Akbar TahirAkbar Tahir

BIOMARKER DAN KEUTAMAANNYA

Akbar Tahir

2. BIOMARKER DAN KEUTAMAANNYA2.1. Pengertian BiomarkerDalam arti luas biomarker atau biological markers atau marka biologis adalah suatu teknik pengukuran spesimen biologis yang dapat menjelaskan hubungan antara pemaparan lingkungan dan timbulnya kerusakan atau dampak buruk pada organisme (CBM-NRC, 1992). Dalam biomarker, respon biologis yang diukur adalah level terendah dalam organisasi biologis, seperti: respon-respon molekuler, biokimiawi dan fisiologis, sehingga hasil yang diberikan bersifat jangka pendek dan sangat sensitif yang merupakan respon organisme terhadap stressor di dalam lingkungan. Oleh karenanya, biomarker merupakan indikator dini dari perubahan kondisi fisiologis organisme akibat terdapatnya stressor dalam lingkungan tempat hidupnya.Definisi lain Biomarker : variasi-variasi dalam biokimia, seluler, fisiologi atau tingkah laku, di dalam jaringan atau cairan tubuh atau pada suluruh bagian organisme, yang member bukti tentang pemaparan bahan kimia pencemar dan juga dapat mengindikasikan suatu dampak toksik (Langston et al., 2007).Seringkali terjadi penggunaan terminologi biomarker dan bioindicator secara tumpang tindih yang pada akhirnya mengaburkan makna keduanya. Bioindikator juga merupakan respon biologis, namun pada tingkatan yang lebih tinggi dalam organisasi biologis, seperti: individu, populasi dan komunitas. Walaupun juga memberikan respon yang relatif sensitif terhadap stressor lingkungan dan relevansi ekologis yang tinggi, namun sifatnya jangka panjang (Gambar ..).Perbedaan signifikan lainnya antara biomarker dan bioindikator adalah dalam fungsinya sebagai sistem peringatan dini terhadap gangguan yang dapat berupa potensi timbulnya suatu penyakit akibat tekanan yang dialami oleh organisme. Terminologi marker merupakan istilah yang umum digunakan dalam bidang imunologi kedokteran untuk senyawa kimia yang digunakan pada membran protein yang mencirikan jenis sel yang berbeda. Istilah ini kemudian berkembang dan digunakan oleh para peneliti dalam bidang-bidang kedokteran, epidemiologi, toksikologi dan bidang-bidang terkait lainnya untuk mempelajari dampak pemaparan toxicant lingkungan pada kesehatan manusia atau organisme lainnya. Penggunaan biomarker oleh ahli toksikologi terutama ditujukan untuk pengembangan teknik-teknik untuk estimasi dan prediksi hubungan konsentrasi dan respon, dalam rangka fasilitasi penilaian resiko yang terkait dengan pemaparan toxicant. Demikian juga dalam hal klarifikasi terhadap mekanisme terjadinya penyakit yang disebabkan oleh faktor pemaparan terhadap bahan kimia toksik.

Habitat HilangPenurunan KeanekaragamanKemampuan Reproduksi HilangImunitas MenurunUkuran Tubuh MenurunLaju Pertumbuhan MenurunMutasi Jaringan TubuhKehilangan Keseimbangan EnerjiPerubahan Tingkah LakuPatologi SelAbnormalitas FisiologisPerubahan Indeks SitologiAwalAkhirTinggiKepentingan EkologisSignal Dampak/Tekanan

Gambar .. Beberapa contoh signal dampak pada sistem biologi akibat pemaparan lingkungan terhadap berbagai stressor.

Tantangan mendasar dalam toksikologi lingkungan adalah menghubungkan kehadiran suatu bahan kimia di lingkungan dengan ancaman bahaya pada reseptor biologis potensial melalui penggunaan teknik prediksi yang valid. Efek perubahan kesehatan dalam reseptor biologis dimulai dengan pemaparan terhadap suatu bahan kimia kontaminan dan dapat berlanjut pada rusaknya atau berubahnya fungsi dari suatu organel, sel atau jaringan. Pemaparan organisme di alam melalui kontak dengan media lingkungan yang terkontaminasi dikenal sebagai konsentrasi eksternal (external concentration), dimana proses internalisasi media yang terkontaminasi melalui ingesti atau absorpsi epitel/kulit menghasilkan suatu konsentrasi internal (internal concentration). Jumlah atau besaran konsentrasi internal yang dibutuhkan untuk menimbulkan respon atau efek bagi kesehatan selanjutnya dinamakan konsentrasi efektif biologis (biologically effective concentration).Pada awalnya resiko lingkungan dinilai melalui penentuan residu bahan kimia dalam sampel media lingkungan yang dibandingkan dengan hasil pengukuran toksisitas dalam suatu spesies yang dipapar dengan media. Akan tetapi, selain kompleksitas dalam penentuan residu bahan kimia di lingkungan, bioavailabilitas bahan kimia di lingkungan terhadap reseptor biologis tidak dapat dikuantifikasi dengan teknik pendekatan seperti ini. Hal ini disebabkan oleh karena bioavailabilitas suatu bahan kimia sangat tergantung pada jenis bahan kimia itu sendiri, fase lingkungan (matriks) dan spesies organisme, yang kesemuanya dapat menjadikan bahan kimia tersebut tersedia dengan kisaran yang sangat luas (0,001 - 100%). Selain itu, kinetik-toksik dan dinamika-toksik dari suatu bahan kimia dalam spesies tertentu akan sangat menentukan mampu tidaknya suatu pemaparan bahan kimia untuk menghasilkan respon atau efek buruk yang membahayakan.2.2. Keutamaan BiomarkerPendekatan berbasis biomarker sangat membantu dalam mengatasi hambatan-hambatan tersebut, melalui pengukuran langsung dari efek toksik pada spesies yang terkena dampak. Biomarker didefinisikan sebagai perubahan dalam komponen, proses, struktur dan fungsi seluler atau biokimiawi yang ditimbulkan oleh bahan kimia asing (xenobiotics) yang dapat diukur dalam suatu sistem atau sampel biologis (CBM-NRC, 1987). Biomarker secara umum dapat digolongkan sebagai pemarka dari pemaparan, dampak atau kerentanan. Pemilihan jenis biomarker yang tepat untuk digunakan dalam evaluasi ancaman bahaya (hazard) dilakukan berdasarkan pada mekanisme dari suatu kondisi penyakit yang disebabkan oleh suatu bahan kimia. Beberapa waktu berselang timbul kesadaran tentang kemungkinan penggunaan organisme alami/liar sebagai biomarker non-lethal dari penyakit-penyakit yang ada di lingkungan, yang kemudian dihubungkan dengan efek buruk yang bersesuaian pada manusia. Pemberian suatu toxicant dalam konsentrasi yang memadai dapat menghasilkan suatu respon berlanjut, yang diawali dengan pemaparan dan kemungkinan dapat menghasilkan perkembangan suatu penyakit. Peristiwa ini bermula dengan pemaparan eksternal, lalu diikuti dengan pemantapan konsentrasi internal yang berujung pada sampainya kontaminan pada suatu titik rawan. Hal ini kemudian diikuti oleh perubahan-perubahan, yang umumnya buruk atau tidak diinginkan, pada titik rawan tersebut, baik perubahan yang dapat balik (reversible) maupun yang tidak dapat balik (irreversible), dan perkembangan kondisi penyakit yang dapat dengan mudah dikenali (Gambar 2). Pemahaman yang lebih baik terhadap kondisi penyakit yang ditimbulkan oleh bahan kimia meningkatkan jumlah biomarker spesifik dan bermanfaat dalam ekstrapolasi pada spesies lainnya. Menjadi suatu kenyataan bahwa semakin cepat kita mengetahui dampak pada suatu titik rawan, maka prediksi terhadap ancaman bahaya atau penyakit akan lebih sensitif. Namun dalam banyak kasus, mekanisme pasti tentang bagaimana suatu toksikan menimbulkan kerusakan sel, jaringan atau organ belum diketahui secara pasti, sehingga indikator-indikator non-spesifik harus dipakai dalam penggunaan biomarker.

KetidakseimbanganTidak TerobatiTerobatiStressSehatPenyakitKematianCacatLimit KompensasiLimit KompensasiPerbaikanKematianHomeostasisKompensasiNon- Kompensasi

Gambar .Ketidakseimbangan vs cacat sebagai indikator toksisitas bahan kimia pencemar (diadopsi dari Depledge, 1989).Organisme laut merupakan matriks yang sangat sesuai untuk digunakan dalam evaluasi resiko kesehatan, sebab dapat memadukan antara konsentrasi bahan pencemar yang tersedia secara biologis (bioavailable) dan meningkatnya jumlah senyawa kompleks yang berpotensi untuk mencemari lingkungan laut, yang memerlukan strategi-strategi baru dalam pemantauan dampaknya. Oleh karena itu, penggunaan biomarker sebagai penera dalam cairan tubuh, sel atau jaringan untuk kepentingan deteksi pemaparan pada kontaminan atau stressor lingkungan lainnya (biomarker pemaparan) atau mekanisme-mekanisme aksi dari respon inang (biomarker dampak) dianggap sebagai suatu pendekatan yang sangat menjanjikan, karena selain merespon kepada pemaparan dan/atau konsentrasi (salah satu atau keduanya) senyawa xenobiotics yang dapat memberi informasi bahwa suatu organisme di bawah suatu kondisi tekanan lingkungan (biomarker kerentanan) (Chambers et al., 2002; Handy et al., 2003). Biomarker sangat dipengaruhi oleh kehadiran campuran senyawa kimia (chemical mixtures) dalam suatu area terkontaminasi yang menghasilkan peningkatan dampak dalam aspek-aspek additif, sinergi dan/atau antagonis. Oleh karena itu penilaian dampak biologis harus didasarkan pada suatu seri dari sejumlah biomarker, karena tidak ada satu jenis biomarker yang dapat secara tepat mengukur degradasi lingkungan (Galloway et al., 2004; Broeg et al., 2005; Hagger et al., 2006). Sehingga penggunaan sekelompok biomarker untuk tingkatan organisasi biologis yang berbeda membuat suatu evaluasi terhadap kehadiran ancaman bahaya di lingkungan menjadi lebih baik (Handy et al., 2003; Allen and Moore, 2004).Penggunaan multi biomarker (pemaparan dan/atau dampak) sebagai pendekatan proksimasi dalam mengukur dampak biologis dari suatu bahan pencemar di lingkungan, yang dikombinasikan dengan analisis bahan kimia, telah digunakan dalam mendeteksi dampak jangka pendek maupun dampak jangka panjang pada beberapa parameter ekologis yang relevan untuk menghubungkannya dengan teknik penilaian kesehatan organisme dalam kompleks ekosistem, sehingga memungkinkan untuk menetapkan hubungan antara stressor lingkungan dan dampaknya (Hagger et al., 2006; Bebianno et al., 2007). Beberapa biomarker telah dimasukkan sebagai piranti utama dalam beberapa organisasi intersional untuk penilaian dampak pencemaran lingkungan (OSPAR, 2000; Galloway et al., 2004; Schiedek et al., 2005). Aplikasi dan pertimbangan-pertimbangan dalam memilih biomarker akan dibahas pada bagian-bagian selanjutnya dalam buku ini.Biomarker Pemaparan (Biomarkers of Exposure).Kehadiran suatu bahan kimia asing (xenobiotics) atau metabolitnya atau produk hasil interaksi antara suatu xenobiotics dengan molekul target atau sel yang diukur dalam suatu fase, untuk suatu organisme dikelompokkan sebagai suatu biormarker pemaparan (ATSDR, 1994).Biomarker pemaparan umumnya digunakan untuk memprediksi dosis atau konsentrasi yang diterima oleh individu, yang selanjutnya dapat dikaitkan dengan perubahan yang timbul dalam suatu kondisi penyakit. Dalam banyak hal, biomarker pemaparan merupakan hal yang cukup mudah untuk diketahui, karena kebanyakan kontaminan atau metabolitnya dapat dikuantifikasi dari sampel tanpa membunuh organismenya, seperti: darah, urin, faeces atau jaringan-jaringan yang dapat diperoleh melalui biopsi atau nekropsi. Salah satu biomarker pemaparan yang stabil dan sangat bermanfaat adalah biomarker kanker yang melibatkan deteksi terhadap kemampuan bahan-bahan kimia karsinogen dalam membentuk simpul dengan makromolekul seluler seperti DNA atau protein. Hal ini dimungkinkan terjadi karena hampir seluruh bahan kimia karsinogen merupakan bahan-bahan yang mampu mengikat elektron dengan kuatnya atau dikonversi menjadi bahan-bahan eletrofilik aktif melalui proses aktifasi metabolik. Karsinogen-karsinogen ini bereaksi dengan nukleofilik biomakromolekul dalam membentuk simpul. Jika biomakromolekul cukup stabil, maka simpul yang terbentuk dapat dideteksi dengan beberapa cara seperti hidrolysis protein menjadi asam amino (histidin, lysin atau sistein), dan digunakan untuk menentukan profil pemaparan. Salah satu keutamaan dari metode penentuan resiko kanker ini adalah sampel darah dapat dengan mudah diperoleh sehingga sejumlah besar sampel dapat diperoleh untuk penentuan pola pemaparan.Biomarker Dampak (Biomarkers of Effects)Biomarker dampak adalah perubahan-perubahan biokimiawi, fisiologis, tingkah laku dan lainnya yang dapat diukur, dalam suatu organisme yang bergantung pada besarannya, dapat dikenali sebagai manisfestasi atau potensi gangguan kesehatan atau penyakit (ASTDR, 1994). Idealnya, suatu biomarker dampak harus dapat berdiri sendiri yang tidak memerlukan analisis kimia atau uji biologis tambahan untuk mengkonfirmasinya. Penggunaan biomarker dampak dalam jenis-jenis uji tersebut sangat tinggi spesifitasnya untuk setiap jenis bahan kimia sehingga penggunaannya sangat terbatas. Contoh dari biomarker dampak termasuk: uji daya hambat enzim cholinesterase otak oleh insektisida Karbamat, induksi asam delta aminolevulinic synthetase dan inhibisi asam aminolevulinic dehydratase (ALAD) oleh Pb dan logam-logam berat tertentu lainnya.Beberapa jenis biomarker dengan spesifisitas lebih rendah juga telah dikembangkan dan digunakan secara luas, namun memiliki kecenderungan respon yang luas terhadap beberapa jenis bahan kimia. Beberapa jenis biomarker tersebut antara lain: induksi mixedfunction oxidase (MFO), formasi simpul DNA dan beberapa perubahan DNA seperti pertukaran kromatid kembar dan pemutusan untaian/strand, imunosupresi dan hipersensitifitas. Uji-uji tersebut di atas membutuhkan studi biomarker tambahan atau analisis residu bahan kimia untuk dapat menghubungkan agen penyebab dengan efek yang ditimbulkan. Hal ini bisa dilihat, misalnya, pada induksi enzim cytochrome P4501A1 (CYP1A1) di dalam hati ikan umumnya dikenal sebagai biomarker dari pemaparan ikan terhadap kontaminan, namun hasilnya tidak spesifik senyawa (compound specific) karena reaksi ini juga dapat diinduksi oleh berbagai jenis senyawa polynuclear hydrocarbon (PAHs) maupun halogenated hydrocarbon (PHAHs), dan juga oleh kondisi hypoxia (HIF response element).Biomarker KerentananBiomarker kerentanan (biomarkers of susceptibility) adalah titik atau hasil akhir yang merupakan indikasi dari suatu perubahan kondisi fisiologi dan biokimiawi yang menjadikan individu spesies terkena dampak, baik yang berupa faktor kimia, fisik atau patogen. Biomarker ini terutama bermanfaat dalam memprediksi kondisi penyakit pada manusia menggunakan hewan sebagai acuannnya. Pemaparan hewan pada konsentrasi rendah TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin) akan menyebabkan meningkatnya aktifitas enzim cytochrome P4501A1 atau P4501A2 pada hewan, tanpa dampak buruk. Sedangkan peningkatan aktifitas enzim tersebut pada manusia diketahui terkait dengan tingginya resiko terserang kanker akibat aktifasi sejumlah prokarsinogen. Demikian juga dengan beberapa senyawa xenobiotics yang menghambat aktifitas sistem kekebalan tubuh yang dapat menyebabkan meningkatnya kerentanan organisme terhadap organisme patogen dan kanker.Diakui bahwa perbedaan antara biomarker dampak dan biomarker kerentanan agak kabur. Namun perbedaan tersebut dapat dilihat pada akibat yang ditimbulkan oleh xenobiotics, yaitu: apakah akibatnya secara langsung mempengaruhi aspek-aspek fisiologi dan biokimiawi yang merupakan indikasi langsung dari kondisi penyakit, atau akibatnya hanya pada penurunan ketahanan terhadap faktor-faktor biologis, kimiawi atau fisis lainnya.Interpretasi BiomarkerKetelitian harus digunakan dalam melakukan interpretasi dan ekstrapolasi terhadap hasil yang diberikan oleh suatu biomarker, dari satu spesies ke spesies lainnya. Sebab bahan kimia yang sama dapat menginduksi protein yang berbeda dalam satu spesies dibanding spesies lainnya, dan enzim yang sama dapat memiliki spesifisitas bahan yang berbeda, bahkan dalam spesies yang kekerabatannya sangat dekat. Perbedaan dalam kelas cytochrome P450 yang diinduksi terlihat pada pemaparan spesies ikan yang sama (salah satunya adalah hasil budidaya laboratorium) pada kontaminan TCDD. Hal ini jelas menunjukkan bahwa dibutuhkan pemahaman menyeluruh dalam bidang fisiologi dan biokimia komparatif.Pentingnya aplikasi biomarker adalah karena kemampuannya untuk memadukan pemaparan beberapa bahan kimia di area tertentu dengan keragaman kontaminan yang dikandungnya, seperti yang banyak ditemui pada lokasi-lokasi pembuangan limbah cair kimia. Respon CYP1A1 terhadap sedimen yang dicemari oleh dioxin, PCBs atau PAHs dapat memberikan pemahaman mendalam tentang kondisi kontaminan pada lokasi, bioavailabilitas-nya dan resiko menyeluruh yang dapat ditimbulkan. Demikian juga dengan perubahan profil Porfirin, kandungan Methallothionein dan fungsi immunologis dapat memberikan gambaran tentang efek kombinasi dari logam-logam yang terdapat pada perairan yang tercemar oleh limbah pertambangan. Oleh karena itu, esensi dari penggunaan biomarker adalah pengertian terhadap kekuatan dan keterbatasan teknik yang digunakan dan untuk lebih berhati-hati dalam melakukan ekstrapolasi hasil antar spesies.Beberapa ide dasar (Long et al., 2004; Huo, 2006; Lehtonen, 2009) dalam mengaplikasikan biomarker, sebagai berikut: Pemahaman yang jelas tentang cakupan dan sifat pemantauan yang dibutuhkan Setidaknya terdapat 3 peranan biomarker: sebagai alat seleksi untuk studi pada lokasi lain, sebagai alat diagnostik yang terpusat pada isu-isu khusus yang diidentifikasi, dan sebagai alat pemantauan terhadap perubahan kesehatan suatu lingkungan/lokasi dalam suatu jangka tertentu, yang mungkin saja sebagai respon terhadap kriteria-kriteria pengelolaan lingkungan. Jenis-jenis biomarker yang memiliki keterkaitan jelas dengan dampak pada tingkatan yang lebih tinggi jelas akan sangat efektif. Dibutuhkan pengetahuan dasar dalam: variasi alami, sensitifitas dan dapat diulangnya respon biomarker untuk penjaminan mutu. Biomarker tunggal pada individu spesies umumnya tidak akan cukup kuat untuk digunakan dalam suatu penegakan aturan (regulasi), sehingga mutlak untuk menggunakan serial biomarker (series/batteries of biomarkers).Biomarker dikembangkan pada beberapa level organisasi biologis. Pada level-level biologis yang organisasinya tinggi (anatomis atau fisiologis) dianggap sebagai perpaduan dari perubahan-perubahan yang terjadi pada level-level organisasi yang lebih rendah (molekuler dan seluler). Salah satu tantangan terberat dalam penelitian biomarker adalah bagaimana memahami perubahan yang terjadi pada suatu tingkatan, untuk selanjutnya memahami cara memadukan perubahan-perubahan tersebut ke tingkatan-tingkatan berikutnya, yang lebih tinggi. Lalu mengapa menggunakan biomarker dalam penilaian dampak dan resiko lingkungan?. Pada penilaian resiko lingkungan, beberapa indikator titik-pengamatan akhir (endpoints) klasik digunakan, misalnya: kematian atau induksi tumor, yang salah satunya sangat parah sedang lainnya sangat lambat untuk berkembang. Penggunaan kematian sebagai titik-akhir pengamatan digunakan untuk menetapkan tingkat aman dari suatu pemaparan yang tidak menyisakan variasi dan sensitifitas diantara individu-individu uji, baik dalam spesies maupun antar spesies. Hal ini ditunjukkan oleh kebiasaan kita untuk menggunakan estimasi konsentrasi aman berdasarkan pada beberapa konsentrasi aman atau konsentrasi pemaparan yang dapat diterima, atau dikenal sebagai no-effect concentration atau effective concentration untuk 10% populasi (EC10), lalu memadukan seluruh ketidak-pastian dan faktor-faktor penilaian ke dalam persamaan yang ada.Oleh karena itu, pemantauan dampak pencemaran laut terhadap berbagai bentuk kehidupan di laut penting untuk dilakukan sebagai aktifitas berkala yang terencana. Hal ini terutama karena selain kegiatan ini sangat menantang, juga memiliki tingkat kesulitan yang tinggi baik dari segi kebutuhan teknik maupun pembiayaannya. Terlepas dari kesulitan dan tantangan yang ada pada penggunaan biomarker dalam pemantauan dampak bahan kimia pencemar di lingkungan, terdapat 2 hal mendasar dalam program pemantauan lingkungan berbasis biomarker (Peakall, 1992), yaitu:1. Hubungan antara pemaparan bahan kimia dan respon biomarker, hubungan ini termasuk : a). ketersediaan biomarker yang dapat merespon jenis-jenis bahan pencemar utama di lingkungan. Beberapa contoh biomarker untuk kelompok-kelompok utama bahan pencemar disajikan dalam Tabel 1 berikut, dan b). sensitifitas biomarker terhadap stimulasi bahan pencemar, terlebih dalam hal respon terhadap konsentrasi bahan pencemar. Dalam kedokteran manusia, hambatan enzim acethylcholine esterase (AChE) dan asam aminolevulinic acid dehydratase (ALAD) dijadikan sebagai gold standard dalam mengukur respon biologis terhadap pemaparan bahan kimia lingkungan (Holmes and Boag, 1990; Scheuhammer, 1989). Spesifisitas relatif beberapa biomarker disajikan dalam Tabel 2.Tabel 1. Contoh beberapa biomarker untuk beberapa kelompok bahan pencemar lingkungan perairan.Hambatan AChEHambatan NTERespon Biogenik AminaIntegritas DNAInduksi MFOProfil PorfirinHambatan ALADProtein Pengikat LogamKonsentrasi LysozymeRespon Makrofag

Logam Toksik

PAHs

PHAHs

Organofosfat dan Karbamat

Tabel 2. Spesifisitas relatif biomarker.Spesifisitas TinggiHambatan ALAD oleh Pb

Spesifisitas SedangHambatan AChE oleh organofosfat dan Karbamat.Induksiporfirin oleh PHAHs

Non-spesifikInduksi MFOPertukaran kromatid kembar

2. Hubungan antara respon biomarker dan dampak buruk : hal ini mencakup proses lanjutan setelah pemaparan lingkungan dan prognosa hasil pengamatan di laboratorium. Hal tersebut kemudian menjadi lebih kompleks bila dikaitkan dengan tingkat ekstrapolasi yang dapat dibuat dari perubahan respon dalam biomarker menjadi bahaya pada individu-individu yang terpapar. Apalagi kenyataan yang ada menunjukkan bahwa terdapat perbedaan mencolok dalam respon biomarker-biomarker yang berbeda terhadap perubahan kondisi organisme yang diteliti (Tabel 1). Demikian pula halnya dengan ekstrapolasi pada bahaya yang dapat ditimbulkan hingga level populasi dan komunitas. Sebab aktifitas pemantauan kondisi lingkungan adalah untuk mengetahui perubahan yang terjadi, lalu menyusun strategi untuk memastikan bahwa struktur dan fungsi lingkungan dapat dipertahankan. Gambar 2. Keterkaitan antara dampak bahan pencemar lingkungan dengan respon-respon biokimiawi-fisiologis pada individu hingga populasi dan komunitas (Peakall, 1992).

40

28