MEKANISME MOLEKULAR RESISTENSI TERHADAP OBAT ANTI TUBERKULOSIS LINI PERTAMA

Transkripsi

1 MEKANISME MOLEKULAR RESISTENSI TERHADAP OBAT ANTI TUBERKULOSIS LINI PERTAMA Tri Wibawa Departemen Mikrobiologi Fakultas Kedokteran Universitas Gadjah Mada Yogyakarta Abstract Tuberculosis is a serious health problem in Indonesia. In a recent decade, there was no significant invention of new anti tuberculosis drugs reported. The tuberculoses therapy relay on the conventional drugs, such as; Isoniazid, Rifampicin, Pyrazinamides. Ethambutol, and Streptomycin. These drugs are first line drug for tuberculosis nowadays. In the mean time, there are significant increase of records reported a significant finding of drug resistants in isolated M. tuberculosis. This mini review aims to describe the molecular mechanism of drugs resistants agains first line drugs in clinical isolates of M. tuberculosis. Keywords: antituberculosis, resistant, molecular mechanism Abstrak Tuberkulosis merupakan masalah serius kesehatan di Indonesia. Tidak terdapat banyak perkembangan temuan baru obat antituberkulosis pada beberapa dekade terakhir ini. Sehingga penggunaan pengobatan tuberkulosis masih mengandalkan obat-obat konvensional, seperti: Isoniazid, Rifampicin, Pirazinamid, Ethambutol, dan Streptomisin. Obat ini selanjutnya disebut sebagai obat anti tuberkulosis lini pertama. Pada saat yang sama terjadi peningkatan cukup signifikan pada angka resistensi obat lini pertama ini pada sebagian isolat klinik M. tuberculosis sebagai agen penyebab tuberculosis. Tulisan 31

2 ini bertujuan untuk memaparkan mekanisme molekular yang terjadi pada M. tuberculosis yang resisten terhadap obat anti tuberkulosis lini pertama. Kata kunci: Obat antituberkulosis, resisten, mekanisme molekuler Pendahuluan Secara global pada tahun 2013, diperkirakan 3,5% kasus baru dan 20,5% kasus tuberkulosis pengobatan ulang, terjangkit MDR TB. Dengan demikian sekitar orang diperkirakan terinfeksi MDR TB. 1 Tuberkulosis merupakan masalah serius di Indonesia, oleh karena Indonesia masih dimasukkan negara dengan beban kesakitan tuberkulosis dan prevalensi Multi Drug Resistant M. tuberculosis (MDR TB) tinggi. 1 Di Indonesia diperkirakan 2% dari kasus tuberkulosis baru dan 12% kasus tuberkulosis dengan pengobatan ulang merupakan kasus tuberkulosis yang disebabkan oleh MDR TB. Selain itu diduga masih terdapat lebih dari 55% pasien MDR TB belum terdeteksi dan mendapatkan pengobatan yang benar. 2 Obat anti tuberkulosis yang saat ini digunakan di klinik dibagi menjadi dua, yaitu obat lini pertama dan lini kedua. Obat lini pertama terdiri dari: Rifampisin, Isoniazid, Etambutol, Pirazinamid, dan Streptomisin. Sementara obat lini kedua terdiri dari: Fluorokuinolon, Kanamisin, Amikasin, Kapreomisin, Viomycin, Etionamid, Para amino salisilat, Sikloserin, Tioasetazon, Macrolides, Klofazimin, dan Linezolid. 3 Penemuan obat anti tuberkulosis berjalan sangat lambat. Hal ini sejalan dengan penemuan antibiotika lain yang juga berjalan sangat lambat. Laporan dari WHO menunjukkan bahwa pada tahun 2014 terdapat 8 kandidat anti tuberkulosis yang memasuki tahap uji klinik II dan empat obat memasuki uji klinik tahap III. Tidak ada satupun obat yang berada pada tahap uji klinik fase 1. Terdapat 9 obat yang 32

3 memasuki pengembangan uji pre klinik, sementara sisanya masih dalam tahap pengembangan awal. 1 Dengan demikian dapat digarisbawahi bahwa di tengah tingginya masalah tuberkulosis, muncul masalah baru berupa munculnya strain M. tuberculosis yang resisten terhadap lebih dari satu macam anti tuberkulosis, sementara penemuan obat baru sangat minim. Tulisan ini bertujuan untuk mendeskripisikan tentang mekanisme molekular terjadinya resistensi M. tuberculosis terhadap antituberkulosis yang sudah dipakai di klinik, terutama obat lini pertama. Dengan harapan pemahaman ini akan meningkatkan kesadaran untuk menghemat obat dengan menggunakan obat yang ada secara bijak. Rifampisin Rifampisin merupakan obat yang paling poten dan memiliki spektrum luas diantara obat antituberkulosis yang digunakan saat ini. 4 Sejak ditemukan pada tahun 1968 untuk terapi tuberkulosis, maka durasi pengobatan tuberkulosis menjadi singkat. Obat ini dapat berdifusi secara bebas ke dalam jaringan, sel manusia dan juga bakteri, menjadikannya sangat efektif untuk membunuh bakteri intraseluler seperti M tuberculosis. 5 Bakteri memiliki enzim RNA polymerase yang berfungsi dalam proses transkripsi. Sebagaimana diketahui, RNA polymerase yang dimiliki oleh M. tuberculosis tersusun oleh lima macam sub unit, yaitu: α, β, β, ω dan σ. Kelima sub unit ini akan membantuk enzim fungsional yang berfungsi untuk melakukan transkripsi pada M. tuberculosis. Lima subunit tersebut dikode oleh lima macam gen independen yaitu: rpoa, rpob, rpoc, rpoz dan rpod. 6,7 Molekul rifampisin berikatan dengan subunit β RNA polymerase yang dimiliki oleh M. tuberculosis. Dengan demikian rifampisin menghambat proses transkripsi bakteri, dengan hasil akhir kegagalan sintesis protein yang diperlukan oleh bakteri. Obat ini bersifat 33

4 bakterisidal terhadap M. tuberculosis yang sedang membelah maupun yang tidak sedang membelah diri. Umumnya M. tuberculosis sensitif terhadap 0,1 2 mg/l rifampisin. 8 Sebagian besar isolat klinis M. tuberculosis yang resisten terhdap rifampisin memiliki mutasi pada gen rpob yang mengkode subunit β. Mutasi ini menyebabkan terjadinya perubahan konformasi subunit β dengan akibat penurunan afinitas terhadap rifampisin. Dengan demikian mekanisme penghambatan kerja RNA polymerase oleh 9, 10,11 rifampisin menjadi terganggu. Telah banyak dilaporkan mutasi titik pada gen rpob yang bertanggungjawab pada resistensi M. tuberculosis terhadap rifampisin. Data menunjukkan bahwa terdapat zona hot spot pada gene rpob yang ditemukan pada sebagian strain resisten terhadap rifampisin, yaitu meliputi 81 bp antara codon 507 hingga 533. Mutasi yang dilaporkan sebagian besar terjadi pada daerah ini. 12 Namun demikian data lebih lanjut menunjukkan bahwa mutasi pada daerah hot spot gen rpob ini tidak sepenuhnya dapat bekerja sendiri dalam menginduksi resistensi M. tuberculosis terhadap rifampisin. Percobaan yang dilakukan oleh Zaczek et al. (2009) 13 dengan melakukan penyisipan gen mutan pada strain M. tuberculosis menunjukkan bahwa tidak semua strain yang disisipi gen mutan dapat menujukkan fenotip rensisten terhadap rifampisin yang sama. Dengan demikian dapat disipulkan bahwa mutasi pada gen rpob tidak dapat menimbulkan perubahan fenotipik resisten terhadap rifampisin tanpa adanya latar belakang genetik pendukung yang sesuai pada strain tertentu. Isoniazid Isoniazid (INH), atau isonicotinic acid hydrazide, C 8 H 7 N 3 O, adalah obat utama pada regimen terapi tuberkulosis. INH direkomendasikan untuk terapi tuberkulosis sejak tahun 1952, dan masih dipertahankan hingga sekarang. 8 INH aktif terhadap M. tuberculosis, M. bovis dan M. 34

5 kansasii, bersifat bakterisidal pada basil yang aktif dan bakteriostatik pada kuman yang metabolismenya tidak aktif. INH masuk ke dalam sel M. tuberculosis dalam bentuk pro-drug, bahan yang belum aktif sebagai obat. Kemudian INH akan diubah menjadi metabolit yang aktif sebagai zat antituberculosis oleh enzim katalase-peroksidase (katg) yang dimiliki oleh bakteri. Bersama dengan NAD + /NADH, isonicotinoyl radical akan membantuk isoniazid-nadh adduct, suatu 3, 14, 15 bahan yang memiliki daya antimikobakterium. Mekanisme aksi INH dalam membunuh M. tuberculosis adalah dengan mengganggu sintesis asam mikolat, suatu komponen utama dari dinding sel. 16, 17 Dilaporkan juga kemungkinan kemampuan INH dalam menghambat sintesis asam nukleat. 18 Belakangan diketahui juga bahwa efek antimikobakterium INH ini diperkuat oleh adanya radikal NO yang terbentuk pada saat aktivasi INH oleh katg. 19 Ketiga mekanisme ini secara bersama-sama menciptakan kemampuan antimikobakterial INH. Data yang terakumulasi menunjukkan pentingnya peran katg dalam mekanisme aksi INH. katg dikode oleh gen katg. Hampir 50% mutasi yang melibatkan gen katg berasosiasi dengan resistensi M. tuberculosis terhadap INH. 20 Isolasi isolat klinis dengan fenotip resisten terhadap INH yang memiliki mutasi pada gen katg sudah banyak dilaporkan. Sebagian besar adalah mutasi Ser315Thr yang mencakup hampir % dari seluruh mutan katg. 20,21,22,23 Mutan Ser315Thr memiliki karakteristik kehilangan kemampuan mengubah INH menjadi bahan aktif meskipun masih memiliki aktivitas katalaseperoksidase yang menurun hingga 50%. Hal ini ditunjukkan dengan eksperimen in vitro menggunakan metode site-directed mutagenesis. 24 Namun demikian, terdapat beberapa data yang menunjukkan bahwa tidak sepenuhnya karakteristik M. tuberculosis resisten terhadap INH ini disebabkan gangguan pada katg. Mekanisme resistensi terhadap INH tidak dapat sepenuhnya dibuktikan berkaitan 35

6 dengan terbentuknya INH-NADH adduct. 15 Mutasi pada gen inha ditemukan pada 20,3% dari isolat klinik resisten terhadap INH. 23 Gen inha mengkode protein inha yang berperan dalam sintensis asam mikolat, komponen spesifik yang ditemukan pada dinding sel M. tuberculosis. InhA diketahui merupakan target dari INH sebagai obat anti tuberkulosis. 25 Mutasi pada gen inha sebagian besar ditemukan pada regio promotor (1,189 dari 6,192 isolat resisten INH). Selain itu dilaporkan juga mutasi pada coding region gen inha dengan frekuensi yang lebih jarang. 23 Pirazinamid Pirazinamid merupakan obat yang penting dalam mengurangi jangka waktu terapi tuberkulosis yang mestinya 9-12 bulan menjadi hanya 6 bulan saja. Hal ini disebabkan oleh kemampuan antituberkulosis yang unik, yaitu kemampuan untuk membunuh kuman yang dalam kondisi semi-dorman pada kondisi ph asam. Kemampuan ini tidak dimiliki oleh obat antituberkulosis yang lainnya. 26 Pirazinamid merupakan pro-drug yang diubah oleh pirazinamidase menjadi bahan aktifnya, pyrazinoic acid. Enzim pirazinamidase dikode oleh gen pnca. Pyrazinoic acid ini akan mengganggu sistem transport membran sel bakteri. 27 Pirazinamid masuk ke dalam sel bakteri dengan proses difusi pasif. Setelah diubah menjadi pyrazinoic acid diekskresikan oleh sistem pompa efflux keluar sel. Dalam lingkungan asam protonated pyrazinoic acid akan diabsorbsi dan terakumulasi di dalam sel yang 7, 27 menyebabkan terjadinya kerusakan sel. Gen pnca yang mengkode enzim pirazinamidase memiliki peran sentral dalam mekanisme aksi pirazinamid pada M. tuberculosis. Data yang terkumpul menunjukkan bahwa mutasi pada gen pnca paling banyak ditemukan pada isolat M. tuberculosis resisten pirazinamid. 7, 28 Banyak laporan mendokumentasikan bahwa antara 72% -95% isolat 36

7 klinik M. tuberculosis memiliki mutasi pada gen pnca. 7 Meskipun demikian terdapat laporan bahwa tidak semua M. tuberculosis yang resisten terhadap pirazinamid memiliki mutasi pada gen pnca. 3 Demikian pula dengan mutasi pada pnca, terdapat laporan yang menunjukkan adanya mutasi pada pnca, pada isolat M. tuberculosis yang sensitif terhadap pirazinamid. 29 Etambutol Etambutol, (+)-2,2 -(ethylenediimino)di-1-butanol, adalah obat antituberkulosis lini pertama yang memiliki efek bakteriostatik pada M. tuberculosis yang aktif bereplikasi dan tidak memiliki efek pada basil yang tidak bereplikasi dan dorman. 30 Studi menunjukkan bahwa mekanisme aksi etambutol adalah mengganggu struktur dinding sel M. tuberculosis dengan cara mengganggu polimerisasi arabinan, suatu komponen pembentuk arabinogalactan dan lipoarabinomannan Sebuah enzim yang dikode oleh gen embb yaitu arabinosyl transferase merupakan molekul target etambutol. Enzim ini berperan penting pada sintesis arabinogalactan. 7 Pada M. tuberculosis, embb tersusun di dalam 10kb operon embcab dengan embc dan emba di dalamnya. Mutasi pada operon embcab terutama pada gen embb ditengarai sebagai mekanisme yang bertanggungjawab terhadap resisntensi M. tuberculosis terhadap etambutol. 31 Belanger et al. (1996) 32 berhasil mengklon locus emb dari M. avium resisten etambutol. Selanjutnya locus emb ditransfer ke dalam M.smegmatis. Hasilnya menunjukkan terjadinya perubahan sifat M. smegmatis yang menjadi resisten terhadap etambutol. Sifat resisten ini berkorelasi dengan tingkat ekspresi dari emb, semakin tinggi jumlah kopi gen ini, semakin tinggi pula tingkat resistensinya. Mutasi pada kodon 306 gen embb merupakan mutasi yang paling banyak ditemukan (>86%), yang kemudian lazim disebut sembagai ethambutol resistance determining region (ERDR). 7 Mutasi di kodon 37

8 lainnya sangat jarang dijumpai. 29 Telah dilaporkan adanya lima mutasi titik paling sering ditemukan pada kodon 306 yaitu: (ATG- GTG),(ATG-CTG), (ATG-ATA), (ATG-ATC) dan (ATG-ATT). Kelima mutasi ini berkontribusi pada 70-90% isolat M. tuberculosis yang resisten terhadap ethambutol. 20 Streptomisin Streptomisin, suatu aminocyclitol glycoside, direkomendasikan oleh WHO sebagai obat antituberkulosis lini pertama alternatif. 33 Streptomisin bekerja pada ribosom yang esensial untuk sintesis protein bakteri. Streptomisin berinteraksi dengan 16S rrna dan S12 ribosomal protein yang berakibat perubahan pada ribosom dengan hasil akhir terjadinya gangguan pembacaan kodon saat translasi. Dengan demikian maka sintesis protein pada bakteri menjadi terganggu. 29 Streptomisin membunuh M. tuberculosis yang sedang aktif membelah diri, namun tidak berefek pada bakteri yang tidak tumbuh dan berada 7, 34 di dalam sel. Sebanyak 65-67% isolat klinik M. tuberculosis yang resisten terhadap streptomisin memiliki mutasi pada gen rrs yang mengkode 16S RNA and rpsl yang mengkode S12 ribosomal protein. 20 Dilaporkan juga adanya mutasi pada gen selain rrs dan rpsl. Mutasi pada gen rpsl paling sering terjadi pada kodon 43 (AAG AGG/ACG; K R/T) dan kodon 88 (AAG AGG/CAG; K R/Q). 35 Selain itu diduga terdapat mekanisme lain yang melibatkan perubahan permeabilitas sel bakteri. 29 Terdapat asosiasi antara mutasi yang terjadi pada gen rrs dan rpsl dengan tinggi rendahnya tingkat resistensi terhadap streptomisin. Mutasi gen rspl ditemukan lebih banyak pada isolat dengan resistensi tingkat tinggi berdasarkan MIC yang ditunjukkan oleh isolat klinik tersebut. Tingkat resistensi sedang dijumpai pada isolat dengan mutasi pada gen rrs. Sementara mutasi pada gen lain dan juga perubahan permeabilitas sel biasa dijumpai pada isolat kinik yang memiliki tingkat resistensi rendah. 7 38

9 Kesimpulan Obat anti tuberkulosis sangat terbatas macamnya. Diantara obat-obat tersebut terdapat lima obat antituberkulosis lini utama yang sangat penting dalam penanggulangan infeksi M. tuberculosis. Dengan meningkatnya angka resistensi terhadap anti tuberculosis diperlukan langkah nyata agar perkembangannya menjadi lambat atau bahkan dapat dikurangi. Pemahaman mekanisme molekuler resistensi terhadap obat antituberkulosis sangatlah penting. Data yang terkumpul menunjukkan bahwa mekanisme resistensi adalah oleh karena terjadinya perubahan fungsi protein yang dikode oleh beberapa gen pada M. tuberculosis. Sebagian besar mutasi berupa mutasi titik, yang terjadi pada daerah yang esensial dalam mekanisme aksi obat yang dimaksud. Daftar Pustaka 1. WHO, Global Tuberculosis Report WHO Press, World Health Organization, Geneva. 2. Infodatin, Tuberculosis: Temukan Obati Sampai sembuh. Pusat Data dan Informasi Kementrian Kesehatan RI. Jakarta. 3. Palomino JC dan Martin A, Drug Resistance Mechanisms in Mycobacterium tuberculosis. Antibiotics 3: ; doi: / antibiotics Somasudaram S, Ram A, dan Sankaranarayanan L, Isoniazid and Rifampicin as Therapeutic Regimen in the Current Era: A Review. J Tuberc Res 2: Campbell EA, Korzheva N, Mustaev A, Murakami K, Nair S, Goldfarb A, dan Darst SA, Structural Mechanism for Rifampicin Inhibition of Bacterial RNA Polymerase. Cell 104, Minakhin L, Bhagat S, Brunning A, Campbell EA, Darst SA, Ebright RH, dan Severinov K, Bacterial RNA Polymerase 39

10 Subunit Omega and Eukaryotic RNA Polymerase Subunit RPB6 are Sequence, Structural, and Functional Homologs and Promote RNA Polymerase Assembly, Proc Nat Acad Sci USA 98 (3): Santos LC, Review: The Molecular Basis of Resistance in Mycobaterium tuberculosis. Open J Med Microbiol 2: Da Silva PA dan Ainsa JA, Drugs and Drug Interactions. Dalam. Palomino JC, Leão SC, Ritacco V, Tuberculosis 2007: From basic science to patient care First EditionTuberculosisTextbook. com. 9. Telenti A, Imboden P, Marchesi F, Matter L, Schopfer K, Bodmer T, Lowrie D, Colston MJ dan Cole S, Detection of rifampicinresistance mutations in Mycobacterium tuberculosis. Lancet, 341 (8846): Yue J, Shi W, Xie J, Li Y, Zeng E, dan Wang H, Mutations in the rpob Gene of Multidrug-Resistant Mycobacterium tuberculosis Isolates from China J Clin Microbiol. 41(5): Ma X, Wang H, Deng Y, Liu Z, Xu Y, Pan X, Musser JM, dan Graviss EA, rpob Gene Mutations and Molecular Characterization of Rifampin-Resistant Mycobacterium tuberculosis Isolates from Shandong Province, China. J Clin Microbiol 44 (9): Musser JM, Antimicrobial agent resistance in mycobacteria: molecular genetic insights. Clin Microbiol Rev 8(4): Zaczek A, Brzostek A, Augustynowicz-Kopec E, Zwolska Z, Dziadek J, Genetic evaluation of relationship between mutations in rpob and resistance of Mycobacterium tuberculosis to rifampin. BMC Microbiology, 9:10 doi: /

11 14. Zhang Y, Heym B, Allen B, Young D, dan Cole S, The catalaseperoxidase gene and isoniazid resistance of Mycobacterium tuberculosis. Nature 358: Cade CE, Dlouhy AC, Medzihradszky KF, Salas-Castillo SP, dan Ghiladi RA, Isoniazid-resistance conferring mutations in Mycobacterium tuberculosis KatG: Catalase, peroxidase, and INH-NADH adduct formation activities. Prot Sci 19: Winder FG, Collins P, dan Rooney SA, Effects ofisoniazid on mycolic acid synthesis in Mycobacterium tuberculosis and on its cell envelope. Biochem J 117: 27P. 17. Takayama K, Wang L, dan David HL, Effect ofisoniazid on the in vivo mycolic acid synthesis, cell growth,and viability of Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob Agents Chemother 2: Gangadharam PR, Harold FM, dan Schaefer WB, Selective inhibition of nucleic acid synthesis in Mycobacterium tuberculosis by isoniazid. Nature 198: Timmins GS dan Deretic V, Mechanisms of action of isoniazid. Mol Microbiol 62(5): Ramaswamy S dan Musser JM, Molecular Genetic Basis of Antimicrobial Agent Resistance in Mycobacterium tuberculosis. Tubercle and Lung Disease: Int J Tuberc Lung Dis 79: Marttila HJ, Soini H, Eerola E, Vyshnevskaya E, Vyshnevskiy BI, Otten TF, Vasilyef AV, dan Viljanen MK, A Ser315Thr substitution in KatG is predominant in genetically heterogeneous multidrugresistant Mycobacterium tuberculosis isolates originating from the St. Petersburg area in Russia. Antimicrob Agents Chemother 42: Somoskovi A, Parsons LM, dan Salfinger M, Review The molecular basis of resistance to isoniazid, rifampin, and 41

12 pyrazinamide in Mycobacterium tuberculosis. Respir Res 2: Seifert M, Catanzaro D, Catanzaro A, dan Rodwell TC, Genetic Mutations Associated with Isoniazid Resistance in Mycobacterium tuberculosis: A Systematic Review, PLoS ONE 10(3):e doi: /journal.pone Rouse DA, Devito JA, Li Z, Byer M, dan Morris SL, Sitedirected mutagenesis of the katg gene of Mycobacterium tuberculosis: effects on catalase-peroxidase activities and isoniazid resistance. Mol Microbiol 22: Marrakchi H, Lane!elle G dan Que!mard A, InhA, a target of the antituberculous drug isoniazid, is involved in a mycobacterial fatty acid elongation system, FAS-II, Microbiology 146: Zhang Y, Wade MM, Scorpio A, Zhang H dan Sun Z, Mode of action of pyrazinamide: disruption of Mycobacterium tuberculosis membrane transport and energetics by pyrazinoic acid. J Antimicrob Chemother 52: Zhang Y dan Mitchison D, 2003.The curious characteristics of pyrazinamide: a review. Int J Tuberc Lung Dis 7(1): Juréen P, Werngren J, Toro JC, Hoffner S., Pyrazinamide resistance and pnca gene mutations in Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob. Agents Chemother, 52, Johnson R, Streicher EM, Louw GE, Warren RM, van Helden PD, dan Victor TC, Drug Resistance in Mycobacterium tuberculosis. Curr. Issues Mol. Biol. 8: Takayama K dan Kilburn JO, Inhibition of synthesis of arabinogalactan by ethambutol in Mycobacterium smegmatis, Antimicrob Agents Chemother 33, 9: Rattan A, Kalia A, Ahmad N, Multidrug-Resistant Mycobacterium tuberculosis: Molecular Perspectives. Emerg Infect Dis, 4 (2):

13 32. Belanger AE, Besra GS, Ford ME, Mikusova K, Belisle JT, Brennan PJ, dan Inamine JM., The embab genes of Mycobacterium avium encode an arabinosyl transferase involved in cell wall arabinan biosynthesis that is the target for the antimycobacterial drug ethambutol. Proc Natl Acad Sci U S A, 93: WHO, Anti-Tuberculosis Drug Resistance in the World, Fourth Global Report, Word Health Organization, Geneva. 34. Mitchison DA, The Action of Antituberculosis Drugs in Short-Course Chemotherapy, Tubercle 66 (3): Nair J, Rouse DA, Bai GH, Morris SL., The rpsl gene and streptomycin resistance in single and multiple drug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis.mol Microbiol 10(3):