Eksotoksin (exotoxin) adalah toksin protein yang dibuat berbagai bakteri patogen yang hidup. Kebanyakan eksotoksin dibuat bakteri Gram positif, menyasar reseptor tertentu pada sel tertentu, dan tidak tahan panas; banyak yang terdenaturasi di atas 41 °C (106 °F), tetapi sebagian tahan panas. Perbandingan lengkap endotoksin dan eksotoksin ada di Bab 20 tentang patogen bawaan makanan. Golongan eksotoksin:

Eksotoksin A-B (A-B exotoxin) adalah eksotoksin yang subunit B-nya mengikat reseptor sel inang dan subunit A-nya masuk ke sel lalu mengganggu kegiatan sel. Toksin botulinum, zat paling beracun secara akut yang diketahui, menghambat pelepasan asetilkolin sehingga otot lumpuh lemas dan napas dapat berhenti; toksin tetanus menghambat pelepasan glisin dan GABA sehingga otot terus berkontraksi. Badai sitokin (cytokine storm) adalah pelepasan sitokin berlebihan yang biasanya dipicu superantigen, dengan akibat demam tinggi, tekanan darah rendah, syok, dan kematian.

Enterotoksin (enterotoxin) adalah toksin yang bekerja pada usus. Toksin kolera, enterotoksin V. cholerae, tersusun atas satu subunit A dan lima subunit B. Subunit B mengikat sel epitel usus halus; subunit A mengaktifkan protein G dan adenilat siklase sehingga kadar cAMP naik, lalu sel usus mengeluarkan cairan dan elektrolit berlebihan dan timbul diare berat. Bab 20 tentang patogen bawaan makanan mencatat bahwa enterotoksin S. aureus tahan asam lambung dan tidak rusak oleh perebusan pada 100 °C, ETEC membuat enterotoksin tahan panas, sedangkan toksin botulinum rusak oleh perebusan sekitar 10 menit.

Mikotoksin (mycotoxin) adalah produk jamur patogen yang aktif secara biologis dan menimbulkan perubahan merugikan pada sel inang. Aflatoksin dari Aspergillus bersifat mutagen dan karsinogen, dikaitkan dengan kanker hati, dan dapat melewati plasenta.

Lembar fakta WHO tentang mikotoksin menyatakan bahwa sebagian besar mikotoksin stabil secara kimia dan bertahan melewati pengolahan pangan. Menurut dokumen WHO Environmental Health Criteria 11 tentang mikotoksin, pemasakan biasa hampir tidak merusak aflatoksin; penyangraian kacang tanah menurunkan kadarnya, tetapi tidak dinyatakan bahwa aflatoksin hilang.

Artinya bagi pembersihan, linen, dan penanganan pangan

Aturan kerja berikut diturunkan dari mekanisme di atas:

1. Lepaskan dulu, baru bunuh. Adhesin dan EPS membuat mikroba bertahan di permukaan, sehingga biofilm dilepas dengan sikat dan bilasan sebelum disinfektan diberi waktu kontak sesuai label, seperti di Bab 4 tentang disinfektan dan Bab 5 tentang biofilm.
2. Mati belum tentu aman. Endotoksin dilepas saat bakteri mati, sebagian enterotoksin tahan panas, dan mikotoksin bertahan melewati pengolahan; pangan yang diduga tercemar toksin tidak diselamatkan dengan pemanasan ulang, seperti di Bab 20 tentang patogen bawaan makanan.
3. Mikrobiota normal berbahaya di tempat yang salah. Linen pasien berkateter atau berluka ditangani menurut prosedur rumah sakit di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen.
4. Dosis kecil cukup untuk sebagian patogen. Kebersihan tangan dan larangan bekerja bagi penjamah yang sakit menentukan, seperti di Bab 11 tentang kewaspadaan standar dan Bab 7 tentang sanitasi dapur.
5. Bahan berjamur ditolak, tidak diolah. Bahan itu dipisahkan, diberi label, dan diputuskan penanggung jawab mutu bersama pemasok.

Untuk kasus pembuka: wastafel disikat dengan APD lalu didisinfeksi (Contoh 4); linen pasien berkateter mengikuti prosedur linen rumah sakit karena S. epidermidis patogen oportunistik pembentuk biofilm; dan kacang berjamur tidak disangrai, karena penyangraian tidak dinyatakan menghilangkan aflatoksin.

Contoh kerja

Angka dalam contoh dan soal latihan di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: membaca LD50 dari data kelompok. Dari 10 hewan yang diberi $10^{3}$ sel, 2 mati (20 persen); dari 10 hewan yang diberi $10^{4}$ sel, 6 mati (60 persen). Maka $\log_{10} D_{50} = 3 + \frac{50 - 20}{60 - 20}(4 - 3) = 3{,}75$, sehingga $D_{50} = 10^{3{,}75} \approx 5.600$ sel. Dengan 10 hewan per kelompok taksiran ini kasar.

Contoh 2: satuan LD50 toksin. LD50 endotoksin 0,24 mg/kg sama dengan $0{,}24 \times 10^{6} = 240.000$ ng/kg, dan LD50 toksin botulinum 0,000001 mg/kg sama dengan 1 ng/kg; rasionya 240.000. Untuk hewan uji 0,02 kg, dosisnya $0{,}24 \times 0{,}02 = 0{,}0048$ mg atau 4,8 µg endotoksin, dan $1 \times 0{,}02 = 0{,}02$ ng toksin botulinum. Angka hewan bukan takaran manusia.

Contoh 3: suhu yang merusak toksin. Dengan $T_F = \frac{9}{5}T_C + 32$, 121 °C menjadi $\frac{9}{5} \times 121 + 32 = 249{,}8$ °F dan 41 °C menjadi $105{,}8$ °F, cocok dengan pembulatan 250 °F dan 106 °F. Air bilasan 82 °C di atas 41 °C, tetapi $121 - 82 = 39$ °C di bawah suhu inaktivasi endotoksin dan tidak menjamin rusaknya enterotoksin tahan panas.

Contoh 4: wastafel berbiofilm pada kasus pembuka. Bagian yang diusap memuat $10^{6}$ bakteri, disinfektan menurunkan sel di dalam biofilm hanya 2 log, dan penyikatan melepas 3 log; reduksi log dibahas di Bab 3 tentang kinetika kematian mikroba. Tanpa sikat tersisa $10^{6} \times 10^{-2} = 10^{4}$ bakteri; dengan sikat lalu disinfeksi tersisa $10^{6} \times 10^{-3} \times 10^{-2} = 10$, yaitu 1.000 kali lebih sedikit. Klaim "satu menit" pada label tidak dapat diandalkan untuk sel yang terlindung EPS.

Contoh 5: makanan yang dibiarkan. Salad tercemar 100 CFU/g S. aureus dari luka di tangan dan dibiarkan pada suhu ruang dengan waktu generasi 30 menit. Kenaikan 1.000 kali memerlukan $n = \log_{2} 1.000 \approx 9{,}97$, dibulatkan 10 generasi atau sekitar 5 jam, dengan $N = N_0 \times 2^{n}$ dari Bab 1 tentang pertumbuhan mikroba. Hasilnya $100 \times 2^{10} = 102.400$ CFU/g. Bab ini tidak memberi ambang pembentukan toksin; contoh ini menunjukkan mengapa batas waktu di Bab 7 tentang sanitasi dapur ketat.

Contoh 6: pembawa sehat dan postulat pertama. Bila 240 pekerja dapur mempunyai proporsi pembawa H. pylori seperti perkiraan di bagian postulat Koch, yaitu lebih dari 50 persen, lebih dari $0{,}5 \times 240 = 120$ orang membawanya, sebagian besar tanpa sakit. Menemukannya pada satu pekerja yang sakit perut belum membuktikan penyebab; diagnosis wewenang dokter.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada penanggung jawab, tim PPI, atau tenaga kesehatan bila:

1. Ditemukan bahan pangan berjamur, kaleng menggembung, atau pangan yang diduga tercemar toksin; jangan diolah atau dicicipi, pisahkan, beri label, dan laporkan menurut Bab 7 dan Bab 20 tentang keamanan pangan.
2. Dua orang atau lebih sakit dengan gejala serupa setelah makan dari dapur yang sama; ikuti prosedur pelaporan dugaan keracunan pangan di Bab 20.
3. Pekerja diare, muntah, atau mempunyai luka bernanah di tangan; ia melapor dan tidak menangani makanan siap saji sampai diizinkan.
4. Teknisi tertusuk atau tergores benda yang mungkin tercemar darah atau cairan tubuh; lakukan pertolongan pertama menurut prosedur pascapajanan dan lapor segera seperti di Bab 11.
5. Lendir cepat kembali di wastafel ruang pasien rentan; pembongkaran saluran dikoordinasikan dengan tim PPI.
6. Teknisi diminta menyatakan alat atau linen steril atau bebas endotoksin; keputusan itu milik proses tervalidasi dan unit sterilisasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 tentang rantai penularan dan Bab 20 tentang patogen pangan melanjutkan bab ini, Bab 18 ke virus, Bab 14 ke keragaman bakteri, dan Bab 30 ke perpindahan gen. Dasar pembersihannya ada di Bab 3 tentang reduksi log, Bab 4 tentang disinfektan, Bab 5 tentang biofilm, Bab 14 · Laundry tentang linen, dan Bab 7 tentang dapur. Pertahanan tubuh ada di Bab 24 tentang pertahanan bawaan dan Bab 25 tentang pertahanan adaptif, dan vaksin di Bab 26 tentang vaksin dan kekebalan kelompok.

Latihan dan pembahasan

Referensi