TOKSIKOLOGI UMUM FA 324620 Buku Ajar Dibiayai oleh Dana POM Jurusan Farmasi 2006 disusun oleh Dr.rer.nat. I Made Agus Gelgel Wirasuta, M.Si., Apt. Rasmaya Niruri, S.Si., Apt. JURUSAN FARMASI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan syukur ”Om Awighnam Astu Nahma Sidham” semoga tiada aral yang melintang dan memperoleh wara nugraha Ida Sang Hyang Widhi Wasa.. Bahan Ajar TOKSIKOLOGI UMUM ini disusun guna membantu mahasiswa dalam mempercepat proses belajar mengajar ”transfer ilmu” khususnya mata kuliah Toksikologi. Mata kuliah ini merupakan mata ajaran bagi mahasiswa Jurusan Farmasi – FMIPA- UNUD di semester 3. Bahan ajar ini berisikan tentang pengantar ilmu toksikologi, fase kerja dan efek toksik, proses reaksi biotransformasi, pemodelan farmakokinetik, hubungan dosis-respon, dosiskerja dan kerja-waktu, faktor-faktor yang mempengaruhi toksisitas, cabang ilmu toksikologi, metode uji toksisitas, dan tindakan penanganan pada kasus keracunan. Bahan ajar ini merupakan rangkuman dari berbagai sumber bacaan. Sangat disadari tulisan ini masih jauh dari sempurna, namun langkah/usaha sekecil apapun akan sangat berarti sebagai daya awal untuk langkah yang lebih besar. Menyadari hal tersebut penulis sangat mengharapkan masukan dan saran, dari berbagai pihak guna menyempurnakan materi ini. Saran dan masukan dapat dialamatkan ke penulis melalui Lab. Kimia Forensik, Jurusan Kimia-FMIPAUnud, Kampus Bukit Jimbaran, Bali. Januari 2007 Hormat kami ttd Penulis i BAB I 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5 PENDAHULUAN ILMU TOKSIKOLOGI Perkembangan Awal Toksikologi .................................................................................... Pengertian Toksikologi dan Racun .................................................................................. Cakupan dan Subdisiplin Toksikologi ............................................................................. Perkembangan Mutahir Toksikologi .............................................................................. Prospek Masa Depan ...................................................................................................... II KERJA DAN EFEK TOKSIK 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.3. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.3.4. 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. Pendahuluan ................................................................................................................... Fase Eksposisi ................................................................................ ............................... Eksposisi melalui kulit .................................................................................................... Eksposisi melalui jalur inhalasi ... .................................................................................. Eksposisi melalui jalur saluran cerna ............................................................................. Fase Toksokinetik ........................................................................................................ Absorpsi ......................................................................................................................... Distribusi ........................................................................................................................ Eliminasi ........................................................................................................................ Konsentrasi plasma ....................................................................................................... Fase Toksodinamik ....................................................................................................... Reseptor ................ ....................................................................................................... Interaksi obat-reseptor ................................................................................................... Mekanisme kerja efek toksik ......................................................................................... 8 10 11 11 12 13 13 19 22 23 24 24 26 28 III 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. IV 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. BIOTRANSFORMASI .................................................................................................... Pendahuluan ............ .................................................................................................... Reaksi Metabolisme Fase I ............................................................................................ Reaksi Metabolisme Fase II ........................................................................................... Faktor-Faktor yang Berpengaruh pada Reaksi Biotransformasi ................................... PEMODELAN FARMAKOKINETIK ............................................................................... Pendahuluan .................................................................................................................. Prinsip-prinsip dasar matematika .................................................................................. Berbagai pendekatan dari farmakokinetik .................................................................... Sistem kompartemen: pemodelan ............................................................................... 39 39 41 43 45 47 47 48 49 50 V KIMIA TOKSIKOLOGI ................................................................................................... 59 5.1. 5.2 5.3. 5.4 5.5. Pendahuluan ................................................................................................................ Hubungan dosis-respon ................................................................................................ Hubungan dosis-kerja ................................................................................................... Hubungan waktu-kerja ................................................................................................. Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap toksisitas .................................................... 59 60 62 64 66 VI 6.1. 6.2. PENGANTAR TOKSIKOLOGI FORENSIK .................................................................. Pendahuluan ................................................................................................................ Bidang kerja Toksikologi Forensik ................................................................................. 69 69 69 1 2 4 5 7 ii 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. Bilamana pemeriksaan toksikologik diperlukan ............................................................ Keracunan .................................................................................................................... Langkah-langkah analisis toksikologi forensik .............................................................. Peranan toksikologi forensik dalam penyelesaian kasus kejahatan ............................... Keberadaan analisis toksikologi forensik di Indonesia ................................................... 70 71 73 73 75 VII 7.1. 7.2. PENGANTAR TOKSIKOLOGI KLINIK ........................................................................... Pendahuluan ............................................................................................................... Prevalensi dan penegakan diagnose pada kasus instoksikasi di IRD Rumah Sakit Sanglah pada tahun 2005 ............................................................................................. Makna analisis toksikologi dalam diagnose instoksikasi .............................................. Tugas analisis toksikolog klinik dalam penegakan diagnose keracunan ...................... 77 77 78 78 79 Sistematika analisis toksikologi klinik .............................................................................. 79 7.6. Evaluasi dan pengkajian hasil analisis toksikologi klinik ................................................. 80 7.7. Kompetensi yang dibutuhkan dalam penyelenggaraan analisis toksikologi klinik ......... 80 VIII PENGANTAR TOKSIKOLOGI LINGKUNGAN .............................................................. 82 8.1. Pendahuluan ................................................................................................................... 82 8.2. Pencemaran Lingkungan .............................................................................................. 83 8.3. Sifat Alaminya Lingkungan ............................................................................................. 84 8.4. Persistensi Zat Kimia di Lingkungan ................................................................................ 85 8.5. Proses Bioakumulasi .. .................................................................................................. 87 8.6. Pencemar Udara ...... .. .................................................................................................. 88 8.7. Pestisida ...... .. ............................................................................................................... 89 IX EVALUASI TOKSIKOLOGI: METODE PENGUJIAN TOKSISITAS ............................... 92 9.1. Pendahuluan ................................................................................................................. 92 9.2. Asas uji biologi bagi toksisitas ....................................................................................... 92 9.3. Summary uji toksikologik ............................................................................................... 93 9.4. Lima pedoman uji toksisitas (Weil, 1972) ..................................................................... 94 X TINDAKAN UMUM PADA KERACUNAN ...................................................................... 96 10.1. Pendahuluan ................................................................................................................. 96 10.2. Penanganan Keracunan Akut ....................................................................................... 97 7.3. 7.4. 7.5. LAMPIRAN I ANALISIS INSTRUKSIONAL (A I) ............................................................................. II GARIS-GARIS BESAR PROGRAM PENGAJARAN (GBPP) .................................... 103 III JADWAL PERKULIAHAN TOKSIKOLOGI UMUM SEMESTER GANJIL 2006/2007 .. 106 IV MATRIK PENYUSUNAN MATERI KULIAH BERBASISKAN KOMPETENSI ............. 107 V SATUAN ACARA PENGAJARAN (SAP) ..................................................................... 109 VI RENCANA EVALUASI PROSES BELAJAR MENGAJAR .......................................... 118 VII KONTRAK KULIAH .................................................................................................... 119 104 iii BAB I PENDAHULUAN DAN RUANG LINGKUP Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti materi ini peserta didik dapat menjelaskan sejarah, ruang lingkup ilmu toksikologi, dan istilah-istilah dalam toksikologi. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): Setelah mendiskusikan materi ini peserta didik diharapkan: y Dapat memahami definisi ilmu toksikologi dan beberapa istilah dalam toksikologi dengan benar, y Dapat menjelaskan sejarah ilmu toksikologi dengan baik, y Dapat memahami ruang lingkup dan ilmu yang menunjang ilmu toksikologi dengan benar. 1.1. Perkembangan Awal Toksikologi Sejak perkembangan peradaban manusia dalam mencari makanan, tentu telah mencoba beragam bahan baik botani, nabati, maupun dari mineral. Melalui pengalamannya ini ia mengenal makanan, yang aman dan berbaya. Dalam kontek ini kata makanan dikonotasikan ke dalam bahan yang aman bagi tubuhnya jika disantap, bermanfaat serta diperlukan oleh tubuh agar dapat hidup atau menjalankan fungsinya. Sedangkan kata racun merupakan istilah yang digunakan untuk menjelaskan dan mengambarkan berbagai bahan ”zat kimia” yang dengan jelas berbahaya bagi badan. Kata racun ”toxic” adalah bersaral dari bahasa Yunani, yaitu dari akar kata tox, dimana dalam bahasa Yunani berarti panah. Dimana panah pada saat itu digunakan sebagai senjata dalam peperangan, yang selalu pada anak panahnya terdapat racun. Di dalam ”Papyrus Ebers (1552 B.C.)“ orang Mesir kuno memuat informasi lengkap tentang pengobatan dan obat. Di Papyrus ini juga memuat ramuan untuk racun, seperti antimon (Sb), tembaga, timbal, hiosiamus, opium, terpentine, dan verdigris (kerak hijau pada permukaan tembaga). Sedangkan di India (500 600 B.C.) di dalam Charaka Samhita disebutkan, bahwa tembaga, besi, emas, timbal, perak, seng, bersifat sebagai racun, dan di dalam Susrata Samhita banyak menulis racun dari makanan, tananaman, hewan, dan penangkal racun gigitan ular. Hippocrates (460-370 B.C.), dikenal sebagai bapak kedokteran, disamping itu dia juga dikenal sebagai toksikolog dijamannya. Dia banyak menulis racun bisa ular dan di dalam bukunya juga menggambarkan, bahwa orang Mesir kuno telah memiliki pengetahuan penangkal racun, yaitu dengan menghambat laju penyerapan racun dari saluran pencernaan. Disamping banyak lagi nama besar toksikolog pada jaman ini, terdapat satu nama yang perlu mendapat catatan disini, yaitu besar pada jaman Mesir dan Romawi kuno adalah Pendacious Dioscorides (A.D. 50), dikenal sebagai bapak Materia Medika, adalah seorang dokter tentara. Di dalam bukunya dia mengelompokkan racun dari tanaman, hewan, dan mineral. Hal ini membuktikan, bahwa efek berbahaya (toksik) yang ditimbulkan oleh zat racun (tokson) telah dikenal oleh manusia sejak awal perkembangan beradaban manusia. Oleh manusia efek toksik ini banyak dimanfaatkan untuk tujuan seperti membunuh atau bunuh diri. Untuk mencegah keracunan, orang senantiasa berusaha menemukan dan mengembangkan upaya pencegahan atau menawarkan racun. Usaha ini seiring dengan perkembangan toksikologi itu sendiri. Namun, evaluasi yang lebih kritis terhadap usaha ini baru dimulai oleh Maimonides (1135 - 1204) dalam bukunya yang terkenal Racun dan Andotumnya. Sumbangan yang lebih penting bagi kemajuan toksikologi terjadi dalam abad ke-16 dan sesudahnya. Paracelcius adalah nama samaran dari Philippus Aureolus Theophratus Bombast von Hohenheim (1493-1541), toksikolog besar, yang pertama kali meletakkan konsep dasar dasar dari toksikologi. Dalam postulatnya menyatakan: “Semua zat adalah racun dan tidak ada zat yang tidak beracun, hanya dosis yang membuatnya menjadi tidak beracun”. Pernyataan ini menjadi dasar bagi konsep hubungan dosis reseptor dan indeks terapi yang berkembang dikemudian hari. 1 Matthieu Joseph Bonaventura Orfila dikenal sebagai bapak toksikologi modern. Ia adalah orang Spayol yang terlahir di pulau Minorca, yang hidup antara tahun 1787 sampai tahun 1853. Pada awak karirnya ia mempelajari kimia dan matematika, dan selanjutnya mempelajari ilmu kedokteran di Paris. Dalam tulisannya (18141815) mengembangkan hubungan sistematik antara suatu informasi kimia dan biologi tentang racun. Dia adalah orang pertama, yang menjelaskan nilai pentingnya analisis kimia guna membuktikan bahwa simtomatologi yang ada berkaitan dengan adanya zat kimia tertentu di dalam badan. Orfila juga merancang berbagai metode untuk mendeteksi racun dan menunjukkan pentingnya analisis kimia sebagai bukti hukum pada kasus kematian akibat keracunan. Orfila bekerja sebagai ahli medikolegal di Sorbonne di Paris. Orfila memainkan peranan penting pada kasus LaFarge (kasus pembunuhan dengan arsen) di Paris, dengan metode analisis arsen, ia membuktikan kematian diakibatkan oleh keracuanan arsen. M.J.B. Orfila dikenal sebagai bapak toksikologi modern karena minatnya terpusat pada efek tokson, selain itu karena ia memperkenalkan metodologi kuantitatif ke dalam studi aksi tokson pada hewan, pendekatan ini melahirkan suatu bidang toksikologi modern, yaitu toksikologi forensik. Dalam bukunya Traite des poison, terbit pada tahun 1814, dia membagi racun menjadi enam kelompok, yaitu: corrosives, astringents, acrids, stupefying or narcotic, narcoticacid, dan septica atau putreficants. 1.2. Pengertian Toksikologi dan Racun Secara sederhana dan ringkas, toksikologi dapat didefinisikan sebagai kajian tentang hakikat dan mekanisme efek berbahaya (efek toksik) berbagai bahan kimia terhadap makhluk hidup dan sistem biologik lainnya. Ia dapat juga membahas penilaian kuantitatif tentang berat dan kekerapan efek tersebut sehubungan dengan terpejannya (exposed) makhluk tadi. Apabila zat kimia dikatakan berracun (toksik), maka kebanyakan diartikan sebagai zat yang berpotensial memberikan efek berbahaya terhadap mekanisme biologi tertentu pada suatu organisme. Sifat toksik dari suatu senyawa ditentukan oleh: dosis, konsentrasi racun di reseptor “tempat kerja”, sifat zat tersebut, kondisi bioorganisme atau sistem bioorganisme, paparan terhadap organisme dan bentuk efek yang 2 ditimbulkan. Sehingga apabila menggunakan istilah toksik atau toksisitas, maka perlu untuk mengidentifikasi mekanisme biologi di mana efek berbahaya itu timbul. Sedangkan toksisitas merupakan sifat relatif dari suatu zat kimia, dalam kemampuannya menimbulkan efek berbahaya atau penyimpangan mekanisme biologi pada suatu organisme. Toksisitas merupakan istilah relatif yang biasa dipergunakan dalam memperbandingkan satu zat kimia dengan lainnya. Adalah biasa untuk mengatakan bahwa satu zat kimia lebih toksik daripada zat kimia lain. Perbandingan sangat kurang informatif, kecuali jika pernyataan tersebut melibatkan informasi tentang mekanisme biologi yang sedang dipermasalahkan dan juga dalam kondisi bagaimana zat kimia tersebut berbahaya. Oleh sebab itu, pendekatan toksikologi seharusnya dari sudut telaah tentang berbagai efek zat kimia atas berbagai sistem biologi, dengan penekanan pada mekanisme efek berbahaya zat kimia itu dan berbagai kondisi di mana efek berbahaya itu terjadi. Pada umumnya efek berbahaya / efek farmakologik timbul apabila terjadi interaksi antara zat kimia (tokson atau zat aktif biologis) dengan reseptor. Terdapat dua aspek yang harus diperhatikan dalam mempelajari interakasi antara zat kimia dengan organisme hidup, yaitu kerja farmakon pada suatu organisme (aspek farmakodinamik / toksodinamik) dan pengaruh organisme terhadap zat aktif (aspek farmakokinetik / toksokinetik) aspek ini akan lebih detail dibahas pada sub bahasan kerja toksik. Telah dipostulatkan oleh Paracelcius, bahwa sifat toksik suatu tokson sangat ditentukan oleh dosis (konsentrasi tokson pada reseptornya). Artinya kehadiran suatu zat yang berpotensial toksik di dalam suatu organisme belum tentu menghasilkan juga keracunan. Misal insektisida rumah tangga (DDT) dalam dosis tertentu tidak akan menimbulkan efek yang berbahaya bagi manusia, namun pada dosis tersebut memberikan efek yang mematikan bagi serangga. Hal ini disebabkan karena konsentrasi tersebut berada jauh dibawah konsentrasi minimal efek pada manusia. Namun sebaliknya apabila kita terpejan oleh DDT dalam waktu yang relatif lama, dimana telah diketahui bahwa sifat DDT yang sangat sukar terurai dilingkungan dan sangat lipofil, akan terjadi penyerapan DDT dari lingkungan ke dalam tubuh dalam waktu relatif lama. Karena sifat fisiko kimia dari DDT, mengakibatkan DDT akan terakumulasi (tertimbun) dalam waktu yang lama di jaringan lemak. Sehingga apabila batas konsentrasi toksiknya terlampaui, barulah akan muncul efek toksik. Efek atau kerja toksik seperti ini lebih dikenal dengan efek toksik yang bersifat kronis. Toksin Clostridium botulinum, adalah salah satu contoh tokson, dimana dalam konsentrasi yang sangat rendah (10-9 mg/kg berat badan), sudah dapat mengakibatkan efek kematian. Berbeda dengan metanol, baru bekerja toksik pada dosis yang melebihi 10 g. Pengobatan parasetamol yang direkomendasikan dalam satu periode 24 jam adalah 4 g untuk orang dewasa dan 90 mg/kg untuk anak-anak. Namun pada penggunaan lebih dari 7 g pada orang dewasa dan 150 mg/kg pada anak-anak akan menimbulkan efek toksik. Dengan demikian, resiko keracunan tidak hanya tergantung pada sifat zatnya sendiri, tetapi juga pada kemungkinan untuk berkontak dengannya dan pada jumlah yang masuk dan diabsorpsi. Dengan lain kata tergantung dengan cara kerja, frekuensi kerja dan waktu kerja. Antara kerja (atau mekanisme kerja) sesuatu obat dan sesuatu tokson tidak terdapat perbedaan yang prinsipil, ia hanya relatif. Semua kerja dari suatu obat yang tidak mempunyai sangkut paut dengan indikasi obat yang sebenarnya, dapat dinyatakan sebagai kerja toksik. Kerja medriatik (pelebaran pupil), dari sudut pandangan ahli mata merupakan efek terapi yang dinginkan, namun kerja hambatan sekresi, dilihat sebagai kerja samping yang tidak diinginkan. Bila seorang ahli penyakit dalam menggunakan zat yang sama untuk terapi, lazimnya keadaan ini manjadi terbalik. Pada seorang anak yang tanpa menyadarinya telah memakan buah Atropa belladonna, maka mediaris maupun mulut kering harus dilihat sebagai gejala keracuanan. Oleh sebab itu ungkapan kerja terapi maupun kerja toksik tidak pernah dinilai secara mutlak. Hanya tujuan penggunaan suatu zat yang mempunyai kerja farmakologi dan dengan demikian sekaligus berpotensial toksik, memungkinkan untuk membedakan apakah kerjanya sebagai obat atau sebagai zat racun. Tidak jarang dari hasil penelitian toksikologi, justru diperoleh senyawa obat baru. Seperti penelitian racun (glikosida digitalis) dari tanaman Digitalis purpurea dan lanata, yaitu diperoleh antikuagulan yang bekerja tidak langsung, yang diturunkan dari zat racun yang terdapat di dalam semanggi yang busuk. Inhibitor asetilkolinesterase jenis ester fosfat, pada mulanya dikembangkan sebagai zat kimia untuk perang, kemudian digunakan sebagai insektisida dan kini juga dipakai untuk menangani glaukoma. Toksikologi modern merupakan bidang yang didasari oleh multi displin ilmu, ia dengan dapat dengan bebas meminjam bebarapa ilmu dasar, guna mempelajari interaksi antara tokson dan mekanisme biologi yang ditimbulkan (lihat gambar 1.1). Ilmu toksikologi ditunjang oleh berbagai ilmu dasar, seperti kimia, biologi, fisika, matematika. Kimia analisis dibutuhkan untuk mengetahui jumlah tokson yang melakukan ikatan dengan reseptor sehingga dapat memberikan efek toksik. Farmakologi Immunologi Patologi Biologi Kimia Toksikologi Kesehatan masyarakat Matematika Lingkungan: - Pencemaran - Akumulasi pencemaran - Kesehatan lingkungan kerja Fisiologi Ekonomi (dari segi manfaat): - Perkembangan obat, zat tambahan pada makanan dan pestisida Forensik: - Aspek medikolegal - Diagnosis - Terapi Gambar 1.1: Hubungan ilmu dasar dan terapan dengan cabang toksikologi (dimodifikasi dari LOOMIS 1979). 3 Bidang ilmu biokimia diperlukan guna mengetahui informasi penyimpangan reaksi kimia pada organisme yang diakibatkan oleh xenobiotika. Perubahan biologis yang diakibatkan oleh xenobiotika dapat diungkap melalui bantuan ilmu patologi, immonologi, dan fisiologi. Untuk mengetahui efek berbahaya dari suatu zat kimia pada suatu sel, jaringan atau organisme memerlukan dukungan ilmu patologi, yaitu dalam menunjukan wujud perubahan / penyimpangan kasar, mikroskopi, atau penyimpangan submikroskopi dari normalnya. Perubahan biologi akibat paparan tokson dapat termanisfestasi dalam bentuk perubahan sistem kekebakan (immun) tubuh, untuk itu diperlukan bidang ilmu immunologi guna lebih dalam mengungkap efek toksik pada sistem kekebalan organisme. Mengadopsi konsep dasar yang dikemukakan oleh Paracelcius, manusia menggolongkan efek yang ditimbulkan oleh tokson menjadi konsentrasi batas minimum memberikan efek, daerah konsentrasi dimana memberikan efek yang menguntungkan (efek terapeutik , lebih dikenal dengan efek farmakologi), batas konsentrasi dimana sudah memberikan efek berbahaya (konsetrasi toksik), dan konstrasi tertinggi yang dapat menimbulkan efek kematian. Agar dapat menetapkan batasan konsentrasi ini toksikologi memerlukan dukungan ilmu kimia analisis, biokimia, maupun kimia instrmentasi, serta hubungannya dengan biologi. Ilmu statistik sangat diperlukan oleh toksikologi dalam mengolah baik data kualitatif maupun data kuantitatif yang nantinya dapat dijadikan sebagai besaran ekspresi parameter-parameter angka yang mewakili populasi. Bidang yang paling berkaitan dengan toksikologi adalah farmakologi, karena ahli farmakologi harus memahami tidak hanya efek bermanfaat zat kimia, tetapi juga efek berbahayanya yang mungkin diterapkan pada penggunaan terapi. Farmakologi pada umumnya menelaah efek toksik, mekanisme kerja toksik, hubungan dosis respon, dari suatu tokson. 1.3. Cakupan dan Subdisiplin Toksikologi Toksikologi sangat luas cakupannya. Ia menangani studi efek toksik “toksisitas” di berbagai bidang, LU (1995) mengelompokkan ke dalam empat bidang, yaitu: − bidang kedokteran untuk tujuan diagnostik, pencegahan, dan terapeutik, 4 − dalam industri makanan sebagai zat tambahan baik langsung maupun tidak langsung, − dalam pertanian sebagai pestisida zat pengatur pertumbuhan, peyerbuk bantuan, dan zat tambahan pada makanan hewan, − dalam bidang industri kimia sebagai pelarut, komponen, dan bahan antara bagi plstik serta banyak jenis bahan kimia lainnya. Di dalam industri kimia juga dipelajari pengaruh logam (misal dalam dalam pertambangan dan tempat peleburan), produk minyak bumi, kertas dan pulpa, tumbuhan beracun, dan racun hewan terhadap kesehatan. LOOMIS (1979) berdasarkan aplikasinya toksikologi dikelompokkan dalam tiga kelompok besar, yakni: toksikologi lingkungan, toksikologi ekonomi dan toksikologi forensik. Toksikologi lingkungan lebih memfokuskan telaah racun pada lingkungan, seperti pencemaran lingkungan, dampak negatif dari akumulasi residu senyawa kimia pada lingkungan, kesehatan lingkungan kerja. Toksikologi ekonomi membahas segi manfaat dan nilai ekonomis dari xenobiotika. Tosikologi forensik menekunkan diri pada aplikasi ilmu toksikologi untuk kepentingan peradilan. Kerja utama dari toksikologi forensik adalah analisis racun baik kualitatif maupun kuantitatif sebagai bukti dalam tindak kriminal (forensik) di pengadilan. Masih dijumpai subdisiplin toksikologi lainnya selain tiga golongan besar diatas, seperti toksikologi analisis, toksikologi klinik, toksikologi kerja, toksikologi hukum, dan toksikologi mekanistik. Untuk menegakan terapi keracunan yang spesifik dan terarah, diperlukan kerjasama antara dokter dan toksikolog klinik. Hasil analisis toksikologi dapat memastikan diagnose klinis, dimana diagnose ini dapat dijadikan dasar dalam melakukan terapi yang cepat dan tepat, serta lebih terarah, sehingga ancaman kegagalan pengobatan (kematian) dapat dihindarkan. Analisis toksikologi klinik dapat berupa analisis kualitatif maupun kuantitatif. Dari hasil analisis kualitatif dapat dipastikan bahwa kasus keracunan adalah memang benar diakibatkan oleh instoksikasi. Sedangkan dari hasil analisis kuantitatif dapat diperoleh informasi tingkat toksisitas pasien. Dalam hal ini diperlukan interpretasi konsentrasi tokson, baik di darah maupun di urin, yang lebih seksama. Untuk mengetahui tepatnya tingkat toksisitas pasien, biasanya diperlukan analisis tokson yang berulang baik dari darah maupun urin. Dari perubahan konsentrasi di darah akan diperoleh gambaran apakah toksisitas pada fase eksposisi atau sudah dalam fase eleminiasi. Keracunan mungkin terjadi akibat pejanan tokson di tempat kerja. Hal ini mungkin dapat mengkibatkan efek buruk yang akut maupun kronik. Efek toksik yang ditimbulkan oleh kesehatan dan keselamatan kerja merupakan masalah bidang toksikologi kerja. Toksikologi kerja merupakan subbagian dari toksikologi lingkungan. Toksikologi hukum mencoba melindungi masyarakat umum dari efek berbahaya tokson dengan membuat undang-undang, peraturan, dan standar yang membatasi atau melarang penggunaan zat kimia yang sangat beracun, juga dengan menentukan syarat penggunaan zat kimia lainnya. Gambaran lengkap tentang efek toksik sangat diperlukan untuk menetapkan peraturan dan standar yang baik. Profil semacam itu hanya dapan ditentukan lewat berbagai jenis penelititan toksikologi yang relevan, dan ini membentuk dasar bagi toksikologi hukum. 1.4. Perkembangan Mutahir Toksikologi Dalam perkembangan beradaban modern, masyarakat menuntut perbaikan kondisi kesehatan dan kehidupan, diantaranya makanan bergizi, mutu kesehatan yang tinggi, pakaian, dan sportasi. Untuk memenuhi tujuan ini, berbagai jenis bahan kimia harus diproduksi dan digunakan, banyak diantaranya dalam jumlah besar. Diperkirakan berribu-ribu bahan kimia telah diproduksi secara komersial baik di negaranegara industri maupun di negara berkembang. Melalui berbagai cara bahan kimia ini kontak dengan penduduk, dari terlibatnya manusia pada proses produksi, distribusi ke konsumen, hingga terakhir pada tingkat pemakai. Meningkatnya jumlah penduduk dunia menuntut, salah satunya meningkatnya jumlah produksi pangan. Dalam hal ini diperlukan bahan kimia, seperti pupuk, pestisida, dan rebisida. Tidak jarang pemakaian pestisida yang tidak sesuai dengan atuaran, atau berlebih justru memberi beban pencemaran terhadap lingkungan, perubahan ekosistem, karena pembasmian pada salah satu insteksida akan berefek pada rantai makanan dari organisme tersebut, sehingga dapat juga mengakibatkan berkurangnya atau bahkan musnahnya predator insek tersebut. Pemakaian pestisida, telah ditengarai mengakibatkan mutasi genetika dari insektisida tersebut, sehingga pada akhirnya melahirkan mutan insek yang justru resisten terhadap pestisida jenis tertentu. Pemakaian pestisida yang tidak benar juga merupakan salah satu penginduksi toksisitas kronik (menahun). Petani berkeinginan mendapatkan keuntungan yang tinggi dari hasil pertaniannya, tidak jarang penyemprotan pestisida berlebih justru dilakukan pada produk pertanian satu-dua hari sebelum panen, dengan tujuan buah atau daun sayuran tidak termakan insek sebelum panen, dengan jalan demikian akan diperoleh buah atau sayuran yang ranun, tidak termakan oleh insek. Namun tindakan ini justru membahayakan konsumen, karena pestisida kemungkinan dapat terakumulasi secara perlahan di dalam tubuh konsumen, melalui konsumsi buah atau sayuran yang sebelumnya diberikan pestisida sebelum panen. Banyaknya kasus keracunan masif akut dan keracunan kronis, yang diakibatkan oleh pencemaran lingkungan akibat proses produksi. Seperti pada tahun 1930 di Detroit, Mich. kontaminasi ginger jake oleh Tri-o-kresil, mengakibatkan neurotoksis, telah mengakibatkan keracunan syaraf pada 16 ribu penduduk. Di London, pada tahun 1952, terjadi peningkatan jumlah kematian penduduk akibat penyakit jantung dan paru-paru. Hal ini disebabkan oleh kontaminasi udara oleh belerang dioksida dan partikel tersuspensi, yang merupakan limbah buangan pabrik di Ingris pada saat itu. Penyakit Minamata di Jepang pada tahun 1950an diakibatkan karena pembuangan limbah industri yang mengandung metil merkuri ke teluk Minamata, yang mengakibatkan ikan di teluk tersebut terkontaminasi oleh metil merkuri. Ikan terkontaminasi ini dikonsumsi oleh penduduk disekitar teluk, mengakibatkan deposisi (pengendapan) metil merkuri di dalam tubuh. Metil merkuri adalah senyawa toksik yang mengakibatkan penyakit neurologik berat, salah satunya mengakibatkan kebutaan. Pada akhir 1950-an sampai awal tahun 1960-an, di Eropa Barat terjadi kasus keracunan yang dikenal dengan kasus Talidomid. Talidomid adalah senyawa kimia yang pertama disintesa untuk obat menekan rasa mual dan muntah. Karena efeknya tersebut pada waktu itu banyak diresepkan pada ibu-ibu hamil, dengan tujuan 5 menekan mual-mutah yang sering muncul masa trimester pertama pada kehamilan. Efek samping yang muncul dari pemakaian ini adalah terlahir janin dengan pertumbuhan organ tubuh yang tidak lengkap, belakangan diketahui bahwa salah satu dari bentuk rasemat Talidomid ini memberikan efek menghambat tertumbuhan organ tubuh pada janin di masa kandungan. Salah satu contoh, kasus pencemaran lingkungan di Indonesia akibat proses produksi adalah kasus teluk Buyat. Sampai saat ini masih kontropersial didiskusikan. Kejadian-kejadian di atas dan peristiwa tragis keracunan masif lainnya telah menghasilkan program pengujian yang lebih intensif, yang telah mengungkapkan beragamnya sifat dan sasaran efek toksik. Pada gilirannya ini menuntut lebih banyak penelitian pada hewan, lebih banyak indikator toksisitas, persyaratan yang lebih ketat sebelum suatu bahan kimia baru dapat dilepas pemakaiannya ke masyarakat, serta melakukan evaluasi dan pemantauan efek toksik senyawa kimia yang telah beredar dan dimanfaatkan oleh masyarakat. Oleh karena itu, ada kebutuhan untuk mempermudah tugas penilaian toksikologik atas begitu banyak bahan kimia, dimana prosedur pengujian toksisitasnya menjadi semakin komplek. Untuk memenuhi kebutuhan ini, beberapa kreteria telah diajukan dan dipakai untuk memilih menurut prioritasnya bahan kimia yang akan diuji. Disamping itu, ”sistem penilaian berlapis” memungkinkan keputusan dibuat pada berbagai tahap pengujian toksikologik, sehingga dapat dihindarkan penelitian yang tidak perlu. Prosedur ini sangat berguna dalam pengujian karsinogenisitas, mutagenisitas, dan imunotoksisitas karena besarnya biaya yang terlibat dan banyaknya sistem uji yang tersedia. Karena banyaknya orang yang terpejan dengan bahan-bahan kimia ini, maka kita harus berupaya mencari pengendalian yang tepat sebelum terjadi kerusakan yang hebat. Karena itu, bila mungkin, ahli toksikologi modern harus mencoba mengidentifikasikan berbagai indikator pejanan dan tanda efeknya terhadap kesehatan yang dini dan reversibel. Hal ini penting untuk menentukan ketentuan keputusan, pada saat yang tepat untuk melindungi kesehatan masyarakat baik sebagai individu yang bekerja maupun masyasakat yang terpejan. Pencapaian di bidang ini telah terbukti dapat membantu para mengambil keputusan (pemerintah) yang bertanggungjawab dalam 6 menjalankan surveilan medik yang sesuai pada pekerja atau masyarakat yang terpejan. Contoh yang menonjol adalah penggunaan penghambat kolinesterase sebagai indikator pejanan pestisida organofosfat dan berbagai parameter biokimia untuk memantau pejanan timbal. Menggunakan indikator biologi seperti jenis ikan tertentu untuk memantau tingkat cemaran limbah cair insdustri sebelum dinyatakan aman untuk dilepaskan ke lingkungan. ”Petanda biologik” semacam itu dimaksudkan untuk mengukur pejanan terhadap tokson atau efeknya di samping untuk mendeteksi kelompok masyarakat yang retan. Kemajuan yang dicapai dalam bidang biokimia dan toksikokinetik, toksikologi genetika, imunotoksikologi, morfologik pada tingkat subsel, serta perkembangan ilmu biologimolekular berperan dalam memberikan pengertian yang lebih baik tentang sifat, tempat, dan cara kerja berbagai tokson. Misalnya perkembangan bidang ilmu tersebut dapat memberikan berbagai metode uji toksikologi secara invitro, dimana target uji langsung pada tingkat sel, seperti uji senyawa yang mengakibatkan kerusakan sel hati ”hepato toksik” dapat dilakukan langsung pada kultur sel hati secara invitro, atau uji tokson yang mempunyai sifat sebagai karsinogen juga dapat dilakukan pada kultur sel normal, disini dilihat tingkat pertumbuhan sel dan perubahan DNA ”asam dioksiribonukleat” yang dialamai oleh sel akibat pejanan tokson uji. Banyak lagi metode uji invitro yang sangat bermanfaat dalam menunjang perkembangan ilmu toksikologi itu sendiri. Salah satu wujud perlindungan kesehatan masyarakat, ahli toksikologi akan selalu terlibat dalam menentukan batas pejanan yang aman atau penilaian resiko dari pejanan. Batas pejanan yang aman mencangkup ”asupan (intake) harian yang diperbolehkan, dan ”nilai ambang batas” dari tokson yang masih dapat ditolerir, sedangkan penilaian resiko digunakan dalam hubungan dengan efek bahan yang diketahui tidak berrabang batas atau ambang batasnya tak dapat ditentukan. Penentuan ini merupakan penelitian menyeluruh tentang sifat toksik, pembuktian dosis yang aman, penentuan hubungan dosis-efek dan dosis-respon, serta penelitian toksokinetik, dan biotransformasi. Meluasnya bidang cakupan dan makin banyaknya subdisiplin toksikologi seperti digambarkan di atas memberikan gambaran tersendiri kemajuan akhir dalam toksikologi. tentang 1.5. Prospek Masa Depan Kemajuan di bidang bioteknologi pertanian, telah terbukti memberikan bebagai kemajuan jika dibandingkan pertanian konvensional. Melalui rekayasa genetika pada tanaman pertanian telah terbukti diperoleh bibit unggul, yang dibandingkan dengan pertanian konvensional sangat sedikit membutuhkan tanah, merupakan andalan dalam meningkatkan pasokan makanan kita. Keamanan makanan semacam ini membutuhkan evaluasi keamanan yang memadai. Bersama dengan ilmu-ilmu lain, toksikologi dapat menyediakan bahan kimia alternatif yang lebih aman untuk pertanian, industri, dan kebutuhan konsumen melalui penentuan hubungan strukturtoksisitas. Pengurangan sifat toksik mungkin dapat dicapai dengan mengubah toksisitas sasaran atau dengan mengubah sifat toksokinetiknya. Toksikologi juga berperan dalam pengembangan obat baru, sudah menjadi prasat dalam pengembangan obat baru harus dibarengi baik uji toksisitas akut maupun toksisitas krinis, dengan persyaratan uji yang ketat. Penilaian tentang keamanannya merupakan tantangan dan tunggung jawab toksikologi. Karena imbauan masyarakat untuk mengurangi penggunaan hewan coba dengan alasan prikemanusiaan, maka lebih sering digunakan organ terisolasi, jaringan biakan, sel, dan bentukbentuk kehidupan yang lebih rendah. Sistem ini memiliki banyak keuntungan, seperti pengujian yang lebih cepat dan lebih murah, miningkatkan keragaman penelitian terutamanya yang berkaitan dengan mekanisme keracunan. Dengan meningkatnya tuntutan ini akan mendorong perbaikan prosedur pengujian yang lebih sederhana dan handal, seperti misal pengujian karsinogen “uji kanker”, uji mutagenesis, menggunakan “petanda biologik” (biomarker) yaitu kultur sel kanker. Mingkatnya kebutuhan akan uji toksikologik, namun pada kenyataannya terdapat keterbatasan akan fasilitas dan sumber daya manusia yang memenuhi syarat, oleh sebab itu maka data toksisitas yang dihasilkan dimana saja sebaiknya dapat diterima secara international. Agar datadata tersebut dapat diterima secara umum, maka data tersebut harus memenuhi standar tertentu. Untuk itu lembaga terkemuka dunia mengeluarkan standar seperti yang dikeluarkan oleh Lembaga pengawas obat dan makanan Amerika (FDA) mengeluarkan “Good Laboratory Practice” , dimana standar ini dapat diterima secara international. Pada akhirnya, ahli toksikologi harus terus memperbaiki prosedur uji untuk mengurangi hasil positif palsu dan negatif palsu, dan terus melakukan penelitian yang dirancang untuk meningkatkan pemahaman yang lebih baik akan pentingnya efek toksik sehingga penilaian keamanan / resiko berbagai tokson dapat dilakukan dengan hasil lebih memuaskan. Pertanyaan: 1. Buatlah uraian singkat perkembangan ilmu toksikologi sampai menjadi suatu ilmu modern. 2. Siapa yang pertama kali meletakkan konsep dasar pada bidang toksikologi, dimana konsep tersebut sampai saat ini masih relapan dan mendasari teori hubungan tokson dan reseptor, jelaskan hubungan konsep tersebut dangan hubungan dosis, reseptor dan efek? 3. Siapa yang meletakkan nilai penting analisis kimia dalam ilmu toksikologi? 4. Sebutkan tantangan masa depan ahli toksikologi! Bahan Bacaan: 1. Ariens,E.J., Mutschler,E., Simonis,A.M., 1985, Toksikologi Umum, Pengantar, Wattimena,Y.R.(terj.), Gadjah Mada University Press,Yogyakarta. 2. Hardman J.G., Goodman Gilman, A., Limbird, L.E., 1996, Goodman & Gilman’s, The pharmacological Basis of Therapeutics, 9th edn, Mc Graw-Hill, New York 3. Ling, L.J., 2000, Toxikology Secrets, Hanley & Belfus, Inc. Philadelphia 4. Loomis, T.A., 1978, Toksikologi Dasar, Donatus, A. (terj.) IKIP Semarang Press, Semarang 5. Lu, F.C., 1995, Toksikologi Dasar, Asas, Organ Sasaran, dan Penilaian Resiko, Nugroho, E. (terj.), UI Press, Jakarta 7 BAB II KERJA DAN EFEK TOKSIK Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat menjelaskan fase kerja suatu tokson hingga menimbulkan efek toksik serta foktor-faktor yang berpengaruh. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): Setelah mendiskusikan materi ini peserta didik diharapkan: y dapat menjelaskan tahapan-tahapan proses yang terjadi pada fase kerja toksik dengan benar, y dapat menggambarkan jalur eksposisi tokson pada organiseme dan proses eksposisi dengan benar, y dapat memahami proses absorpsi, transpor, distribusi dan eliminasi tokson dengan benar, y dapat menggambarkan proses interaksi tokson dan reseptor dengan benar y dapat menggambarkan dengan benar faktor-faktor farmsetika, biologis, serta lingkungan yang berpengaruh pada kerja toksik. 2.1. PENDAHULUAN 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 toksokinetik dan fase toksodinamik. Dalam menelaah interaksi xenobiotika/tokson dengan organisme hidup terdapat dua aspek yang perlu diperhatikan, yaitu: kerja xenobiotika pada organisme dan pengaruh organisme terhadap xenobiotika. Yang dimaksud dengan kerja tokson pada organisme adalah sebagai suatu senyawa kimia yang aktif secara biologik pada organisme tersebut (aspek toksodinamik). Sedangkan reaksi organisme terhadap xenobiotika/tokson umumnya dikenal dengan fase toksokinetik. Fase eksposisi merupakan kontak suatu organisme dengan xenobiotika, pada umumnya, kecuali radioaktif, hanya dapat terjadi efek toksik/ farmakologi setelah xenobiotika terabsorpsi. Umumnya hanya tokson yang berada dalam bentuk terlarut, terdispersi molekular dapat terabsorpsi menuju sistem sistemik. Dalam konstek pembahasan efek obat, fase ini umumnya dikenal dengan fase farmaseutika. Fase farmaseutika meliputi hancurnya bentuk sediaan obat, kemudian zat aktif melarut, terdispersi molekular di tempat kontaknya. Sehingga zat aktif berada dalam keadaan siap terabsorpsi menuju sistem sistemik. Fase ini sangat ditentukan oleh faktor-faktor farmseutika dari sediaan farmasi. 8 Fase toksikinetik disebut juga dengan fase farmakokinetik. Setelah xenobiotika berada dalam ketersediaan farmasetika, pada mana keadaan xenobiotika siap untuk diabsorpsi menuju aliran darah atau pembuluh limfe, maka xenobiotika tersebut akan bersama aliran darah atau limfe didistribusikan ke seluruh tubuh dan ke tempat kerja toksik (reseptor). Pada saat yang bersamaan sebagian molekul xenobitika akan termetabolisme, atau tereksresi bersama urin melalui ginjal, melalui empedu menuju saluran cerna, atau sistem eksresi lainnya. Fase toksodinamik adalah interaksi antara tokson dengan reseptor (tempat kerja toksik) dan juga proses-proses yang terkait dimana pada akhirnya muncul efek toksik/farmakologik. Interaksi tokson-reseptor umumnya merupakan interaksi yang bolak-balik (reversibel). Hal ini mengakibatkan perubahan fungsional, yang lazim hilang, bila xenobiotika tereliminasi dari tempat kerjanya (reseptor). Selain interaksi reversibel, terkadang terjadi pula interaksi tak bolak-balik (irreversibel) antara xenobiotika dengan subtrat biologik. Interaksi ini didasari oleh interaksi kimia antara xenobiotika dengan subtrat biologi dimana terjadi ikatan kimia kovalen yang bersbersifat irreversibel atau berdasarkan perubahan kimia dari subtrat biologi akibat dari suatu perubaran kimia dari xenobiotika, seperti pembentukan peroksida. Terbentuknya peroksida ini mengakibatkan luka kimia pada substrat biologi. Secara keseluruhan deretan proses sampai terjadinya efek toksik / farmakologi dapat digambarkan dalam suatu diagram seperti pada gambar 2.1. Dari gambaran singkat di atas dapat digambarkan dengan jelas bahwa efek toksik / farmakologik suatu xenobiotika tidak hanya ditentukan oleh sifat toksokinetik xenobiotika, tetapi juga tergantung kepada faktor yang lain seperti: − bentuk farmasetika dan bahan tambahan yang digunakan, Fase eksposisi − jenis dan tempat eksposisi, − keterabsorpsian dan kecepatan absorpsi, − distribusi xenobiotika dalam organisme, − ikatan dan lokalisasi dalam jaringan, − biotransformasi (proses metabolisme), dan − keterekskresian dan kecepatan ekskresi, dimana semua faktor di atas dapat dirangkum ke dalam parameter farmaseutika dan toksokinetika (farmakokinetika). Kontak / Penggunaan Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut zat aktif tersedia untuk di absorpsi (ketersidaan farmeseutika) Fase toksokinetik Absorpsi Deposisi Biotransformasi Distribusi Eskresi zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik) Fase toksodinamik Efek Farmakologis Efek Klinis terjadi interaksi tokson - reseptor dalam organ efektor Efek Toksik Gambar 2.1.: Deretan rantai proses pada fase kerja toksik dalam organisme secara biologik dikelompokkan menjadi: fase eksposisi, toksokinetik ”farmakokinetik”, dan fase toksodinamik ”farmakodinamik” (disadur dari Mutschler, (1999), Arzneimittelwirkungen: Lehrbuch der Pharmakologie und Toxikologie; mit einführenden Kapiteln in die Anatomie, Phyiologie und Pathophysiologie. Unter mitarb. von Schäfer-Korting. -7völlig neu bearb. und erw. Aufl., Wiss. Verl.-Ges, Stuttgart, hal. 6, dengan modifikasi) 9 2.2. FASE EKSPOSISI Dalam fase ini terjadi kotak antara xenobiotika dengan organisme atau dengan lain kata, terjadi paparan xenobiotika pada organisme. Paparan ini dapat terjadi melalui kulit, oral, saluran pernafasan (inhalasi) atau penyampaian xenobiotika langsung ke dalam tubuh organisme (injeksi). Jika suatu objek biologik terpapar oleh sesuatu xenobiotika, maka, kecuali senyawa radioaktif, efek biologik atau toksik akan muncul, jika xenobiotika tersebut telah terabsorpsi menuju sistem sistemik. Umumnya hanya xenobiotika yang terlarut, terdistribusi molekular, yang dapat diabsorpsi. Dalam hal ini akan terjadi pelepasan xenobiotika dari bentuk farmaseutikanya. Misalnya paparan xenobiotika melalui oral (misal sediaan dalam bentuk padat: tablet, kapsul, atau serbuk), maka terlebih dahulu kapsul/tablet akan terdistegrasi (hancur), sehingga xenobiotika akan telarut di dalam cairan saluran pencernaan. Xenobiotika yang terlarut akan siap terabsorpsi secara normal dalam duodenal dari usus halus dan ditranspor melalui pembuluh kapiler mesenterika menuju vena porta hepatika menuju hati sebelum ke sirkulasi sistemik. Penyerapan xenobiotika sangat tergantung pada konsentrasi dan lamanya kontak antara xenobiotika dengan permukaan organisme yang berkemampuan untuk mengaborpsi xenobiotika tersebut. Dalam hal ini laju absorpsi dan jumlah xenobitika yang terabsorpsi akan menentukan potensi efek biologik/toksik. Pada pemakaian obat, fase ini dikenal dengan fase farmaseutika, yaitu semua proses yang berkaitan dengan pelepasan senyawa obat dari bentuk farmasetikanya (tablet, kapsul, salep, dll). Bagian dosis dari senyawa obat, yang tersedia untuk diabsorpsi dikenal dengan ketersediaan farmaseutika. Pada kenyataannya sering dijumpai, bahwa sediaan tablet dengan kandungan zat aktif yang sama dan dibuat oleh fabrik farmasi yang berbeda, dapat memberikan potensi efek farmakologik yang berbeda. Hal ini dapat disebabkan oleh perbedaan ketersediaan farmaseutikanya. Perbedaan ketersediaan farmaseutika suatu sediaan ditentukan oleh sifat fisiko-kimia, umpamanya ukuran dan bentuk kristal, demikian pula jenis zat pembantu (tambahan pada tablet) dan metode fabrikasi. Disamping bentuk farmaseutika yang berpengaruh jelas terhadap absorpsi dan demikian pula tingkat toksisitas, sifat fisiko-kimia dari xenobiotika (seperti bentuk dan ukuran kristal, kelarutan dalam air atau lemak, konstanta disosiasi) tidak boleh diabaikan dalam hal ini. Laju absorpsi suatu xenobiotika ditentukan juga oleh sifat membran biologi dan aliran kapiler darah tempat kontak. Suatu xenobiotika, agar dapat diserap/diabsorpsi di tempat kontak, maka harus melewati membran sel di tempat kontak. Suatu membran sel biasanya terdiri atas lapisan biomolekular yang dibentuk oleh molekul lipid dengan molekul protein yang tersebar diseluruh membran (lihat gambar 2.2.). Jalur utama bagi penyerapan xenobiotika adalah saluran cerna, paru-paru, dan kulit. Namun pada keracunan aksidential, atau penelitian toksikologi, paparan xenobiotika dapat terjadi melalui jalur injeksi, seperti injeksi intravena, intramuskular, subkutan, intraperitoneal, dan jalur injeksi lainnya. protein integral protein periferal lapisan lemak bimolekul Gambar 2.2.: Diagram sistematis membran biologi. 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), Science, 175, 720, dalam LU,Toksikologi Dasar; Asas, Organ Sasaran, dan Penilaian Risiko, Jakarta, UI-Press,1995, hal. 14, dengan modifikasi). 10 2.2.1. Eksposisi melalui kulit. Eksposisi (pemejanan) yang palung mudah dan paling lazim terhadap manusia atau hewan dengan segala xenobiotika, seperti misalnya kosmetik, produk rumah tangga, obat topikal, cemaran lingkungan, atau cemaran industri di tempat kerja, ialah pemejanan sengaja atau tidak sengaja pada kulit. Kulit terdiri atas epidermis (bagian paling luar) dan dermis, yang terletak di atas jaringan subkutan. Tebal lapisan epidermis adalah relatif tipis, yaitu rata-rata sekitar 0,1-0,2 mm, sedangkan dermis sekitar 2 mm. Dua lapisan ini dipisahkan oleh suatu membran basal (lihat gambar 2.3). Lapisan epidermis terdiri atas lapisan sel basal (stratum germinativum), yang memberikan sel baru bagi lapisan yang lebih luar. Sel baru ini menjadi sel duri (stratum spinosum) dan, natinya menjadi sel granuler (stratum granulosum). Selain itu sel ini juga menghasilkan keratohidrin yang nantinya menjadi keratin dalam stratum corneum terluar, yakni lapisan tanduk. Epidermis juga mengandung melanosit yang mengasilkan pigmen dan juga sel langerhans yang bertindak sebagai makrofag dan limfosit. Dua sel ini belakangan diketahui yang terlibat dalam berbagai respon imun. dan mastosit. Di bawah dermis terdapat jaringan subkutan. Selain itu, ada beberapa struktur lain misalnya folikel rambut, kelenjar keringan, kelenjar sebasea, kapiler pembuluh darah dan unsur syaraf. Pejanan kulit terhadap tokson sering mengakibatkan berbagai lesi (luka), namun tidak jarang tokson dapat juga terabsorpsi dari permukaan kulit menuju sistem sistemik. 2.2.2. Eksposisi melalui jalur inhalasi. 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. Disamping itu perlu diingat, bahwa saluran pernafasan merupakan sistem yang komplek, yang secara alami dapat menseleksi partikel berdasarkan ukurannya. Oleh sebab itu ambilan dan efek toksik dari tokson yang dihirup tidak saja tergantung pada sifat toksisitasnya tetapi juga pada sifat fisiknya. lapisan tanduk EPIDERMIS folikel rambut D E R M I S kapiler darah JARINGAN SUBKUTAN Gambar 2.3.: Potongan lintang kulit yang menunjukkan dua lapisan utama epidermis dan dermis. Dermis terutama terdiri atas kolagen dan elastin yang merupakan struktur penting untuk mengokong kulit. Dalam lapisan ini ada beberapa jenis sel, yang paling banyak adalah fibroblast, yang terlibat dalam biosintesis protein berserat, dan zat-zat dasar, misalnya asam hialuronat, kondroitin sulfat, dan mukopolisakarida. Disamping sel-sel tersebut, terdapat juga sel lainnya antara lain sel lemak, makrofag, histosit, Gambar 2.4: Skema saluran pernafasan manusia. terdiri atas nasofaring, saluran trakea dan bronkus, serta acini paru-paru, yang terdiri atas bronkiol pernafasan, saluran alveolar, dan alveoli. Saluran pernafasan terdiri atas nasofaring, saluran trakea dan bronkus, serta acini paru-paru, yang terdiri atas bronkiol pernafasan, saluran alveolar, dan alveoli (lihat gambar 2.4). Nasofaring berfungsi membuang partikel besar dari udara yang dihirup, menambahkan uap air, dan mengatur suhu. Umumnya partikel besar ( > 11 10 µm) tidak memasuki saluran napas, kalau masuk akan diendapkan di hidung dan dienyahkan dengan diusap, dihembuskan dan berbangkis. Saluran trakea dan bronkus berfungsi sebagai saluran udara yang menuju alveoli. Trakea dan bronki dibatasi oleh epiel bersilia dan dilapisi oleh lapisan tipis lendir yang disekresi dari sel tertentu dalam lapisan epitel. Dengan silia dan lendirnya, lapisan ini dapat mendorong naik partikel yang mengendap pada permukaan menuju mulut. Partikel yang mengandung lendir tersebut kemudian dibuang dari saluran pernafasan dengan diludahkan atau ditelan. Namun, butiran cairan dan partikel padat yang kecil juga dapat diserap lewat difusi dan fagositosis. Fagosit yang berisi partikel-partikel akan diserap ke dalam sistem limfatik. Beberapa partikel bebas dapat juga masuk ke saluran limfatik. Partikel-partikel yang dapat terlarut mungkin diserap lewat epitel ke dalam darah. karena cairan usus yang bersifat basa, akan berada dalam bentuk non-ioniknya, sehingga senyawa basa lemah akan lebih mudah terserap melalui usus ketimbang lambung. Pada umumnya tokson melintasi membran saluran pencernaan menuju sistem sistemik dengan difusi pasif, yaitu transpor dengan perbedaan konsentrasi sebagai daya dorongnya. Namun disamping difusi pasif, juga dalam usus, terdapat juga transpor aktif, seperti tranpor yang tervasilitasi dengan zat pembawa (carrier), atau pinositosis. Alveoli merupakan tempat utama terjadinya absorpsi xenobiotika yang berbentuk gas, seperti carbon monoksida, oksida nitrogen, belerang dioksida atau uap cairan, seperti bensen dan karbontetraklorida. Kemudahan absorpsi ini berkaitan dengan luasnya permukaan alveoli, cepatnya aliran darah, dan dekatnya darah dengan udara alveoli. Laju absorpsi bergantung pada daya larut gas dalam darah. Semakin mudah larut akan semakin cepat diabsorpsi. 2.2.3. Eksposisi melalui jalur saluran cerna. Pemejanan tokson melalui saluran cerna dapat terjadi bersama makanan, minuman, atau secara sendiri baik sebagai obat maupun zat kimia murni. Pada jalur ini mungkin tokson terserap dari rongga mulut (sub lingual), dari lambung sampai usus halus, atau eksposisi tokson dengan sengaja melalui jalur rektal. Kecuali zat yang bersifat basa atau asam kuat , atau zat yang dapat merangsang mukosa, pada umumnya tidak akan memberikan efek toksik kalau tidak diserap. Cairan getah lambung bersifat sangat asam, sehingga senyawa asam-asam lemah akan berada dalam bentuk non-ion yang lebih mudah larut dalam lipid dan mudah terdifusi, sehingga senyawa-senyawa tersebut akan mudah terserap di dalam lambung. Berbeda dengan senyawa basa lemah, pada cairan getah lambung akan terionkan oleh sebab itu akan lebih mudah larut dalam cairan lambung. Senyawa basa lemah, 12 Gambar 2.5. Skema saluran pencernaan manusia 2.3. FASE TOKSOKINETIK Proses biologik yang terjadi pada fase toksokinetik umumnya dikelompokkan ke dalam proses invasi dan evesi. Proses invasi terdiri dari absorpsi, transpor, dan distribusi, sedangkkan evesi juga dikenal dengan eleminasi. Absorpsi suatu xenobiotika adalah pengambilan xenobiotika dari permukaan tubuh (disini termasuk juga mukosa saluran cerna) atau dari tempat-tempat tertentu dalam organ dalaman ke aliran darah atau sistem pembuluh limfe. Apabila xenobiotika mencapai sistem sirkulasi sistemik, xenobiotika akan ditranspor bersama aliran darah dalam sistem sirkulasi. WEISS (1990) membagi distribusi ke dalam konveksi (transpor xenobiotika bersama peredaran darah) dan difusi (difusi xenobiotika di dalam sel atau jaringan). Sedangkan eliminasi (evesi) adalah semua proses yang dapat menyebabkan penurunan kadar xenobiotika dalam sistem biologi / tubuh organisme, proses tersebut reaksi biotransformasi dan ekskresi. Sederetan proses tersebut sering disingkat dengan ADME, yaitu: adsorpsi, distribusi, metabolisme dan eliminasi. Proses absorpsi akan menentukan jumlah xenobiotika (dalam bentuk aktifnya) yang dapat masuk ke sistem sistemik atau mencapai tempat kerjanya. Jumlah xenobiotika yang dapat masuk ke sistem sistemik dikenal sebagai ketersediaan biologi / hayati. Keseluruhan proses pada fase toksokinetik ini akan menentukan menentukan efficacy (kemampuan xenobiotika mengasilkan efek), efektifitas dari xenobiotika, konsentrasi xenobiotika di reseptor, dan durasi dari efek farmakodinamiknya. Farmakokinetik dapat juga dipandang suatu bidang ilmu, yang mengkaji perubahan konsentrasi (kinetika) dari xenobiotika di dalam tubuh organisme sebagai fungsi waktu. Secara umum toksokinetik menelaah tentang 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. 2.3.1. Absorpsi Absorpsi ditandai oleh masuknya xenobiotika/tokson dari tempat kontak (paparan) menuju sirkulasi sistemik tubuh atau pembuluh limfe. Absorpsi didefinisikan sebagai jumlah xenobiotika yang mencapai sistem sirkululasi sistemik dalam bentuk tidak berubah. Tokson dapat terabsorpsi umumnya apabila berada dalam bentuk terlarut atau terdispersi molekular. Absorpsi sistemik tokson dari tempat extravaskular dipengaruhi oleh sifat-sifat anatomik dan fisiologik tempat absorpsi (sifat membran biologis dan aliran kapiler darah tempat kontak), serta sifat-sifat fisiko-kimia tokson dan bentuk farmseutik tokson (tablet, salep, sirop, aerosol, suspensi atau larutan). Jalur utama absorpsi tokson adalah saluran cerna, paru-paru, dan kulit. Pada pemasukan tokson langsung ke sistem sirkulasi sistemik (pemakaian secara injeksi), dapat dikatakan bahwa tokson tidak mengalami proses absorpsi. Absorpsi 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. Pada awalnya membran biologi dipandang sebagai susunan sel, yang tersusun dengan cara yang sama. Namun hasil penelitian menunjukkan, bahwa terdapat perbedaan yang jelas dalam struktur membran pada berbagai jaringan. Pandangan ini pertama kali dikemukakan oleh LEONARD dan SINGER dengan model FluidMosaik-nya (gambar 2.2). Menurut model ini membran terdiri atas lapisan rangkap lipid dan protein, seperti pulau, terikat di dalamnya atau di atasnya dan dengan demikian membentuk mosaik. Seluruh protein yang mencapai membran membentuk pori dalam lapisan rangkap lipid. Dengan demikian telah digambarkan bahwa membran biologik tidak statik melainkan dinamik, yang diartikan berubah secara terus menerus. Transpor xenobiotika lewat membran sel. Penetrasi xenobiotika melewati membran dapat berlangsung melalui: (a) difusi pasif, (b) filtrasi lewat pori-pori membran ”poren”, (c) transpor dengan perantara molekul pengemban ”carrier”, (d) pencaplokan oleh sel ”pinositosis” (a) Difusi pasif. Difusi pasif merupakan bagian terbesar dari proses transmembran bagi umumnya xenobiotika. Tenaga pendorong untuk difusi ini adalah perbedaan konsentrasi xenobiotika pada kedua sisi membran sel dan daya larutnya dalam lipid. Menurut hukum difusi Fick, molekul xenobiotika berdifusi dari daerah 13 dengan konsentrasi tinggi ke daerah konsentrasi yang lebih rendah: dQ DAK (∆C ) = dt h 2.1 Jadi berdasarkan hukum Fick, transpor suatu xenobiotika berbanding langsung dengan perbedaan konsentrasi (∆C), luas permukaan membran ”A”, koefisien distribusi (partisi) xenobiotika bersangkutan ”K”, serta koefisien difusinya ”D”, dan berbanding terbalik dengan tebal membran ”h”. Oleh karena xenobiotika akan didistribusikan secara cepat ke dalam suatu volume yang besar sesudah masuk ke sistem sirkulasi sistemik, maka konsentrasi xenobiotika di dalam sistem sirkulasi akan menjadi sangat rendah dibandingkan terhadap konsentrasi xenobiotika di tempat eksposisi. Sebagai contoh, dosis obat biasanya dalam miligram, sedangkan konsentrasi dalam plasma seringkali menjadi mikrogram per mililiter atau nanogram per mililiter. Apabila obat diberikan per-oral, maka konsentrasi obat di saluran cerna akan jauh lebih besar dibandingkan dalam plasma, perbedaan konsentrasi yang besar ini yang berperan sebagai ”daya penggerak” selama absorpsi. Bila D, A, K, dan h tetap di bawah keadaan yang umum untuk absorpsi, diperoleh suatu tetapan gabungan P atau koefisien permeabilitas ( P = DAK h ). Jadi secara umum koefisien permeabilitas membran sel ditentukan oleh: sifat pisiologi membran (luar permukaan membran, tebal membran, koefisien difusi membran), dan sifat fisiko-kimia xenobiotika (koefiesen partisi/ distribusi dari xenobiotika). Koefisien partisi ”K” menyatakan partisi xenobiotika dalam minyak/air. Peningkatan kelarutan dalam lemak (lipofilitas) suatu xenobiotika akan diikuti dengan peningkatan harga K-nya, dan dengan demikian juga terjadi meningkatkan laju difusi xenobiotika tersebut melalui membran sel. Jika harga K dari suatu xenobiotika sangat tinggi, maka pada awalnya xenobiotika tersebut akan sangat cepat terlarut dalam lapisan lipid bagian luar membran. Namun karena membran biologi tersusun atas lapisan ganda lemak, yang disispi oleh lapisan berair, maka xenobiotika tersebut akan terakumulasi pada lapisan luar lipid membran sel dan sangat kecil akan melewati lapisan berair dari membran sel, sehingga sangat kecil kemungkinan xenobiotika ini akan menembus membran sel. 14 Oleh karena itu laju absorpsi akan meningkat sebanding dengan peningkatan lipofilitas xenobiotika sampai batas maksimum, dan kemudian laju absorpsi akan kembali menurun. Hal itu dapat terlihat dari hubungan jumlah atom C dengan aktivitas anti-bakteri seri homolog nalifatis alkohol (R-OH). Pada gambar 2.6 menggambarkan peningkatan aktivitas antibakteri sebanding dengan bertambahnya jumlah atom C pada homolg n-alifatis alkohol, namun sampai pada jumlah atom C tertentu tercapai aktivitas maksimum dan dengan perpanjangan jumlah atom C selanjutnya justru menurunkan aktivitas anti-baktrinya. Gambar 2.6.: Hubungan jumlah atom C dengan aktivitas anti-bakteri seri homolog nalifatis alkohol (R-OH) (Disadur dari Siswandono, (2006), Peran Kimia Medisinal bagi apoteker sebagai drugs informer, Seminar sehari HUT ISFI ke 51, 17 Juni 2006, dengan modifikasi) Namun dengan demikian bukan berarti senyawa yang sangat lipofil tidak akan terserap ke dalam tubuh. Senyawa seperti ini, misal Vitamin A atau insektisida DTT yang praktis tidak larut dalam air, terlebih dahulu harus diperlarutkan atau disolubilisasikan. Solubilisasi senyawa seperti ini dapat berlangsung di usus halus, terutama dengan bantuan garam empedu. Xenobiotika yang luar biasa lipofil dapat diabsorpsi bersama lemak (seperti kolesterin) sebagai kilomikron ke dalam sistem limfe. Dalam hal ini juga ikut mengambil bagian garam asam empedu yang bersifat aktif permukaan. Bagian lipofil dari asam empedu akan berikatan dengan xenobiotika lipofil dan membukusnya selanjutnya membentuk misel (lihat Gambar 2.7) Permukaan ion dari garam empedu akan mengarah ke larutan hidrofil ”air”. Dengan demikian xenobiotika ini dapat tersolubilisasi dalam lapisan air, sehingga absorpsi pun dapat berlangsung. untuk basa (BH+) berlaku BH + ← → B + H + [B] = 10 ( pKa − pH ) rasio = BH + [ Gambar 2.7. Pembentukan emulsi oleh senyawa aktif permukaan ”surfaktan” (a) emulsi minyak dalam air dengan perantara surfaktan, zat lipofil (misal Vit A / lingkaran hitam) larut dalam bagian lipofil dari surfaktan, dengan cara ini zat yang mudah disolubilisasi di dalam air; (b) Emulsi air-minyak tetesan air terperangkap dalam emulgator surfaktan dan terdispersikan di dalam minyak (dikutif dari Ariens et al., 1985, hal 41, dengan modifikasi) Disamping lipofilitas dari xenobiotika, menurut hukum Ficks, konstanta permiabilitas juga ditentukan oleh koefisien difusi dan tebal membran difusi. Pada umumnya koefesien difusi dari xenobiotika melalui membran biologi sangat kecil pengaruhnya pada laju absorpsi. Ketebalan membran sel umumnya sangat bervariasi, bergantung pada tempat absorpsi. Namun pada umumnya tebal membran biologi berkisar hanya beberapa mikron saja, sehingga ketebalan membran sel dapat diabaikan. Kebanyakan obat bersifat asam atau basa lemah, dimana umumnya dalam larutan berair akan berada dalam bentuk ion dan non-oinnya. Bentuk ion sering tidak dapat menembus membran sel karena daya larut dalam lipidnya yang rendah. Sebaliknya, bentuk non-ion cukup larut dalam lipid sehingga dapat menembus membran dengan laju penetrasi yang bergantung pada lipofililitasnya. Tingkat ionisasi asam dan basa organik lemah bergantung pada pH medium, dan konstanta disosiasi asam-basanya (pKa). Perbandingan bentuk ion dan non-ion digambarkan oleh persamaan HendersonHasselbalch: untuk asam (HA) berlaku: HA ←→ H + + A− ka rasio = [HA] = 10 ( pKa − pH ) [A ] − (2.2) ] (2.3) Sebagai contoh senyawa obat warfarin adalah asam lemah dengan pKa = 4.8, pada pH cairan biologis yang sama dengan pKa, maka 50% warfarin akan berada dalam bentuk ionnya. Jika pH lingkungan meningkat satu tingkat menjadi 5,8, maka hanya sekitar 10% dari warfarin yang berada dalam bentun non-ionnya. Apabila warfarin diberikan melalui jalur oral, maka dapat diperkirakan warfarin akan lebih mudah diserap di lambung ketimbang di usus halus, karena pH lambung umumnya bersifat asam berkisar 1,5 7,0. Pada pH 3,8 hampir sekitar 90 % warfarin berada dalam bentuk tidak terionkan, dalam hal ini warfarin berada dalam kadaan siap untuk diabsorpsi. Akan belawanan, jika warfarin berada di usus halus, dimana pH usus halus lebih bersifat basa ketimbang lambung berkisar antara 7-8. Dalam pH ini hampir lebih dari 99% warfarin berada dalam bentuk ionnya, sehingga dapat dipastikan warfarin akan susah terabsorpsi melalui usus halus. Hal yang sebaliknya akan terjadi pada senyawa obat yang bersifat basa lemah. Pada gambar 2.8 menggambarkan ilustrasi difusi senyawa asam dan basa melintasi membran dipengaruhi oleh ionisasi di kedua daerah membran. Disamping faktor-faktor diatas, laju aliran darah di pembuluh-pembuluh kapiler di tempat absorpsi juga merupakan salah satu faktor berpengaruh pada laju absorpsi suatu xenobiotika. Laju aliran darah akan berpengaruh pada perbedaan konsentrasi xenobiotika di kedua sisi membran. Pada awal absorpsi umumnya konsentrasi xenobiotika di tempat absorpsi jauh lebih tinggi ketimbang di sisi dalam membran (sebut saja dalam kapiler darah periper). Apabila laju aliran pada pembuluh darah kapiler tersebut relatif cepat, maka xenobiotika akan dengan cepat terbawa menuju seluruh tubuh, sehingga pada tempat absorpsi, sehingga kesetimbangan konsentrasi antara tempat absorpsi dan kapiler darah akan lebih lama tercapai dan terdapat perbedaan konsentrasi antar dua sisi yang relatif besar. Difusi akan tetap berlangsung selama terdapat berbedaan konsentrasi antara kedua sisi membran. 15 pori-pori terjadi karena tekanan hidrostatik dan/atau osmotik dan dapat bertindak sebagai pembawa tokson. (c) transpor dengan perantara molekul pengemban ”carrier” Transpor dengan perantara molekul pengemban lebih dikenal dengan transpor aiktif, yaitu proses melinatasi membran sel diperantarai oleh pembawa ”carrier”. Transpor aktif merupakan proses khusus yang memerlukan pembawa untuk mengikat tokson membentuk komplek toksonpembawa yang membawa tokson lewat membran dan kemudian melepas tokson di sisi lain dari membran. Sesuai dengan sifat dari transpor ini, umumnya transpor ini ditandai dengan pewatakanya adanya fakta bahwa tokson dipindahkan melawan perbedaan konsentrasi, misal dari dari daerah konsentrasi tokson rendah ke daerah konsentrasi tinggi. Oleh sebab itu pada sistem transpor ini umumnya memerlukan masukan energi untuk dapat terjadi transpor. Gambar 2.8. Difusi bentuk non-ion senyawa asam dan basa melalui membran biologik (b) Filtrasi lewat pori-pori membran ”poren”. Membran sel umumnya memilika lubang dengan ukuran yang bervariasi tergantung pada sifat dari membran selnya. Umumnya kebanyakan sel mempunyai pori dengan diameter sekitar 4 Å (amstom). Saluran pori ini umumnya penuh terisi air, sehingga hanya memungkinkan dilewati oleh tokson yang relatif larut air dengan berat molekul kurang dari 200 Da (Dalton). Oleh karena itu, kemungkinan laju aliran air melewati pori ini yang bertindak sebagai daya dorong molekul-molekul tokson melintasi pori ini. Terdapat asumsi, bahwa pemberian suatu obat dengan derajat hipotonik yang tinggi akan mempercepat laju absorpsi obat melalui pori. Namun anggapan ini akan bertentangan dengan kecepatan difusi suatu tokson. Umumnya senyawa dengan ukuran molekul kecil, (seperti urea, air, gula dan ion Ca, Na, K) memanfaatkan lubang pori ini untuk melintasi membran sel. Laju absorpsi lewat sistem ini Disamping itu terdapat juga membran sel yang memiliki ukuran pori yang relatif besar (sekitar 70 Å), seperti memban kapiler dan glomerulus ginjal. Pori ini dimungkinkan dilewati oleh molekul-molekul dengan ukuran lebih kecil dari albumin ( sekitar 50.000 Da). Aliran air lewat 16 Jalu transpor ini akan bergantung pada jumlah molekul pembawa, atau dengan lain kata, jumlah molekul tokson yang dapat diangkut (ditranspor) oleh sistem per satuan waktu, tergantung pada kapasitas sistem (jumlah tempat ikatan dan angka pertukaran tiap ikatan). Bila konsentrasi tokson pada sistem meningkat secara terus menerus, sehingga pada awalnya laju transpor akan meningkat, dan akhirnya tercapai suatu keadaan yang menunjukkan sistem menjadi jenuh. Dengan demikian laju transpor akan mencapai laju maksimumnya, dimana pada keadaan ini telah terjadi kejenuhan komplek tokson-pembawa. Molekul pembawa bisa sangat selektif terhadap molekul tokson. Bila struktur tokson menyerupai subtrat alami yang ditranpor aktif, maka tokson itu sesuai untuk ditranspor aktif dengan mekanisme pembawa yang sama. Oleh karena itu toksontokson yang mempunyai struktur serupa dapat berkompetisi untuk membentuk komplek toksonpembawa pada tempat absorpsi, sehingga dapat terjadi antagonisme kompetitif untuk menduduki molekul pengemban. Oleh karena ini transpor suatu zat dapat diinhibisi oleh zat lain yang menggunakan sistem transpor yang sama. Namun berdasarkan sifat stereokimia molekul pengemban, maka sistem transpor demikian, paling sedikit mempunyai kekhasan untuk zat yang akan diangkut. Difusi yang dipermudah (fasilitated diffusion) kadang dikelompokkan juga ke dalam sistem transpor aktif, dimana difusi ini diperantarai oleh pembawa. Namun terdapat sedikit perbedaan antara pranspor aktif yaitu tokson begerak melintasi membran karena perbedaan konsentrasi (yaitu dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah yang konsentrasinya lebih rendah), oleh karena itu difusi ini tidak memerlukan masukan energi. Namun karena difusi ini diperantarai oleh molekul pembawa, sistem ini dapat jenuh dan secara struktur selektif bagi tokson tertentu dan memperlihatkan kinetika persaingan bagi toksontokson dengan struktur serupa. Dalam arti absorpsi tokson, difusi dipermudah ini tampaknya memainkan peranan yang sangat kecil. (d) Pencaplokan oleh sel ”pinositosis”. Pinositas merupakan proses fagositosis (”pencaplokan”) terhadap makromolekul besar, dimana membran sel menyelubungi sekeliling bahan makromolekular dan kemudian mencaplok bahan tersebut ke dalam sel. Makromolekul tetap tinggal dalam sel sebagai suatu gelembung atau vakuola. Pinositas merupakan proses yang diusulkan untuk absorpsi dari vaksin sabin polio yang diberikan secara oral dan berbagai molekul protein besar lainnya. Absorpsi tokson melalui saluran pencernaan. Kebanyakan studi toksisitas suatu xenobiotika dilakukan melalui rute oral, oleh sebab itu dalam bahasan ini absorpsi melalui saluran pencernaan didahulukan, dan diikuti oleh rute eksposisi yang lain. Pada umumnya produk farmaseutik mengalami absorpsi sistemik melalui suatu rangkaian proses. Proses tersebut meliputi: (1) disintegrasi bentuk farmaseutik yang diikuti oleh pelepasan xenobiotika, (2) pelarutan xenobiotika dalam media ”aqueous” , (3) absorpsi melalui membran sel menuju sirkulasi sistemik. Dalam suatu proses kinetik, laju keseluruhan proses ditentukan oleh tahap yang paling lambat (rate limiting step). Pada umumnya bentuk sediaan padat, kecuali sediaan “sustained release” atau “prolongedaction”, waktu hancur sediaan akan lebih cepat daripada pelarutan dan absorpsi obat. Untuk xenobiotika yang mempunyai kelarutan kecil dalam air, laju pelarutan seringkali merupakan tahap yang paling lambat, oleh sebab itu akan menjadi faktor penentu kecepatan ketersediaan hayati obat. Tetapi sebaliknya, untuk xenobiotika yang mempunyai kelarutan besar dalam air, laju pelarutannya cepat sedangkan laju lintas xenobiotika melewati membran sel merupakan tahap paling lambat atau merupakan tahap penentu kecepatan. Pada pemakaian oral (misal sediaan dalam bentuk padat), maka terlebih dahulu kapsul/tablet akan terdisintegrasi, sehingga xenobiotika akan terdisolusi/terlarut di dalam cairan saluran pencernaan (lumen). Tokson yang terlarut ini akan terabsorpsi secara normal dalam duodenal dari usus halus dan ditranspor melalui pembuluh kapiler mesenterika menuju vena porta hepatika menuju hati sebelum ke sirkulasi sistemik. Umumnya absorpsi ditentukan oleh pH cairan lumen serta pKa dan laju pelarutan dari suatu xenobiotika. Pariabel biologi lainnya, seperti ada tidaknya makanan, waktu pengosongan lambung, waktu transit di saluran cerna, dan mikro-flora usus, mungkin juga dapat mempengaruhi laju absorpsi dan jumlah xenobiotika yang akan terabsorpsi. Telah dilaporkan bahwa, selama di dalam saluran cerna mungkin terjadi penguraian kimia baik yang terjadi akibat proses kimia (misalnya hidrolisis ester) atau akibat penguraian oleh mikro flora usus, seperti reduksi senyawa azo menjadi amina aromatik yang lebih bersifat toksik dari senyawa induknya. Beberapa faktor yang mungkin berpengaruh pada jumlah xenobiotika yang mampu mencapai sistem sirkulasi sistemik dalam bentuk bebasnya setelah pemberian oral (ketersediaan hayati) adalah: a. pH yang extrim, dimana mungkin berpengaruh pada stabilitas xenobiotika. Seperti telah diketahui pH lambung adalah sangat asam dan pH lambung bervariasi untuk spesies yang berbeda, seperti pada tikus pH labungnya berkisar 3,8 - 5,0, dan pada kelinci berkisar 3,9. sedangkan pH lambung manusia berkisar 1 - 2. Telah dilaporkan terdapat beberapa senyawa obat yang stabilitasnya menurun dalam pH asam. Sebagai contoh, obat eritromisin memiliki sifat kestabilan yang bergantung pada pH. Dalam suatu media yang bersifat asam, seperti cairan lambung, peruraian terjadi secara cepat, sedangkan pada pH netral atau alkali eritromisin relativ stabil. Sehingga obat-obat seperti itu tidak diharapkan mengalami kontak dengan cairan asam lambung. Oleh sebab itu pada perencanaan formulasi sediaan farmaseutika kebanyakan obat seperti ini dibuat misal dalam bentuk tablet salut enterik, sehingga 17 b. c. d. e. f. 18 tablet tersebut tidak akan pecah di dalam cairan lambung melainkan di dalam usus halus. Enzim-enzim hidrolisis, saluran cerna kaya terhadap berbagai enzim hidrolisis non spesifik, seperti: enzim lipase, protease, amilase. Enzim-enzim ini mungkin juga dapat menguraikan xenobiotika selama berada di saluran cerna. Mikroflora usus, telah dilaporkan bahwa mikroflora usus dapat menguraikan molekul xenobiotika menjadi produk metabolik yang mungkin tidak mempunyai aktifitas farmakologik dibandingkan dengan senyawa induknya atau bahkan justru membentuk produk metabolik dengan toksisitas yang lebih tinggi. Umumnya mikroflora usus hidup di saluran pencernaan bagian bawah dan di saluran cerna bagian atas umumnya steril karena pH lambung yang relatif asam. Namun belakangan telah ditemukan juga bahwa terdapat mikroba yang sanggup hidup di dalam cairan lambung, yaitu heriobakter vilori . Metabolisme di dinding usus, dinding usus dengan bantuan enzim-enzim katalisis mempunyai kemampuan untuk melakukan metabolisme (reaksi biokimia) bagi senyawa tertentu sebelum mencapai pembuluh darah vena hepatika. Enzim-enzim yang banyak dijumpai pada dinding saluran cerna seperti umumnya enzim yang mengkatalisis reaksi hidrolisis dan konjugasi (seperti reaksi kunjugasi glukuronat), reaksi monoamin oksidase, dan beberapa enzim yang mengkatalisis reaksi oksidatif lainnya seperti CYP3A4/5 (sitokrom3A4/5). Metabolisme di hati. Setelah xenobiotika diabsorpsi dari saluran cerna maka dari pembuluh-pembuluh kapiler darah di mikrovili usus melalui pembuluh vena hepatika menuju hati. Hati adalah tempat utama terjadinya reaksi meabolisme. Telah banyak dilaporkan, bahwa sebagian dari xenobiotika telah mengalami reaksi metabolisme di hati sebelum menuju tempat kerjanya atau sebelum didistribusikan ke seluruh tubuh. Reaksi metabolisme ini dikenal dengan firstpass-effect.. Makanan yang terdapat di lumen saluran cerna, mungkin juga memberikan pengaruh pada absorpsi xenobiotika dari saluran cerna, karena jenis makanan juga mempengaruhi gerakan peristaltik usus, pH lambung, dan waktu pengosongan lambung. Kadang kala jenis makanan tertentu akan berinteraksi dengan xenobiotika tertentu yang mengakibatkan gagalnya absorpsi xenobiotika tersebut. Seperti pada pengobatan antibiotika turunan tetrasiklin dianjurkan pada saat mengkonsumsi obat tidak berbarengan dengan makanan yang banyak mengandung logam-logam kalsium, (seperti susu, pisang), karena tetrasiklin dengan logam kalsium akan membentuk komplek yang mengendap, komplek ini sangat susah diabsorpsi dari saluran cerna. g. P-Glykoprotein, terdapat banyak pada permukaan lumen epitelium saluran cerna. Protein ini dapat bertindak sebagai pompa pendorong bagi beberapa xenobiotika untuk memasuki sistem sistemik. Absorpsi xenobiotika melalui saluran napas. Tempat utama bagi absorpsi di saluran napas adalah alveoli paru-paru, terutama berlaku untuk gas (seperti karbon monoksida ”CO”, oksida nitrogen, dan belerang oksida) dan juga uap cairan (seperti benzen dan karbon tetraklorida). Sistem pernapasan mempunyai kapasitas absorpsi yang tinggi. Kemudahan absorpsi ini berkaitan dengan luasnya permukaan alveoli, laju aliran darah yang cepat, dan dekatnya darah dengan udara alveoli. Oleh sebab itu jalur eksposisi ini merupakan hal yang menarik bagi farmasis untuk mengembangkan produk sediaan farmaseutika untuk mendapatkan efek farmakologi yang akut, guna menghindari pemakaian secara injeksi. Absorpsi pada jalur ini dapat terjadi melalui membran ”nasal cavity” atau absorpsi melalui alveoli paru-paru. Kedua membran ini relativ mempunyai permeabilitas yang tinggi terhadap xenobiotika. Sebagai contoh senyawa amonium quarterner, dimana sangat susah diserap jika diberikan melalui jalur oral, namun pada pemberian melalui ”nasal cavity” menunjukkan tingkat konsentrasi di darah yang hampir sama dibandingkan dengan pemakaian secara intravena. Luas permukaan alveoli yang sangat luas, ketebalan diding membran yang relativ tipis, permeabilitas yang tinggi, lanju aliran darah yang tinggi, dan tidak terdapat reaksi ”first-pass-efect” merupakan faktor yang menguntungkan proses absorpsi xenobiotika dari paru-paru. Namun pada kenyataannya jalur eksposisi ini sedikit dipillih dalam uji toksisitas dari suatu xenobiotika, karena; (1) kesulitan mengkuantisasikan dosis yang terserap, (2) partikel dengan ukuran tertentu akan terperangkap oleh rambut silia atau lendir dimana selanjutnya dibuang melalui saluran cerna, sehingga absopsi justru terjadi melalui saluran cerna, (3) senyawa volatil (mudah menguap) pada umumnya melalui jalur ini terabsorpsi sebagian, bagian yang tidak terabsorsi akan dihembuskan menuju udara bebas, hal ini tidak seperti jalur eksposisi saluran cerna. Absorpsi xenobiotika perkutan. Seperti telah dibahas sebelumnya, bahwa eksposisi melalui kulit merupakan pemejanan xenobiotika yang paling mudah dan umum terjadi. Agar dapat terabsorpsi ke dalam kulit, xenobiotika harus melintasi membran epidermis dan dermis, diserap melalui folikel, lewat melalui sel-sel keringan, atau kelenjar sebasea. Jalur melintasi membran epidermis dan dermis merupakan jalan utama penetrasi xenobiotika dari permukaan kulit menuju sistem sistemik, karena jaringan tersebut merupakan bagian terbesar dari permukaan kulit. Fase pertama absorpsi perkutan adalah difusi tokson lewat epidermis melalui sawar (barier) lapisan tanduk (stratum corneum). Lapisan tanduk terdiri atas beberapa lapis sel mati yang tipis dan rapat, yang berisi bahan (protein filamen) yang resisten secara kimia. Sejumlah kecil zat-zat polar tampaknya dapat berdifusi lewat filamen luar filamen proteinstratum korneum yang terhidrasi, sedangkan zat-zat nonpolar melarut dan berdifusi lewat matrik lipid diantara filamen protein. Sifat pemeabilitas terhadap zat kimia dari stratum korneum manusia adalah berbeda di berberapa bagian permukaan kulit, misal stratum korneum kulit perut mudah dilewati tokson, namun sebaliknya stratum korneum pada telapak kaki dan tangan sangat sulit dilewati. Fase kedua absorpsi perkutan adalah difusi tokson lewat dermis yang mengandung medium difusi yang berpori, nonselektif, dan cair. Oleh karena itu, sebagai sawar, dermis jauh kurang efektif dibandingkan stratum korneum. Oleh sebab itu abrasi atau kerusakan lapisan stratum korneum dapat mengakibatkan sangat meningkatnya absorpsi perkutan. Beberapa zatzat yang dapat mengakibatkan abrasi stratum korneum seperti asam-basa kuat, gas mustard. Beberapa pelarut seperti dimetil silfoksida (DMSO), juga dapat meningkatkan permeabilitas kulit. 2.3.2. Distribusi Setelah xenobiotika mencapai sistem peredahan darah, ia bersama darah akan diedarkan/ didistribusikan ke seluruh tubuh. Dari sistem sirkulasi sistemik ia akan terdistribusi lebih jauh melewati membran sel menuju sitem organ atau ke jaringan-jaringan tubuh. Distribusi suatu xenobiotika di dalam tubuh dapat pandang sebagai suatu proses transpor reversibel suatu xenobiotika dari satu lokasi ke tempat lain di dalam tubuh. Di beberapa buku reference juga menjelaskan, bahwa distribusi adalah proses dimana xenobiotika secara reversibel meninggalkan aliran darah dan masuk menuju interstitium (cairan ekstraselular) dan/atau masuk ke dalam sel dari jaringan atau organ. Guna mempermudah pengertian tentang proses distribusi, para ahli farmakokinetik menggambarkan tubuh terdiri dari beberapa ruang distribusi, yang didukung oleh model sederhana. Model yang paling sederhana untuk itu adalah model kompartimen tunggal. Dimana pada model ini tubuh dipandang sebagai satu ruang yang homogen (seperti satu ember besar), dalam hal ini distribusi xenobiotika hanya ditentukan oleh daya konveksi di dalam ember. Namun pada kenyataannya, agar xenobitika dapat ditransportasi dari saluran kapiler pembuluh darah menuju sel-sel pada jaringan tubuh, haruslah melewati membran biologis, yaitu membran yang menyeliputi sel-sel di dalam tubuh. Fakta menyatakan, bahwa suatu transpor transmembran dapat terjadi apabila minimal terdapat dua ruang yang dibatasi oleh membran. Sehingga lebih lanjut tubuh minimal dibagi menjadi dua ruang sebut saja kompartimen intraselular dan ekstraselular. Sekitar 75% dari bobot tubuh manusia merupakan ruang intrasel, sedangkan sisanya sekitar 22% merupakan ruang ekstrasel. Ruang intrasel termasuk cairan intrasel dan komponen sel yang padat. Ruang ekstrasel dibagi atas: air plasma, ruang usus, dan cairan transsel (seperti cairan serebrospinalia, air humor, perilimfe, dan endolimfe serta cairan dalam rongga tubuh dan organel berrongga). Perlu diingat disini, bahwa pembagian kompartimen ini hanya merupakan langkah abstraksi guna memudahkan pemahaman ruang distribusi xenobiotika di dalam tubuh. Lebih lanjut dasar pengertian dan pemanfaat tentang pembagian ruang distribusi ”kompartimen” akan 19 dibahas lebih dalam dalam bahasan pemodelan farmakokinetik. Distribusi xenobiotika di dalam tubuh umumnya melalui proses transpor, yang pada mana dapat di kelompokkan ke dalam dua proses utama, yaitu konveksi (transpor xenobiotika bersama aliran darah) dan transmembran (transpor xenobiotika melewati membran biologis). Distribusi suatu xenobiotika di dalam tubuh dipengaruhi oleh: tercampurnya xenobiotika di dalam darah, laju aliran darah, dan laju transpor transmembran. Umumnya faktor tercampurnya xenobiotika di darah dan laju aliran darah ditentukan oleh faktor psikologi, sedangkan laju transpor transmembran umumnya ditentukan oleh faktor sifat fisiko-kimia xenobiotika. Transpor transmembran dapat berlangsung melalui proses difusi pasif, difusi terpasilitasi, difusi aktif, filtrasi melalui poren, atau proses fagositisis. Secara kesuluruhan pelepasan xenobiotika dari cairan plasma menuju cairan intraselular ditentukan berbagai faktor, dimana faktor-faktor tersebut dapat dikelompokkan ke dalam dua kelompok yaitu: a) faktor biologis: - laju aliran darah di organ dan jaringan, - sifat membran biologis - perbedaan pH antara plasma dan jaringan b) faktor sifat molekul xenobiotika - ukuran molekul - ikatan antara protein plasma dan protein jaringan - kelarutan - sifat kimia Laju aliran darah di organ dan jaringan. Sirkulasi sistemik sangat memegang peranan penting dalam transpor xenobiotika antar organ dan jaringan di dalam tubuh. Sebelum mencapai kesetimbangan distribusi, distribusi sebagian besar ditentukan oleh pasokan darah dari organ dan jaringan. Pada tabel 2.1. menggambarkan perbedaan jalu aliran darah di berbagai organ tubuh. Organ tubuh seperti ginjal, hati, otak, paruparu, jantung, lambung dan usus, adalah organorgan yang memiliki laju aliran darah (perfusi) yang baik. Akibat aliran darah yang cepat dan dengan demikian jangka waktu kontaknya yang sangat singkat dalam kapiler (sekitas 2 detik) maka mula-mula xenobiotika akan terdistribusi dengan cepat pada organ atau jaringan dengan perfusi yang baik. Ini berarti organ atau jaringan yang mempunyai banyak kapiler darah pada awal 20 proses distribusi (sebelum kesetimbangan distribusi tercapai) akan mengambil jumlah xenobiotika yang lebih besar dibandingkan daerah yang pasokan darahnya kurang. Pada akhirnya setelah kesetimbangan distribusi tercapai, laju distribusi tidak lagi dipengaruhi oleh perfusi di organ atau jaringan. Tabel 2.1: Laju aliran darah pada berbagai organ pada orang dewasa Organ Prosen Prosen (%) (%) dari dari volum berat jantung per badan menit Aliran darahnya bagus: Ginjal 0,5 20 Hati 2,8 28 Otak 2,0 12 Paru-paru 1,5 100 Jantung 0,5 4 Lambung dan 2,8 24 usus saluran pencernaan Aliran darahnya kurang bagus: Kulit 10 6 Otot-otot 40 23 Aliran darahnya jelek: Jaringan 18 5 Lemak Laju aliran darah (ml/min/100g organ) 400 85 54 400 84 70 5 5 2,1 Sifat membran biologis. Telah dibahas sebelumnya, bahwa difusi berperan penting dalam transpor suatu xenobiotika diantara ekstradan intra selular. Xenobiotika agar dapat ditransportasi dari saluran kapiler pembuluh darah menuju sel-sel pada jaringan tubuh, haruslah melewati membran biologis, yaitu membran yang menyeliputi sel-sel di dalam tubuh. Secara keseluruhan luas permukaan kapiler tubuh (orang dewasa) diperkirakan berkisar antara 6000-8000 m2, dengan panjang keseluruhan diduga sekitar 95000 km. Di bagian luar kapiler-endotel ini diselimuti oleh membran basal yang sangat halus dan elastis. 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). Laju penetrasi xenobiotika melewati membran biologis akan ditentukan oleh struktur membran basal dan juga sifat lipofilitasnya. Senyawasenyawa lipofil akan dapat menembus membran biologis dengan baik, sedangkan senyawa yang polar (larut air) haruslah melewati lubang-lunag di membran biologis, yang dikenal dengan „poren“. Jumlah poren dalam membran biologis adalah terbatas, oleh sebab itu dapatlah dimengerti, bahwa senyawa lipofil akan terdistribusi lebih cepat dibandingkan senyawa hidrofil (lihat tabel 2.2). Tabel 2.2: Permeabilitas beberapa membran biologis (H Nau, 1994) Membran lipid - barier sawar darah otak darah → liquor darah → otak - lapisan lendir penanjang saluran pencernaan - lapisan lendir di mulut - tubulus ginjal - kulit hanya xenobiotika lipofil, tidak terionisasi; xenobitika polar akan terperfusi sangat lambat atau sama sekali tidak Membran lipid dengan xenobiotika lipofil dan „Poren“ hidrofil dapat lewat - 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) Perbedaan pH antar plasma dan jaringan. Ikatan Protein. Faktor penting lain yang berpengaruh pada distribusi ialah ikatan pada protein terutama protein plasma, protein jaringan dan sel darah merah. Ikatan xenobiotika pada protein umumnya relatif tidak khas. Sesuai dengan struktur kimia protein, ikatan xenobiotika pada protein terlibat ikatan ion, ikatan jembatan hidrogen dan ikatan dipol-dipol serta interaksi hidrofob. Beragamnya kemungkinan ikatan yang terlibat memungkinkan berbagai xenobiotika yang dapat terikat pada protein, oleh sebab itu ikatan xenobiotika pada protein dikatakan tidak khas. Ikatan protein adalah bolak-balik „reversibel“. Ikatan tak bolak-balik ”irreversibel” (misal ikatan kovalen), misal ikatan reaksi sitostatika yang mengalkilasi protein, tidak termasuk ke dalam ikatan protein. Albumin adalah protein plasma yang paling banyak terlibat pada pembentukan ikatan pada protein plasma. Xenobiotika yang relatif lipofil, sedikit atau sedang kelarutannya dalam air, beredar di dalam plasma terutama terikat pada protein. Kekuatan ikatan pada protein ditentukan oleh tetapan afinitas xenobiotika pada protein. Sejauh tetapan afinitas ini berbeda terhadap berbagai protein tubuh (protein plasma, protein jaringan, dll), maka akan mempengaruhi kesetimbangan distribusi dari xenobiotika tersebut. Umumnya xenobiotika akan terikat lebih kuat pada protein dengan tetapan afinitas yang lebih besar, sehingga kesetimbangan akan bergeser ke protein dengan tetapan afinitas yang lebih besar. Sebagai ilustrasi, apabila suatu xenobiotika mempunyai tetapan afinitas yang besar dengan protein plasma dibandingkan dengan protein jaringan, maka xenobiotika tersebut akan lebih banyak berada dalam cairan plasma dibandingkan di jaringan. Sebagai contoh, karbonmonoksida tertikat hampir seluruhnya pada hemoglobin dan mioglobin oleh karena afinitas yang tinggi terhadadap heme, sehingga pola distribusi dari karbonmonoksida sesuai dengan protein-protein tersebut. Beberapa turunan akridin terakumulasi dalam struktur jaringan basofil, terutama ke dalam inti sel. Arsen trioksida mempunyai afinitas yang tinggi terhadap jaringan yang menandung keratin (kulit, kuku, rambut), karena banyak mempunyai gugus SH. Ikatan protein berpengaruh juga pada intensitas kerja, lama kerja toksik dan eliminasi xenobiotika dari dalam tubuh. Umumnya xenobiotika yang terikat pada protein akan susah melewati membran sel, sehingga xenobiotika tersebut akan susah dielminasi (biotransformasi dan ekstresi) karena xenobiotika yang terikat tidak mampu menuju tempat metabolisme (umumnya di dalam sel hati) atau tidak dapat melewati filtrasi glumerulus di ginjal. Xenobiotika tersebut akan berada di dalam cairan plasma dalam waktu yang lebih lama. Hal ini akan berpengaruh pada lama kerja toksiknya. Jumlah xenobiotika yang terikat pada protein juga ditentukan oleh konsentrasi protein plasma. Seperti pada kelainan hati atau ginjal sering diketemukan terjadi penurunan kadar protein 21 plasma, akibat penurunan sintesa protein. Pemakaian dosis yang sama, pada penderita hati atau ginjal, akan meningkatkan konsentrasi obat bebas di dalam darah, sehingga dengan sendirinya akan meningkatkan potensi toksik. adalah melalui ginjal bersama urin, tetapi hati dan paru-paru juga merupakan alat ekskresi penting bagi tokson tertentu. Disamping itu ada juga jalur ekskresi lain yang kurang penting seperti, kelenjar keringan, kelenjar ludah, dan kelenjar mamai. Karena ketidak khasan ikatan xenobiotika pada protein, sering dijumpai kompetisi tempat ikatan baik antar xenobiotika maupun dengan senyawa endogen. Seperti pada bayi prematur apabila ditangani dengan kemoterapi tertentu, misal sulfonamida, muncullah situasi kompetisi antara obat dan bilirubin, yang akan mengakibatkan icterus neonatorum. Penelitian menyatakan bahwa terjadi kematian yang tinggi pada bayi prematur yang ditangani dengan senyawa sulfonamida (umpamanya sulfisosazol). Disamping itu presentase kernikterus di dalam kelompok ini mencolok tinggi sebagai akibat akumulasi bilirubin di dalam sel otak. Ekskresi 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 dari xenobiotika adalah: filtrasi glumerula, sekresi aktif tubular, dan resorpsi pasif tubular. Pada filtrasi glumerular, ukuran melekul memegang peranan penting. Molekul-molekul dengan diameter yang lebih besar dari 70 Å atau dengan berat lebih besar dari 50 kilo Dalton (k Da) tidak dapat melewati filtrasi glumerular. Oleh sebab itu hanya senyawa dengan ukuran dan berat lebih kecil akan dapat terekskresi. Xenobiotika yang terikat dengan protein plasma tentunya tidak dapat terekskresi melalui ginjal. Resorpsi pasiv tubular ditentukan oleh gradien konsentrasi xenobitika antara urin dan plasma di dalam pembuluh tubuli. Berbeda dengan resorpsi tubular, sekresi tubular melibatkan proses transpor aktif. Suatu tokson dapat juga dikeluarkan lewat tubulus ke dalam urin dengan difusi pasif. Disamping faktor di atas ikatan pada protein juga dipengaruhi oleh faktor lain, seperti sifat fisikokimia xenobiotika, pH cairan plasma, dan umur. Sebagai contoh pada pH plasma bersifat sangan asam ”asidosis” bagian barbiturat yang terikat pada protein menurun. Pada bayi yang baru lahir mempunyai kemampuan ikatan protein yang lebih rendah daripada ikatan protein pada manusia dewasa. Faktor besar molekul, kelarutan, dan sifat kimia lainnya juga berpengarui pada laju transpor suatu melintasi membran, hal ini sudah banyak dibahas pada bahasan sebelumnya. 2.3.3 Eliminasi Metabolisme dan ekskresi dapat dirangkum ke dalam eliminasi. Yang dimaksud proses eliminasi adalah proses hilangnya xenobiotika dari dalam tubuh organisme. Eliminasi suatu xenobiotika dapat melalui reaksi biotransformasi (metabolisme) atau ekskresi xenobiotika melalui ginjal, empedu, saluran pencernaan, dan jalur eksresi lainnya (kelenjar keringan, kelenjar mamai, kelenjar ludah, dan paru-paru). Jalur eliminasi yang paling penting adalah eliminasi melalui hati (reaksi metabolisme) dan eksresi melalui ginjal. Ekskresi Setelah diabsorpsi dan didistrubusikan di dalam tubuh, xenobiotika/tokson dapat dikeluarkan dengan capat atau perlahan. Xenobiotika dikeluarkan baik dalam bentuk asalnya maupun sebagai metabolitnya. Jalus ekskresi utama 22 Ekskresi empedu. Hati juga merupakan alat tubuh yang penting untuk ekskresi xenobiotika, terutama untuk senyawa-senyawa dengan polaritas yang tinggi (anion dan kation), kojugat yang terikat pada protein plasma, dan senyawa dengan berat molekul lebih besar dari 300. Umumnya, begitu senyawa tersebut terdapat dalam empedu, mereka tidak akan diserap kembali ke dalam darah dan dikeluarkan lewat feses. Namun terdapat pengecualian konjugat glukuronida, dimana konjugat ini oleh mikroflora usus dapat dipecah menjadi bentuk bebasnya dan selanjunya akan diserap kembali menuju sistem sirkulasi sistemik. Peran pentingnya ekskresi empedu telah ditunjukkan oleh beberapa percobaan, dimana toksisitas dietilstibestrol meningkat 130 kali pada tikus percobaan yang saluran empedunya diikat. Ekskresi paru-paru. Zat yang pada suhu badan berbentuk gas terutama diekskresikan lewat paruparu. Cairan yang mudah menguap juga mudah keluar lewat udara ekspirasi. Cairan yang sangat mudah larut lemak seperti kloroform dan halotan mungkin diekskresikan sangat lambat, karena mereka tertimbun dalam jaringan lemak dan karena keterbatasan volume ventilasi. Ekskresi xenobiotika melalui paru-paru terjadi secara difusi sederhana lewat membran sel. Jalur lain. Jalur ekskresi ini umumnya mempunyai peranan yang sangat kecil dibandingkan jalur utama di atas, jalur-jalur ekskresi ini seperti, ekskresi cairan bersama feses, ekskresi tokson melalui kelenjar mamai (air susu ibu, ASI), keringan, dan air liur. Jalur ekskresi lewat kelenjar mamai menjadi sangat penting ketika kehadiran zat-zat racun dalam ASI akan terbawa oleh ibu kepada bayinya atau dari susu sapi ke manusia. Karena air susu bersifat agak asam, maka senyawa basa akan mencapai kadar yang lebih tinggi dalam susu daripada dalam plasma, dan sebaliknya untuk senyawa yang bersifat asam. Senyawa lipofilik, misalnya DDT dan PCB juga mencapai kadar yang lebih tinggi dalam susu karena kandungan lemaknya dalam susu yang relatif tinggi. Metabolisme Xenobiotika yang masuk ke dalam tubuh akan diperlakukan oleh sistem enzim tubuh, sehingga senyawa tersebut akan mengalami perubahan struktur kimia dan pada akhirnya dapat dieksresi dari dalam tubuh. Proses biokimia yang dialami oleh ”xenobiotika” dikenal dengan reaksi biotransformasi yang juga dikenal dengan reaksi metabolisme. Biotransformasi atau metabolisme pada umumnya berlangsung di hati dan sebagian kecil di organ-organ lain seperti: ginjal, paru-paru, saluran pencernaan, kelenjar susu, otot, kulit atau di darah. Secara umum proses biotransformasi dapat dibagi menjadi dua fase, yaitu fase I (reaksi fungsionalisasi) dan fase II (reaksi konjugasi). Dalam fase pertama ini tokson akan mengalami pemasukan gugus fungsi baru, pengubahan gugus fungsi yang ada atau reaksi penguraian melalui reaksi oksidasi (dehalogenasi, dealkilasi, deaminasi, desulfurisasi, pembentukan oksida, hidroksilasi, oksidasi alkohol dan oksidasi aldehida); rekasi reduksi (reduksi azo, reduksi nitro reduksi aldehid atau keton) dan hidrolisis (hidrolisis dari ester amida). Pada fase II ini tokson yang telah siap atau termetabolisme melalui fase I akan terkopel (membentuk konjugat) atau melalui proses sintesis dengan senyawa endogen tubuh, seperti: Konjugasi dengan asam glukuronida asam amino, asam sulfat, metilasi, alkilasi, dan pembentukan asam merkaptofurat. Enzim-enzim yang terlibat dalam biotransformasi pada umumnya tidak spesifik terhadap substrat. Enzim ini (seperti monooksigenase, glukuronidase) umumnya terikat pada membran dari retikulum endoplasmik dan sebagian terlokalisasi juga pada mitokondria, disamping itu ada bentuk terikat sebagai enzim terlarut (seperti esterase, amidase, sulfoterase). Sistem enzim yang terlibat pada reaksi fase I umumnya terdapat di dalam retikulum endoplasmik halus, sedangkan sistem enzim yang terlibat pada reaksi fase II sebagian besar ditemukan di sitosol. Disamping memetabolisme xenobiotika, sistem enzim ini juga terlibat dalam reaksi biotransformasi senyawa endogen (seperti: hormon steroid, biliribun, asam urat, dll). Selain organ-organ tubuh, bakteri flora usus juga dapat melakukan reaksi metabolisme, khususnya reaksi reduksi dan hidrolisis. Uraian tentang reaksi biotransformasi yang terjadi atau yang dialami oleh suatu xenobiotika di dalam tubuh berikutnya akan dibahas di dalam bahasan tersendiri (BAB Biotrasnformasi). 2.3.4. Konsentrasi plasma Sifat dan intensitas efek suatu tokson di dalam tubuh bergantung pada kadar tokson di tempat kerjanya. Umumnya konsentrasi tokson di tempat organ sasaran merupakan fungsi kadar tokson di dalam darah (plasma). Namun, sering dijumpai kadar tokson di organ sasaran tidak selalu sama dengan kadarnya di darah. Apabila terjadi ikatan yang kuat antara jaringan dengan tokson, maka konsentrasi tokson pada jaringan tersebut umumnya lebih tinggi jika dibandingkan dengan di darah. DDT adalah salah satu tokson yang bersifat sangat lipofil, dia akan terikat kuat ”terdeposisi”, sehingga jaringan lemak merupakan depo. Ini berarti konsentrasi di jaringan akan lebih tinggi dari pada di darah, selanjutnya dia akan terlepas secara perlahanlahan. Penetapan konsentrasi tokson di darah umumnya lebih mudah diukur dibandingkan di jaringan, terutama pada jangka waktu tertentu, oleh sebab itu konsentrasi di darah ”plasma” yang sering digunakan dalam penelitian toksokinetik. Pada pengembangan obat baru, penilaian suatu obat secara klinis (penetapan dosis dan skema penakarannya yang tepat), perlu adanya sejumlah keterangan farmakokinetika. Khususnya kadar obat di organ sasaran dan darah, serta perubahan kadarnya dalam waktu tertentu. 23 Konsentrasi (µg/ml) lebih polar ketimbang B hal ini menggambarkan, bahwa tokson A lebih suka terdistribusi di kompartimen sentral, dan sedikit terdistribusi ke jaringan lebih dalam. Lebih jelasnya bagaimana gambaran konsentrasi suatu xenobitika di dalam tubuh dan model matematisnya selanjutnya akan dibahas lebih detail dalam bab pemodelan farmakokinetik. 2 1,6 1,2 A 0,8 0,4 B 0 0 120 240 360 480 600 720 Waktu (min) Gambar 2.9.: Kurve konsentrasi-waktu dua tokson di dalam darah. Pada dosis yang sama tokson A lebih cepat terabsorpsi dibandingkan dengan B. Jika toksika A Kadar tokson di darah umumnya dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti, laju absorpsi dari tempat paparan, sifaf fisiko-kimia tokson akan menentukan laju transpornya di dalam tubuh, distribusi tosikan di dalam tubuh (jaringan, organ), jalu eliminasinya meliputi kecepatan biotransformasi dan ekskresi dari dalam tubuh. 2.4. FASE TOKSODINAMIK Dalam fase toksodinamik atau farmakodinamik akan membahas interaksi antara molekul tokson atau obat pada tempat kerja spesifik, yaitu reseptor dan juga proses-proses yang terkait dimana pada akhirnya timbul efek toksik atau terapeutik. Kerja sebagian besar tokson umumnya melalui penggabungan dengan makromolekul khusus di dalam tubuh dengan cara mengubah aktivitas biokimia dan biofisika dari makromolekul tersebut. Makromolekul ini sejak seabad dikenal dengan istilah reseptor, yaitu merupakan komponen sel atau organisme yang berinteraksi dengan tokson dan yang mengawali mata rantai peristiwa biokimia menuju terjadinya suatu efek toksik dari tokson yang diamati. Interaksi tokson - reseptor umumnya merupakan interaksi yang bolak-balik (reversibel). Hal ini mengakibatkan perubahan fungsional, yang lazim hilang, bila xenobiotika tereliminasi dari tempat kerjanya (reseptor). Selain interaksi reversibel, terkadang terjadi pula interaksi tak bolak-balik (irreversibel) antara xenobiotika dengan subtrat biologik. Interaksi ini didasari oleh interaksi kimia antara xenobiotika dengan subtrat biologi dimana terjadi ikatan kimia kovalen yang bersbersifat irreversibel atau berdasarkan perubahan kimia dari subtrat biologi akibat dari suatu perubaran kimia dari xenobiotika, seperti pembentukan peroksida. Terbentuknya peroksida ini mengakibatkan luka kimia pada substrat biologi. 24 Efek irrevesibel diantaranya dapat mengakibatkan kerusakan sistem biologi, seperti: kerusakan saraf, dan kerusakan sel hati (serosis hati), atau juga pertumbuhan sel yang tidak normal, seperti karsinoma, mutasi gen. Umumnya efek irreversibel ”nirpulih” akan menetap atau justru bertambah parah setelah pejanan tokson dihentikan. Pada umumnya semakin tinggi konsentrasi akan meningkatkan potensi efek dari obat tersebut, untuk lebih jelasnya akan dibahas pada bahasan hubungan dosis dan respon. Jika konsetrasi suatu obat pada jaringan tertentu tinggi, maka berarti dengan sendirinya berlaku sebagai tempat sasaran yang sebenarnya, tempat zat tersebut bekerja. Jadi konsentrasi suatu tokson/obat pada tempat kerja ”tempat sasaran” umumnya menentukan kekuatan efek biologi yang dihasilkan. 2.4.1. Reseptor Sejak lama telah diamati bahwa sejumlah racun menimbulkan efek biologik yang khas. Untuk menerangkan kekhasan ini Paul Ehrlich, pada tahun 1897 menduga bahwa netralisasi toksin bakteri oleh antibodi disebabkan oleh adanya ”rantai samping” pada antibodi itu. Rantairantai samping itu 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. Konsep reseptor sebagai tempat kerja zat kimia, pertama kali dikemukakan oleh John N. Langley (1905). Dia mengamati bahwa efek nikotin dan kurare pada otot rangka tidak berubah setelah saraf yang mensarafi otot tersebut mengalami degenerasi, ini menunjukkan tidak terlibatnya ujung saraf seperti yang diyakini sebelumnya. Kurare tidak mencegah kontraksi otot akibat rangsangan listrik, tetapi benar-benar memblok kontraksi yang disebabkan oleh nikotin. Melalui penelitian ini ia menyimpulkan bahwa ”racun” tidak berpengaruh pada protein kontraktil dalam otot, melainkan pada zat-zat lain di otot yang dapat disebut ”zat-reseptor”. Dari awal yang sederhana ini kini reseptor menjadi fokus utama penyelidikan efek obat dan mekanisme kerjanya (farmakodinamik). Pada tahun 1970-an penilitian tentang reseptor semakin banyak dilakukan pada tingkat molekul untuk memperoleh pengertian yang lebih mendalam mengenai interaksi biokimiawi antara zat-zat endogen dan sel-sel tubuh. Ternyata reaksi demikian hampir selalu berlangsung di tempat spesifik, yaitu reseptor atau enzim. Penelitian juga telah mengungkap, bahwa semua proses fisiologi dalam tubuh diregulasi oleh zatzat pengatur kimiawi ”regulator endogen”, yang masing-masing mempunyai titik kerja spesifik di satu atau lebih organ. Meskipun terdapat ratusan regulator terutama hormon dan neurotransmiter (norardrenalin, serotonin, dopamin, dan lain-lain), namun setiap zat mengetahui dengan tepat di mana letak sel dan organ tujuannya. Hal ini dapat dijelaskan, oleh terdapatnya sejenis informasi biologi di setiap zat dalam bentuk konfigurasi khusus, struktur ruang, dan sifat-sifat kimiawinya, yang dengan eksak mencocoki sel-sel reseptor di organ-tujuan. Sistem ini dapat disamakan dengan prinsip kunci-anak kunci. Selain neuro(hormon) tersebut, terdapat juga reseptor untuk zat-zat lain, seperti endorfin (morfin endogen). 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. Selain kegunaannya sebagai materi untuk menerangkan ilmu biologi, konsep reseptor ini mempunyai konsekuensi praktis yang penting untuk perkembangan obat dan pengambilan keputusan terapeutik dalam praktek klinik. Konsekuensi tersebut adalah: 1) Pada dasarnya reseptor menentukan hubungan kuantitatif antara dosis atau konsentrasi obat dan efek farmakologis: Afinitas reseptor untuk mengikat obat menentukan konsentrasi obat yang diperlukan untuk membentuk kompleks obat-reseptor dalam jumlah yang berarti, dan jumlah reseptor secara keseluruhan dapat membatasi efek maksimal yang ditimbulkan oleh obat. 2) Reseptor bertanggung jawab pada selektivitas kerja obat: Ukuran bentuk, dan muatan ion elektronik molekul obat menentukan, apakah molekul itu akan terikat pada reseptor tertentu di antara bermacam-macam tempat ikatan yang secara kimiawi berbeda. Oleh karena itu perubahan struktur kimia obat secara drastis/ mencolok dapat menaikkan atau menurunkan afinifas obat-obat baru terhadap golongan reseptor, yang mengakibatkan perubahanperubahan dalam efek terapi dan toksiknya. 3) Reseptor-reseptor menjembatani kerja antagonis farmakologi: Banyak obat dan sinyal kimia endogen (seperti hormon) mengatur fungsi makromolekul reseptor sebagai agonis. Obat dan sinyal kimia ini mengubah fungsi makromolekul, yang kurang lebih seperti efek langsung, sebagai akibat ikatan tersebut. Namun, antagonis farmakologi murni berikatan dengan reseptor tanpa secara langsung mengubah fungsinya. Jadi efek antagonis murni pada sel atau di dalam tubuh bergantung pada pencegahan pengikatan molekul agonis dan penyekat kerja biologisnya. Belakangan ini, reseptor untuk banyak obat telah dimurnikan dan dikaraktersasikan secara biokimia. Reseptor obat yang telah tercatat mempunyai ciriciri yang paling baik adalah seperti protein regulator, yang menjebatani kerja dari sinyalsinyal bahan kimia endogen, seperti: neurotransmiter, autocoid, dan hormon. Kelompok reseptor ini menjebatani efek dari sebagian besar agen terapeutik yang paling bermanfaat. Kelompok protein lainnya yang telah dikenal jelas sebagai reseptor obat juga termasuk enzim, yang mungkin dihambat (misal dihydrofolate reductase, reseptor untuk obat antikanker methotrexate), protein pembawa/”transport protein” (misalnya, 25 Na+/K+ ATPase, reseptor membran untuk digitalis glikosida yang aktif pada jantung) dan protein struktural (misalnya, tubulin, reseptor untuk colchicine, agen antiradang/”antiinflamasi”) Tiga aspek fungsi reseptor obat adalah, uraian fungsi ini disusun dalam urutan kerumitan yang meningkat: a) Aspek pertama adalah fungsinya sebagai determinan hubungan kuantitatif antara konsentrasi obat dan respons/tanggapan. Disini reseptor dipandang sebagai suatu unit sederhana, yang secara prinsip ditandai dari afinitasnya mengikat ligan-ligan obat dan berlimpahnya mereka dalam sel atau jaringan target / sasaran. b) Aspek kedua adalah fungsinya sebagai protein regulator dan komponen penerus sinyal kimiawi yang melengkapi target-target obat penting. Disini reseptor dianggap sebagai molekul kompleks yang struktur dan fungsi biokimiawinya membantu menjelaskan ciri utama hubungan efek-konsentrasi dan juga selektivitas farmakologik. c) Aspek ketiga adalah fungsinya sebagai determinan utama terhadap efek terapeutik dan toksik pada pasien. Disini 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) ditangkap dan terikat oleh reseptor, terjadilah interaksi yang mengubah rumus dan pembagian muatannya. Akibatnya adalah suatu reaksi dengan perubahan aktivitas sel yang sudah ditentukan (prefixed) dan suatu efek fisiologik. Konsep interaksi kunci-anak kunci telah lama digunakan untuk menjelaskan interaksi enzim dengan subtratnya. Beberapa efek toksik suatu tokson muncul melalui mekanisme interaksi tokson dengan enzim, baik dia menghambat atau memfasilitasi interaksi tersebut, yang pada akhirnya akan menimbulkan efek yang merugikan bagi organisme. Persyaratan untuk interaksi obat-reseptor adalah pembentukan kompleks obat-reseptor. Apakah kompleks ini terbentuk dan seberapa besar terbentuknya bergantung pada afinitas obat terhadap reseptor. Kemampuan suatu obat untuk menimbulkan suatu rangsang dan demikian efek, setelah pembentukan kompleks dengan reseptor disebut afinitas intrinsik. Afinitas intrinsik menentukan besarnya efek maksimum yang dicapai oleh masing-masing senyawa. Afinitas obat terhadap reseptornya dapat dibandingkan dengan tetapan afinitas pada interaksi antara enzim dan subtrantnya. Aktivitas intriksiknya dapat dibandingkan dengan harga “Vmaks” kecepatan maksimum pada reaksi enzimatis untuk pengubahan subtrat oleh enzim. Apabila enzim jenuh dengan subtrat maka kecepatan perubahan terbesar tercapai. Konsep reseptor, yang diperluas pada endokrinologi, imunologi, dan biologi molekuler, terbukti penting untuk menerangkan banyak aspek pengaturan biologis. Semakin pesatnya perkembangan ilmu biologi molekuler, sekarang ini reseptor dapat diisolasi dan dicatat cirinya sebagai makromolekul, selanjutnya membuka jalan menuju pemahaman akurat tentang kerja obat berdasarkan peristiwa molekuler. Konsep ini membantu sekali perkembangan farmakologi, terutama membentuk dasar dalam pemahaman kerja dan penggunaan obat di klinik. 2.4.2. Interaksi obat-reseptor Interaksi obat-reseptor umumnya dapat disamakan dengan prisip kunci-anak kunci. Letak reseptor neuro(hormon) umumnya di membransel dan terdiri dari suatu protein yang dapat merupakan komplemen ”kunci” daripada struktur ruang dan muatan-ionnya dari hormon bersangkutan ”anak-kunci”. Setelah hormon 26 Gambar 2.10. Fase utama pada pembentukan suatu kompleks obat-reseptor (dari Mutschler, hal, dengan modifikasi) Umumnya semua jenis ikatan, (seperti ikatan ion, ikatan jembatan hidrogen, ikatan hidrofob melalui gaya van der Waals), terlibat dalam ikatan reseptor dengan obat. Pada ikatan kompleks obat-reseptor hampir selalu terjadi jenis ikatan yang berbeda-beda secara bersamaan. Gambar 2.10 menggambarkan secara bagan fase utama pada pembentukan kompleks obat-reseptor Kelima mekanisme yang sudah dikenal ini tidak menguraikan semua sinyal yang dikirim untuk melintasi membran sel, tetapi kelima mekanisme ini benar-benar mentransduksi banyak sinyal yang sangat penting yang dimanfaatkan dalam farmakoterapi. Hasil interaksi obat-reseptor ini umumnya merupakan efek yang dapat diamati atau dirasakan. Hasil penelitian 20 tahun terakhir, telah menunjukkan dengan sangat detail, bagaimana interaksi ini menimbulkan sinyal yang menjadi pesan interselular dalam mengontrol fungsi sel. Sebagian besar sinyalisasi transmembran diperoleh melalui beberapa perbedaan mekanisme molekular. Masing-masing jenis mekanisme telah disesuaikan melalui evolusi kelompok protein khusus/tersendiri untuk mentransduksi berbagai macam sinyal. Kelompok protein ini termasuk reseptor pada permukaan sel dan di dalam sel, seperti halnya enzim dan komponen lainnya yang menyebabkan, meningkatkan, mengkoordinir, dan menghentikan sinyalisasi pasca-reseptor dengan pembawa pesan kimia kedua di dalam sitoplasma. Secara garis besar, terdapat lima strategi pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi transmembran, yang sampai saat ini sudah cukup jelas diungkap dari hasil penelitian (Gambar 2.11), pendekatan tersebut adalah: a) ligan (xenobiotika) larut dalam lapisan ganda lemak membran dan melintasi membran dan bekerja (berinteraksi) dengan reseptor intraselular, b) protein reseptor transmembran yang aktivitas enzimatik intraselulernya diatur secara allosterical oleh ligan (xenobiotika) yang terikat pada tempat di domain entraseluler protein, c) reseptor trasmembran yang mengikat dan menstimulasi protein kinase tirosin, d) kanal ion transmembran yang ligand-gated, yaitu kanal ion yang pembukaan/penutupannya dapat diinduksi oleh ligan yang terikat pada reseptor kanal ion tersebut, dan e) protein reseptor transmembran yang menstimulasi transduktor yang memberikan sinyal setelah berikatan dengan GTP (protein G) yang kemudian menimbulkan pembawa pesan kedua. Gambar 2.11 Mekanisme sinyalisasi transmembran yang diketahui (dari Katzung, Farmakologi dasar dan klinik, 2001, hal. 33, dengan modifikasi). a) sinyal kimia larut lemak melintasi membran biologis dan bekerja pada reseptor intraseluler (yang mungkin adalah enzim atau pengatur transkripsi gen), b) sinyal tersebut terikat pada domain ekstraseluler protein transmembran, sehingga mengaktifkan aktivitas domain sitoplasmiknya, c) sinyal tersebut terikat pada domain ekstraseluler reseptor transmembran yang terikat pada protein kinase tirosin, yang diaktifkannya, d) sinyal tersebut terikat dan langsung mengatur pembukaan saluran ion, e) sinyal tersebut terikat pada reseptor permukaan sel yang dihubungkan pad enzim efektor oleh protein G. (R = reseptor, G = protein G, E= efektor [enzim atau saluran ion].) Berdasarkan mekanisme munculnya efek akibat interaksi obat-reseptor, interaksi ini secara umum dapat dikelompokan ke dalam dua kelompok, yaitu interaksi agonis (menimbul efek yang searah) dan interaksi antagonis (menimbulkan efek yang berlawanan). Istilah-istilah ini juga digunakan untuk membahas interaksi farmakologis dari suatu xenobiotika. Istilah antagonisme digunakan pada keadaan yang menunjukkan kombinasi efek lebih kecil daripada jumlah efek zat masing-masing. Sedangkan agonis (sinergisme) berarti bahwa kombinasi dua zat, minimal merupakan penjumlahan efek masing-masing (sinergisme aditif) atau lebih besar dari penjumlahan efek masing-masing (sinergisme supraaditif). 27 Dosis A a) Interaksi dengan sistem enzim e d c ANTAGONISME a SINERGISME b Dosis B Gambar 2.12.: Isobola untuk kombinasi zat A yang aktif dan zat B yang pada pemberian sendiri tidak aktif, akan tetapi mempengaruhi efek A (dari Ariens, Toksikologi umum pengantar, 1986, hal. 182, dengan modifikasi). Dapat dibedakan antara sinergisme (kurve b: kepekaan terhadap A akan ditingkatkan oleh B) dan antagonisme (kurve c, d, dan e; kepekaan terhadap A akan diturunkan oleh B). Berbagai jenis antagonisme juga diberikan. Kurve c umumnya diberikan oleh interaksi antagonisme fungsional, kurve d menunjukkan antagonisme kompetitif, dan kurve e menggambarkan antagonisme non-kompetitif. 2.4.3. Mekanisme kerja efek toksik Fase toksodinamik adalah interaksi antara tokson dengan reseptor (tempat kerja toksik) dan juga proses-proses yang terkait dimana pada akhirnya muncul efek toksik / farmakologik. Farmakolog menggolongkan efek yang mencul berdasarkan manfaat dari efek tersebut, seperti: i) efek terapeutis, efek hasil interaksi xenobiotika dan reseptor yang diinginkan untuk tujuan terapeutis (keperluan pengobatan), ii) efek obat yang tidak diinginkan, yaitu semua efek / khasiat obat yang tidak diinginkan untuk tujuan terapi yang dimaksudkan pada dosis yang dianjurkan, dan iii) efek toksik, pengertian efek toksik sangatlah bervariasi, namun pada umumnya dapat dimengerti sebagai suatu efek yang membahayakan atau merugikan organisme itu sendiri. Bila memperhatikan kerumiatan sistem biologi, baik kerumitan kimia maupun fisika, maka jumlah mekanisme kerja yang mungkin, praktis tidak terbatas, terutama sejauh ditimbulkan efek toksik. Dalam sub bahasan ini akan dibicarakan beberapa mekanisme utama yang penting. 28 Pada kenyataanya kebayakan proses biokimiawi di dalam tubuh organisme berlangsung melalui peranata enzim atau kebanyakan kerja biologi disebabkan oleh interaksi dengan enzim. Seperti pada reaksi biotransformasi umumnya tidak akan berlangsung tanpa pertolongan sistem enzim, disamping itu beberapa transpor sinyal divasillitasi oleh sistem enzim. Interaksi xenobiotika terhadap enzim yang mungkin dapat mengakibatkan menghambat atau justru mengaktifkan kerja enzim. Tidak jarang interaksi xenobiotika dengan sistem enzim dapat menimbulkan efek toksik. Inhibisi (hambatan) enzim tak bolak-balik Contoh klasik interaksi yang tak bolak-balik adalah inhibisi asetilkolinaesterase oleh organofosfat, contohnya paration (lihat gambar 2.13.). Golongan asam fosfat membentuk ikatan kovalen dengan asetilkolinaesterase dan tempat pada tempat umumnya asetilkolina dihidrolisis pada permukaan enzim, artinya pada pusat aktif enzim. Sebagai akibat inhibisi enzim asetilkolinaesterase, asetilkolina yang biasanya cepat dimetabolisme meningkat jumlahnya di sinaps kolinergik, penghubung antara ujung saraf dan sel saraf. Suatu inhibisi enzim ini dapat menimbulkan blokade fungsi saraf. Eliminasi yang cepat dari asetilkolina yang dibebaskan selama penghantaran impuls saraf adalah penting agar sistem saraf berfungsi normal. Pada setiap impuls, asetilkolina harus dieliminasi sebelum suatu impuls berikutnya dihantarkan. Maka untuk itu diperlukan setilkolin esterase yang berperan pada membran postsinaptik dan bertugas memutuskan ikatan asetil dan kolinanya. Senyawa fosfat organik umumnya larut baik dalam lemak, sehingga akan dengan mudah diabsorpsi melalui kulit dan relatif mudah ditranspor melewati sawar darah otak menuju reseptornya di otak. Akibatnya ialah muncul gangguan sistem saraf pusat dan perifer. Sampai batas tertentu, kerja blokade fungsi saraf ini dapat dilawan oleh antagonis asetilkolina dengan nitrogen tersier, umpamanya oleh atropina, yang juga bekerja pada sistem saraf pusat. Atidot lain yang dapat digunakan untuk menangani keracunan dengan senyawa organofosfat ialah reaktivasi dengan oksim tertentu asetilkolinaesterase yang terinhibisi, contoh PAM (pralidoksim) (lihat gambar 2.13). Namun PAM adalah senyawa amonium kuarterner dan karena sifat lipofilitasnya tidak cocok sebagai antidot terhadap efek sentral. Oksim yang lipofil kuat tanpa gugus kuarterner, yang dapat melintasi sawar darah-otak dan karena itu juga cocok untuk reaktivasi asetilkolinaesterase di sistem saraf pusat, dewasa ini sedang dikembangkan. pusat esteratik pusat anionik Ө CH2 OH H3C N + CH2 C H2 Ө N b c Inhibisi enzim secara reversibel C H2 O C H3 + Berbada dengan golongan asam fosfat, logamlogam berat seperti raksa ”Hg”, arsen ”As”, dan timbal ”Pb” merupakan inhibitor enzim yang kurang selektif dan bekerja sebaliknya. Mereka menginhibisi sejumlah enzim secara bolak-balik. Dan kerjanya didasarkan pada reaksi dengan gugus SH, yang diperlukan berbagai enzim agar berfungsi secara normal. pusat esteratik pusat anionik H3C C H3 O H3C a O CH3 H3C C H3 O C H2O H C H2 pusat esteratik pusat anionik Ө CH2 OH O H3C K o li n pusat esteratik pusat anionik Ө C H2 OH O O C2H5 P d O C2H5 O P arao ks o n NO2 pusat esteratik pusat anionik Ө CH2 O O C2H5 P O C2H5 e O p - N it r o f e n o l HO pusat esteratik pusat anionik Ө CH3 N + NO2 C H2 H C N O OH H5C2O P O C2H5 Enzim yang diblok f O PAM pusat esteratik pusat anionik Ө CH3 N + H2C O H H C O N H5C2O P Pada semua mahluk hidup yang memiliki saraf, asetilkolina mempunyai fungsi sebagai zat penghantar ”neurotransmiter”, yang menghantar impuls saraf dari sel yang satu ke sel yang lain dan dari sel saraf ke organ efektor. Karena asetilkolina terdapat pada semua jenis hewan tinggi, maka inhibitor asetilkolinaesterase yang tak bolak-balik merupakan racun, baik untuk semua hewan menyusui, ikan, serangga, cacing dan sebagainya. Enzim yang diaktifkan kembali g O C2H5 O Gambar 2.13.: Bagan reaksi asetilkolina-esterase dengan asetilkolina (a, b, c) dan pemblok tak bolak-balik asetilkolina-esterase (d, e) serta pengaktifan kembali enzim yang diblok dengan penggunaan oksim PAM (f, g), (dari Ariens, Toksikologi umum pengantar, 1986, hal. 29, dengan modifikasi). Senyawa yang disebut dengan antimetabolit umumnya menyebabkan inhibisi enzim secara bolak-balik. Senyawa ini secara kimia mirip dengan subtrat normal enzim, sehingga dapat berikatan dengan enzim meskipun bukan tempat yang sebenarnya. Untuk berikatan dengan pusat enzim terjadi persaingan (kompetisi) antara antimetabolit dengan subtrat normal. Suatu contoh yang baik dikenal sebagai zat penghambat enzim adalah antagonis asam folat (contohnya metotreksat), yang digunakan sebagai sitostatika pada pengobatan penyakit kanker. Anti metabolit asam folat menghambat sistem enzim yang penting untuk sintesis asam amino dan turunan purin serta pirimidin. Perbanyakan sel dihambat melalui kerja ini. Penggunaan antagonis asam folat untuk tujuan lain selain pengobatan, yaitu contohnya pada pemberantasan serangga berdasarkan kerja mensterilkan. Pemutusan reaksi biokimia Pada proses oksidasi secara biokimia, energi yang dibebaskan umumnya disimpan dalam bentuk fosfat berenergi tinggi, salah satu contohnya ialah ATP (adenosintrifosfat). Energi yang tersimpan dalam senyawa ini selanjutnya dapat digunakan untuk semua proses biokimia yang memerlukan energi, contohnya untuk berbagai proses sintesis atau proses kimiamekanik pada kontraksi otot. Pada oksidasi asam asetat dalam siklus sitrat dan pada rantai pernapasan, digunakan energi yang 29 dibebaskan untuk mengubah fosfat anroganik menjadi fosfat organik berenergi tinggi. Xenobiotika ”tokson” yang sesuai untuk reaksi pemutusan dan menggangu sintesis asam fosfat berenergi tinggi, akan mengakibatkan terbuangnya energi sebagai panas dan tidak dapat tersimpan. Dengan jalan demikian tokson ini dapat menimbulkan demam. Dalam hal ini intensitas proses oksidasi dalam organisme akan naik sesuai dengan transformasi tokson untuk proses ini, bersamaan dengan proses tersebut kebutuhan oksigen akan meningkat. Senyawa dinitrofenol memiliki kerja seperti ini, sesuai dengan efeknya pada waktu lampau dinitrofenol digunakan untuk pengobatan penyakit penimbunan lemak, tetapi segera kemudian terbukti bersifat toksis. Senyawa lain tipe ini adalah dinitrokresol yang digunakan sebagai zat pembasmi tanaman penggangu. Karena prisip pembentukan fosfat berenergi tinggi adalah umum pada semua sistem kehidupan, oleh karena itu zat pemutus proses ini tidak hanya toksik untuk tanaman pengganggu saja tetapi juga untuk mahluk umumnya sangat toksik. Tingkat dan keselektifan toksisitas senyawa seperti ini, tentunya ditentukan oleh perbedaan kekuatan absorpsi pada berbagai organisme. Inhibisi fotosintesis pada tanaman Senyawa yang menghambat fotosintesis menunjukkan toksisitas untuk organisme, dengan demikian pada prinsipnya toksis untuk tanaman. Kerja herbisida tertentu didasarkan atas prinsip ini dan dibedakan berdasarkan berbagai mekanisme kerja. Pada gambar 2.14 diuraikan secara skematis proses fotosintesis pada tanaman dan kerja berbagai herbisida dalam menghambat proses tersebut. Pada fase cahaya digunakan energi cahaya foton untuk pembentukan fosfat berenergi (ATP) dan donor hidrogen (NADPH), pada saat yang sama dihasilkan oksigen (O2). Sedangkan pada fase gelap ATP dan NADPH diperlukan untuk mengikatkan CO2 pada akseptor CO2 (Ribulose-5-fosfat). Akhir dari proses fotosintesis ini terbentuk glukosa. Suatu golongan herbisida, seperti monuron mengganggu langkah pertama fotosintesis, dimana dalam butir klorofil dengan bantuan energi cahaya, air diuraikan menjadi oksigen dan hidrogen. Herbisida tipe lain termasuk parakuat dan dikuat, seperti bipiridilium, menganggu penghantaran hidrogen kepada NADP. Herbisida 30 ini berpengaruh pada reaksi oksidasi reduksi I dan pada proses ini memutuskan pemindahan hidrogen. Toksisitas zat ini pada hewan mungkin sama, disebabkan oleh kerjanya sebagai pemutus katalisator redoks. Reaksi dengan ada cahaya ADP+Pi ATP Sistem Sistem pigmen 1 pigmen 2 H2 O O2 Monuron Foton NADP NADPH Bipiridilium Foton Reaksi dalam keadaan gelap ATP ADP + Pi CO2 + CO2-akseptor NADPH Glukosa NADP Gambar 2.14.: Fotosintesis meliputi fase cahaya dan fase gelap yang tidak tergantung pada energi cahaya dari Ariens, Toksikologi umum pengantar, 1986, hal. 105, dengan modifikasi). Herbisida tipe monuron atau bipiridilium menghambat penghantaran selama fase cahaya pada fotosintesis. Sintesa zat mematikan Dalam hal ini xenobiotika mempunyai struktur ruang yang hampir mirip dengan subtrat, sehingga dapat berikatan dengan enzim dan terambil dalam satu tahap atau lebih dalam siklus reaksi biokimia, dan dengan jalan ini diubah menjadi produk yang tidak normal, tidak berfungsi, yaitu produk toksik. Produk yang terbentuk umumnya merupakan inhibitor enzim untuk salah satu tahap berikutnya pada siklus reaksi biokimia. Sebagai contoh yang bekerja dengan cara ini adalah asam fluoroasetat dan turunannya. Asam fluoroasetat menempati tempat asam asetat pada siklus asam sitrat dan dengan demikian bukan asam sitrat yang terbentuk melainkan asam floursitrat, yang merupakan inhibitor enzim akonitase, yaitu suatu enzim yang mengkatalisis pembentukan asam sitrat menjadi asam isositrat. Siklus asam sitrat penting untuk produksi energi, dengan terbentuknya asam fluorositrat akan meninhibisi siklus ini. Toksisitas asam ω-fluoralkilkarboksilat organik yang terbentuk akibat terlibatnya asam fluorasetat pada siklus asetat, tergantung pada tipe oksidasinya (apakah asam fluorasetat terbentuk melalui ß-oksidasi atau tidak), dan jumlah atom karbon yang terdapat pada rantai aklil. Jika jumlah atom karbon genap makan terbentuk asam fluorasetat yang lebih toksik sebagai produk akhir dan dapat diartikan akibat sintesis zat mematikan. Suatu turunan ditiokarbamat, yaitu disulfiram, digunakan pada pengobatan alkoholisme. Seseorang akan menghentikan penggunaan alkohol karena efek yang tidak enak yang mengejutkan, pada penggunaan alkohol dan disulfiram secara bersamaan. Pengambilan ion logam yang penting untuk kerja enzim R-OH Ion logam tertentu bekerja sebagai kofaktor dan merupakan bagian penting dari enzim. Molekul logam dari pofirin, seperti Fe-protoporfirin IX (lihat gambar 2.15) adalah suatu mulekul multi fungsi pada sistem biologi, jika berikatan dengan protein. Molekul porfirin dapat membentuk kompleks khelat dengan logam Fe, Mg, Cu, Zn, Sn, Cd, Co, dan Ag. Khelat porfirin dengan Fe atau Mg, terdapat paling banyak di alam. Kompleks Feprotoporfirin merupakan inti dari sitikrom dan hemoglobin, kompleks logam protein ini memiliki peran yang sangat penting bagi organisme hidup, yaitu pembawa oksigen menuju sel (fungsi dari hemoglobin) dan pengkatalis reaksi oksidasireduksi dan pada proses transfer elektron (fungsi dari sitokrom) dalam berbagai reaksi metabolisme xenobiotika. Suatu efek toksik dapat timbul akibat pengambilan ion logam penting untuk aktivitas pada suatu substrat biologi melalui pembentukan khelat tertentu, seperti ditiokarbamat. Pengambilan ion Fe dari kompleks Feportoporfirin akan menghilangkan fungsi utamanya. Ditiokarbamat digunakan sebagai aktivator pada vulkanisasi dan sebagai anti oksidan pada industri karet. Pada pekerja yang terpejan dengan ditiokarbamat, akan mengalami efek toksik apabila mereka mengkonsumsi alkohol. Ditiokarbamat mengikat ion Cu, dimana ion Cu merupakan aktivator enzim aseldehida dihidrogenase, yang mengkatalisis perubahan asetal dehida menjadi asam asetat, serta asetaldehida yang terbentuk dari alkohol. Akibat pengikatan ion Cu oleh ditiokarmbamat, maka reaksi metabolisme alkohol di dalam tubuh akan diperlambat. Sehingga alkohol akan berada dalam waktu yang lebih lama yang akan menginduksi efek toksik alkohol. Efek toksik alkohol yang terasa, seperti mual, muntah, dan sakit kepala yang berat, pada keadaan berat dapat sampai koma. Fe3+ R-H F e 3+ OH . R F e 3+ H2 O NADPH + H+ NADPH + H+ RH Fp CYP b5 e e Fe 2+ RH + 2 H* Fe3+ O22RH Fe3+ Fe2+ O2- O2 RH RH O2 (a) (b) Gambar 2.15.: (a) Sitokrom P-450, dengan inti Fe pada reaksi oksidasi-reduksi pada proses metabolisme xenobiotika; (b) Sruktur Fe-protoporfirin IX (heme b). Turunan ditiokarbamat di dunia pertanian juga digunakan sebagai fungisida. Kerja fungisida ditiokarbamat dipotensiasi dengan adanya ion logam (Cu, Co, atau Mn), hal ini mungkin akibat suatu kenaikan transpor logam ke dalam sel melalui membran sel lipofil dalam bentuk khelat. Dalam bentuk ionisasi transpor logam membran akan diperlambat. Bagian sel tertentu rupanya mempunyai afinitas yang tinggi terhadap ion logam ini. Akibatnya dia mengambil logam yang terikat pada ditiokarbamat, dan karena itu proses biokima dalam sel akan dirusak. Inhibisi penghantaran elektron dalam rantai pernafasan Ion besi sebagai inti dari sitokrom, merupakan enzim yang berperan penting dalam rantai 31 pernafasan. Transpor elektron dalam siklus pernapasan melalui berubahan muatan dari ion besi. Inhibisi oleh asam sianida ”HCN” pada enzim akan menghilangkan fungsi redoknya. Dengan demikian racun HCN menghambat pernapasan aerob, yaitu proses pertukaran elektron yang melibatkan oksigen. Pada organisme lebih tinggi keracunan seperti ini dapat membahayakan jiwa. Hidrogen sulfida (H2S), mempunyai mekanisme kerja yang sangat mirip dengan HCN dan merupakan gas yang toksik. b. Inhibisi pada transpor oksigen karena gangguan hemoglobin Hemoglobin adalah pengangkut oksigen. Hemoglobin mengandung dua rantau α dan dua rantai ß, serta 4 gugus heme, yang masingmasing berikatan dengan ratai polipeptida. Masing-masing gugus heme dapat mengikat satu molekul oksigen secara bolak-balik. Sebagian besar hemoglobin terdapat di dalam sel darah merah ”eritrosit”. Gangguan pada hemoglobin dan sel darah merah akan menggagu transpor oksigen bagi organisme tersebut, yang pada akhirnya akan menimbulkan efek yang tidak dinginkan. Gangguan-gangguan ini mungkin melalui: - keracunan karbon monoksida ”CO”. Karbon monoksida mempunyai tempat ikatan yang sama dengan oksigen pada heme. Kompleks hemoglobin dengan karbon monoksida disebut karboksi hemoglobin. Kompleks ini menujukkan kenendrungan ikatan yang lebih kuat dari pada ikatan oksigen pada heme. Pendudukan CO pada heme berarati dapat menurunkan bahkan meniadakan kemampuan eritrosit untuk mentranpor oksigen. Keracunan CO dapat mengakibatkan dari efek perasaan pusing, gelisah sampai kematian. - pembentukan methemoglobin dan sulfhemoglobin. Methemoglobin adalah suatu hasil oksidasi hemoglobin yang tidak mempunyai kemampuan lagi untuk mengangkut oksigen. Banyak zat, seperti amina aromatik atau senyawa nitro aromatik yang dalam organisme direduksi menjadi amina aromatik, sulfonamida, asetanilid, asam aminosalisilat, nitrofurantion, primakuina, kinina atau nitrit, menyebabkan pembentikan methemoglobin dari hemoglibin. Jika methemoglobin terbentuk dalam jumlah sedikit makan di dalam eristrosit dapat direduksi kembali menjadi hemoglobin. Tetapi jika jumlah methemoglobin naik sampai jumlah 32 tertentu, kemampuan regenerasi eristrosit tidak akan cukup dan dengan demikian kemampuan darah untuk mentranspor oksigen akan berkurang dengan nyata. Disamping methemoglobin, juga ada yang disebut sulfhemoglobin, yang dengan methemoglobin menunjukkan kesamaan tertentu dan tidak mempunyai kemampuan untuk mengangkut oksigen. Pembentukan sulfhemoglobin terjadi jiika senyawa yang mengandung sulfur (contoh sulfonamida) dan zat pembentuk methemoglibin (contoh asetanilid atau turunannya) bersama-sama digunakan. c. Interaksi dengan fungsi sel umum Kerja narkose. Kerja atau efek narkose (membius) dimiliki oleh senyawa, seperti eter, siklopropana dan halotan. Senyawa ini umumnya bersifat lipofil kuat, sehingga akan terjadi penimbunan dalam membran sel. Efek narkose dari senyawa tersebut sangat tidak selektif. Penimbunan senyawa ini pada membran sel sampai pada batas tertentu, mungkin dapat menghambat transpor oksigen dan zat makanan, misalnya glukosa. Pada sel tertentu yang sangat peka dengan penurunan oksigen atau kadar glukosa darah akan sangat peka terhadap anastetika umum ini, sel seperti ini seperti sel saraf pusat. Zat anastetika umum yang digunakan secara klinik dalam konsentrasi rendah sudah menekan fungsi kesadaran. Sebaliknya fungsi pusat yang penting untuk kehidupan yang mengatur pernapasan dan kerja jantung, baru dihambat pada konsentrasi tinggi. Maka anestika umum dianggap nisbi aman. Pada penggunaan non klinis hidrokarbon dan pelarut organik lainnya, jarak antara konsentrasi nisbi sangat kecil. Karena itu kerja zat seperti ini terhadap saraf pusat nisbi (relati) berbahaya. Pengaruh pengantaran rangsang neurohormonal Kerja sebagian besar obat mempengaruhi sinaps pada penghantaran rangsang dari sel saraf yang satu ke sel saraf yang lainnya atau mempengaruhi ujung saraf sel efektor. Senyawa alkaloid tanaman yang mempunyai efek seperti di atas adalah alkaloid kurare, nikotin, dan atropin. Alkaloid kurare menginhibisi reseptor kolinergik pada plat akhih (end plate) motoris dan kemudian dapat digunakan sebagai pengendor otot (relaksan otot). Atropin memblok reseptor kolinergik pada postganglion parasimpatika. Sedangkan nikotina bekerja pada hantaran kolinergik pada sinaps ganglion. rantai spiral ganda ini selalu terdapat pasangan basa tertentu, misalnya G dan C atau A dan T berseberangan, yang dihubungkan oleh jembatan fosfodiester. (lihat gambar 2.16). Banyak senyawa yang mempengaruhi penghantar-an neurohormonal tidak hanya bekerja pada sistem saraf otonom seperti obat andrenergik, anti adrenergik obat kolinergik dan antikolinergik melainkan juga berbagai jenis psikofarmaka. Anti dipresan trisiklik (imipramina dan sebagainya) mempengaruhi penghantaran rangsang pada sinaps andrenergik, senyawa ini menghambat pengambilan kembali penghantar (transfer) pada ujung saraf prasinaptik. Disamping obat ini, banyak toksin yang bekerja mempengaruhi penghantaran rangsang seperti, salah satunya toksin botolinum bekerja menghambat pembebasan asetilkolina pada pelat akhir (end plate) motorik dan dengan demikian menyebabkan paralisis. Keracunan ikan kembung ”puffer fish” sebagai akibat termakannya telur ikan yang mengandung tetrodotoksin yang bekerja neurotoksik berupa gangguan penghantaran rangsan kolinergik pada berbagai sinaps kolinergik sistem perifer otomon dan somatik. Berbagai jenis keracunan kerang adalah sama menyebabkan hambatan penghantaran rangsang pada sistem saraf prifer. Berbagai halusinogen, contohnya meskalin, yang diisolasi dari bebagai jenis kaktus Meksiko, dan LSD yaitu suatu turunan alkaloid secale cornutum, menggangu penghantaran rangsang pada bagian tertentu sistem saraf pusat. Beberapa stimulan lemah seperti arekolina, alkaloid dari buah pinang, atau norpseudoefedrina dari Catha edulis mempengaruhi juga hantaran impuls sentral. d. Gangguan pada sintesis DNA dan RNA Asam dessoksiribonukleat (DNA) merupakan molekul yang sangat panjang, mengandung urutan spesifik keempat basa utamanya, dengan dua basa Purin, yaitu: guanina (G) dan adenina (A) dan dua basa pirimidin, yaitu: sitisina (C), dan timina (T) (lihat gambar 2.16). Urutan keempat basa utama ini merupakan lambang untuk menyandi informasi genetik. Secara umum telah dikenal, bahwa informasi genetik tersimpan di dalam kromosom, yang berada di dalam inti sel “nukleoid”. Kromosom terdiri dari 2 molekul DNA, yang bergabung menjadi heliks ganda. Model struktur heliks ganda ini tertama kali dikemukkan oleh Watson dan Crick pada tahun 1953. Kedua Gambar 2.16.: Molekul DNA terpilin berbentuk heliks ganda, yang menyusun untaian kromosom di dalam inti sel, serta skema pembelahan DNA. Watson-Crick berhipotesa, dan oleh penelitian berikutnya telah dibuktikan, bahwa tiap untaian salur ganda DNA digunakan sebagai suatu cetakan bagi replika DNA keturunan/anak yang bersifat komplementer. Dengan cara ini, dua dupleks terturunan molekul-molekul DNA yang sama dengan DNA induk akan terbentuk, masingmasing mengandung satu untai utuh dari DNA induk. Sintesa protein terjadi pada ribosum, yang merupakan organel pada sitoplasme. Pada proses sintesa ini terdiri dari tiga tahap, yaitu pertama dimulai dengan “replikasi” DNA, yaitu pemisahan dari masing-masing ratai membuat DNA induk menjadi molekul DNA anak yang memiliki deret sama persis dengan deret nukleotida DNA induk. Tahap kedua adalah transkripsi, yaitu proses, dimana sebagian pesan genetik pada DNA dituliskan kembali dalam bentuk asam ribonukleat (RNA). Proses transkripsi dikatalisis oleh polimerase RNA, yang diarahkan oleh DNA, yaitu enzim komplek membuat RNA yang bersifat komplementer dengan salah satu untai DNA dupleks, kecuali urasil (U) menggantikan tiamina (T), berpasangan dengan adenina (A). Tahap ketiga adalah translasi, dimana pesan genetik yang disandi oleh 33 RNA ditranslasikan oleh ribosom menjadi 20 huruf alfabet pada struktur protein. Asam ribonukleat terdiri dari benang panjang ribonukleotida, yang lebih pendek dari untai DNA. Pada sel prokaryotik dan eukaryotik, terdapat tiga golongan RNA, yaitu RNA-data (mRNA = massenger RNA), RNA ribosom (rRNA), dan RNA pemindah (tRNA = transfer RNA), dimana masing-masing terdiri dari satu untai ribonukleotida, dan masing-masing mempunyai molekul urutan asam nukleotida, dan fungsi biologis yang khas. Kromosom bukanlah struktur yang stabil atau inert. Kromosum terus menerus mengalami perubahan. Perubahan ini mungkin diakibatkan oleh kesalahan replikasi dan bermacam-macam bentuk kerusakan DNA yang disebabkan oleh hidrolisa atau senyawa mutagenik eksternal, seperti utraviolet dan ion, atau yang mengebabkan senyawa-senyawa deaminasi dan aklilasi. Beberapa kerusakan oleh sistem internal dapat diperbaiki sendiri, namun kerusakan yang tidak dapat diperbaiki atau terkoreksi oleh mekanisme-mekanisme internal tubuh mungkin akan mengasilkan mutasi turun-temurun yang mungkin bersifat letal, terhilang, diam, atau bahkan menguntungkan, yang tergantung pada letak dan sifat kerusakannya. Kerja toksik racun dapat disebabkan oleh gangguan pada pengaturan proses sintesis DNA dan RNA. Gangguan ini dapat terjadi pada: - penggandaan DNA selama pembelahan sel, - transkripsi informasi DNA kepada RNA, - penyampaian informasi melalui RNA pada sintesis protein, - sintesis bangunan dasar protein dan asam nukleat, biasanya melalui penghambatan pada sintesis enzim yang berperan serta atau melalui sintesa zat mematikan, - proses pengaturan yang menentukan pola aktivitas pada sel. Radiasi ultraviolet (panjang gelombang 200 s/d 400 nm) dapat mengakibatkan perubahan kimiawi pada DNA bakeri dan kulit manusia. Absorpsi sinar ultraviolet ini dapat meningkatkan energi basa purin atau pirimidin (ke keadaan tereksitasi), sehingga menyebabkan perubahan kovalen pada strukturnya. Bentuk lain energi radiasi adalah radiasi pengion, yang dapat mengeluarkan satu atau lebih elektron dari biomelekul, dan membentuk ion atau radikal bebas yang sangat tidak stabil. Senyawa ini dapat mengakibatkan 34 perubahan kimiawi DNA. Umumnya kerusakan DNA akibat radiasi sinar ultraviolet dapat diperbaiki oleh sistem enzim tubuh. Namun seseorang yang memiliki penyakit xeroderma pigmentosum, dimana pada orang tersebut memiliki cacat genetik, sehingga tidak dapat memperbaiki kerusakan DNA, khususnya pada kulit, akibat radiasi ini. Senyawa kimia eksternal yang dapat menginduksi kerusakan DNA adalah: 1) Senyawa-senyawa penyebab deaminasi, terutama asam nitrat (HNO2) atau senyawa yang dapat mengalami metabolisme menjadi asam nitrit atau turunan nitrit lainnya. Asam nitrit yang terbentuk dari prekursor organik, seperti: nitrosamin dan dari garam nitrit dan nitrat, merupakan pereaksi yang ampuh dalam menguraikan gugus amino dari basa sitosin, adenin dan guanin. Sitosin oleh asam nitrit dirubah menjadi urasil, deaminasi adenin menghasilkan hipoksantin, dan guanin menjadi ksantin. Residu hipoksantin dan ksantin dapat dikenali dan diuraikan oleh enzim spesifik, yang diikuti oleh proses auto imum perbaikan DNA tubuh. Namun penggunaan nitrat dan nitrit untuk pengawetan daging, masih menjadi perdebatan bagi para ahli, karena ketakutan akan terjadi kerusakan DNA yang dapat mengakibatkan efek merugikan. 2) Penyebab alkilasi. Dimetilsulfat yang sangat reaktif dapat menyebabkan metilasi residu guanin menghasilkan O-metilguanin, hal ini dapat menghilangkan kemampuan guanin untuk berikatan dengan sitosin. 3) Senyawa kimia lainnya yang dapat merangsang atau berlaku seperti basa yang biasanya terdapat pada DNA. Meskipun terdapat sistim autoimun oleh tubuh untuk memperbaiki kerusakan-kerusakan DNA, namun banyak dari kerusakan tersebut tidak dapat diperbaiki yang mengakibatkan kerusakan permanen. Kerusakan permanen pada DNA ini disebut dengan mutasi. Terdapat beberapa jenis mutasi yang telah dipelajari, seperti mutasi substitusi, yaitu penggantian satu basa dengan basa yang salah. Beberapa contoh substitusi tunggal dan akibatnya seperti: - mutasi diam: a) substitusi satu basa tidak menyebabkan perubahan urutan asam amino, dan b) mutasi satu basa dapat menyebabkan perubahan asam amino yang mungkin tidak mengubah aktivitas biologik protein, karena penggantian asam amino ini tidak terjadi pada posisi kritis dan menyerupai asam amino normal, - mutasi satu basa yang mematikan, disini residu serin yang bersifat esensial, yang disandi oleh gen yang telah mengalami mutasi, digantikan oleh fenilalanin, sehingga produk enzimatisnya menjadi tidak aktif, - mutasi kebobolan, disini penggantian asam amino kebobolan mengakibatkan protein yang sebagian aktivitasnya masih dapat dipertahankan, - mutasi secara hifotesis bersifat menguntungkan, penggantian asam amino menghasilkan protein dengan aktivitas biologik yang dapat diperbaiki dan menguntungkan organisme yang termutasi. Substitusi satu basa, hanya merupakan sebagian kecil mutasi permanen yang terjadi pada bakteri. Mutasi yang lebih sering terjadi dan membahayakan adalah mutasi insersi (mutasi penyisipan) dan mutasi delesi (mutasi penghapusan). Mutasi ini umumnya menyebabkan pergeseran kerangka DNA, yang pada akhirnya menghasilkan kerusakan genetik yang lebih ekstensif. Mutasi adalah peristiwa acak yang jarang terjadi. Penghitungan kemungkinan mutasi sel manusia adalah 1 diantara 105, perkiraan ini didasarkan atas kejadian alamih penyakit hemofili, yaitu penyakit gangguan genetik dalam mekanisme pembekuan darah. Namun bebarapa mutasi pada DNA manusia bersifat diam, tidak berbahaya atau dinginkan, dan tidak menimbulkan masalah, banyak mengakibatkan gangguan genetik yang mungkin menghambat aktivitas atau fungsi normal tubuh manusia dan akhirnya mematikan. Banyak senyawa penyebab mutasi (mutagenik) yang bersifat karsinogenik. Statistik menunjukkan, bahwa belakangan ini terjadi peningkatan kematian akibat penyakit kanker. Hal ini mungkin disebabkan, karena pada kenyataannya di era industri ini, hampir tidak dapat dihindari, manusia akan selalu terpapar oleh jutaan bahan kimia, yang mungkin diantaranya bersifat karsinogenik. Senyawa-senyawa yang telah diketahui bersifat karsinogenik umumnya berasal dari, bahan pengawet makanan, pestisida, senyawa penyedap rasa, polimer dan monomer sintesik, dan bahan-bahan kosmetik (hampir 90% pewarna rambut yang pernah digunakan di Amerika bersifat mutagenik). Perubahan kromosom dapat juga diakibatkan oleh perubahan alamiah di dalam sel, seperti melalui rekombinasi genetik, yaitu penggantian atau penambahan gen dari berbagai sumber untuk pembentukan kromosom yang berbeda dari semula, yang kemudian dapat direplikasi, ditranskripsi dan ditranslasi. Rekombinasi genetik ini diantaranya: transformasi bakteri oleh DNAasing, yaitu perubahan galur non-virulen menjadi virulen akibat donor DNA dari galur virulen. Proses lisogeni dikenal pada rekombinasi genetik pada infeksi manusia dengan virus simpleks herpes, yang menyebabkan luka-luka selama influenza, selain itu juga luka-luka bernanah pada alat genital. DNA virus simpleks herpes dapt bergabung ke dalam genom sel manusia dan diam dalam keadaan tidur (dorman) sampai terjadi peristiwa yang memicu translasi menjadi partikel virus penginfeksi. Selain terjadi secara alamiah, rekombinasi genetik dapat juga dilakukan secara buatan. Teknologi rekombinasi genetik ini, belakangan telah banyak dimanfaatkan oleh manusia, seperti pada dunia pertanian, yaitu pencitaan bibit unggul melalui teknologi rekombinasi DNA. Demikian juga pada bidang kesehatan, dengan teknologi ini dihasilkan bakteri atau spesies baru yang dimanfaatkan untuk memproduksi hormon manusia, seperi insulin. Ketakutan juga muncul dari keberhasilan ini, yaitu rekombinasi genetik pada tanaman transgen, atau pada bakteri mungkin akan terus berlanjut merekombinasi genetik sel manusia, sehingga mungkin dapat menimbulkan penyakit atau prubahan genetik yang merugikan pada manusia. e. Kerja Teratogenik Adalah suatu keabnormalan yang terjadi pada janin yang timbul selama fase perkembangan embrio (fetus) atau bisa diatikan dengan pembentukan cacat bawaan. Hal ini mulai menarik dunia setelah terjadi bencana talidomid yang terjadi pada akhir 1950-an sampai awal tahun 1960-an,. Seperti yang telah disampaikan pada bab 1 , efek yang terjadi adalah terlahir janin dengan pertumbuhan organ tubuh yang tidak lengkap. 35 Gambar 2.17: Gambar skematik periode perkembangan, pada periode ini senyawa teratogen berbahaya pada embrio manusia atau fetus. Kotak hitam menunjukkan periode berbahaya yang tinggi, kotak putih adalah periode kepekaan yang lebih rendah Jenis kerusakan tidak hanya tergantung dari zat penyebab tapi juga tergantung pada fase perkembangan embrio, yaitu fetus, tempat zat teratogenik bekerja. (lihat gamabr 2.17) Contoh kasus: Alkohol yang di konsumsi oleh wanita hamil, dapat menyebabkan kelainan jantung; terjadi craniofacial abnormalities (kelainan pada tengkorak dan wajah), yaitu a.l: microcephaly, small eyes, dan flat midface; retardasi pada pertumbuhan; dan kelainan pembentukan tulang. Selain itu juga dapat menyebabkan retardasi mental, lemah otot, kelainan bicara, dan kelainan pada pendengaran. Meningkatnya kebutuhan akan uji toksikologik, terutama zat yang dapat bersifat teratogenik, namun pada kenyataannya terdapat keterbatasan akan fasilitas dan sumber daya manusia yang memenuhi syarat, Oleh sebab itu maka data teratogenik yang dihasilkan dimana saja sebaiknya dapat diterima secara international. Agar data-data tersebut dapat diterima secara umum, kama data tersebut harus memenuhi standar tertentu. Untuk itu lembaga terkemuka dunia mengeluarkan standar seperti yang dikeluarkan oleh Lembaga pengawas obat dan makanan Amerika ( US FDA = United States Food and Drug Administration ) mengeluarkan “FDA Pregnancy Risk Factor” , dimana standar ini dapat diterima secara international. “FDA Pregnancy Risk Factor” merupakan kategori dari FDA mengenai resiko penggunaan obat dalam kehamilan. Kategori adalah sebagai berikut: 36 Kategori A: Studi terkontrol pada wanita gagal memperlihatkan resiko terhadap janin pada trimester ke-1 (dan tidak ada bukti mengenai adanya resiko pada trimester berikutnya), dan kemungkinan bahaya terhadap janin sangat kecil. Kategori B: Studi terhadap reproduksi binatang percobaan tidak memperlihatkan adanya resiko terhadap janin. Tetapi tidak ada studi terkontrol wanita hamil atau studi terhadapreproduksi hewan percobaan yang memperlihatkan adanya efek samping (selain dari penurunan tingkat kesuburan) yang tidak dipastikan dalam studi terkontrol pada wanita hamil trimester pertama (dan tidak ada bukti mengenai adanya resiko trismester berikutnya) Kategori C: Studi pada hewan percobaan memperlihatkan adanya efek samping pada janin (teratogenik atau embriosidal atau lainnya) dan tidak ada studi terkontrol pada wanita atau studi terhadap wanita dan hewan percobaan tidak dapat dilakukan. Obat hanya dapat diberikan jika manfaat yang diperoleh sebanding dengan besarnya potensi resiko terhadap janin. Kategori D: Ada bukti positif mengenai resiko terhadap janin manusia, tetapi manfaat yang diperoleh dari penggunaan obat pada wanita hamil lebih besar dari resikonya (misalnya jika obat diperlukan untuk mengatasi kondisi yang mengancam jiwa atau untuk penyakit serius dimana obat yang lebih aman tidak efektif atau tidak dapat diberikan) Kategori X: Studi pada hewan percobaan atau manusia memperlihatkan adanya abnormalitas pada janin dan atau terdapat bukti mengenai resiko terhadap janin berdasarkan pengalaman pada manusia. Dan resiko penggunaan obat pada wanita hamil benar-benar melebihi manfaatnya. Obat ini dikontra indikasikan pada wanita yang sedan atau memiliki kemungkinan untuk hamil. f. Gangguan sistem imun Fungsi dari sistem imun adalah melindungi tubuh dari organisme asing (virus, bakteri, jamur), sel asing(neoplasma), dan zat asing lain. Adanya sistem imun ini adalah sangat penting, hal ini dapat diperlihatkan pada efek imunodefisiensi, dimana kecenderungan terjadinya infeksi dan tumor lebih mudah terjadi. Imunoodefisiensi dapat berupa kelainan bawaan atau dapatan. Imunodefisiensi yang dikenal pada masyarakat adalah AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome) Suatu zat /senyawa toksik yang mengganggu sistem imum adalah Imunotoksikan. Ada 3 (tiga) macam Imunotoksikan: i. Imunostimulan Imuno stimulan (peningkatan sistem imun) dapat menyebabkan reaksi hipersensitivitas atau alergi. Reaksi alergi tergantung pada kepekaan terhadap suatu zat tertentu yang terjadi akibat kontak atau pemakaian berulang yang mengakibatkan pembentukan antibodi yang khas terhadap zat asing (antigen). Jadi alergi didasarkan pada suatu bentuk tertentu reaksi antigen – antibodi. Suatu zat yang dapat menyebabkan alergi dikenal sebagai allergen. Alergen bisa masuk ketubuh melalui kulit, hidung, mulut, ataupun disuntik melalui injeksi. Allergen yang umum yaitu: tanaman, serbuk sari, sengatan tawon, gigitan serangga, obat,dan makanan. Alergi yang parah dapat mengakibatkan hal yang fatal seperti Anaphylaxis shock. Hal ini bila tidak segera ditangani maka dapat mengakibatkan kematian. ii. Imunosupresan Imunosupresan adalah penekanan pada sistem imun. Zat yang termasuk dalam imunosupresan dapat digolongkan menjadi 5(lima) kategori: • Antineoplastik, seperti: metotreksat • Logam berat, seperti : timbal, merkuri, kromium, arsenat • Pestisida. seperti: DDT, heksaklorobenzen (HCB), dieldrin, karbanil • Hidrokarbon berhalogen, seperti : kloroform, trikloroetilen, pentaklorofenol • Macam-macam senyawa seperti: benzo(a)piren, benzen, glukortikoid, dietilstilbenstrol, TCDD iii. Auto Imun Sistem imune menghasilkan auto antibodi tehadap antigen endogen, yang merusak jaringan normal. Seperti anemia hemolitik. Pada penyakit ini terjadi fagositosis terhadap eritrosit sehingga terjadi hemolisis dan anemia. Senyawa yang dapat mengakibatkan anemia hemolitik adalah pestisida dieldrin. g. Iritasi kimia lansung pada jaringan Suatu rangsangan kimia langsung pada jaringan disebabkan oleh zat yang mudah bereaksi dengan berbagai bagian jaingan. Zat tersebut biasanya tidak menembus peredaran darah sebab zat langsung bereaksi dengan jaringan pertama yang berhubungan, seperti, a.l: kulit, mata, hidung, tenggorokan, bronkus, alveoli. Reaksi dari zat kimia yang terjadi dapat diuraikan antara lain sebagai berikut: i. Kerusakan kulit Simptom (gejala) alergi yang umum terjadi antara lain termasuk: - gatal, - bersin-bersin, - kulit merah, - mata berair, - pilek, - bengkak, - sulit bernapas, - mual, muntah. Contoh : Larutan basa kuat seperti NaOH pekat dan KOH yang bersifat sebagai korosif kuat. Banyak reaksi alergi yang ringan yang dapat diobati dirumah, dan dapat menggunakan obat anti alergi seperti: ctm, difenhidramin HCl. ii.Gas Air Mata Beberapa reaksi dapat terjadi lebih parah dan harus mendapatkan pengobatan lebih lanjut. Suatu perubahan harga pH lokal yang kuat yang dapat mengubah keratin kulit yang menimbulkan pembengkakan karena penyerapan air. Gas air mata pada konsentrasi rendah telah menyebabkan nyeri mata dan aliran air mata yang deras. Contohnya: klorpikrin, bromaseton, 37 bromasetofenon, dan klorsetofenon. Pada konsentrasi tinggi zat ini dapat menyebabkan udema (pembengkakan) paru-paru. Bila mata terkena sedikit gas air mata , maka gangguan akan hilang dengan sendirinya karena kenaikan pembentukan air mata yang diakibatkannya. Tetapi bila terkena pada konsentrasi yang lebih tinggi maka harus dicuci berulang-ulang dengan air atau lebih baik dengan larutan Natrium Hidrogen Karbonat 2%. Bersamaan dengan pencucian maka kelopak mata harus dibalik. iii. Zat yang berbau Bau yang tidak enak meskipun dalam konsentrasi rendah, dapat dikenali dan cepat mengundang keluhan. Hal ini dapat kita mengerti bagaimana indera pencium kita bekerja pada saat mencium sesuatu yang tidak sedap. Contoh: Hidrogen Sulfida (H2S), mempunyai bau seperti telor busuk. Yang lebih penting lagi adalah toksisitas dari zat ini. Pada konsentrasi tinggi dapat menimpulkan paralisis (kelumpuhan) h. Toksisitas pada jaringan Pada pemeriksaan histologi, terjadinya toksisitas jaringan dapat ditandai dengan terjadinya degenerasi sel bersama-sama dengan pembentukan vakuola besar, penimbunan lemak, dan nekrosis (= kematian sel/jaringan/organ). Toksisitas jenis ini adalah fatal karena struktur sel langsung dirusak. Efek toksik ini sering terlihat pada organ hati dan ginjal. Efek toksik ini segera terjadi setelah senyawa toksik mencapai organ tersebut pada konsentrasi yang tinggi Contoh zat yang berbahaya pada hati adalah: kloroform, karbontetraklorida, dan brombenzena. Bahan Bacaan: 1. Ariens,E.J., Mutschler,E., Simonis,A.M., 1985, Toksikologi Umum, Pengantar, Wattimena,Y.R.(terj.), Gadjah Mada University Press,Yogyakarta. 2. BENET, L.Z., KROETZ D.L. and SHEINER L.B., (1996), “Pharmacokinetics The dynamics of drug absorption, distribution, and elimination”, in HARDMAN J.G., GOODMAN GILMAN A.., LIMBIRD L.E., “Goodman & Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics”, 9th edn, McGraw-Hill, New York p. 3-27. 38 3. FICHTL B et al. , Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie, in FORTH W et al. (Ed) Allgemeine und Spezielle Pharmakologie und Toxikologie 7. ed, Spektrum Akademiker Verlag, Berlin 1998, S. 3- 102. 4. LU, F.C. (1995), “Toksikologi dasar, asas, organ sasaran, dan penilaian resiko”, UIPress, Jakarta. 5. Maines, M.D. (1997), “THE HEME OXYGENASE SYSTEM: A Regulator of Second Messenger Gases”, Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol., (37), 517-554. 6. Mutschler, (1999), Arzneimittelwirkungen: Lehrbuch der Pharmakologie und Toxikologie; mit einführenden Kapiteln in die Anatomie, Phyiologie und Pathophysiologie. Unter mitarb. von Schäfer-Korting. -7völlig neu bearb. und erw. Aufl., Wiss. Verl.-Ges., Stuttgart. 7. MUTSCHLER, E. Und SCHÄFER-KORTING, M. (1997) “Arzneimittel-Wirkungen Lehrbuch der Pharmakologie und Toksikologie” Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart. 8. ROWLAND, M. und TOZER, T.N. (1980), “Clinical pharmacokinetics: Concepts and applications”, Lea & Febiger, Philadelphia 9. SISWANDONO dan B. SOEKARDJO (2000), Kimia Medisinal, Airlangga University Press, Surabaya. BAB III BIOTRANSFORMASI (METABOLISME) Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat menjelaskan makna biotransformasi pada reaksi toksik, proses reaksi biotransformasi, dan sistem enzim serta organ-organ yang terlibat dalam reaksi biotransformasi di dalam tubuh secara lengkap dan benar. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): Setelah mendiskusikan materi ini peserta didik diharapkan: y dapat menjelaskan pengertian dan makna biotransformasi pada reaksi toksik dengan benar, y dapat menggambarkan tahapan reaksi biotransformasi dan sistem enzim yang terlibat dengan benar, y dapat menjelaskan faktor-faktor berpengaruh pada reaksi biotransformasi dengan benar. 3.1. Pendahuluan Tidak bisa dihindari, bahwa setiap harinya manusia akan terpapar oleh berbagai xenobiotika, baik secara sengaja maupun tidak disengaja untuk tujuan tertentu. Beberapa xenobiotika tidak menimbulkan bahaya tetapi sebagian besar lagi dapat menimbulkan responrespon biologis, baik yang menguntungkan atau merugikan bagi organisme tersebut. Respon biologis tersebut seringkali bergantung pada perubahan kimia yang dialami oleh xenobiotika di dalam tubuh organisme. Perubahan biokimia yang terjadi dapat mengakhiri respon biologis atau mungkin terjadi pengaktifan. Pada umumnya reaksi biotransformasi merubah xonobitika lipofil menjadi senyawa yang lebih polar sehingga akan lebih mudah diekskresi dari dalam tubuh organinsme. Karena sel pada umumnya lebih lipofil dari pada lingkungannya, maka senyawa-senyawa lipofil akan cendrung terakumulasi di dalam sel. Bioakumulasi xenobiotika di dalam sel pada tingkat yang lebih tinggi yang dapat mengakibatkan keracunan sel (sitotoksik), namun melalui reaksi biotransformasi terjadi penurunan kepolaran xenobiotika sehingga akan lebih mudah diekskresi dari dalam sel, oleh sebab itu keracunan sel akan dapat dihindari. Pada umumnya senyawa aktif biologis adalah senyawa organik yang bersifat lipofil, yang umumnya susah dieksresi melalui ginjal, jika tanpa mengalami perubahan biokimia di dalam tubuh. Senyawa-senyawa lipofil setelah terfiltrasi glumerular umumya akan dapat direabsorpsi melalui tubili ginjal menuju sistem peredaran darah. Ekskresi senyawa ini akan belangsung dengan sangat lambat. Jika senyawa tersebut tidak mengalami perubahan kimia, kemungkinan akan menimbulkan bahaya yang sangat serius. Senyawa lipofil ini akan tingal dalam waktu yang cukup di dalam tubuh, yaitu terdeposisi di jaringan lemak. Pada prinsipnya senyawa yang hidrofil akan dengan mudah terekskresi melalui ginjal. Ekskresi ini adalah jalur utama eliminasi xenobiotika dari dalam tubuh, oleh sebab itu oleh tubuh sebagian besar senyawa-senyawa lipofil terlebih dahulu dirubah menjadi senyawa yang lebih bersifat hidrofil, agar dapat dibuang dari dalam tubuh. Pada awalnya toksikolog berharap melalui berbagai proses reaksi biokimia tubuh akan terjadi penurunan atau pengilangan toksisitas suatu toksikan, sehingga pada awalnya reaksi biokimia ini diistilahkan dengan reaksi ”detoksifikasi”. Kebanyakan toksikolog lebih mencurahkan perhatiannya kepada: bagaimana dan berapa banyak sistem enzim yang terlibat pada proses detoksifikasi dan metabolisme dari suatu ”endotoksik”. Edotoksik merupakan senyawa toksik hasil samping dari proses biokimia normal tubuh dalam mempertahankan kelangsungan hidup. Sebagai contoh beberapa enzim oksidatif yang terlibat reaksi oksigenase selama metabolisme aerob pada detoksifikasi suatu tokson dapat mengakibatkan depresi oksidatif dan kerusakan pada jaringan. Seorang toksikolog seharusnya memiliki pengetahuan dasar dari suatu proses detoksifikasi guna memahami, memperkirakan, dan menentukan potensial toksisitas dari suatu senyawa. Dalam 39 subbahasan ini akan diberikan pengetahuan dasar reaksi metabolisme dari suatu xenobiotika, yang dapat dijadikan pengetahuan dasar dalam mengkaji toksikologi. Pada umumnya prose resaksi detoksifikasi /metabolisme akan mengakhiri efek farmakologi dari xenobiotika (detoksifikasi / inaktivasi). Namun pada kenyaaanya terdapat beberapa xenobiotika, justri setelah mengalami reaksi detoksifikasi/metabolisme terjadi peningkatan aktivitasnya (bioaktivasi), seperti bromobenzen melalui oksidasi membentuk bentuk bromobenzen epoksid. Bromobenzen epoksid akan terikat secara kovalen pada makromlekul jaringan hati dan mengakibatkan nekrosis hati. Oleh sebab itu dalam hal ini istilah detoksifikasi kurang tepat digunakan. Para ahli menyatakan lebih tepat menggunakan istilah biotransformasi untuk menggambarkan reaksi biokimia yang dialami oleh xenobiotika di dalam tubuh. Biotransformasi belangsung dalam dua tahap, yaitu reaksi fase I dan fase II. Rekasi-reaksi pada fase I biasanya mengubah molekul xenobiotika menjadi metabolit yang lebih polar dengan menambahkan atau memfungsikan suatu kelompok fungsional (-OH, -NH2, -SH, COOH), melibatkan reaksi oksidasi, reduksi dan hidrolisis. Kalau metabolit fase I cukup terpolarkan, maka ia kemungkinannya akan mudah diekskresi. Namun, banyak produk reaksi fase I tidak segera dieliminasi dan mengalami reaksi berikutnya dengan suatu subtrat endogen, seperti: asam glukuronida, asam sulfat, asam asetat, atau asam amino ditempelkan pada gugus polar tadi. Oleh sebab itu reaksi fase II disebut juga reaksi pengkopelan atau reaksi konjugasi. Enzim-enzim yang terlibat dalam biotransformasi pada umumnya tidak spesifik terhadap substrat (lihat tabel 3.1). Enzim ini (seperti monooksigenase, glukuronidase) umumnya terikat pada membran dari retikulum endoplasmik dan sebagian terlokalisasi juga pada mitokondria, disamping itu ada bentuk terikat sebagai enzim terlarut (seperti esterase, amidase, sulfoterase). Tabel 3.1.: Jenis reaksi dan enzim yang terlibat dalam reaksi metabolimse suatu xenobiotika Reaksi Fase I Hidrasi: Oksidasi: Eposid hidrolase P450 monooksigenasi Ester hidrolisis: Xantin oksidase Karboksilesterasis Peroksidase Amidasis Amin oksidase Dehidrogenesis Monoamin oksidase Alkohol dehidrogenesis Semicarbamat seneitif Aldehid dehidrogenesis amin oksidase Superokside dismutase Reduksi: P450 monooksigenase Ketoreduktase Glutation peroksidase Reaksi Fase II Glukuronosiltransferase Metilasi Sulfotransferase O-metiltransferase Glutatuin S-transferase N-metiltransferase Tioltransferase S-metiltransferase Amid sitesis (tranasilase) Asetilasi N-Asetilstransferase Asetiltransferase Tiosulfat Sulfurtransferase (rhodanase) Sistem enzim yang terlibat pada reaksi fase I umumnya terdapat di dalam retikulum endoplasmik halus, sedangkan sistem enzim yang terlibat pada reaksi fase II sebagian besar ditemukan di sitosol. Disamping memetabolisme xenobiotika, sistem enzim ini juga terlibat dalam reaksi biotransformasi senyawa endogen (seperti: hormon steroid, biliribun, asam urat, dll). Selain organ-organ tubuh, bakteri flora usus juga dapat melakukan reaksi metabolisme, khususnya reaksi reduksi dan hidrolisis. Reaksi Fase I Reaksi Fase II Oksidasi Reduksi Hidrolisis Gambar 3.1.: Proses dan reaksi penting dalam biotransformasi 40 Metabolit Fase II Metabolit Fase I Xenobiotika Konjugasi dengan: - asam glukoronat - sulfat - asetat - glutation a. Reaksi oksidasi 3.2. Reaksi Fase I Reaksi fase I ini juga disebut dengan reaksi fungsionalisasi, sebab melalui reaksi fase ini (oksidasi, reduksi atau hidrolisis) menghasilkan suatu gugus fungsi, yang selanjutnya pada fase ke II akan terkonjugasi 3.2.1. Oksidasi biologis a. Sistem Monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom P450 Sitem monooksigenase yang tergantung pada sitokrom P450 adalah inti dari metabolisme dari kebanyakan xenobiotika. Reaksi monooksigenase ini mempunyai peranan penting dalam reaksi biotransformasi, karena sistem ini tidak hanya merupakan sistem enzim dasar ”primer” dalam metabolisme bagi berbagai xenobiotika, tetapi juga sebagai langkah fungsionalisasi awal bagi reaksi metabolisme selanjutnya. Sistem ini dikenal juga dengan nama lainnya seperti: - oksidasi fungsi-campur ”mixed function oxidation” - sitem P450 - sistem monooksigenase yang bergantung pada sitokrom P450 Sekarang ini peneliti lebih menggunakan sistem monooksigenase yaitu untuk menggambarkan bahwa sistem memasukkan satu atom oksigen ke dalam molekul xenobiotika ”subtrat”. Reaksi oksidasi mempunyai peranan penting pada biotransformasi, khususnya reaksi-reaksi yang melibatkan sistem enzim oksidase, monooksigenase dan dioksigenase. Oksidase mengoksidasi melalui masuknya oksigen (elektron). Melalui mono-oksigenase akan dimasukkan satu atom oksigen ke dalam xenobiotika dan molekul oksigen yang lainnya akan direduksi menjadi air. Berbeda dengan dioksigenase, kedua atom oksigen akan dimasukkan ke dalam xenobiotika. Sistem enzim yang yang mengkatalisis rekasi oksigenase ini memerlukan sistem sitokrom P-450 dan NADPHsitokrom P-450 reduktase, NADPH dan molekul oksigen. Oksidasi pada sitokrom P-450 sangat memegang peranan penting dalam biotransformasi xenobiotika. Sitokrom P-450 adalah hemoprotein dengan suatu kharakter puncak absorpsi dari bentuk terreduksi CO-kompleknya pada panjang gelombang 450 nm. Enzim sitokrom P-450 terletak di retikulum endoplasmik dari beberapa jaringan. Sistem enzim yang mengkatalisis reaksi ini dikenal dengan mikrosomal oksidasi fungsi campur (microsomal mixed-function oxidase, MFO). Reaksi oksidase multi level ini digambarkan secara skematis pada gambar 3.2. R-OH Fe3+ Reaksi sistem monooksigenase yang bergantung pada sitokrom P450 memenuhi stokiometri sebagai berikut: RH + O + NADPH + H 2 + CYP 450  → ROH + H 2 + O + NADP di mana RH mewakili subtrat ”xenobiotika” yang berreaksi dengan satu molekul oksigen dan NADPH untuk menghasilkan metabolit teroksidasi (ROH), molekul air, keseluruhan reaksi dikatalisis oleh sistem enzim sitokrom P450. Masuknya satu atom oksigen ke dalam subtrat merupakan sumber dari penamaan sistem monooksigenase. Oksidasi subtrat dan disertai dengan reduksi dari satu atom oksigen membentuk air adalah alasan utama menamakan sistem reaksi ini dengan ”oksidasi fungsi campur”. Secara stokiometri reaksi ini kelihatan sangat sederhana, namun pada kenyataannya sangat komplek dimana reaksi-reaksi oksidasi-reduksi di dalam retikulum endoplasmik terjadi secara simultan (lihat gambar 3.2). R-H F e 3+ OH . R F e 3+ H2 O NADPH + H+ NADPH + H+ RH Fp CYP b5 e e Fe 2+ RH + 2 H* Fe3+ O22RH Fe3+ Fe2+ O2- O2 RH RH O2 Gambar 3.2. Sistem Sitokrom P-450 (CYP-450). Substrat R-H tertempel pada CYP-450, dengan itu CYP-450 reduktase teraktivasi dan satu elektron diserahkan pada CYP-450. CYP-450 tereduksi dapat menerima satu melekul O2 dan oksigen mendapat satu elektron dari CYP-450. Komplek CYP-450, O2 dan R-H akan terpecah 41 dengan memberikan oksigen pada substrat (R-H) menjadi R-OH begitu juga oksidasi CYP-450Fe3+. Substrat xenobiotika bereaksi dengan bentuk teroksidasi CYP-450Fe3+ membentuk komplek enzim-subtrat. Sitokrom P-450 reduktase mendapatkan satu elektron dari NADPH, yang akan mereduksi komplek dari CYP-450Fe3+— xenobiotika. Bentuk reduksi dari komplek CYP450Fe2+—xenobiotika bereaksi dengan molekul oksigen dan kemudian mendapatkan elektron yang ke dua dari NADPH, yang diperoleh dari flavoprotein reduktase yang sama, membentuk species oksigen terakivasi. Langkah terakhir satu atom oksigen terlepas sebagai H2O dan atom oksigen yang lain ditransfer ke dalam substrat dan bentuk teroksidasi CYP-450Fe3+ terregenerasi. Sistem enzim CYP-450 monooksigenase mengkatalisis reaksi seperti berikut (I: inaktivasi efek toksik, A: aktivasi efek toksik) : 1. Hidroksilasi dari rantai karbon dan alkilen: R-CH2-CH2-CH3 → R-CH2-CH2-CH2-OH atau RCH2-CHOH-CH3 contoh: I : Butan → Butanol Etilbenzol → Fentilbenzol Tetrahidrokanabinol (THC) → 11-OH-THC A: Hexan → 2,6-Hexandiol (→ Hexandion) 2. Hidroksilasi dari aromatik menjadi fenol I: Fenitoin → Hidroksifenition 3. Hidroksilasi alkilamin I: Imipramin → Desimipramin Diazepam → Nordiazepam Lidokain → Monoetilglisinsilidid Cocain → Norcocain A: Dimetilnitroamin → Metilnitrosoamin 4. Hidroksilasi dari alkileter, alkiltiol R-CH2O(S)-CH3 → R-CH2(s)OH + HCHO I : Papaverin → O-Desmetilpapaverin A: Kodein → Morphin 5. Epoksidasi dari alifatis atau aromatis rantai ganda O RCH=CHR RHC O 42 CHR I : Karbamazepin → Karbamazepinepoksid A:Trikloretilen → [Trikloretilenepoksid] Benzo(a)piren-7,8-dihidridiol → Bezo(a)piren-7,8dihidrodiol-9,10-epoksid 6. Oksidatif desaminasi RCH(CH3)-NH2 → RCHOH(CH3)-NH2 → RCOCH3 + NH3 7. Oksidatif desulfurasi (R-O)3P=S → (R-O)3P=O A: Paration → Paraokson 8. Oksidasif dehalogenasi RCH2X → RCHXOH → RCHO + HX I: Benzilklorid → Benzaldehid Lindan → Triklorfenol 9. S-oksidatif membentuk sulfoksida dan sulfona R1-CH2-S-CH2-R2 → R1-CH2-SO-CH2-R2 → R1CH2-SO2-CH2-R2 I : Fenotiasin → Solfoksid → Sulfon A: Temefos → Temefos-S-oksid 10. N-oksidatif membentuk N-oksida atau Hidroksil-amin (R)3N → (R)2N-OH I : Amitriptilin → Amitriptilin-N-oksid A: Naftilamin → Naftilaminhidroksilamin 11. Alkohol: Oksidatif membentuk aldehid Sekarang ini telah dilaporkan 4 keluarga gen dari CYP-450-isoenzim (CYP1, CYP2, CYP3 dan CYP4), yang terdiri dari 16 subfamili (SCHMOLD 2003). Sistem standard untuk mengelompokan keluarga CYP-450 multigen adalah berdasarkan kesamaan sequensi dari individual proteinnya. Apabila lebih dari 40% asam amino yang teridentifikasi memiliki kesaman sequen maka akan dikelompokkan ke dalam satu keluarga gen CYP-450. Satu keluarga gen CYP-450 dibagi pula menjadi beberapa sub keluarga, apabila dalam satu famili mempunyai kesamaan lebih dari 55% sequensi maka akan dikelompokkan ke dalam satu subfamili. Tabel 3.1. memberikan kelompok CYP-450 insoenzim dan kespesifisitas subtratnya. Aktifitas dari CYP-450-isoenzim ini kadang dapat dipisahkan, namun terdapat beberapa famili yang aktivitasnya tumpang tindih. Perbedaan ini mempunyai pengaruh yang sangat relevan terhadap kenetik, inaktivasi atau bioaktivasi dari substrat. Isoenzim CYP2D6 bertanggungjawab pada rekasi N- dan O-dealkilasi, telah dilaporkan pada kelompok populasi tertentu diketemukan ganganguan dalam polimorfismus dari isoenzim ini. Sehingga terdapat perbedaan kinetik N- atau O-dealkilasi pada sekelompok populasi tersebut. Sekitar 5% penduduk asia memiliki kelainan genetik polimufismus CYP2D6, sehingga pada kelompok populasi ini kodein terjadi hambatan dalam N-demetilasi menjadi morfin. Dibandingkan dengan reaksi oksidasi, rekasi reduksi mempunyai peran minor dalam biotransformasi. Gugus karbonil melalui alkoholdehidrogenase atau citoplasmik aldo-ketoreduktase direduksi menjadi alkohol. Pemutusan ikatan azo menjadi amin primer melalui pembentukan hidrazo melibatkan banyak enzimenzim, diantaranya: NADPH-CYP-450-reduktase. Flavinmonooksigenase. Disamping oksidatif yang dikatalisis oleh CYP-450 terdapat juga oksidatif yang tidak tergatung pada CYP-450, yaitu sistem enzim flavonmonooksigenase. Sistem enzim ini merubah amin sekunder menjadi hidroksilamin dan amin tersier menjadi N-oksida. Reduktif dehalogenasi sangat beperan penting dalam detoksifikasi dari senyawa-senyawa alifatis halogen (Cl, Br dan I), seperti: Senyawa karbon tetraklorida atau halotan. Tabel 3.1: Bentuk-bentuk CYP-450 spesifisitas substratnya* CYP-450 CYP1A1 CYP1A2 CYP2A1 CYP2A2 CYP2A6 CYP2B1 CYP2B2 CYP2C CYP2C9 CYP2D6 CYP2E1 CYP3A CYP3A4 CYP3A2 CYP4A1 CYP4A2 dan Substrat PAH, arilamin, fenacetin, kafein, benzo(a)piren, aflatoksin B, heterisiklik amin 7a-testosteron 15a-testosteron Dietilnitrosamin Resorufin Cocain Etotoin, heksobarbital, metosuksimid Naproksen Debrisoquin, spartain, kodein, propanolol Umumnya senyawa bermolekul kecil, etanol, benzol, stirol, CCl4, dll Eritromizin, midazolam Nefedifin, etiletradiol, progesteron, aflatoksin, dan banyak lagi substrat yang lain Fluokinolon Asam-asam lemak * dikutip dari SCHMOLD (2003) Sistem enzim oksidatif lainnya. Sistem enzim oksidatif selain dua sistim di atas adalah: - Alkoholdehidrogenase, khususnya mendehidrasi etanol menjadi aldehid. - Aldehid oksidase, merubah aldehid menjadi asam karboksilat - Monoaminoksidase, mengoksidasi amin-biogen (seperti: Catekolamin) b. Reaksi reduksi c. Biohidrolisis Banyak xenobiotika yang mengandung ikatan jenis ester dapat dihidrolisis, diantaranya ester, amid dan fosfat. Reaksi-reaksi biohidrolisis yang penting adalah: - Pemutusan ester atau amida menjadi asam karboksilat dan alkohol (atau amin) melalui esterase atau amidase. - Perubahan epoksida menjadi vicinalen diol melalui enzim epoksidihidratase - Hidrolisis dari acetylen (glikosida) melalui enzim glikosidase. Ester atau amida dihidrolisis oleh enzim yang sama, namun pemutusan ester jauh lebih cepat dari pada amida. Enzim-einzim ini berada di intradan juga extra selular, baik dalam keadaan terikat dengan mikrosomal maupun terlarut. Enzim hidrolitik terdapat juga di saluran pencernaan. Enzim-einzim ini akan menghidrolisis metabolit fase II (bentuk konjugat menjadi bentuk bebasnya). Selanjutnya bentuk bebas ini dapat kembali terabsorpsi menuju sistem peredaran darah. Proses ini dikenal dengan siklus enterohepatik. 3.3. Reaksi fase II Reaksi fase II melibatkan beberapa jenis metabolit endogen yang mungkin membentuk konjugat dengan xenobiotika atau metabolitnya. Pembentukan konjugat memerlukan adanya pusat-pusat reaktif dari substrat, biasanya gugus OH, -NH2 dan -COOH. Reaksi-reaksi penting pada fase II adalah kunjugasi dengan: - teraktivasi asam glukuronat, - teraktivasi sulfat, - asam amino (khususnya glisin), - oligopeptida dan ikatan dengan turunan asam merkapturat, - teraktivasi asam asetat, 43 - metilasi. Hasil reaksi konjugasi bersifat sangat polar, sehingga sangat cepat tereksresi melalui ginjal bersama urin dan / atau melalui empedu menuju saluran cerna. Pada umumnya melalui reaksi fase II, xenobitika atau metabolit fase I mengalami deaktivasi. Namun belakangan ini telah dilaporkan beberapa metabolit fase II justru mengalami aktivasi, seperti morfin-6-glukuronida mempunyai aktivitas antianalgesik yang lebih poten dari pada morfin. a. Glukuronidasi. Glukuronid adalah jenis konjugasi yang paling umum dan penting. Glukuronidasi dari gugus alkohol atau fenol adalah reaksi konjugasi yang paling sering pada reaksi fase II, disamping itu juga asam-asam karboksilat, senyawa sulfidril dan senyawa amin. Kosubstrat dari reaksi ini adalah Asam-uridin-5’-difosfo-α-D-glukuronat (UDPGA). Enzim yang mengkatalisi reaksi konjugasi ini adalah UDP-glukuronil-transferase (UGT). Enzim ini terikat di retikulum endoplasmik dan terdapat sebagian besar di bagian sisiluminal dari hati atau organ lainnya. Enzim ini dikelompokkan ke dalam dua famili, yaitu UGT1 dan UGT2 (FICHTL 1998). Glukuronat juga mengkonjugasi senyawa endogen, seperti bilirubin, konjugasi ini dikatalis oleh UGT1*1. Enzim UGT dilain hal agak kurang spesifik, namun ada dari subfamilinya yang mempunyai spesifisitas yang tinggi. UGT2B7 adalah enzim yang mengkalisis konjugasi morfin menuju morfin3-glukuronid dan morfin-6-glukuronid dengan perbandingan residu yang berbeda (COFFMAN et al. 1996). UGT2B7 agak kurang spesifik dibandingkan dengan UGT1A1 hanya mengkatalisis morfin menuju morphin-3glukuronid (COFFMANN et al. 1998). b. Konjugasi Sulfat. Reaksi ini dikatalisis oleh sulfotranferase, yang diketemukan dalam fraksi sitosolik jaringan hati, ginjal dan usus. Koenzimnya adalah PAPS (3’fosfoadenosin-5’-fosfosulfat). Konjugasi ini adalah untuk gugus fungsional: fenol, alkohol alifatik dan amin aromatik. R-OH R-NH2 PAPS R-O-SO3H R-NH-SO3H Konjugasi sulfat biasanya sebagian besar terhadap senyawa-senyawa endogen dan relativ jarang dengan xenobiotika. Jumlah cadangan koenzim PAPS biasanya terbatas dan mudah 44 habis, sehingga pada peningkatan jumlah substrat konjugasi sulfat menjadi jalur reaksi fase II yang kurang menonjol. c. Konjugasi dengan Asam amino (glisin). Konjugasi ini dikatalisis oleh konjugat asam amino dan koenzim-A. Asam karboksilat karboksilat, asam arilasetat dan asam akrilat yang mengalami substitusi aril dapat membentuk konjugat dengan asam amino, terutama glisin. d. Ikatan dengan turunan asam merkatofurat (konjugasi glutation). Reaksi konjugasi ini berlangsung dalam beberapa tingkat, sebagian belangsung secara spontan dan juga dikatalisis oleh glutation-S-transferase. Pada awalnya terbentuk konjugat glutation-substrat kemudian mengalami pemecahan enzimatik dari kedua asam amino. Melalui asetilasi dari sistein membentuk produk akhir berupa turunan Nasetilsistein (asam merkaptofurat) yang mudah diekskresi. Glutation dapat berkonjugasi dengan epoksid yang terbentuk akibat oksidasi dari halogen aromatik. Epoksida ini bersifat sangat elektrofilik yang sangat reaktif. Metabolit ini dapat bereaksi dengan unsur-unsur sel dan menyebabkan kematian sel atau pembentukan tomor. Konjugasi glutation akan berikatan dengan metabolit elektrofilik, dengan demikian akan mencegah metabolit ini berikatan dengan sel. Dengan demikian konjugasi glutation sangat berperanan penting dalam pencegahan tembentukan tomor (sel kanker). Selain itu glutation dapat berkonjugasi dengan senyawa alifatik tak jenuh dan menggantikan gugus nitro dalam suatu senyawa kimia. e. Asetilasi. Xenobiotika yang memiliki gugus amin aromatik, yang tidak dapat dimetabolisme secara oksidatif, biasanya akan diasetilisasi dengan bantuan enzim N-asetil transferase dan asetil koenzim A. Asetilasi merupakan fransfer gugus asetil ke amin aromatik primer, hidrazin, hidrazid, sulfoamid dan gugus amin alifatik primer tertentu. Acetil-CoA + RNH2 AT CH3CONHR + HSCoA Hasil penelitian menunjukkan bahwa terdapat dua kelompok isoenzim N-asetil transferase (NAT1 dan NAT2). Genotif isoenzim NAT2 memiliki sifat plomorfismus, sehingga mengakibatkan perbedaan laju asetilasi (asetilasi cepat dan lambat). Hal ini dapat memberikan makna toksikologis penting pada populasi tertentu terhadap laju eliminasi dari substratnya, seperti: isoniazid, hidralazin, atau prokainamid. f. Metilasi. Di dalam biotransformasi, reaksi metilasi relatif sangat jarang, karena UDPGA tersidia lebih luas sehingga lebih mudah terbentuk glukuronid. Reaksi ini dikatalisis oleh metiltransferase. Koenzimnya adalah SAM (S-adenosinmetionin). Contoh N-metilasi (noradrenalin, nicotinamid, metadon) R1 C R2C NH R1 C R2C NCH3 3.4. Faktor-faktor yang mempengaruhi metabolisme xenobiotika. Genetik, lingkungan dan psiologik adalah faktorfaktor yang dapat mempengaruhi reaksi biotransformasi (metabolisme). Faktor terpenting adalah genetik yang menentukan polimorfisme dalam oksidasi dan konjugasi dari xenobiotika, penggunaan dengan obat-obatan secara bersamaan, paparan polutan atau bahan kimia lain dari lingkungan, kondisi kesehatan dan umur. Faktor-faktor ini diduga bertanggungjawab terhadap penurunan efisiensi biotransformasi, perpanjangan efek farmakologi dan peningkatan toksisitas. Induksi enzim, banyak xenobitika dapat meningkatkan sintesa sistem enzim metabolisme (induksi), induksi sistem enzim tertentu dapat meningkatkan laju biotransformasi senyawa tertentu. Contoh xenobiotika yang bersifat inkduksi enzim adalah fenobarbital. Fenobarbital dapat meningkatkan jumlah CYP450 dan NADPH-sitokrom c reduktase. Inhibisi enzim, penghabantan sistem enzim biotransformasi akan mengakibatkan perpanjangan efek farmakologi dan meningkatnya efek toksik. Inhibisi sistem enzim CYP2D6 oleh quinidin, secara nyata dapat menekan metabolime spartain, debrisoquin atau kodein. Faktor Genetik, Telah dikenal dari hasil penelitian pengembangan dan penemuan obat baru, bahwa variabilitas genetik berperan penting pada reaksi metabolisme. Perbedaan variabilitas ini dapat disebabkan oleh Genotipe dari masingmasing sel, sehingga dapat mengakibatkan kekurangan atau kelebihan suatu sistem enzim. Pada kenyataanya perbedaan aktivitas metabolisme ditentukan oleh fenotipe, yang tergantung pada genotipe dan satuan dari ekspresinya. Perbedaan fenotipe ini mengantarkan peneliti untuk mengelompokkan individu ke dalam populasi pematabolit cepat ”extensive metabolizer” dan pemetabolit lambat ”poor metabolizer”. Dalam berbagai kasus penekanan metabolisme melalui pengontrolan laju polimorfisasi dari enzim dapat mengakibatkan peningkatnya efek samping (efek toksik) pada pemetabolit lambat. Sebagai contoh faktor genetik adalah cacat pada system enzim glukuse-6-fosfat-dihidrogenase, hal ini diakibatkan oleh kerusakan genetik dari Xkromosomal. Contoh lainnya adalah polimorfismus dari sistem enzim CYP2D6 yang lebih dikenal dengan polimorfismus spartain atau debrisoquin, polimorfismus sistem enzim CYP2C19 (polimorfismus mefenitoin dan polimorfismus N-asetil-transferase). Hampir 10% dari orang eropah memiliki gangguan dalam polimorfismus sistem enzim CYP2D6, yang mengakibatkan lambatnya metabolisme dari spartain, debrisoquin, kodein. Penyakit, Hati adalah organ utama yang bertanggungjawab pada reaksi biotransfromasi. Penyakit hepatitis akut atau kronis, sirosis hati dan nekrosis hati secara signifikan dapat menurunkan laju metabolisme xenobiotika. Pada sakit hati terjadi penurunan sintesa sistem enzim dan penurunan laju aliran darah melalui hati. Senyawa yang memiliki clearance hati (eliminasi persatuan volume) yang tinggi, penurunan laju aliran darah di hati secara signifikan akan menurunkan laju metabolismenya. Dilain hal senyawa-senyawa dengan clearan hati rendah, penurunan laju metabolisme pada kasus ini lebih ditentukan oleh penurunan aktivitas enzim metabolisme. Umur, pada bayi telah dikenal, kalau sistem einzim biotranformasi belum sempurna terbentuk. Pada bayi yang baru lahir (fetus) sistem enzimenzim, yang terpenting (seperti: CYP-450, glukoronil-trensferase dan Acetil-transferase) belum berkembang dengan sempurna. Pada tahun pertama sistem enzim ini berkembang lebih sempurna, dan pada tahun ke lima fungsi sistem enzim biotransformasi telah mendekati sempurna seperti pada orang dewasa. Namun pada orang lanjut usia terjadi degradasi fungsi organ, hal ini juga mengakibatkan penurunan laju metabolisme. Faktor lingkungan. Pengaruh faktor fisik dan faktor sosial dalam biotransformasi masih sangat 45 sedikit diketemukan di literatur. Namun faktorfaktor ini sering didiskusikan sebagai salah satu faktor, yang dapat berpengaruh pada laju metabolisme. Daftar pustaka: 1. BENET, L.Z., KROETZ D.L. and SHEINER L.B., (1996), “Pharmacokinetics The dynamics of drug absorption, distribution, and elimination”, in HARDMAN J.G., GOODMAN GILMAN A.., LIMBIRD L.E., “Goodman & Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics”, 9th edn, McGraw-Hill, New York p. 3-27. 2. COFFMAN, B.L., KING, C.D., RIOS, G.R. und TEPHLY, T.R. (1998),”The Glucuronidation of opioids, other xenobiotics and androgens by human UGT2B7Y (268) and UGT2B7H (268)”, Drug Metab. Dispos., 26: 73-77 3. COFFMAN, B.L., RIOS, G.R. und TEPHLY T.R. (1996),” Purification and properties of two rat liver phenobarbital-inducible UDPglucuronosyltransferases that catalyze the glucuronidation of opioids”, Drug Metab. Dispos., 24: 329-333 4. FICHTL B et al. , Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie, in FORTH W et al. (Ed) Allgemeine und Spezielle Pharmakologie und Toxikologie 7. ed, Spektrum Akademiker Verlag, Berlin 1998, S. 3- 102. 5. LU, F.C. (1995), “Toksikologi dasar, asas, organ sasaran, dan penilaian resiko”, UIPress, Jakarta. 6. MUTSCHLER E. Und SCHÄFER-KORTING M. (1997) “Arzneimittel-Wirkungen Lehrbuch der Pharmakologie und Toksikologie” Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart. 7. SCHMOLD A. (2003), “Wirkungsbedingunen von Giften“, in MADEA, B. und BRINKMANN B., “Handbuch gerichtliche Medizin, Band 2.“, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. S. 14-30. 46 BAB IV PEMODELAN FARMAKOKINETIK Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat dapat menjelaskan jenis-jenis model farmakokinetik, parameter-parameter farmakokinetik dan manfaatnya dalam memahami aksi xenobiotika dengan benar. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): Setelah mendiskusikan materi ini peserta didik diharapkan: y dapat menjelaskan kosep dasar pemodelan farmakokinetik dengan benar, y dapat menjelaskan jenis-jenis model farmakokinetik dengan benar, y dapat menjelaskan parameter-parameter farmakokinetik dengan benar. 4.1. Pendahuluan Perkembangan ilmu farmakokinetik menjadi satu kajian ilmu dimulai pada tahun 1937 melalui publikasi ilmuan Swedia. Dalam publikasinya memberikan persamaan dasar dari laju absorpsi, distribusi dan eliminasi melalui berbagai rute pemakaian obat. Sekarang ini farmakokinetik telah berkembang pesat, sehingga konsepnya digunakan hapir disetiap tingkat seperti pada penemuan obat baru, pengembangan formulasi, terapi dan pemantauan / evaluasi terapi. Misalnya semua obat baru yang akan didaftarkan kepada pihak berwenang untuk dapat beredar dimasyarakat harus mencatumkan kajian /informasi farmakokinetik, dimana kajian efikasi dan tokisitas suatu obat tidak akan valid jika tidak mencatumkan data konsentrasi obat di darah dan di urin, yang diperoleh secara simultan. Ilmu farmakokinetik dan juga biofarmasetik bermanfaat untuk memahami hubungan antara sifat-sifat fisikokimia dari suatu xenobiotika dan efek farmakologik atau efek klinik. Studi biofarmasetika memerlukan penyidikan beberapa faktor yang mempengaruhi laju dan jumlah obat yang mencapai sistem sirkulasi sistemik. Dengan demikian biofarmasetika berarti melibatkan faktorfaktor yang mempengaruhi pelepasan xenobiotika dari suatu produk sediaan, laju pelarutan dan akhirnya ketersediaan farmasetika xenobiotika tersebut. Farmakokinetika mempelajari kinetika absorpsi suatu xenobiotika, distribusi, dan eliminasi (ekskresi dan biotransformasi). Dalam pembahasan farmakokinetika uraian tentang distribusi dan eliminasi sering dirangkum dalam disposisi xenobiotika. Dalam mempelajari farmakokinetik suatu xenobiotika haruslah disadari, bahwa semua proses farmakokinetik terjadi tidaklah seperti alur blok yang diskret (satu proses akan diikuti oleh proses yang lain apabila proses sebelumnya telah tuntas berakhir), melainkan lebih merupakan suatu proses kombinasi satu dengan yang lain. Setelah molekul xenobiotika diabsorpsi dan menuju sirkulasi sistemik, maka akan siap di transportasi ke seluruh tubuh, dalam waktu bersamaan akan ada molekul xenobiotika yang berikatan dengan reseptor dan ada terdapat juga molekul yang lain mengalami reaksi metabolisme, atau ada molekul yang langsung dieksresi oleh ginjal. Proses ini yang dimaksud dengan kombinasi satu dengan yang lain. Dalam suatu sistem biologik peristiwa-peristiwa yang dialami oleh xenobiotika sering terjadi secara serentak. Dalam menggambarkan sistem biologik yang kompleks tersebut, dibuat penyerdahanaan anggapan mengenai pergerakan xenobiotika itu. Suatu hipotesis model disusun dengan menggunakan istilah matematik, yang memberi arti singkat dari pernyataan hubungan kuantitatif. Berbagai model matematik disusun/dirancang untuk meniru proses laju absorpsi, distribusi dan eliminasi suatu xenobiotika. Model matematik ini memungkinkan menggambarkan konsentrasi xenobiotika dalam tubuh sebagai fungsi waktu. Sebagai contoh, suatu obat diberikan secara injeksi intravena (iv). Dalam hal ini dianggap obat sangat cepat melarut dalam cairan tubuh. Model sederhana yang digunakan menggambarkan keadaan ini adalah suatu bak berisi sejumlah volume cairan yang secara cepat berada dalam kesetimbangan dengan obat. Pada kenyataannya, suatu fraksi obat secara terus-menerus akan dieleminasi dari tubuh, maka proses tersebut 47 dapat digambarkan dengan gambar sederhana bahwa tubuh seperti bak dengan lubang kecil yang secara terus-menerus mengeluarkan cairannya dan obat (lihat gambar 4.1). Karena volume cairan tubuh relatif konstan maka dalam model ini perlu ditambahkan suatu sistem pengisi cairan otomatis untuk menjaga volume konstan. Sistem cairan pengisi kembali secara otomatis untuk menjaga volume yang tetap Cairan dan obat keluar Gambar 4.1. Bak dengan suatu volume yang tetap dari cairan yang bersetimbang dengan obat. Volume cairan 1 liter. Cairan keluar 10 ml/menit. Fraksi obat yang diambil per satuan waktu 10/1000 atau 0,01 permenit Konsentrasi obat dalam bak setelah pemberian suatu dosis ditentukan oleh dua parameter: a) volume cairan bak dan b) laju eliminasi obat persatuan waktu. Dalam farmakokinetika parameter tersebut dianggap tetap. Jika konsentrasi obat dalam bak ditentukan pada berbagai selang waktu, maka volume cairan dalam bak dan laju eliminasi obat dapat ditentukan. Konsentrasi obat dalam bak berbantung pada waktu, maka variabel konsentrasi obat dan waktu berturut-turut disebut sebagai variabel bergantung dan bebas. Dalam praktek, parameter farmakokinetik tidak ditentukan secara langsung, tetapi ditentukan melalui percobaan dari sejumlah variabel tergantung dan bebas yang secara bersamaan dikenal sebagai data. Dari data ini dapat diperkirakan model farmakokinetik yang kemudian diuji kebenarannya, dan selanjutnya diperoleh parameter farmakokinetiknya. Jumlah parameter yang diperlukan untuk menggambarkan model bergantung pada kerumitan proses dan rute pemberian obat. Model farmakokinetik bermanfaat untuk: a) memperkirakan kadar obat dalam plasma, 48 jaringan, dan urin pada berbagai pengaturan dosis, b) menghitung pengaturan dosis optimum untuk tiap penderita secara individu, c) memperkirakan kemungkinan akumulasi obat dan /atau metabolit-metabolit, d) menghitung konsentrasi obat dengan aktivitas farmakologik atau toksikologik, e) menilai perbedaan laju atau tingkat ketersediaan farmasetika dan hayati antar formulasi, f) menggambarkan perubahan faal atau penyakit yang mempengaruhi absorpsi, distribusi, atau eliminasi obat, g)menjelaskan interaksi obat. Perlu disadari bahwa model didasarkan atas suatu hipotesa dan penyederhanaan anggapan, yang menggambarkan sistem biologi dalam istilah matematik, maka dalam pemanfaatannya untuk keperluan tertentu diperlukan suatu pemahaman yang lebih dalam. Dan sebelumnya dimanfaatkan model tersebut harus diuji terlebih dahulu secara percobaan dengan berbagai kondisi penelitian. Pengujian statistik diperlukan untuk mengetahui keseuaian model dengan data. Jika model sederhana tidak cocok dengan seluruh hasil pengamatan percobaan, mungki diperlukan suatu model yang lebih kompleks (hipotesis). 4.2. Prinsip-prinsip dasar matematika Dalam menggambarkan perubahan konsentrasi sutau xenobiotika baik di dalam plasma, jaringan, organ maupun di urin diperlukan persamaan model matematik yang sesuai, sehingga dapat dengan tepat memperkirakan bentuk kurvakonsentrasi waktu dari suatu xenobiotika. Proses biologi dan psiologi umumnya mengikuti reaksi orde nol atau kesatu. Pada reaksi orde nol, jalu perubahan konsentrasi adalah tetap sepanjang waktu, hal ini digambarkan dengan persamaan (4.1): dC = −k dt (4.1) dimana C menyatakan jumlah konsentrasi yang berkurang dalam satuan jarak waktu yang tetap ”t”, dan k adalah tetapan jalu reaksi orde nol dan dinyatakan dalam satuan massa per waktu (misal mg/menit). Integrasi persamaan (4.1) menghasilkan persamaan berikut: C = −kt + C o (4.2) Co adalah konsentrasi obat pada saat t=0. Berdasarkan persamaan 4.2 dapat dibuat suatu grafik hubungan antara C terhadap t yang Konsentrasi C 60 log C menghasilkan garis lurus (Gambar 4.2). Intersep y adalah sama dengan Co dan slop arah garis sama dengan k. 60 Co 50 log Co 50 40 slop = -k/2,3 30 40 20 30 10 20 0 0 10 10 20 30 waktu (t) 0 0 5 10 15 20 25 waktu (t) Gambar 4.2. Grafik persamaan (4.2) Pada laju dari perubahan konsentrasi adalah sebanding konsentrasi xenobiotika yang tersisa, maka jalu berkurangnya konsentrasi dinyatakan sebagai berikut: dC = −kC dt (4.3) dimana k adalah tetapan laju reaksi orde kesatu dan dinyatakan dalam satuan per waktu (waktu-1). Integrasi persamaan (4.3) menghasilkan persamaan berikut: lnC = −kt + lnCo (4.4) Persamaan (4.4) dapat pula dinyatakan sebagai: C = C o e −kt (4.5) Bila ln = 2,3 log, persamaan (4.4) menjadi: logC = − kt 2,3 + logC o (4.6) Menurut persamaan ini, grafik hubungan log C terhadap t menghasilkan garis lurus. Intersep y adalah sama dengan log Co, dan slop garis sama dengan –k/2,3. Kebanyakan proses (seperti difusi fasip, transpor transmembran terpasilitasi, metabolisme, dan ekskresi) pada konsentrasi yang rendah mengikuti reaksi orde kesatu. Reaksi orde nol umumnya berlaku pada konsentrasi yang tinggi, dimana enzim bekerja pada laju yang optimum dan peningkatan konsentrasi tidak mengakibatkan peningkatan jalu reaksi. Keadaan ini memberikan kinetika non-linier atau kejenuhan, dimana asumsi ini penting dipertimbangkan pada kasus keracunan. Lebih jauh akan didiskusikan berikut. Gambar 4.3. Grafik persamaan 4.6. Waktu paruh (t½), menyatakan waktu yang perlukan oleh sejumlah xenobiotika atau konsentrasi xenobiotika untuk berkurang menjadi separuhnya. Waktu paruh reaksi orde ke satu dapat diperoleh dari persamaan berikut: t 1 / 2 = 0,693 (4.7) k Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa, waktu paruh untuk reaksi orde kesatu adalah konstan tidak bergantung pada konsetrasi xenobiotika pada waktu tertentu, dimana waktu yang diperlukan untuk berkurang separuhnya adalah konstan. Berbeda dengan reaksi orde nol, dimana waktu paruhnya berjalan tidak tetap. Harga t½ reaksi orde nol adalah sebanding dengan jumlah atau konsentrasi awal xenobiotika dan berbanding terbalik dengan tetapan laju reaksi orde nol, dimana: t1 / 2 = 0,5 C o k (4.8) 4.3. Berbagai pendekatan dari farmakokinetik Secara filosofi tedapat tiga pendekatan dalam pemodelan farmakokinetik yaitu: model kompartemen, model fisiologi, dan model independen ”bebas”. Pendekatan dalam model kompertemen adalah tubuh dapat dinyatakan sebagai suatu susunan, atau sistem dari kompartemen-kompartemen yang berhubungan secara timbal-balik satu dengan yang lainnya. Suatu kompartimen bukan suatu daerah fisiologik atau anatomik yang nyata, tetapi dianggap sebagai suatu jaringan atau kelompok jaringan yang mempunyai aliran darah dan afinitas obat yang sama. Dalam masing-masing kompartemen dianggap obat terdistribusi secara merata. Pencampuran obat dalam suatu 49 kompartemen terjadi secara cepat dan homogen serta dianggap ”diaduk secara baik” sehingga kadar obat mewakili konsentrasi rata-rata dan tiap-tiap molekul obat mempunyai kemungkinan yang sama untuk meninggalkan kompartemen. Model kompartemen didasarkan atas anggapan linier, yang menggunakan persamaan diferensial linier. Kompartemen model merupakan gambaran kinetik, yang mengkarakterisasi laju absorpsi, disposisi, dan eliminasi dari suatu xenobiotika di dalam tubuh. Atas dasar tersebut, seharusnya pengertian suatu kompartemen dilandasi (dibatasi) atas laju dari suatu proses. Oleh sebab itu kompartemen disini tidak dapat didefinisikan sebagai suatu ruang, melainkan suatu poses yang memiliki laju yang sama. darah VbCb k 1 MODEL 1. Model kompartemen satu-terbuka, injeksi iv ka ke 1 MODEL 2. Model kompartemen satu-terbuka,dengan absorpsi orde kesatu k12 1 ke k21 2 MODEL 3. Model kompartemen dua-terbuka,injeksi iv ka k12 1 ke k21 2 MODEL 4. Model kompartemen dua-terbuka, dengan absorpsi orde kesatu Gambar 4.4.: Berbagai model kompartemen Model fisiologik „model aliran“ merupakan model farmakokinetik yang didasarkan atas data anatomik dan fisiologik yang diketahui. Berbeda dengan pendekatan pada model kompartemen, dimana transpor xenobiotika antar kompartimen sebagian besar didasarkan pada proses reversibel atau irreversibel reaksi orde kesatu, sedangkan pada model fisiologik konsentrasi xenobiotika diberbagai jaringan diperkirakan melalui ukuran jaringan organ, aliran darah melalui pendekan laju aliran darah melalui organ atau jaringan, dan melalui percobaan ditentukan perbandingan konsentrasi antara jaringan dan darah. Aliran darah, ukuran jaringan dan 50 perbandingan xenobiotika dalam jaringan darah dapat berbeda sehubungan dengan kondisi fisiologik tertentu. Oleh karena itu, dalam model fisiologik pengaruh perubahan-perubahan ini terhadap distribusi obat harus diperhitungkan. Keuntungan dari model farmakokinetik yang didasarkan atas model fisiologik adalah dapat diterapkan pada beberapa spesies, dan dengan beberapa data hasil percobaan pada hewan sifat farmakokinetik xenobiotika pada manusia dapat diekstrapolasikan. Ekstrapolasi ini agak sulit dilakukan pada model kompartemen, karena volume distribusi dalam model kompartemen merupakan konsep matematik yang hubunganya tidak sederhana dengan volume dan aliran darah. Qo Oragan/jaringan VoCo Gambar 4.5. Unit dasar model fisiologik. Qo = laju aliran darah melalui organ/jaringan, V = volume organ, subkrip b = darah, o = organ/jaringan. Model-indenpenden farmakokinetik menyatakan suatu kencenderungan sekarang ini terjadi perubahan dari model-model yang sangat rumit ”kompleks” ke suatu model yang lebih sederhana. Model independen famakokinetik menggunakan pendekatan gambaran matematika murni dari profile konsetrasi baik obat maupun metabolitnya dalam darah atau plasma dan juga penghitungan parameter farmakokinetiknya tidak tergantung pada suatu struktur model tertentu. Hal yang mendasar dari pendekatan ini adalah menghindari penggunaan parameter kinetik yang tidak dapat secara tepat divalidasi dan juga parameter kinetik yang secara signifikan tidak bermakna secara anatomik maupun fisiologik. 4.4. Sistem kompartemen: pemodelan Pendekatan sistem kompartemen telah dibahas sebelumnya, dimana dalam sistem ini tubuh dianggap sebagai suatu susunan, atau sistem dari kompartemen-kompartemen yang berhubungan secara timbal-balik satu dengan yang lainnya. Wagner (1993) dalam bukunya menuliskan terdapat banyak kemungkinan susunan kompartemen dalam tubuh untuk menggabarkan sifat farmakokinetik dari xenobiotika yang ada. Dalam bahasan ini akan diulas model kompartimen dasar yang sering dipakai dalam farmakokinetik, yaitu model kompartemen-satu terbuka dengan rute pemberian secara injeksi dan oral. Sebagai pendalaman juga akan diulas sistem kompartemen dua-terbuka. a) Kompartemen-satu terbuka i) Pemberian obat secara intravenus (iv), Jika suatu obat diberikan dalam bentuk injeksi intravena cepa (iv bolus), seluruh dosis obat masuk tubuh dengan segera. Dalam hal ini tidak terjadi absorpsi obat, dimana obat akan didistribusikan bersama sistem sirkulasi sistemik dan secara cepat berkesetimbangan di dalam tubuh. Dalam model ini juga dianggap bahwa berbagai perubahan kadar obat dalam plasma mencerminkan perubahan yang sebanding dengan kadar obat dalam jaringan. Tetapi, model ini tidak menganggap bahwa konsentrasi obat dalam tiap jaringan tersebut adalah sama pada berbagai waktu. Jumlah obat di dalam tubuh tidak dapat ditentukan secara langsung, melainkan dengan menentukan konsentrasi obat dalam plasma/darah setiap satuan waktu dan mengalikannya dengan volume distribusinya ”Vd”, yaitu volume dalam tubuh dinama obat tersebut melarut. Eliminasi obat terjadi melalui ekskresi dan metabolisme, sehingga tetapan laju eleminasi ”k” adalah jumlah dari laju eliminasi ekskresi ”ke”, umumnya didominasi eksresi urinasi, dan laju metabolisme ”km”, sehingga dapat dirumuskan sebagai: k = ke + km (4.9) Semua proses biologik dalam sistem ini dianggap mengikuti reaksi orde kesatu, sehingga laju perubahan jumlah obat dapat dirumuskan dengan: dAb = −kAb (4.10) dt Integrasi persamaan di atas menghasilkan persamaan berikut: Ab = Abo e − kt Ab0 (4.11) = D bo = dosis iv obat ”b”pada waktu dimana t=0, Ab= jumlah obat dalam tubuh pada waktu t. Berdasarkan asumsi, bahwa dalam model ini terjadi distribusi yang seragam, maka konsentrasi obat dalam plasma adalah jumlah obat di dalam tubuh dibagi dengan volume distribusinya, seperti pada persamaan berikut: A (4.12) Cp = b Vd Vd merupakan ”apparent volume distribution”, yang selanjutnya disebut volume distribusi. Disebutkan dengan apparent volume distribution karena harga volume distribusi ini tidak mengandung suatu arti fisiologik yang sebenarnya dari pengertian anatomik. Dengan substitusi persamaan (4.12) ke dalam persamaan (4.11) diperoleh persamaan berikut: C p = C po e − kt (4.13) dimana Cp=konsentrasi obat di plasma pada waktu t, C po = konsentrasi obat di plasma pada t=0. Apparent volume distribution “Vd” adalah suatu volume dimana suatu dosis obat terlarut mengasilkan konsentrasi awal di dalam plasma, C po , sehingga dapat dihitung dengan persamaan berikut: (4.14) Vd = D o Cp Dalam percobaan injeksi iv bolus, C po dapat ditentukan dengan ekstrapolasi garis regresi ke sumbu Y (gambar 4.3). Tetapan laju eliminasi menyatakan bagian hilangnya obat dari tubuh persatuan waktu. Pada reaksi orde kesatu tetapan jalu eliminasi diperoleh dari slop garis dari persamaan (4.6) ” logC = − kt 2,3 + logC o ”. Clearance plasma ”CL”, Klirens obat adalah suatu ukuran eliminasi obat dari tubuh tanpa mempermasalahkan mekanisme prosesnya. Jadi klirens merupakan satuan kemampuan dari organisme (organ tubuh) untuk mengeliminasi suatu xenobiotika. Klirens dapat juga dimengerti dengan jumlah volume dari xenobiotika yang mampu dieliminasi oleh organ (organismus) persatuan waktu. dAb laju e lim inasi dt (4.15) CL = = Cp konsentrasi plasma [ ] Oleh sebab itu satuan clearance adalah volume perwaktu (misal, ml/min). Pada reaksi orde kesatu klierens adalah konstan. Substitusi 51 dan berikutnya dengan mensubstitusi Ab, yang dari persamaan (4.12), maka diperoleh persamaan berikut: kC pVd CL = = kVd (4.16) Cp Klierens mungkin juga dapat dihitung tanpa harus mengetahui volume distribusi suatu obat, yaitu dengan menyusun ulang persamaan (4.15) akan diperoleh persamaan dAb = CL x C p dt Persamaan di atas dapat diintegrasikan sebagai berikut: ∞ ∫ dAb 0 = CL ∫ C p dt 0 ∞ D b0 = CL ∫ C p dt 0 D b0 = CL[AUC ]∞ 0 D b0 [AUC ]∞0 (4.17) AUC “area under curve” adalah luas daerah dibawah kurve konsentrasi obat di plasma. Jika dari hubungan persamaan (4.16) dan (4.17) disatukan maka dapat digunakan untuk menghitung volume distribusi “Vd” Vd = D b0 k [AUC ]∞ 0 (4.18) ii) Pemberian obat secara oral, Seperti telah disebutkan pada pembahasan fase kerja toksik, bahwa kasus keracunan sering melalui eksposisi toksikan jalur ini. Faktor –faktor seperti luas permukaan dinding usus, kecepatan pengosongan lambung, pergerakan saluran pencerna, dan aliran darah ke tempat absorpsi, semuanya mempengaruhi laju dan jumlah absorpsi suatu xenobiotika. Walaupun terdapat variasi, keseluruhan laju absorpsi 52 45 40 C p maks 35 30 25 20 15 10 5 t maks 0 0 100 200 300 400 500 600 700 waktu (min) ∞ Integral dari Ab dari t=0 sampai t=∞ adalah sama dengan total dosis yang harus dieliminasi, sehingga dAb=dosis, maka: CL = xenobiotika dapat digambarkan secara matematik sebagai suatu proses order ke nol atau kesatu. Sebagian besar model farmakokinetik menganggap absorpsi mengikuti orde kesatu, kecuali apabila anggapan absorpsi orde nol memperbaiki model secara signifikan atau lebih teruji dengan percobaan. konsentrasi-plasma (µg/ml) persamaan di atas dengan persamaan (4.10) diperoleh persamaan berikut: kA CL = b Cp Gambar 4.6. Jenis kurva kadar dalam plasmawaktu untuk obat yang diberikan secara oral dosis tunggal Laju perubahan xenobiotika dalam tubuh, dAb/dt, bergantung pada jalu absorpsi dan eliminasi xenobiotika. Laju perubahan ini sama dengan laju absorpsi dikurangi laju eliminasi: dAb dAGI dAe = − (4.19) dt dt dt dimana AGI = jumlah xenobiotika di dalam saluran pencernaan ”gastro intestinal track”, Ae= jumlah xenobiotika yang dieliminasi dari tubuh. Jika laju absorpsi dianggap mengikuti orde kesatu, maka persamaan diferensial yang menggambarkan laju perubahan xenobiotika dalam tubuh: dAb = F k a AGI − kAb (4.20) dt dimana F= fraksi xenobiotika yang terabsorpsi secara sistemik, ka= laju absorpsi, dan jumlah xenobiotika yang akan diabsorpsi sama dengan dosis oral (Do). Persamaan (4.20) diintegrasi memberikan persamaan jumlah xenobiotika di dalam tubuh persatuan waktu, sebagai berikut: Fk a D 0 Ab = e −ke t − e −ka t (4.21) (k a − k e ) ( ) Berdasarkan asumsi seperti pada persamaan (4.12), maka konsentrasi xenobiotika di plasma ( ) Gambar yang khas dari konsentrasi xenobiotika dalam tubuh setelah dosis oral disajikan dalam gambar 4.6. Konsentrasi maksimum ”Cp maks”, ditentukan oleh besaran tetapan laju absorpsi dan eliminasi xenobiotika tersebut. Waktu yang diperlukan untuk mencapai konsentrasi maksimum adalah tmaks. Konsentrasi maksimum juga disebut dengan konsentrasi puncak, dimana untuk toksikologi mempunyai arti yang penting, karena efek toksik suatu xenobiotika muncul apabila batasan konsentrasi toksik di dalam tubuh dilewati. Peningkatan jalu absorpsi dan secara simultan penurunan laju eliminasi akan meningkatkan konsentrasi puncak xenobiotika tersebut. Pada penanganan suatu kasus keracunan biasanya hal kebalikannya yang dikerjakan, yaitu menurunkan laju absorpsi dan meningkatkan jalu eliminasinya. Area Under Curve, Baik klierens maupun volume distribusi diturunkan seperti pada persamaan (4.17) dan (4.18) selanjutnya dikoreksi dengan Fraksi xenobiotika yang terabsorpsi secara sistemik ”F”, sehingga klierens dihitung seperti berikut: Do F (4.23) CL = [AUC ]∞0 Jika harga F tidak diketahui biasanya klirens dihitung hanya dengan (Do/AUC). Harga F dari suatu xenobiotika biasanya diperoleh dengan cara membandingkan data farmakokinetik yang diperoleh dengan pemberian ijeksi bolus iv, sehingga: Do F D iv CL = = [AUC ]0 [AUC ]iv F= D iv [AUC ]o [AUC ]iv D 0 (4.24) Harga F dapat juga dihitung dari jumlah xenobiotika yang terekskresi melalui urin sampai waktu t=∞, F= ∞ Aex o Aex iv x D iv Do (4.25) b) Kompartemen-dua terbuka Dalam percobaan farmakokinetik, banyak ditemui bahwa disopsisi xenobiotika setelah pemberian injeksi iv bolus, tidak mengikuti model kompartemen satu-terbuka, dimana kurva kadar dalam plasma-waktu tidak menurun secara linier dimana terdapat tekukan (lihat gambar 4.7). Hal ini menunjukkan, bahwa laju distribusi xenobiotika tidak sama ke dalam berbagai jaringan yang berbeda. Jaringan-jaringan dengan perfusi yang tinggi mencapai kesetimbangan distribusi yang lebih cepat ketimbang jaringan perifer yang lainnya dengan perfusi darah yang lebih lambat. Sehingga dalam hal ini tubuh dianggap terdiri dari dua kompartemen, yaitu kompartemen kesatu, dikenal sebagai kompartemen sentral, yaitu darah, cairan ekstra-selular, dan jaringan-jaringan dengan perfusi tinggi. Xenobiotika terdistribusi secara cepat dalam kompartemen sentral. Kompartemen kedua merupakan kompartemen jaringan, yang berisi jaringan-jaringan yang berkesetimbangan secara lebih lambat dengan xenobiotika. Dalam model ini menganggap eliminasi xenobiotika terjadi melalui kompartemen sentral. 1000 konsentrasi-plasma persatuan waktu dapat dituliskan sebagai berikut: Fk a D 0 Cp = e −ke t − e −ka t (4.22) Vd (k a − k e ) fase distribusi fase eliminasi a 100 b 10 0 15 30 waktu 45 Gambar 4.7. Kurva kadar dalam plasma-waktu untuk model kompartemen-dua terbuka, dosis iv bolus. Penurunan xenobiotika dalam kompartemen sentral yang cepat pada fase awal dikenal sebagai fase distribusi dari kurva (gambar 4.7, garis a). Pada suatu waktu xenobiotika mencapai keadaan setimbang antara kompartemen sentral dengan kompartemen jaringan yang diperfusi lebih kecil, selanjutnya disebut kompartemen perifer. Setelah kesetimbangan ini tercapai, hilangnya xenobiotika dari kompartemen sentral 53 merupakan suatu proses tunggal dari orde kesatu sebagai keseluruhan proses eliminasi xenobiotika dari tubuh. Proses kedua ini memiliki laju yang lebih lambat dari proses pertama ”fase distribusi” dan dikenal sebagai fase eliminasi (gambar 4.7, garis b). Dalam model ini diasumsikan bahwa pada saat awal injeksi iv bolus, t = 0, tidak terdapat xenobiotika dalam kompartemen perifer. Kemudian akan terjadi distribusi xenobiotika dari kompartemen sentrak ke kompartemen perifer, yang ditandai dengan meningkatnya konsentrasi xenobiotika di kompartemen perifer sampai mencapai keadaan puncak (lihat gambar 4.8). Kemudian mulai menurun sehubungan perbedaan konsentrasi antara dua kompartemen yang kecil. konsentrasi (µg/ml) 1000 100 Plasma 1 30 60 waktu(min) Gambar 4.8. Hubungan antara konsentrasi xenobiotika dalam kompartemen perifer dan sentral ”plasma” untuk model kompartemen-dua terbuka. Setelah injeksi sejumlah dosis secara iv bolus ke dalam sistem kompartemen-dua, maka konsentrasi xenobiotika dalam plasma ”Cp” sebagai fungsi waktu dinyatakan sebagai berikut: C p = Ae −at + Be − bt (4.26) dimana A dan B adalah tetapan yang diperoleh dari intersep pada sumbu y untuk masing-masing segmen eksponential dari kurva persamaan (4.26). Harga ini didapat dengan metode residual atau dengan komputer. A dan B adalah tetapan hibrida seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: D ivo (a − k 21 ) Vc ( a − b ) (4.27) (4.28) Tetapan laju a dan b juga merupakan tetapan laju hibrida, yang menggambarkan tetapan laju untuk fase distribusi dan eliminasi. Tetapan laju a dan b ini diperoleh dari tetapan laju perpindahan xenobiotika antar kompartemen, yang dinyatakan sebagai tetapan mikro atau tetapan transfer. Tetapan mikro ini menggambarkan jumlah xenobiotika yang dipindahkan per satuan waktu dri satu kompartemen ke kompartemen yang lain. Harga tetapan mikro ini tidak ditentukan dengan pengukuran langsung karena konsentrasi xenobiotika dalam masing-masing kompartemen tidak dapat ditentukan secara langsung. Tetapan laju a dan b turunkan dari persamaan berikut: a + b = k 12 + k 21 + k 10 (4.29) ab = k 21k 10 (4.30) K sentral Vc Cp k10 Jaringan 0 54 D ivo (k 21 − a ) Vc (a − b ) Div 10 0,1 A= B= k12 k21 K perifer Vj Cj Gambar 4.9.: Model kompartemen-dua terbuka, injeksi iv bolus Vc = volume distribusi sentral, Vj = volume distribusi kompartemen jaringan, Cp = konsentrasi xenobiotika dalam plasma, Cj = konsentrasi dalam kompartemen jaringan Pada prakteknya tetapan-tetapan farmakokinetik pada model kompartemen-dua ini diturunkan dari data percobaan, salah satu metode untuk itu yaitu metode residual ”feathering” atau ”peeling”. Sebagai contoh, kurva konsentrasi-waktu suatu xenobiotika yang diberikan secara injeksi iv bolus pada gambar 4.10, (lihat tabel 4.1). Suatu obat diberikan secara iv bolus dengan dosis 800 mg kepada orang dewasa sehat. Cuplikan obat diambil setelah pemberian obat dan plasma dari masing-masing cuplikan ditetapkan kadarnya. Diperoleh data seperti pada tabel 4.1. Jika data di atas dirajah pada kertas semiloritma, diperoleh kurva seperti pada gambar 4.10. Dari bentuk kurva tersebut menunjukan bahwa obat terdistribusi lebih dari satu kompartemen. Dari data di atas dengan suatu program farmakokinetik atau dengan metode residual dapat diperoleh persamaan seperti pada (4.26). Dari kurva C p = Be −bt 1000 konsentrasi (µg/ml) bieksponensial dalam gambar 4.10 dapat dilihat bahwa laju distribusi awal lebih cepat daripada laju eliminasi. Ini berarti tetapan laju reaksi a lebih besar daripada tetapan laju reaksi b. Oleh karena itu, pada waktu-waktu terminal selanjutnya Ae-at akan mendekati nilai nol, sedangkan B masih mempunyai harga. Pada saat itu persamaan (4.26) menjadi: Cp=2050 e -0,7646 t + 74 e ∆ Cp slop= -a/2,303 100 (4.31) Cp slop= -b/2,303 Dalam logaritma biasa adalah: logC p = − bt 2,3 + log B 10 (4.32) 0 10 20 Cp (µg/ml) 994 479 407 284 165 121 70 50 29 19 12 5 ln(Cp) 30 40 50 60 waktu (min) Tabel 4.1. Penggunaan metode residual t (min) 1,2 2 2,2 3 4 5 8 15 30 45 60 90 -0,299 t ln(C’p) C’p ∆Cp ln(∆Cp) 4,264 4,239 4,234 4,209 4,179 4,150 71 69 69 67 65 63 923 409 338 216 100 58 6,828 6,015 5,823 5,376 4,605 4,059 4,251 3,907 3,362 2,919 2,489 1,633 Gambar 4.10. Kurva konsentrasi-plasma-waktu untuk kompartemen-dua, yang diperoleh dari data tabel 4.1. Sejumlah parameter farmakokinetik, selanjutnya dapat diperoleh dengan substitusi yang tepat dari tetapan laju reaksi a dan b serta, A dan B ke dalam persamaan: Cp o= A + B (4.33) a + b = k 12 + k 21 + k10 (4.34) V1 = ln (C’p)=data yang dihitung melalui persamaan regresi linier dari data Cp pada fase terminal, C’p= antilogs dari data ekstrapolasi, ∆Cp= Cp-C’p D iv A+b (4.35) dimana V1 adalah volume distribusi kompartemen sentral, dan k 21 = (Ab + Ba ) A+B (4.36) Dengan menggunakan persamaan (4.32) dan metode regresi linier dari data ln(Cp) pada t =30 s/d t=90 menit, maka diperoleh persamaan regresi linier: ln(Cp) = - 0,0299 t+ 4,2995, dengan koefisen regresi „r=0,999“. Dari persamaan regresi ini harga tetapan B dan b, yaitu B =exp(4,2995)=74 µg/ml sedangankan tetapan laju b = 0,0299 min-1. Analog dengan persamaan (4.32) tetapan A dan a, dapat diturunkan dengan menggunakan data ln(∆Cp) pada t=1,2 s/d t=4, diperoleh persamaan regresi lenier: ln(∆Cp) = - 0,7646 t + 7,6256, sehingga diperoleh A= exp(7,7256)=2050 µg/ml, a=0,7646 min-1. Dengan demikian persamaan kurva konsentrasi waktu dapat diturunkan menjadi: Perlu diingat disini, bahwa k10 dan b bukan menggambarkan proses yang sama, karena k10 merupakan tetapan laju eliminasi dari kompartemen sentral, sedangkan b menggambarkan tetapan laju semua eliminasi dari tubuh (dan laju transfer dari jaringan, demikian juga eliminasi dari kompartemen sentral). Hubingan antara kedua tetapan laju ini dapat diturunkan dari persamaan (4.34): Cp = 2050e −0,7647 b = k 10 + k 21 + k 12 − a t + 74 −0,0299 t k 10 = ab k 21 k12 = a + b − k 21 − k 10 (4.37) (4.38) Jelaslah dari persamaan di atas ditunjukkan bahwa tetapan laju b adalah konstanta ibrida (“diturunkan”). Tetapan laju b digunakan untuk 55 menghitung waktu paruh terminal “(t½ 0,692/b). terminal = c) model independen-farmakokinetik Model independen atau model bebas adalah pemodelan yang tidak bergantung pada suatu struktur pasti, sehingga model ini juga disebut dengan analisis non-kompartemen. Skema dari model ini digambarkan pada gambar 4.10. Endogenous Exogenous sources central measurement pool [C ](t ) = I (t ) * fd (t ) Gambar 4.10. Skema dasar model kompartemen, disadur Wagner, 1993. n nondari Dalam penerapannya skema model di atas dapat digambar ulang seperti pada gambar 4.11, dimana input dan eliminasi xenobiotika terjadi dari kompartemen sentral. Xenobiotika bergerak masuk atau meninggalkan kompartemen sentral menuju sejumlah “n-1” kompartemen perifer dengan konstanta laju yang tidak didefinisikan dan harus kembali ke kompartemen sentral agar dapat dieliminasi dari dalam tubuh. Untuk proses biologi yang linier, pada model ini diasumsikan, bahwa semua proses tersebut belangsung mengikuti orde reaksi kesatu. 3 2 input n 1 input Gambar 4.11. Skema model n-kompartemen terbuka, disadur dari Wagner, 1993. Kurva konsentrasi suatu xenobiotika di dalam cairan tubuh merupakan jumlah dari proses invasi, distribusi, dan eliminasi. Proses invasi digambarkan sebagai fungsi input „I(t)“ dan proses 56 (4.39) Laju invasi dan disposisi mengikuti hukum kinetika orde ke pertama artinya laju invasi dan disposisi berbanding lurus dengan konsentrasi xenobiotika. Secara umum fungsi diposisi ini digambarkan sebagai jumlah fungsi eksponential: Recirculation or Exchanges Eliminations Degradation, etc sinks ini menggambarkan bagaimana suatu xenobiotika mencapai sirkulasi sistemik. Poses distribusi dan eliminasi dirangkum ke dalam fungsi disposis“fd(t)“. Sehingga kurva-konsentrasi-waktu (konsentrasi profil) suatu xenobiotika merupakan gabungan dari fungsi input dan disposisi dari xenobiotika tersebut. Persamaan matematis dari fungsi ini dapat ditulis dengan menggunakan operasi konvulasi. Operasi ini ditandai dengan asterik (*), sehingga konsentrsi profil suatu xenobiotika dapat ditulis sebagai: fd (t ) = ∑α i e −λi t (4.40) i =1 αi dan λi = parameter diposisi n = jumlah fungsi eksponensial (jumlah dari kompartemen) t = waktu Jika suatu xenobiotika diberikan secara intravenus dan perubahan konsentrasinya mengikuti hukum kinetika orde ke pertama, maka fungsi profil konsetrasinya dapat dinyatakan sebagai berikut: [C ](t ) = D iv n ∑ α i e − λi t (4.41) i =1 Target analisis toksikologi tidaklah hanya senyawa induk, melainkan juga metabolitnya. Memperhatikan hubungan konsentrasi senyawa induk dan metabolit pada setiap waktu dapat menggambarkan keseluruhan jaringan proses farmakokinetik. Konstelasi konsentrasi antara senyawa induk dan metabolitnya sebagai fungsi waktu merupakan hal yang penting bagi toksikolog forensik dalam menginterpretasikan hasil analisis berkaitan dengan pertanyaan kapan suatu paparan itu terjadi. Oleh sebab itu disini dipandang perlu untuk menjelaskan model metabolit kinetik. Dalam menganalisis metabolit kinetik digunakan istilah senyawa induk (p) dan juga metabolit primer (mi). Metabolit kinetik adalah analisa matematis dari profil konsentrasi senyawa induk dan metabolit yang terbentuk. Sampai saat ini terdapat beberapa model untuk menganalisa metabolit kenetik dari suatu xenobiotika, yaitu: model kompartemen klasik, model psiologi, dan model komparten terbuka (Wirasuta, 2004). Banyak xenobiotika di dalam tubuh tidak mengikuti model satu kompartemen, sehingga dalam melakukan analisis matematik metabolit kinetik xenobiotika seperti ini akan sangat komplek. Masalah ini akan lebih mudah dipecahkan apabila analisa matematisnya dengan menggunakan model kompartimen terbuka, dimana persamaan matematis diselesaikan dengan menggunakan Transformasi Laplace (Weiss 1998, Wirasuta 2004). Konsep dari model ini didasarkan pada asumsi bahwa perubahan konsentrasi xenobiotika dan metabolitnya di dalam tubuh mengikuti hukum kinetik orde pertama, sehingga profil konsentrasi suatu xenobiotika dapat digambarkan sebagai jumlah persamaan eksponential. Jika xenobiotika (senyawa induk „p“ diberikan secara intravenus maka profil konsentrasinya seperti yang tertulis dalam persamaan 4.41). Tranformasi persamaan tersebut ke daerah Laplace memberikan persamaan berikut ini: [ p ]( s ) = D ivp np  αi p ∑  (s + λ i =1  ip )     (4.42) Reaksi biokimia pembentukan metabolit primer dan transpor metabolit yang terbentuk dari tempat reaksi metabolisme ke sirkulasi sistemik membutuhkan waktu. Laju rekasi dan tranpor ini dikenal dengan fungsi waktu-transit-metabolisme „„Ψp_m (t)“ (Weiss 1998). Jika metabolisme berlangsung di hati, maka fungsi ini dikenal dengan fungsi waktu-transit-metabolismehepatika, fungsi ini ditulis sebagai: Ψp_m (s ) = λp (s + λ p ) (4.43) λp_m = konstanta waktu dari fungsi-waktu-transitmetabolisme Fungsi input dari biosintesa metabolit primer „Im(s)“ adalah (Weiss, 1998): Im (s ) = Fp_m CLp Ψp _m (s ) [ p ]( s ) Fp_m (4.44) = Fraksi dari senyawa induk „p“ yang terbentuk menjadi metabolit primer = Clearance senyawa induk CLp Ψp_m (s) = Fungsi waktu-transit-metabolisme dari senyawa induk membentuk metabolit primer Menurut persamaan (4.39), maka konsentrasi metabolit primer adalah: [ m ](s ) = Im (s ) fd m (s ) [ m ](s) = Fp_m CL p Ψp_m (s) D piv profil (4.45) np  αi p ∑  (s + λ i =1  ip )  n m α i m   ∑  s + λi m  i =1 (4.46) ( Klierens (CL) adalah satuan kemampuan dari organisme (organ tubuh) untuk mengeliminasi suatu xenobiotika. Dari persamaan (4.17) merupakan perbandingan antara dosis iv dan AUC sampai t mendakati takberhingga CL = D b0 [AUC ]∞0 Persamaan untuk mengitung AUC∞ dapat diturunkan melalui persamaan (4.42), yaitu: lim [C ](s ) (CHAN, 1982) (4.47) s →o Persamaan (4.42) disubstitusikan ke persamaan (4.47), sehingga diperoleh persamaan berikut: n α  AUC ~ = D iv  ∑ i  (4.48)  i =1 λ i  Persamaan di atas disubstitusikan ke persamaan (4.17), sehingga klierens dapat dihitung: 1 CL = n (4.49) AUC ~ = α ∑ λi i =1 i Waktu paruh (t1/2) adalah waktu yang dibutuhkan oleh xenobiotika tereliminasi menjadi setengah konsentrasi awalnya. Waktu paruh pada fase akhir disposisi (fase eliminasi) dikenal sebagai waktu paruh terminal (t1/2 Z). Hurup z menandakan fase akhir disposisi. Fase ini biasanya ditunjukkan oleh proses farmakokintik yang paling lambat. Waktu paruh dari metabolit yang diperoleh dari penghitungan secara logaritma kurva-konsentrasiwaktu metabolit dari senyawa induk biasanya disebut dengan waktu paruh semu ”apparance half life time” (t1/2 app). Waktu paruh setiap fase disposisi, dimana laju eliminasinya memenuhi hukum kinetika orde pertama, dapat dihitung dengan : t1 2i = ln 2 λ l (4.50) Dari persamaan di atas tampak bahwa untuk laju eliminasi orde ke pertama, t½ adalah konstan. 57 )     Tanpa perlu memperhatikan berapa jumlah atau konsentrasi xenobiotika pada keadaan awal, maka waktu yang diperlukan untuk berkurang menjadi separuhnya adalah konstan Volume distribusi (Vd) adalah volume virtual, dimana kelihatannya suatu xenobiotika terdistribusi atau di mana dianggap xenobiotika tersebut terlarut. Volume distribusi menyatakan suatu faktor yang harus diperhitungkan dalam memperkirakan jumlah xenobiotika dalam tubuh dari konsentrasi xenobiotika yang ditemukan dalam kompartimen cuplikan. Untuk sebagaian besar xenobiotika dianggap bahwa xenobiotika bersetimbangan secara cepat dalam tubuh. Tiap jaringan dapat mengandung suatu konsentrasi xenobiotika yang berbeda sehubungan dengan perbedaan afinitas xenobiotika terhadap jaringan tersebut. Oleh karena itu volume distribusi tidak mengandung suatu arti fiosologik yang sebenarnya dari Dengan asusmsi, bahwa tubuh manusia dapat diandaikan sebagai satu ruang distribusi (model satu kompartemen), maka pada pemakaian injeksi intravenus ”injeksi bolus” ratio antara dosis dan konsentrasi awal ([Co]) adalah menunjukkan volume distribusi xenobiotika tersebut. V =D iv (4.51) [C ] o Dalam kinetika kompartemen ganda kita dapat menganggap secara matematik volume hipotetik, seperti volume dari kompartimen sentral (Vc) dan volume kompartemen perifer atau kompartemen jaringan (Vp). Volume distribusi, yang dihitung pada keadaan tunak ”steady state”, dimana laju obat masuk dan keluar dari dan ke kompartemen perifer adalah sama, disebut dengan volume distribusi dalam keadaan tunak. Volume distribusi area adalah volume hipotetik yang dihitung melalui persamaan berikut: Vß = Varea = D λ z [ AUC ] o∞ (4.52) Oleh karena clearance total sama dengan D ∞ , maka Vß dapat dinyatakan dalam [ AUC ]o clearance dengan tetapan laju eliminasi pada fase terminal (λz), Vß = Varea = CL 58 λz (4.53) Volume distribusi area dipengaruhi oleh laju eliminasi obat pada fase terminal dan clearance total obat dari dalam tubuh. Perubahan ini mungkin diakibat oleh perubahan fungsi organ tubuh (ginjal, hati). Sedangkan volume distribusi pada keadaan tunak tidak dipengaruhi perubahan eliminasi obat. Datar Pustaka 1. Chen, Z.R., Somogyi, A.A., Reynolds, G. dan Bochner, F. (1991), “Disposition and metabolism of codeine after single and chronic doses in one poor and seven extensive metabolisers”, Br. J. clin. Pharmacol., 31: 381-390 2. Weiss, M. (1990), “Theoretische Pharnakokinetik; Modellierung, Datenanalyse, Dosierungsoptimierung”, Verl. Gesundheit GmbH, Berlin. 3. Weiss, M. (1998),” Analysis of metabolite formation pharmacokinetics after intravenous and oral administration of the parent drug using inverse Laplace-transformation”, Drug Metab. Dispos., 26: 562-565 4. Wirasuta I M.A.G. (2004), Untersuchung zur Metabolisierung und Ausscheidung von Heroin im menschlichen Körper. Ein Beitrag zur Verbesserung der Opiatbefundinterpretation, Cuvillier Verlag, Göttingen. 5. Wagner, J.G. (1993), “Pharmacokinetics for the pharmaceutical scientist”, Technomic Pub., Lancarter-Basel. 6. Rowland, M. and Tozer, T.N. (1980), “Clinical pharmacokinetics: Concepts and applications”, Lea & Febiger, Philadelphia. 7. Shargel, L. dan Andrew, B.C.L, (1985) “Biofarmaseutika dan Farmakokinetika Terapan”, terj. Fasich et al., Airlangga Press, Surabaya. BAB V HITUNGAN DALAM TOKSIKOLOGI DAN FAKTOR PENENTU TOKSISITAS Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2): Setelah mengikuti materi ini peserta didik dapat memahami dan menjelaskan hubungan dosis-kerja, dosisrespon, dan waktu-kerja serta faktor-faktor yang mempengaruhi toksisitas xenobiotika dengan benar. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2): Setelah mendiskusikan materi ini peserta didik diharapkan: y dapat memahami hubungan dosis-kerja, y dapat memahami hubungan dosis-respon, y dapat memahami hubungan waktu-kerja, y dapat menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi toksisitas suatu xenobiotika dalam tubuh organisme, dan memahami komponen penting dalam toksikologi yang berhubungan dengan terjadinya efek toksikologi. 5.1. PENDAHULUAN Kita telah membicarakan, bahwa respons biologis “efek farmakologis/toksik” ditentukan oleh afinitas xenobiotika terhadap reseptor dan juga jumlah xenobiotika yang menduduki reseptor (konsentrasi xenobiotika pada reseptor). Kemampuan suatu xenobiotika untuk mencapai reseptor dan faktor yang berpengaruh, telah dibahas pada sub bahasan fase toksikenetik, ditentukan oleh beberapa faktor seperti: sifat fisikokimia, bentuk farmaseutika, tempat kontak dan faktor psiologik organisme. Dalam prakteknya diperlukan suatu sistem yang ideal, yang dapat menggambarkan kekerabatan antara respon dan dosis (konsentrasi xenobiotika), dosis dan kerja ”afinitas intrinsik”, serta hubungan antara waktu dan kerja. Sistem ini dapat dijadikan dasar oleh seorang toksikolog dalam menentukan ambang batas minimal konsentrasi toksikan dinyatakan berbahaya atau oleh seorang dokter dalam memilih obat dan memberi dosis yang tepat, guna mendapatkan suatu keputusan terapeutik yang rasional. Bila dapat dianggap bahwa efek akhir dari suatu paparan diwujudkan sebagai ada respon menyeluruh atau sama sekali tidak ada respon, maka haruslah terdapat suatu kisaran konsentrasi xenobiotika yang akan memberikan suatu respon ”efek” bertingkat pada suatu tempat diantara dua titik ekstrim tersebut. Percobaan penetapan kisaran kadar ”dosis” ini merupakan dasar kekerabatan atara dosis dan respon. Dalam praktisnya, pada suatu penelitian biologis sering sekelompok sampel, seperti sel tunggal ”bakteri”, atau sekelompok hewan percobaan, dapat dianggap sebagai suatu populasi mekanisme biologi yang seragam, dan karena itu mungkin dapat dipejankan dengan suatu kadar atau dosis dari xenobiotika tertentu yang telah diseleksi secara tepat. Namun anggapan ini tidak selalu tepat dimana perbedaan individual turut memberikan perbedaan respon pada jumlah pejanan xenobiotika yang sama. Bila suatu xenobiotika mampu menimbulkan efek yang dapat diamati, seperti kematian, perubahan mekanisme biologi, maka dosis xenobiotika itu dapat dipilih agar dapat menimbulkan efek tersebut. Dan lagi, bila efek tersebut dapat dikuantitatifkan, maka percobaannya akan menunjukkan bahwa tidak seluruh anggota kelompok memberi respon yang secara kuantitatif identik terhadap sejumlah dosis yang sama. Kiranya beberapa hewan percobaan akan memberikan respon yang hebat, sedangkan yang lain bahkan sama sekali tidak menunjukkan respon. Jadi apa yang telah dianggap sebagai ”sama sekali ada atau sama sekali tak ada respon” hanya berlaku untuk suatu anggota tunggal dari kelompok uji tersebut, dan ternyata respons merupakan hubungan yang benar-benar bertingkat bila dilihat dari keseluruhan kelompok hewan uji. 59 % respon Dalam sub bahasan berikut ini kita akan mengulas bagaimana cara memperoleh hubungan antara dosis-respon, dosis-kerja, dan kerja dan waktu, serta makna dari kekerabatan tersebut dan pada akhir bagian akan diulas faktor-faktor yang bepengaruh atau menentukan resiko dalam lingkungan zat berbahaya. a. Frekuensi respon - respon kumulatif Dalam percobaan toksikologi menggunakan hewan uji, biasanya digunakan hewan dalam satu seri anggota spesies tertentu yang dianggap seragam bila diberikan suatu dosis xenobiotika uji guna menimbulkan suatu respon yang identik. Data yang diperoleh dari suatu percobaan seperti itu diplot dalam suatu bentuk kurva distribusi atau kurva frekuensi-respon (lihat gambar 5.1). Plot seperti pada gambar 5.1, seringkali disebut sebagai kurva respon kuantal, karena kurva tersebut menggambarkan kisaran dosis yang diperlukan untuk menimbulkan respon yang secara kuantitatif identik dalam suatu populasi subjek uji yang besar. Yang dimaksud respon bersifat kuantal (all or none) adalah ada atau tidak sama sekali respon pada hewan uji. Kurva frekuensi-respon menunjukkan bahwa persentase atau jumlah dari hewan uji yang memberikan respon secara kuantitatif identik pada pemberian sejumlah dosis tertentu. Dari kurva tersebut terlihat, dimana beberapa hewan akan memperlihatkan respon yang sama pada dosis yang rendah sedangkan yang lainnya memerlukan dosis yang lebih tinggi. Kurva seperti di atas, mengikuti pola distribusi Gaussian, namun berbeda dalam praktisnya distribusi suatu frekuensi respon tidak selalu memenuhi pola distribusi Gaussian. 60 A 40 30 20 5.2. Hubungan Dosis-Respon 10 0 Jumlah individu respon Hubungan dosis-respon menggambarkan suatu distribusi frekuensi individu yang memberikan respons pada rentang dosis tertentu (gambar 5.1). Bila distribusi frekuensi tersebut dibuat kumulatif maka akan diperoleh kurva berbentuk sigmoid yang umumnya disebut kurva dosis-persen responder (gambar 5.2). Pada dasarnya kurva hubungan dosis-respon menunjukkan variasi individual dari dosis yang diperlukan untuk minimbulkan suatu efek tertentu. 50 0 2 4 B 160 120 80 40 0 0,2 1,2 2,4 3,6 Dosis Gambar 5.1. Plot frekuensi-respon hipotesis (A = % respon, B = jumlah individu yang memberi respon) setelah pemberian suatu xenobiotika uji pada suatu spesimen biologi yang seragam. Pada prakteknya baik uji toksikologi maupun farmakologi, dimana percobaan invivo tidak semudah pada percobaan invitro. Karena secara invivo, terdapat sejumlah reaksi umpan balik yang dapat terjadi, sebagai contoh:misalnya zat yang bekerja mengubah tekanan darah. Dengan bertambahnya perubahan tekanan darah maka mekanisme homeostasis juga akan mengubah lebih banyak hubungan antara dosis dan efek. Kenaikan dosis biasanya akan menyebabkan lebih banyak sistem organ yang dikenai dan akan memberikan efek kerja yang jauh berbeda. Pada efek toksik akan menimbulkan kematian, berbagai sistem organ akan banyak mengalami kegagalan satu persatu. Sebaliknya, jumlah individu yang menunjukkan efek toksik atau efek terapetik tergantung dari dosisnya. Dalam toksikologi, kurva frekuensi-respon biasanya tidak dipergunakan. Melainkan, adalah lazim mengeplot data dalam bentuk kurva yang menghubungkan dosis suatu xenobiotika uji dengan persentase kumulatif hewan uji yang memperlihatkan respon. Kurva semacam itu biasanya dikenal sebagai kurva dosis-respon (gambar 5.2). 100 reaksi (%) jumlah individu yang memberi Hanya melalui suatu percobaan maka kita dapat memilih dosis dimana seluruh hewan akan memberikan respon (misalnya mati) atau seluruh hewan uji tidak memberikan respon. Dosis awal mungkin saja dosis yang demikian kecil sehingga tidak ada efek ”mati” yang dapat diwujudkan oleh hewan uji. Pada kelompok hewan berikutnya, dosisnya ditingkatkan dengan suatu perkalian tetap, misal dua atau berdasarkan hitungan logaritma, sampai pada akhirnya ditemukan suatu dosis yang cukup tinggi yang bila diberikan, akan mematikan seluruh hewan dalam kelompk itu. 50 ED 50 0 0 1 2 3 4 Dosis Gambar 5.2. Kurva hubungan respon-dosis hipotesis dari suatu xenobiotika uji yang dipemberikan pada populasi spesimen biologi yang seragam. b) Konsep statistika dan besaran aktivitas 50% Gambar 5.2 menjelaskan suatu konsep, dimana dosis suatu xenobiotika mungkin cukup kecil sehingga tidak menimbulkan efek kematian, namun bila dosis dinaikkan, hingga diperoleh suatu kurva sigmoid, sehingga pada dosis yang cukup tinggi, 100% hewan uji mati sebagai akibat pemejanan xenobiotika uji. Hubungan ini menggambarkan bahwa respon yang timbul langsung berkaitan dengan kadar/dosis dari suatu senyawa yang ada. Sehingga tidak dapat disangkal bahwa bahaya atau amannya suatu senyawa kimia itu tergantung pada dosis yang diberikan. Kurva pada gambar 5.2 menggambarkan bagaimana diperoleh suatu dosis dimana 50% dari populasi menunjukkan respon. Dalam toksikologi, jumlah dosis yang menyebabkan 50% individu memberikan reaksi (respon) digunakan sebagai besaran aktivitas (seperti, ED50 = effective dose 50% atau LD50 = lethal dose 50%) dari xenobiotika uji. Besaran aktivitas 50% adalah suatu harga sebenarnya yang diperoleh secara statistika. Ini merupakan suatu harga perhitungan yang menggambarkan estimasi yang paling baik dari dosis yang diperlukan untuk menimbulkan respon pada 50% individu uji, karenanya selalu disertai dengan suatu rataan estimasi dari harga kesalahannya, seperti probabilitas kisaran nilainya. Terdapat beberapa metode untuk melakukan perhitungan tersebut. Metode yang paling lazim digunakan ialah metode grafik Litchifield dan Wilcoxon (1949), metode kertas probit logaritma dari Miller dan Tainter (1944), dan tatacara menemukan kisaran dari Weil (1952). Pada gambar di atas harga ED50 diperoleh dari kurva dengan menarik angka 50% dari dosis yang memberikan efek uji, kemudian ditarik garis vertikal. Penentuan LD50 dilakukan dengan cara yang serupa, yaitu menarik garis mendatar dari titik angka kematian 50% pada ordinat sampai titik tertentu yang memotong kurva tersebut selanjutnya dari titik potong tersebut, ditarik garis vertikal sehingga memotong sumbu absis. Sehubungan dengan ketoksikan racun, bentuk kurva bagian awal kekerabatan dosis-respon lebih relevan untuk dikaji daripada keseluruhan kurva. Hal ini berkaitan dengan nilai ambang pemejanan racun, yaitu takaran pemejanan dimana individu tidak menunjukkan efek atau respons toksik yang dapat terukur atau teramati. Takaran ambang ini merupakan batas aman-ketoksikan racun, yang lazimnya disebut Kadar Efek-toksik yang Tidak Teramati (KETT) atau no observed effect level (NOEL). Jadi NOEL menggambarkan takaran pemejanan tertinggi yang tidak menyebabkan timbulnya efek toksik atau kematian pada diri subyek uji. Nilai ambang batas ini digunakan untuk menentukan nilai batas aman suatu toksikan dapat terserap oleh organisme tanpa menimmbulkan efek toksik. Konsep NOEL pada umumnya dapat diterima untuk sebagian besar jenis wujud efek toksik, tetapi untuk beberapa efek toksik seperti karsinogennik yang diperantrai oleh mekanisme genotoksik, konsep itu merupakan masalah yang masih diberdebatkan. Dalam karsinogenesis, bila kurva takaran-respons diekstrapolasi ke arah basis, bisanya melintas titik nol (gambar 5.3) Artinya: dengan teknik analisa yang ada, tidak terlihat NOEL, sehingga tidak dapat disimpulkan 61 % Respons batas aman pemejanan, karena semua peringkat takaran pemejanan yang diuji merupakan efek toksik. 100 A B 50 pemejanan racun (B) lebih besar daripada (A), meskipun toksisitas akut (B) lebih besar daripada (A). Hal dapat terjadi, terutama bila kurva kekerabatan dosis-respons yang dibandingkan tidak sejajar (gambar 5.4, a), misal pada mekanisme dan wujud toksik A dan B berbeda. Tapi bila kurva yang dibandingkan adalah sejajar (gambar 5.4.b.) mungkin perbedaan toksisitas akut berbanding lurus dengan perbedaan batas aman dosis pemejanan. 0 0 200 NOEL 400 600 800 1000 Dosis (skala linier) Gambar 5.3. Perbandingan hubungan dosisrespons zat A (tanpa NOEL) dan B (dengan NOEL). Jadi dari kasus takaran pemejanan tunggal (pemejanan akut) pada hubungan dosis dan respon, terdapat parameter kuantitatif utama ketoksikan racun, yaitu: LD50 dan NOEL. Harga LD50 merupakan tolak ukur toksisitas akut racun. Semakin kecil harga LD50 , racun berarti semakin besar potensi toksik atau toksisitas akut racun, yang kriterian tersaji pada tabel 5.1. Harga NOEL merupakan parameter batas aman dosis pemejanan racun yakni : takaran tertinggi yang tidak menimbulkan efek toksik atau kematian subjek uji Tabel 5.1. Kriteria Ketoksikan akut xenobiotika KRITERIA LD50 (mg/kg) 1 Luar biasa toksik 1 atau kurang 2 Sangat toksik 1 – 50 3 Cukup toksik 50 – 500 4 Sedikit toksik 500 – 5000 5 Praktis tidak toksik 5000 – 15000 6 Relatif Kurang Lebih dari 15000 berbahaya LD50 hanya menggambarkan potensi racun relatif terhadap racun yang lain (potensi realtif). Jadi kedua parameter tersebut tidak menggambarkan batas aman dosis pemejanan. Parameter yang bisa menggambarkan hal tersebut adalah NOEL. Artinya, meskipun LD50 racun (A) lebih besar daripada LD50 racun (B) atau ketoksikan akut (A) lebih besar daripada (B), tidak berarti racun (A ) lebih aman daripada racun (B). Hal ini tergantung dari nilai NOEL. Misal harga NOEL (A) lebih kecil dibanding dengan (B), maka batas aman dosis 62 Gambar 5.4. Perbandingan kurva hubungan dosisrespons antara racun A dan racun B. 5.3. Hubungan Dosis – Kerja Hubungan dosis-kerja dikenal juga dengan hubungan dosis dengan intensitas efek. Telah dibahas sebelumnya, bahwa pada umumnya kerja (efek) biologik suatu xenobiotika timbul apabila terjadi interaksi/ikatan antara reseptor dan xenobiotika. Kekerabatan ini didasari oleh hubungan antara dosis dan tempat kerja sesungguhnya obat yaitu: reseptor. Menurut teori pendudukan reseptor (resptor occupancy) yaitu intensitas efek obat berbanding lurus dengan fraksi reseptor yang diduduki atau diikatnya, dan intensitas efek mencapai maksimal apabila semua reseptor diduduki oleh obat. Secara sistematis proses ini dapat digambarkan seperti dengan reaksi kesetimbangan yang didasarkan dari hukum kekelan massa pada gambar 5.5, berikut ini: D + R (obat) (reseptor) k1 k2 DR E (efek) Gambar 5.5. Reaksi skematis antara ikatan reseptor dan obat hingga munculnya suatu efek E (% Emax) Interaksi obat-reseptor ini adalah analog dengan interaksi substrat-enzim, oleh sebab itu akan berlaku persamaan Michaelis-Menten: E max [D ] (5.1) K D + [D ] dimana E = intensitas efek obat, Emax= efek maksimum, [D] = kadar obat bebas, K D = k 2 k1 = E= 50 KD 0 konstanta disosiasi kompleks obat-reseptor. Jadi efek “E” merupakan fungsi sederhana dari konsentrasi kompleks xenobiotika terbentuk “DR”. Bila KD=[D] , maka Hubungan antara kadar ”dosis obat [D]” dan besarnya efek E umumnya digambarkan sebagai kurva dosis-intensitas efek ”graded dose-effect curve = DEC” yang berbentuk hiperbola (gambar 5.?). Tetapi kurva log dosis-intensitas efek (log DEC) akan berbentuk sigmoid (gambar 5.?.B). Setiap efek akan memperlihatkan kurvanya sendiri. Bila kurva yang diamati merupakan gabungan beberapa efek, maka log DEC dapat bermacam-macam, tetapi masing-masing berbentuk sigmoid. Kurva log DEC lebih sering digunakan karena mencangkup dosis yang luas dan mempunyai bagian yang linear, yakni pada besar efek = 16-84% (= 50% ± 1 sd), sehingga lebih mudah untuk membandingkan beberapa kurva DEC. Besarnya efek tergantung pada konsentrasi obat bebas (dan dengan demikian tergantung pada dosis), dan juga tetapan kesetimbangan atau tetapan afinitas obat terhadap reseptor ditinjukkan oleh ”1/KD” (lihat persamaan 5.6), yaitu menunjukkan kemampuan obat untuk berikatan membentuk kompleks dengan reseptor. Jadi semakin besar nilai KD suatu obat, akan makin kecil afinitas obat terhadap sereptornya. Emax menunjukkan aktivitas intrinsik atau efektivitas obat, yakni kemapuan intrinsik kompleks obatresptor untuk menimbulkan aktivitas dan / atau efek biologik ”farmakologik / toksik”. 0 200 400 600 800 Dosis Kurva B 100 E (% Emax) E max [D ] 1 = E (5.2) [D ] + [D ] 2 max Ini berarti 50% reseptor diduduki oleh obat. Hubungan ini dapat ditulis dengan fungsi E=f[DR], dimana f adalah kuosien jumlah reseptor yang diduduki. Jika f= 1 maka berarti semua reseptor diduduki dan efek yang diberikan adalah 100%. E= Kurva A 100 84 50 16 log KD 0 10 100 1000 log[Dosis] Gambar 5.6 (A) Kurva dosis-intensitas efek (=DEC) dan (B) Kurva log dosisintensitas efek (=log DEC) Suatu zat harus mempunyai afinititas pada reseptor khas supaya dapat menimbulkan suatu reaksi tertentu. Afinitas dapat ditentukan dari dosis yang diperlukan untuk mencapai efek tertentu, misalnya 50% efek maksimum. Apabila dosis yang diperlukan besar maka bisa dikatakan bahwa afinitas zat tersebut terhadap reseptor adalah kecil, dan demikian sebaliknya, yaitu bila dosis kecil maka afinitas besar. Selain afinitas, parameter yang penting dalam hubungan dosis – kerja adalah aktivitas intrinsik. Aktivititas intrinsik adalah kemampuan dari suatu zat untuk dapat menyebabkan perubahan di dalam molekul reseptor, yang kemudian dapat menghasilkan efek tertentu setelah melalui beberapa tahap reaksi. Aktivitas intrinsik ini menentukan besarnya efek maksimum yang dapat dicapai oleh suatu zat. Zat yang memiliki afinitas terhadap reseptor yang khas, tapi tidak memiliki aktivitas intrinsik, maka dapat bereaksi dengan reseptor tetapi tidak menimbulkan efek. Zat ini disebut antagonis kompetitif. Zat ini bersaing dengan agonis untuk dapat bereaksi dengan reseptor. Hal ini terjadi 63 Variabel hubungan dosis-intensitas efek obat. Hubungan dosis dan intensitas efek dalam keadaan sesungguhnya tidaklah sederhana karena banyak obat bekerja secara kompleks dalam menghasilkan efek. Efek anti hipertensi, misalnya, merupakan kombinasi efek terhadap jantung, vaskular dan sistem syaraf. Walaupun demikian suatu efek kompleks dapat kurva sederhana untuk masing-masing komponennya. Kurva sederhana berikut ini: E (%Emax) 100 Hubungan waktu-kerja umumnya digambarkan dalam kurva porfil konsentrasi plasma dilengkapi dengan informasi tingkat batas aksi / efek toksikan (lihat gambar 5.8). Hubungan waktu – kerja ini memegang peranan penting dalam toksikologi, yaitu: (a), untuk mengetahui: waktu awal efek toksik mulai, tingkat toksisitas, dan waktu efek berakhir; (b) untuk melakukan tindakan penanganan pertolongan dalam keracunan 45 Maximum Efect Concentration 40 35 30 25 20 15 durasi efek Minimum Efect Concentration 10 5 0 84 Emax Variabilita 50 slop 16 potensi 0 10 100 1000 log[Dosis] Gambar 5.7. Variabel yang berpengaruh pada hubungan dosis-intesitas efek obat Variabel hubungan dosis-intensitas efek obat ditentukan oleh: - Potensi, retang dosis obat yang menimbulkan obat besarnya ditentukan oleh kadar obat yang mencapai reseptor (tergantung pada farktor farmakokinetik) dan afinitas obat terhadap reseptor, - Kecuraman, menunjukkan batas keamanan obat, lereng yang curam artinya dosis untuk menimbulkan efek toksik hanya lebih sedikit dibandingkan dosis terapi, - Efek maksimal, efek maksimal yang diberikan obat pada dosis yang tinggi (aktivitas intrinsik obat) ”Dalam klinik dibatasi oleh munculnya efek samping”, - Variasi biologi, yaitu ditentukan oleh variasi individu dari sampel atau populasi. 64 5.4. HUBUNGAN WAKTU – KERJA konsentrasi-plasma (µg/ml) antara lain pada: histamin dan antihistamin, vitamin dan anti vitamin, metabolit dan anti metabolit, dan lain-lain. Hal ini dapat digunakan pula pada penanggulangan keracunan. Misal: penggunaan anti koagulan (antipembekuan darah) jenis kumarin yang berlebihan, maka dapat ditanggulangi dengan vitamin K. onset 0 100 200 300 400 500 600 700 waktu (min) Gambar 5.8. Kurva rajahan hubungan teoritis waktu-kerja dari suatu xenobiotika setelah pemberian oral. Pada eksposisi zat yang terjadi satu kali misal pada keracunan akut, maka mula-mula efek akan naik yang tergantung pada laju absorbsi dan kemudian akan turun/ tereliminasi yang terdantung pada laju eliminasi. Jika Hal terjadi dibawah konsentrasi plasma tertentu yang dapat memberikan suatu efek toksik disebut konsentrasi sub efektif atau sub toksik. Bila terjadi dimulai dari kosentrasi tertentu yang dapat memberikan efek toksik maka dinamakan konsentrasi efektif / toksik. Bagian kurva yang terletak diatas konsentrasi mininimum maka memperlihatkan tentang lama dan besarnya efek. Ada 3 (tiga) cara untuk mencegah atau menekan efek toksik: a. Memperkecil absorbsi atau laju absorbsi sehingga konsentrasi plasma tetap dibawah daerah toksik. Misal dengan penggunaan adsorbensia (seperti karbon aktif) yang dapat digunakan untuk meyerap senyawa yang dapat menimbukan keracunan pada tubuh, dapat dilihat di tabel 5.2 atau pembilasan lambung. Dengan ini fase eksposisi akan berubah. konsentrasi-plasma (µg/ml) 45 Cm ax 40 35 Maximum Efect Concentration Cmax´ 30 25 20 15 Minimum Efect Concentration 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 waktu (min) Gambar 5.9. Kurva konsentrasi plasma setelah pemberian oral suatu senyawa dengan dosis tertentu dalam bentuk sediaan. Bentuk sediaan ini mempunyai kinetik pembebasan dan dengan demikian kinetik invasi yang berbeda. Jika absorbsi lambat dan laju eliminasi tetap maka konsentrasi plasma maksimum akan turun (Cmax´), dengan demikian efek toksik dapat dicegah atau diperlemah. Pada kurva diatas,dapat dilihat bahwa kurva 5.9 mempunyai tetapan absorbsi yang paling besar. Tetapan absorbsi tersebut diperlambat pada tetapan laju eliminasi tetap, maka konsentrasi plasma maksimum akan turun yang diperlihatkan dengan penurunan puncak dari kurva (Cmax). Tetapan absorbsi akan semakin diperlambat (Cmax´), akhirnya pada kurva tersebut dapat dilihat bahwa puncak kurva berada dibawah daerah toksik, dengan demikian maka efek toksik dapat dihindarkan atau diminimalkan. logam yang toksik. Ini akan menyebabkan perubahan fase farmakokinetika (Gambar 5.10) konsentrasi (µg/ml) Tabel 5.2 Daya serap karbon aktif ( 1 gram) dalam suspensi air (dari A.H. Andersen: Acta Pharmacol. (Kbh) 2 (1946) 69) Senyawa Jumlah yang terserap (mg) HgCl2 1800 Sulfanilamida 1000 Morfina HCl 950 Atropina Sulfat 800 Nikotina 700 Barbital 700 Asam Salisilat 550 Fenol 400 Etanol 300 3 k1 2,5 Daerah Tok sik 2 k2 1,5 k3 Daerah Subtok sik 1 k4 0,5 0 0 100 200 300 400 500 600 waktu Gambar 5.10. Kurva konsentrasi plasma setelah pemakaian dosis tertentu dari suatu zat pada tetapan eliminasi yang berbeda-beda (k). Dengan memperbesar laju elminasi (k1 80 B 3 65 < x < 80 C 2 54 < x < 65 D 1 40 < x < 54 E 0 < 40 Dalam menentukan nilai akhir akan digunakan pembobotan sebagai berikut : Nilai akhir sementara = 10% TUGAS + 90 % ( 50% UTS I + 50% UTS II) Nilai akhir setelah ujian perbaikan/UAS = 10% TUGAS + 30% (50% UTS I + 50% UTS II) + 60 % UAS 120