KERJA DAN EFEK TOKSIK

Transkripsi

1 KERJA DAN EFEK TOKSIK I M.A. Gelgel Wirasuta Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat menjelaskan fase kerja suatu tokson hingga menimbulkan efek toksik serta foktorfaktor yang berpengaruh. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): dapat menjelaskan tahapan-tahapan proses yang terjadi pada fase kerja toksik dengan benar, dapat menggambarkan jalur eksposisi tokson pada organiseme dan proses eksposisi dengan benar, dapat memahami proses absorpsi, transpor, distribusi dan eliminasi tokson dengan benar, dapat menggambarkan proses interaksi tokson dan reseptor dengan benar, dapat menjelaskan mekaniseme kerja efek toksik dengan benar, dapat menggambarkan dengan benar faktor-faktor farmseutika, biologis, serta lingkungan yang berpengaruh pada kerja toksik. 1 2 Suatu kerja toksik pada umumnya merupakan hasil dari sederetan proses fisika, biokimia, dan biologik yang sangat rumit dan komplek. Proses ini umumnya dikelompokkan ke dalam tiga fase yaitu: fase eksposisi, fase toksokinetik, dan fase toksodinamik. Fase toksokinetik Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut (ketersidaan farmeseutika) zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) terjadi interaksi 3 4 Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut Fase toksokinetik (ketersidaan farmeseutika) Fase toksokinetik (ketersidaan farmeseutika) Kontak xenobiotika dengan organisme, (kecuali radioaktif), untuk menimbulkan efek toksik/ farmakologi Fase farmaseutika: - hancurnya zat bentuk aktif tersedia sediaan untuk memberikan obat, efek - kemudian zat aktif (ketersidaan melarut, biologik) - terdispersi molekular di tempat kontaknya. terjadi interaksi Zat aktif siap terabsorpsi menuju sistem sistemik zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) terjadi interaksi Fase ini sangat ditentukan oleh faktor-faktor farmseutika dari sediaan farmasi 5 6

2 Interaksi tokson-reseptor dalam organ Bentuk farmaseutik hancur Umumnya Interaksi reversibel Zat aktif melarut mengakibatkan perubahan fungsional, efek akan hilang apabila tokson tereliminasi dari tempat kerjanya (ketersidaan farmeseutika) Fase toksokinetik Interaksi ireversibel contoh luka kimia zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) terjadi interaksi Terjadi kontak (pejanan/paparan) organisme oleh toksikan, dapat melalui: kulit saluran pernafasan (inhalasi) saluran cerna (oral) injeksi (penyampaian xenobiotika langsung ke dalam tubuh organisme) 7 8 Toksikan siap diabsorpsi menuju sistem peredaran darah (ketersediaan farmaseutika). Toksikan Kemampuan terabsorpsi ditentukan oleh: - sifat fisikokima toksikan - bentuk fisik sediaan farmaseutik dan formulasi (padatan, semi solid larutan, gas) - tempat pejanan (sifat membran dan aliran darah) - sifat dinding / barier absorpsi Lapisan barier absorpsi -sel kulit -sel diding sal. pencernaan - sel epitel alveoli paru-paru Faktor Farmaseutika Formulasi - bentuk sediaan - bahan tambahan formulasi - parameter formulasi Sifat fisikokimia zat aktif - bentuk kristal - kelarutan - konstanta disosiasi 9 10 Diagram sistematis membran biologi. protein integral protein periferal lapisan lemak bimolekul Bulatan menggambarkan kelompok kepala lipid (fosfatidilkolin), dan baris zig-zag menunjukkan bagian ekornya. Bulatan hitam, putih, dan berbintil menunjukkan jenis lipid yang berbeda. Benda-benda besar menggabarkan protein, yang sebagian terletak di permukaan, dan sebagian lain di dalam membran. (Disadur dari Siger dan Nicholson (1972) Pejanan melalui kulit Lapisan tanduk Epidermis Jaringan subkutan D E R M I S Pembuluh kapiler darah Folikel rambut 11 12

3 Pejanan melalui saluran pernapasan Pejanan melalui saluran pencernaan Pemejanan xenobiotika yang berada di udara dapat terjadi melalui penghirupan xenobiotika tersebut. Tokson yang terdapat di udara berada dalam bentuk gas, uap, butiran cair, dan partikel padat dengan ukuran yang berbeda-beda. Melalui proses alami pada sal. pernapasan telah terjadi seleksi xenobiotika Penyampaian langsung xenobiotika ke dalam tubuh Fase Toksokinetik / Farmakokinetik Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut Fase toksokinetik (ketersidaan farmeseutika) zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) terjadi interaksi Proses pada fase ini dibagi: invasi terdiri dari absorpsi, transpor, dan distribusi, evesi juga dikenal dengan eleminasi : pengambilan xenobiotika dari permukaan tubuh (disini termasuk juga mukosa saluran cerna) atau dari tempattempat tertentu dalam organ dalaman ke aliran darah atau sistem pembuluh limfe Transpor dan distribusi konveksi (transpor xenobiotika bersama peredaran darah), difusi (difusi xenobiotika di dalam sel atau jaringan). Eliminasi semua proses yang dapat menyebabkan penurunan kadar xenobiotika dalam sistem biologi / tubuh organisme, proses tersebut reaksi biotransformasi dan ekskresi 17 18

4 Secara umum toksokinetik menelaah laju absorpsi xenobiotika dari tempat paparan ke sistem peredaran darah, distribusi di dalam tubuh, bagaimana enzim tubuh memetabolismenya, dari mana dan bagaimana tokson atau metabolitnya dieliminasi dari dalam tubuh ditandai oleh masuknya xenobiotika/tokson dari tempat kontak (paparan) menuju sirkulasi sistemik tubuh atau pembuluh limfe. didefinisikan sebagai jumlah xenobiotika yang mencapai sistem sirkululasi sistemik dalam bentuk tidak berubah suatu xenobiotika tidak akan terjadi tanpa suatu transpor melalui membran sel, demikian halnya juga pada distribusi dan ekskresi suatu xenobiotika tidak akan terjadi tanpa suatu transpor melalui membran sel, demikian halnya juga pada distribusi dan ekskresi. Oleh sebab itu membran sel (membran biologi) dalam absorpsi merupakan sawar barier yaitu batas pemisah antara lingkungan dalam dan luar Transpor xenobiotika lewat membran sel. Penetrasi xenobiotika : difusi pasif, filtrasi lewat pori-pori membran poren, transpor dengan perantara molekul pengemban carrier, pencaplokan oleh sel pinositosis Transpor xenobiotika lewat membran sel. Difusi pasif proses transpor transmembran perbedaan konsentrasi xenobiotika antar sisi membran dan daya larutnya dalam lipid sebagai daya dorongnya Laju difusi hukum difusi Fick dq dt = DAK h ( C) C = perbedaan konsentrasi A = luas permukaan membran K = koefisien distribusi (partisi) xenobiotika D = koefisien difusinya h = tebal membran P = koefisien Partisi - Transpor xenobiotika lewat membran sel. Difusi pasif Hubungan jumlah atom C dengan aktivitas anti-bakteri seri homolog n-alifatis alkohol (R-OH), (disadur dari Siswandono, 2006) 23 24

5 - Transpor xenobiotika lewat membran sel ; difusi pasif Senyawa yg sangat non polar? terlebih dahulu harus diperlarutkan atau disolubilisasikan solubilisasi senyawa seperti ini dapat berlangsung di usus halus, terutama dengan bantuan garam empedu - Transpor xenobiotika lewat membran sel. ; difusi pasif Pengaruh konstanta disosiasi (pka) Henderson-Hasselbalch: asam (HA) [ HA ] ( pka ph ) rasio = = 10 A Basa [ ] [ B ] ( pka ph ) rasio = = 10 + [ BH ] warfarin (pka = 4.8) pada ph cairan biologis = pka, 50% warfarin akan berada dalam bentuk ionnya. Jika ph lingkungan meningkat 5,8, maka hanya sekitar 10% dari warfarin yang berada dalam bentun non-ionnya Transpor xenobiotika lewat membran sel Filtrasi lewat pori-pori membran poren. - Transpor xenobiotika lewat membran sel. perantara melekul pengemban carrier Membran sel umumnya memilika lubang dengan ukuran yang bervariasi tergantung pada sifat dari membran selnya umumnya 4 Å dilewati oleh tokson yang relatif larut air dengan BM < 200 Da Pori memban kapiler dan glomerulus ginjal sekitar 70 Å dilewati oleh molekul-molekul dengan ukuran lebih kecil dari albumin ( sekitar Da) Transpor xenobiotika lewat membran sel Pencaplokan oleh sel pinositosis ; Rute absorpsi : - Saluran pencernaan Vena hepatika 29 30

6 Rute absorpsi - Faktor-faktor yang dapat berpengaruh pada laju absorpsi peroral Faktor farmaseutika ph yang extrim Enzim-enzim hidrolisis Mikroflora usus Metabolisme di dinding usus reaksi biokimia oleh enzim katalisis sebelum mencapai venahepatika Metabolisme di hati first pass effect Makanan yang terdapat di lumen saluran cerna P-Glykoprotein protein pompa pendorong bagi beberapa xenobiotika untuk memasuki sistem sistemik Rute absorpsi - xenobiotika melalui saluran napas (inhalasi) Tempat utama bagi absorpsi: alveoli paru-paru bagi: gas (spt: CO, oksida nitrogen, dan belerang oksida), dan uap cairan (seperti benzen dan karbon tetraklorida). Kapasitas absorpsi yang tinggi (berkaitan dengan luasnya permukaan alveoli, laju aliran darah yang cepat, dan dekatnya darah dengan udara alveoli) Tidak terdapat reaksi first pass effect Rute absorpsi - xenobiotika perkutan Lapisan tanduk Epidermis Jaringan subkutan D E R M I S absorpsi terjadi bila xenobiotika dapat melintasi membran epidermis dan dermis diserap melalui folikel, sel-sel keringan, atau kelenjar sebasea Tahap absorpsi Fase I: difusi tokson lewat epidermis melalui sawar (barier) lapisan tanduk (stratum corneum). Fase II: difusi tokson lewat dermis yang mengandung medium difusi yang berpori, nonselektif, dan cair - Setelah xenobiotika mencapai sistem peredahan darah, ia bersama darah akan diedarkan/ didistribusikan ke seluruh tubuh, melalui proses transpor: konveksi (transpor xenobiotika bersama aliran darah) dan transmembran (transpor xenobiotika melewati membran biologis) Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika faktor biologis: laju aliran darah di organ dan jaringan, sifat membran biologis perbedaan ph antara plasma dan jaringan faktor sifat molekul xenobiotika ukuran molekul ikatan antara protein plasma dan protein jaringan kelarutan sifat kimia Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Laju aliran darah Organ Aliran darahnya bagus: Ginjal Hati Otak Paru-paru Jantung Lambung dan usus saluran pencernaan Aliran darahnya kurang bagus: Kulit Otot-otot Aliran darahnya jelek: Jaringan Lemak Prosen (%) dari berat badan 0,5 2,8 2,0 1,5 0,5 2, Prosen (%) dari volum jantung per menit Laju aliran darah (ml/min/100g organ) ,

7 Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Sifat membran biologis Struktur membran basal dapat dibedakan menjadi: kapiler yang sangat tertutup (contoh: barier sawar darah otak) kapiler yang berjendela, pada jendela ini terjadi pertukaran cairan yang sangat intensiv, jarak jendela dalam kapiler ini adalah tidak beraturan (contoh:tubulus ginjal), kapiler yang terbuka, tidak terdapat hubungan antar sel-sel endotel, sehingga pada kapiler ini terdapat lubang-lubang yang besar, yang dapat dilewati oleh plasma darah (contoh: hati). 37 Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika - barier sawar darah otak darah liquor darah otak - lapisan lendir penanjang saluran pencernaan - lapisan lendir di mulut - tubulus ginjal -kulit Membran lipid dengan Poren - darah hati -hati empedu - paru-paru - plasenta - darah kelenjar mamai - kapilar-kapiler di kulit dan otot - lapisan lendir (mata, hidung, kantung kemih) - glomerulus ginjal (filtrasi) Sifat membran biologis Permeabilitas beberapa membran biologis (H Nau, 1994) Membran lipid hanya xenobiotika lipofil, tidak terionisasi; xenobitika polar akan terperfusi sangat lambat atau sama sekali tidak xenobiotika lipofil dan hidrofil dapat lewat 38 Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Perbedaan ph antar plasma dan jaringan Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Ikatan protein Ikatan xenobiotika pada protein bersifat relatif tidak khas dan merupakan ikatan bolak-balik reversibel. Albumin adalah protein plasma yang paling banyak terlibat pada pembentukan ikatan pada protein plasma Ikatan protein membantu distribusi suatu xenobiotika Ikatan protein berpengaruh juga pada intensitas kerja, lama kerja toksik dan eliminasi xenobiotika dari dalam tubuh Eleminasi Proses eliminasi adalah proses hilangnya xenobiotika dari dalam tubuh organisme biotransformsi (metabolisme) eksresi melalui: ginjal bersama urin saluran pencernaan bersama feses paru-paru kelenjar keringat kelenjar mamai Eliminasi Reaksi biokimia yang terlibat dalam proses perubahan xenobiotika menjadi turunan yang lebih nonpolar dengan tujuan xenobiotika lebih mudah dieleminasi dari dalam tubuh organisme lebih lanjut akan dibahas lebih dalam dalam sub pokok bahasan 41 42

8 Eliminasi Ekskresi Melalui ginjal bersama urin Ginjal sangat memegang peranan penting dalam mengekskresi baik senyawa eksogen (xenobiotika) maupun seyawa endogen, yang pada umumnya tidak diperlukan lagi oleh tubuh Proses utama ekskresi renal: filtrasi glumerula, sekresi aktif tubular, dan resorpsi pasif tubular Eliminasi Ekskresi melalui empedu ekskresi xenobiotika: terutama polaritas yang tinggi (anion dan kation), kojugat terikat pada protein plasma, dan senyawa dengan BM > 300 Ekskresi senyawa tersebut melalui empedu dikeluarkan lewat feses Eliminasi Ekskresi lewat paru-paru Konsentrasi plasma Zat yang pada suhu badan berbentuk gas terutama diekskresikan lewat paru-paru. Cairan yang mudah menguap juga mudah keluar lewat udara ekspirasi Konsentrasi (µg/ml) 2 1,6 1,2 A 0,8 0,4 B Waktu (min) Kurva konsentrasi toksikan dalam plasma setelah terpapar melalui oral Fase Toksodinamik / Farmakodinamik Interaksi tokson-reseptor pada organ (tempat kerja spesifik) dan juga proses-proses Bentuk farmaseutik hancur yang terkait dimana pada akhirnya timbul efek toksik Zat aktif melarut atau terapeutik Umumnya Interaksi reversibel (ketersidaan farmeseutika) mengakibatkan perubahan Fase toksokinetik fungsional, efek akan hilang apabila tokson tereliminasi dari tempat kerjanya Interaksi ireversibel contoh luka kimia zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) terjadi interaksi 47 48

9 Konsentrasi suatu tokson/obat pada tempat kerja tempat sasaran umumnya menentukan kekuatan efek biologi (respon) yang dihasilkan Paul Ehrlich, (1897) menduga bahwa netralisasi toksin bakteri oleh antibodi disebabkan oleh adanya rantai samping pada antibodi itu. Rantai samping akan berinteraksi dengan racun tertentu, ia mencatat bahwa agen organ sintetik tertentu memiliki efek antiparasitik yang karakteristik sementara agen yang lain tidak, meskipun struktur kimia mereka hanya sedikit berbeda John N. Langley (1905) pertama kali mengemukakan konsep reseptor. Mengamati: efek nikotin dan kurare pada otot rangka tidak berubah setelah saraf yang mensarafi otot tersebut mengalami degenerasi Kurare tidak mencegah kontraksi otot akibat rangsangan listrik, tetapi benar-benar memblok kontraksi yang disebabkan oleh nikotin. Melalui penelitian ini disimpulkan bahwa racun tidak berpengaruh pada protein kontraktil dalam otot, melainkan pada zat-zat lain di otot yang dapat disebut zat-reseptor. Setelah tahun 70-an pengertian bahwa interaksi biokimiawi antara zat-zat endogen dan sel-sel tubuh hampir selalu berlangsung di tempat spesifik, yaitu reseptor atau enzim zat-zat pengatur kimiawi regulator endogen (norardrenalin, serotonin, dopamin, dan lain-lain), masing-masing mempunyai titik kerja spesifik di satu atau lebih organ. ( kunci-anak kunci) Reseptor obat dapat didefinisikan sebagai suatu makromolekul (biopolimer) jaringan sel hidup, mengandung gugus fungsional atau atom-atom terorganisasi, reaktif secara kimia dan bersifat khas, dan dapat berinteraksi secara terpulihkan (reversibel) dengan molekul obat yang mengandung gugus fungsional khas, menghasilkan respons biologis tertentu Setelah tahun 70-an dimurnikan dan dikaraktersasikan secara biokimia, sehingga dikenal sebagai protein regulator, enzim, protein pembawa/, dan protein struktural Perluasan konsep reseptor pada endokrinologi, imunologi, dan biologi molekuler, terbukti penting untuk menerangkan banyak aspek pengaturan biologis Konsep ini membantu sekali perkembangan farmakologi, terutama membentuk dasar dalam pemahaman kerja dan penggunaan obat di klinik. Kegunaan dan konsekuensi praktis dari konsep reseptor pada perkembangan obat dan pengambilan keputusan terapeutik dalam praktek klinik: Pada dasarnya reseptor menentukan hubungan kuantitatif antara dosis atau konsentrasi obat dan efek farmakologis Reseptor bertanggung jawab pada selektivitas kerja obat Reseptor-reseptor menjembatani kerja antagonis farmakologi 53 54

10 Tiga aspek fungsi reseptor obat: sebagai determinan hubungan kuantitatif antara konsentrasi obat dan respons reseptor dipandang sebagai suatu unit sederhana yang ditandai oleh afinitasnya mengikat ligan-ligan obat dengan jumlah berlimpah dalam sel atau jaringan target/sasaran. sebagai protein regulator dan komponen penerus sinyal kimiawi yang melengkapi target-target obat penting reseptor dianggap sebagai molekul kompleks yang struktur dan fungsi biokimiawinya membantu menjelaskan ciri utama hubungan efek-konsentrasi dan juga selektivitas farmakologik sebagai determinan utama terhadap efek terapeutik dan toksik pada pasien dibahas peran penting yang dijalankan reseptor dalam menentukan selektivitas kerja obat, hubungan antara dosis obat dan efeknya, dan manfaat terapeutik obat (misal efektivitas terapeutik versus toksisitas) Interaksi obat-reseptor Prinsip kunci anak kunci T R T R Kemampuan ikatan ditentukan oleh afinitas obat terhadap reseptor afinitas instrinsik Fase utama pada pembentukan suatu kompleks obat-reseptor (dari Mutschler) Interaksi obat-reseptor Hasil interaksi obat-reseptor ini umumnya merupakan efek yang dapat diamati atau dirasakan Interaksi ini menimbulkan sinyal yang menjadi pesan interselular dalam mengontrol fungsi sel : Interaksi obat-reseptor pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran ligan (xenobiotika) larut dalam lapisan ganda lemak membran dan melintasi membran dan bekerja (berinteraksi) dengan reseptor intraselular yang mungkin adalah enzim atau pengatur transkripsi gen : Interaksi obat-reseptor pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran protein reseptor transmembran yang aktivitas enzimatik intraselulernya diatur secara allosterical oleh ligan (xenobiotika) yang terikat pada tempat di domain entraseluler protein sehingga mengaktifkan aktivitas domain sitoplasmiknya : Interaksi obat-reseptor pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran reseptor trasmembran yang mengikat dan menstimulasi protein kinase tirosin 59 60

11 : Interaksi obat-reseptor pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran kanal ion transmembran yang ligand-gated, yaitu kanal ion yang pembukaan/penutupannya dapat diinduksi oleh ligan yang terikat pada reseptor kanal ion tersebut Interaksi obat-reseptor protein reseptor transmembran yang menstimulasi transduktor yang memberikan sinyal setelah berikatan dengan GTP (protein G) yang kemudian menimbulkan pembawa pesan kedua Interaksi obat-reseptor Berdasarkan mekanisme munculnya efek akibat interaksi obat-reseptor interaksi antagonis (menimbulkan efek yang berlawanan menunjukkan kombinasi efek lebih kecil daripada jumlah efek zat masingmasing interaksi agonis (menimbul efek yang searah) Dosis A Interaksi obat-reseptor e ANTAGONISME SINERGISME d c a b Dosis B Dapat dibedakan antara sinergisme (kurve b: kepekaan terhadap A akan ditingkatkan oleh B) dan antagonisme Kurve c umumnya diberikan oleh interaksi antagonisme fungsional, kurve d menunjukkan antagonisme kompetitif, dan kurve e menggambarkan antagonisme nonkompetitif 63 64