Adanya kolonisasi bakteri didalam rongga mulut telah dimulai sejak saat mendekati waktu kelahiran seorang bayi. Kurang dari sejam setelah kelahiran, rongga mulut yang steril akan berisi kolonisasi oleh beberapa bakteri dalam jumlah sedikit terutama bakteri fakultatif dan aerob, selanjutnya pada hari kedua diikuti adanya kemunculan bakteri anaerob pada bagian edentulous bayi. Kolonisasi bakteri-bakteri ini kemudian saling bergabung satu sama lain dalam lapisan yang disebut dengan biofilm.Biofilm adalah sebuah kompleks, kumpulan dan ikatan tiga dimensi dari bakteri. Biofilm bakteri banyak ditemukan di berbagai tempat di dalam tubuh manusia. Biofilm bakteri sering menjadi penyebab dari infeksi yang persisten dan dihubungkan dengan penyakit osteomyelitis, pneumonia dan prostatitis.2 Di dalam mulut, biofilm bakteri dapat ditemukan di permukaan gigi, piranti protesa dan membrane mukosa. Biofilm yang terbentuk di plak supraginggiva dan subginggiva adalah agen penyebab dari karies gigi dan penyakit periodontal kronis seperti gingivitis dan periodontitis yang kemudian disebut plak gigi (dental plaque) (Gambar 1).3-7 Plak merupakan lapisan semitransparan berisi polisakarida-polisakarida yang beradhesi secara kuat dengan permukaan gigi dan 75% komposisinya merupakan organisme-organisme patogen, serta mengandung matriks protein, polimer-polimer karbohidrat, dan komponen lain. Komponen-komponen yang ada pada matriks, contohnya polisakarida ekstraseluler (EPS), sebagian besar berasal dari bakteri. Terdapat berbagai macam bakteri yang terlibat dalam proses ini, seperti Streptococcus mutans, Streptococcus sanguins, dan juga bakteri-bakteri Actynomices maupun Lactobacillus. Namun, ada juga protein lain yang berasal dari saliva dan cairan sulkus gingiva.

Gambar 1. Diagram Ilustrasi Struktur Plak

Jaringan gigi yang terekspos terhadap saliva dilapisi oleh lapisan pelikel yang mengandung protein saliva yang terserap. Saat koloni bakteri pertama yang berikatan pada pelikel yang kemudian dilanjutkan oleh melekatnya bakteri lain pada koloni pertama tersebut akan menambah ketebalan dan kompleksitas lapisan plak. Perlekatan terjadi karena adanya reseptor-reseptor spesifik pada permukaan bakteri (ditandai dengan bentuk-bentuk geometris yang mengunci pada gambar 1). Selain itu, kohesi plak juga terjadi melalui interaksi non-spesifik (ditandai dengan garis putus-putus pada gambar 1), seperti jembatan kalsium serta nteraksi diantara polimer-polimer yang menyusun matriks plak yaitu protein dan polisakarida ekstraseluler (EPS) seperti glukan.Akumulasi dan retensi plak akan mengakibatkan peningkatan fermentasi karbohidrat oleh bakteri asidogenik, dimana metabolisme bakteri dalam keadaan maksimal dapat menyebabkan pH permukaan gigi turun dengan cepat. Tingkat penurunan pH bergantung pada ketebalan plak, jumlah dan jenis bakteri dalam plak, kemampuan buffer saliva dan faktor-faktor lain.

1. Fase Pembentukan BiofilmTerdapat 2 teori mengenai proses karakteristik plak gigi yang kemudian menyebabkan inisiasi dan progesifitas dari penyakit periodontal. Loesche, 1976 8 membuat dua hipotesis yaitu hipotesis non spesifik plak dan spesifik plak. Pada hipotesis plak non spesifik menyatakan bahwa pada keseluruhan komunitas mikroba di dalam plak yang berakumulasi pada permukaaan gigi dan di crevicular gingiva berkontribusi untuk perkembangan periodontal disease. Bakteri Plak menghasilkan factor virulensi dan produk yang merusak yang menginisiasi proses inflamasi, sebagai respon pertahanan tubuh dan menyebabkan kerusakan pada jaringan periodontal. Berdasarkan teori ini, kuantitas dari plak (quantify of plaque) menjadi penentu faktor kritis dalam perkembangan penyakit periodontal. Peningkatan jumlah plak (quantity) berlawanan dengan hipotesis plak spesifik yang menekankan pada quality of plaque yaitu mikroorganisme pathogen spesifik yang ditemukan di dalam plak, yang diketahui menjadi penyebab utama yang mengiduksi perkembangan dan keparahan penyakit. Beberapa penelitian tentang etiologi mikroba pada berbagai jenis periodontitis menunjang teori plak spesifik yang menunjukkan bahwa hanya mikroorganisme tertentu didalam kompleks plak yang bersifat pathogen. Meskipun ada ratusan spesies mikroorganisme di dalam periodontal poket, tetapi hanya kurang dari 20 saja yang secar rutin ditemukan peningkatan proporsinya pada penyakit periodontal. Spesief bakteri yang virulen tersebut mengkativasi sistem imun host dan respon inflamasi yang dapat menyebabkan keruskan alveolar bone dan jaringan periodontal. Socransky dan temannya menemukan bahwa pada pembentukan awal dari plak bakteri didominasi oleh bakteri gram positif dan jika plak tersebut tidak dibersihkan hingga mengalami proses maturasi akan menjadi lebih kompleks dan di didominasi oleh flora gram negatif. Penemuan ini membagi kelompok mikrobiota sub gingiva atau kompleksnya berdasarkan hubungannya dengan kesehatan dan keparahan penyakit (Gambar 2).Pemberian warna digunakan untuk menandai hubungan antara komplek bakteri dengan infeksi periodontal. Komplek biru, kuning, hijau dan ungu memnandakan koloni awal yang merupakan flora sub gingiva. Sedangkan kompleks orange dan merah menunjukkan koloni akhir yang berhubungan dengan mature subginggival plaque. Komplek bakteri tertentu berhubungan dengan kesehatan dan penyakit. 12,13 Sebagai contoh pada bakteri di kompleks berwarna merah berhubungan dengan indicator klinis dari periodontal disease seperti poket periodontal dan clinical attachment loss (CAL).

Gambar 2Biofilm dibentuk oleh kumpulan bakteri sebagai organisasi yang dapat memaksimalkan energi, pemakaian ruang bersama, komunikasi, dan keberlangsungan komunitas dari mikroorganisme tersebut. Biofilm melindungi bakteri yang hidup didalamnya dengan struktur mereka yang berupa subtansi matriks polimerik ekstraseluler (matrix of extracellular polymeric substances/EPS) yang terdiri dari polisakarida, protein dan asam nukleat.1 Matrik ektraseluler yang tipis ini melindungi dari lingkungan luar termasuk dari bahan kemoterapeutik. Agen kemoterapeutik menjadi lebih sulit penetrasi menembus dinding polisakarida untuk membunuh mikroorganisme.2,13-15 Sehingga matriks tersebut membantu melindungi bakteri di dalam biofilm dari antibiotik dan antiseptik, meningkatkan pertahanan koloni. Matriks ini juga membantu bakteri untuk salin terikat satu sama lain, sehingga mereka tidak terlepas akibat proses self cleansing saliva dan cairan gingival crevicular. Pembersihan Mekanis termasuk dengan penggunaan sikat gigi, interdental cleaning, dan prosedur scalling oleh dokter gigi sangat perlu dilakukan secara rutin karena secara efektif dapat menghilagkan bofilm plak tersebut. Antiseptic seperti pada obat kumur, dapat membantu mengontrol pembentukan biofilm tetapi formulanya harus dapat melakukan penetrasi ke dalam matriks plak dan memudahkan akses mengenai bakteri pathogen.Saluran (channel) antara koloni yang satu dengan koloni yang lain digunakan untuk proses sirkulasi dari nutrisi dan pemakaian produk serta pembuangan sisa metabolisme.16-17 Juga terjadi proses interaksi metabolisme antar bakteri yang berbeda yaitu adanya saling keterkatan produk metabolisms substrak sehingga terbentuk rangkaian pemakaian energi yang efektif, contoh proses interaksi metabolism dapat dilihat pada gambar 3. 1

Gambar 3

Bakteri didalam biofilm berkomunikasi satu sama lain dengan proses yang disebut quorum sensing. Sistem komunikasi ini memungkinkan bakteri memonitor keberadaan masing-masing dan untuk memodulasi ekspresi gen dalam respon terhadap jumlah bakteri diarea di dalam biofilm.102. Tahap Pembentukan BiofilmPertumbuhan dan perkembangan dari biofilm dibagi menjadi 3 tahap yaitu :1. Initial adherence and Lag PhaseFase pertama dari pembentukan biofilm supraginggiva adalah deposit komponen saliva yang diketahui sebagai acquired pellicle pada permukaan gigi. Pelikel ini membuat permukaan gigi mudah dilekati oleh koloni spesifik bakteri. Kelejar saliva menghasilkan beberapa protein dan peptide yang kemudian berkontribusi terhadap pembentukan biofilm. Sebagai contoh, mucin saliva seperti MUC5B dan MUC7 berkontribusi dalam pembentukan acquired pellicle 18-19 . Pembentukan Acquired pellicle terjadi beberapa menit setelah pembersihan gigi, kemudian kurang dari satu jam, mikroorganisme melekat pada pelikel, khususnya bakteri gram positif coccus sebagai mikroorganisme pertama yang membentuk koloni. Kemudian bakteri memasuki tahap persiapan memasuki lag phase dimana bakteri melakukan pergantian ekspresi gen dikarena perubahan pola hidup dari bebas sebagai planktonic menjadi hidup menetap dan berkoloni.2. Rapid GrowthSelama fase percepatan pertumbuhan bakteri yang melekat mensekresi sejumlah besar ekstraseluler water-insoluble polisakarida untuk membentuk matriks biofilm. Pertumbuhan mikrokoloni bersama dengan matriks terjadi. Selama waktu berjalan, terjadi penambahan jumlah varietas bakteri yang melekat pada koloni awal yang proses ini disebut dengan coaggregation dan kompleksitas bakteri dari biofilm bertambah. Proses ini menggunakan interaksi selektif molekul yang membentuk struktur stratifikasi didalam biofilm. Coaggregation dan subsequent divisi sel juga menambah ketebalan dari biofilm tersebutdapat dilihat pada gambar 4.20-22

Gambar 4

3. Steady State/DetachmentSelama Fase steady state ini, bakteri yang terletak di bagian dasar biofilm memperlambat pertumbuhannya dan menjadi statis. Bakteri yang berada didalam biofilm menunjukan tanda kematian dintunjukkan dengan sel bakteri yang mengalami disrupted dan other cells devoid of sitoplasma. Bakteri yang dekat permukaan remain intact. Selama fase ini, ditemukan adanya Kristal didalam matriks antar bakteri yang menunjukkan proses awal mineralisasi kalkulus.23 Selama fase ini terjadi pelepasan dan perjalanan bakteri untuk melakukan perlekatan kembali dipermukaan lainnya kemudian membentuk koloni biofilm yang baru.

A. Patogenesis Penyakit Periodontal1. Biofilm dan Penyakit PeriodontalSebuah Penelitian dilakukan pada 13000 sampel plak gigi dari 185 pasien dengan range kondisi dari sehat sampai mengalami penyakit periodontal untuk melihat kolonisasi mikrobial.5,24 Berdasarkan penelitian tersebut menyatakan bahwa sejumlah kompleks bakteri berhubungan erat dengan tahapan dari inisisasi penyakit dan keparahannya. Spesies bakteri yang ada pada komplek warna kuning, hijau, dan ungu menunjukkan membentuk koloni di daerah sulkus sub gingiva awalnya dan dominan ditemukan pada ginggiva sehat. Sebaliknya, komplek bakteri orange berhubungan dengan gingivitis dan gingival bleeding. Selain itu diketahui bahwa bakteri pada kompleks orange kemungkian berhubungan dengan microorganism pada kompleks merah termasuk Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsynthesis dan Treponema denticola, yaitu organisme yang banyak ditemukan pada penyakit periodontal tingkat advance.5,25 Saat biofilm mengalami maturasi dan proliferasi, komponen yang idhasilkan bakteri pathogen penetrasi kedalam sulcular epithelium. Komponen ini kemudian menstimulasi host cell untuk memproduksi mediator kimia/sitokin yang berhubungan dengan proses inflamasi (gambar 5) Frekuensi Asupan KarbohidratPenyebab lain karies adalah frekuensi asupan karbohidrat yang akan di metabolisme oleh bakteri plak. Beberapa penelitian menyatakan bahwa banyaknya asupan karbohidrat dihitung berdasarkan seringnya kebiasaan makan seseorang dan bukan jumlah kabohidrat sekali makan. Asam yang dihasilkan oleh fermentasi kerbohidrat sebenarnya adalah asam lemah dan hanya menyebabkan sedikit demineralisasi. Akan tetapi, dengan konsumsi karbohidrat yang banyak dalam waktu yang lama disertai dengan menurunnya kemampuan saliva tentunya akan menyebabkan perkembangan karies menjadi lebih pesat. Asupan diet yang banyak dikonsumsi pada umumnya mengandung berbagai jenis karbohidrat yang mudah difermentasi, yaitu monosakarida, seperti glukosa dan fruktosa, disakarida seperti sukrosa dan maltosa, serta oligosakarida seperti yang dapat ditemukan pada madu. Setiap kali terdapat asupan karbohidrat yang masuk melalui mulut, karbohidrat tersebut akan dimetabolisme oleh bakteri pada plak yang kemudian menghasilkan akumulasi hasil akhir berupa asam organik yang akan mengakibatkan penurunan pH plak yang bersifat sementara. Periode ini merupakan masa kritis, yang apabila pH tersebut turun menjadi sangat rendah maka mineral yang ada pada jaringan gigi dibawah plak akan menjadi larut. Melarutnya mineral-mineral atau demineralisasi pada permukaan gigi yang terjadi berulang dan terus menerus akibat sifat asam dari plak merupakan tahap awal dari proses tebentuknya karies.Kurva Stephen (Gambar 2) memberikan gambaran mengenai pola perubahan pH plak yang terjadi jika terjadi fermentasi karbohidrat. Pola pada kurva ini didapatkan dengan cara meletakkan mikro-elektroda pada plak. Durasi dari kurva Stephen sangat bervariasi, dengan rata-rata 30-60 menit. Kurva ini dapat dibagi menjadi dua fase. Fase pertama adalah saat nilai pH menurun drastis dalam waktu singkat dari nilai istirahatnya (pH 7), dan fase kedua dimana terjadi peningkatan kembali nilai pH secara perlahan. Fase-fase ini menggambarkan pola metabolisme bakteri yang terlibat. Pada fase awal, konsentrasi karbohidrat yang tinggi dari gula akan berdifusi kedalam plak, yang kemudian dimetabolisme secara cepat untuk menghasilkan energi. Pola metabolisme utama yang tejadi adalah melalui proses glikolisis dari karbohidrat menjadi asam piruvat dan kemudian menjadi asam laktat, sehingga akan menurunkan nilai pH pada cairan plak.

Gambar 2.Kurva Stephen. Garis putus-putus menandakan rentang nilai pH kritis. Warna biru muda menandakan periode kritis terjadinya inisiasi karies. Warna biru tua dibawah nilai estimasi pH kritis terendah menandakan meningkatnya keparahan periode kritis akibat nilai pH yang sangat menurun.

Pajanan asam terhadap gigi tidak hanya berasal dari hasil fermentasi karbohidrat oleh bakteri, tetapi juga dapat disebabkan oleh konsumsi makanan asam dan refluxed gastric acid. Sumber asam yang dikonsumsi bisa berasal soft drink, sport drink, dan jus buah. Frekuensi pajanan terhadap jenis-jenis makanan tersebut akan menyebabkan demineralisasi dengan cepat, mengubah karies ringan menjadi berat bahkan dapat menyebabkan karies rampan.

Faktor Protektif dalam SalivaSaliva memegang peranan penting dalam melindungi gigi terhadap serangan asam, dan juga melindungi jaringan lunak di dalam rongga mulut dari dehidrasi dan potensi iritasi patologis. Sebanyak 1 sampai 1,5 liter saliva disekresikan di dalam mulut setiap harinya. Bukti yang paling meyakinkan untuk membuktikan bahwa saliva berperan dalam melindungi gigi dari karies adalah bahwa kerusakan gigi sangat cepat terjadi pada kondisi-kondisi dimana saliva tidak ada ataupun sangat terbatas, contohnya pada kondisi xerostomia. Xerostomia dapat disebabkan karena konsumsi obat-obat tertentu baik yang dijual bebas maupun yang diresepkan dokter, aktivitas fisik yang berlebihan sampai menimbulkan dehidrasi, irradiasi kelenjar saliva, stress berkepanjangan, atau pada kondisi-kondisi medis tertentu seperti Sjorgen syndrome yang juga berkaitan dengan artritis rhematoid.Saliva berperan sebagai faktor proteksi terhadap karies karena memiliki kemampuan buffering, dapat membentuk pellicle, dapat membersihkan rongga mulut, serta mengandung ion Ca2+, HPO42-, dan juga fluoride.

Gambar 5 Interleukin-1 beta(IL-1), prostaglandin, tumor necrosis factor (TNF-) dan matrix metalloproteinase adalah mediator yang membawa neutrophil menuju area infeksi secara kemotaksis dan menyebabkan peningkatan permeabiitas dari pembuluh kapiler gingiva, kemudian diikuti migrasi protein plasma dari pembuluh darah menuju ke jaringan Selama proses inflamasi gingiva berlangsung, mediator lainnya dihasilkan berikut sel-sel inflamasi lainnya seperti neutrophil, T cell, monosit ke area infeksi Sitokin proinflamatory dihasilkan oleh jaringan sebagai respon terhadap proses inflamasi yang kronis dan protein ini yang kemudian meningkatkan respon inflamasi local dan menyebabkan inisiasi dan progesif dari inflamasi sistemik dan penyakitAkibat dari inflamasi kronis adalah rusaknya jaringan kolagen pada gingiva dan akumulasi produk inflamasi yang menyebabkan munculnya tanda klinis gingivitis. Pada beberapa individu, prses inflamasi juga berakibat pada rusaknya jaringan kolagen pada ligament periodontal dan resorbsi tulang alveolar. Pada tahap ini gingivitis telah berkembang menjadi periodontitis. Sehingga mengontrol plak biofilm pada gigi sangat penting untuk mencegah dan mengembalikan kondisi gingivitis ke keadaan sehat serta mencegah dan untuk manajemen perawtan periodontitis.