Patofisiologi atau fisiopatologi adalah cabang studi, yang berada di persimpangan patologi dan fisiologi, mengenai proses fisiologis yang terganggu yang menyebabkan, diakibatkan oleh, atau terkait dengan penyakit atau cedera. Patologi adalah disiplin ilmu kedokteran yang menggambarkan kondisi yang biasanya diamati selama keadaan penyakit, sedangkan fisiologi adalah disiplin ilmu biologi yang menggambarkan proses atau mekanisme yang beroperasi di dalam suatu organisme. Patologi menggambarkan kondisi abnormal atau yang tidak diinginkan (gejala suatu penyakit), sedangkan patofisiologi berupaya menjelaskan perubahan fungsional yang terjadi pada individu karena suatu penyakit atau keadaan patologis.^[1]

Istilah patofisiologi berasal dari bahasa Yunani Kuno πάθος (pathos) dan φυσιολογία (phisiologia).

Asal usul patofisiologi sebagai bidang yang berbeda bermula pada akhir abad ke-18. Kuliah pertama yang diketahui tentang subjek ini disampaikan oleh Profesor August Friedrich Hecker di Universitas Erfurt pada tahun 1790, dan pada tahun 1791 ia menerbitkan buku teks pertama tentang patofisiologi yakni Grundriss der Physiologia pathologica,^[2] yang terdiri dari 770 halaman.^[3] Hecker juga mendirikan jurnal akademik pertama di bidang ini yakni Magazin für die pathologische Anatomie und Physiologie pada tahun 1796.^[4] Dokter asal Prancis yakni Jean François Fernel sebelumnya telah menyarankan pada tahun 1542 bahwa cabang fisiologi yang berbeda harus mempelajari fungsi organisme yang sakit, sebuah ide yang dikembangkan lebih lanjut oleh Jean Varandal pada tahun 1617, yang pertama kali menciptakan istilah "fisiologi patologis" dalam sebuah teks medis.^[4]

Di Jerman pada tahun 1830-an, Johannes Peter Müller memimpin pembentukan penelitian fisiologi sebagai otonom dari penelitian medis. Pada tahun 1843, Masyarakat Fisika Berlin didirikan sebagian untuk membersihkan biologi dan kedokteran dari vitalisme, dan pada tahun 1847, Hermann von Helmholtz, yang bergabung dengan Masyarakat pada tahun 1845, menerbitkan makalah "Tentang konservasi energi", yang sangat berpengaruh dalam mereduksi dasar penelitian fisiologi menjadi ilmu fisika. Pada akhir tahun 1850-an, ahli patologi anatomi Jerman yakni Rudolf Virchow, mantan murid Müller, memfokuskan perhatian pada sel, menjadikan sitologi sebagai fokus penelitian fisiologis. Ia juga mengakui patofisiologi sebagai disiplin ilmu yang berbeda, dengan alasan bahwa patofisiologi harus bergantung pada pengamatan klinis dan eksperimen daripada patologi anatomi semata. Pengaruh Virchow meluas hingga muridnya yakni Julius Cohnheim, yang mempelopori patologi eksperimental dan penggunaan mikroskopi intravital, selanjutnya memajukan studi patofisiologi.^[4]

Pada tahun 1863, Casimir Davaine mengidentifikasi mikroorganisme sebagai agen penyebab utama penyakit antraks pada sapi, termotivasi oleh laporan Louis Pasteur tentang fermentasi menjadi asam butirat, sesama warga Prancis, tetapi karena mikroorganisme tersebut secara rutin menghilang dari darah, ilmuwan lain menyimpulkan bahwa mikroorganisme tersebut hanyalah produk sampingan dari pembusukan.^[5] Pada tahun 1876, setelah laporan Ferdinand Cohn tentang tahap spora kecil dari spesies bakteri, sesama warga Jerman yakni Robert Koch, mengisolasi bakteri Davaine dalam kultur murni, sebuah langkah penting yang akan menetapkan bakteriologi sebagai disiplin ilmu yang berbeda, mengidentifikasi tahap spora, menerapkan postulat Jakob Henle, dan mengkonfirmasi kesimpulan Davaine, sebuah prestasi besar bagi patologi eksperimental. Pasteur dan rekannya menindaklanjuti dengan investigasi ekologis yang mengkonfirmasi perannya di lingkungan alami melalui spora di tanah.

Selain itu, mengenai sepsis, Davaine menyuntik kelinci dengan sejumlah kecil darah busuk yang sangat encer, mereplikasi penyakit tersebut, dan menggunakan istilah fermentasi pembusukan, tetapi tidak jelas apakah ini merujuk pada mikroorganisme seperti halnya istilah fermentasi Pasteur, atau seperti halnya bagi banyak orang lain pada suatu zat kimia. Pada tahun 1878, Koch menerbitkan Etiologi Penyakit Infeksi Traumatis, tidak seperti karya sebelumnya, di mana dalam 80 halaman, seperti yang dicatat oleh seorang sejarawan, Ia "mampu menunjukkan, dengan cara yang praktis meyakinkan, bahwa sejumlah penyakit, yang berbeda secara klinis, anatomis, dan etiologinya, dapat dihasilkan secara eksperimental dengan penyuntikan bahan busuk ke dalam hewan." Koch menggunakan bakteriologi dan metode pewarnaan baru dengan pewarna anilina untuk mengidentifikasi mikroorganisme tertentu untuk masing-masing penyakit.^[6] Teori kuman penyakit mengkristalkan konsep "penyebab" yang mungkin dapat diidentifikasi melalui penyelidikan ilmiah.^[7]

Dokter Amerika yakni William Henry Welch menjalani pelatihan patologi Jerman dari tahun 1876 hingga 1878, termasuk di bawah bimbingan Julius Cohnheim, dan membuka laboratorium ilmiah pertama Amerika (laboratorium patologi) di Rumah Sakit Bellevue di Kota New York pada tahun 1878. Kursus Welch menarik pendaftaran dari mahasiswa di sekolah kedokteran lain, yang kemudian membuka laboratorium patologi mereka sendiri. Setelah diangkat oleh Daniel Coit Gilman atas saran John Shaw Billings, sebagai dekan pendiri sekolah kedokteran Universitas Johns Hopkins yang baru dibentuk yang direncanakan oleh Gilman, sebagai presiden pertamanya, Welch kembali melakukan perjalanan ke Jerman untuk pelatihan bakteriologi Koch pada tahun 1883.^[8] Welch kembali ke Amerika tetapi pindah ke Baltimore, bersemangat untuk mereformasi kedokteran Amerika, sambil memadukan patologi anatomi Virchow, patologi eksperimental Cohnheim, dan bakteriologi Koch.^[9] Sekolah kedokteran Hopkins; yang dipimpin oleh "Empat Penunggang Kuda" yakni Welch, William Osler, Howard A. Kelly, dan William Stewart Halsted; dibuka pada tahun 1893 sebagai sekolah kedokteran pertama di Amerika yang didedikasikan untuk mengajarkan kedokteran ilmiah Jerman.^[8]

Institut biomedis pertama yakni Institut Pasteur dan Institut Berlin untuk Penyakit Menular, yang direktur pertamanya adalah Louis Pasteur dan Robert Koch, didirikan masing-masing pada tahun 1888 dan 1891. Institut biomedis pertama Amerika, yakni Institut Rockefeller untuk Penelitian Medis, didirikan pada tahun 1901 dengan Welch, yang dijuluki "dekan kedokteran Amerika", sebagai direktur ilmiahnya, yang menunjuk mantan mahasiswa Hopkins-nya yakni Simon Flexner, sebagai direktur laboratorium patologi dan bakteriologi. Melalui pengaruh Perang Dunia I dan Perang Dunia II, Institut Rockefeller muncul sebagai lembaga terkemuka dunia dalam penelitian biomedis.^{[butuh rujukan]}

Pandemi 1918 memicu pencarian yang gencar untuk penyebabnya, meskipun sebagian besar kematian disebabkan oleh pneumonia lobar, yang sudah dikaitkan dengan invasi Pneumococcus. Di London, pada tahun 1928, seorang ahli patologi dari Kementerian Kesehatan bernama Fred Griffith mendokumentasikan transformasi Pneumococcus, menunjukkan bagaimana bakteri tersebut dapat berubah dari virulen menjadi avirulen dan bergeser antara tipe antigenik, seolah-olah merupakan spesies yang berbeda, sehingga mempertanyakan penyebab pneumonia yang sederhana.^[10][11] Laboratorium Oswald Theodore Avery dari Institut Rockefeller, seorang ahli Pneumococcus awal, sangat terganggu oleh laporan tersebut sehingga mereka menolak untuk mencoba mengulanginya.^[12]

Selama liburan musim panas Avery, Martin Henry Dawson, seorang warga Britania Raya-Kanada yang percaya bahwa semua hal dari Inggris secara otomatis benar, mengulangi hasil Griffith dan mencapai transformasi in vitro, sehingga menjadikannya investigasi yang lebih tepat.^[12] Setelah kembali, Avery menyimpan foto Griffith di mejanya, sementara para penelitinya mengikuti jejak tersebut. Pada tahun 1944, Avery, Colin Munro MacLeod, dan Maclyn McCarty melaporkan faktor transformasi sebagai DNA, yang secara luas diragukan di tengah perkiraan bahwa sesuatu harus bertindak dengannya.^[13] Pada saat laporan Griffith, belum diketahui bahwa bakteri bahkan memiliki gen.^[14]

Genetika pertama yakni genetika Mendel, dimulai pada tahun 1900, namun pewarisan sifat Mendel dilokalisasi ke kromosom pada tahun 1903, sehingga muncul genetika kromosom. Biokimia muncul pada dekade yang sama. Pada tahun 1940-an, sebagian besar ilmuwan memandang sel sebagai "kantong bahan kimia", yakni membran yang hanya berisi molekul-molekul lepas dalam gerakan Brown, dan satu-satunya struktur sel khusus adalah kromosom, yang tidak dimiliki bakteri.^[15] DNA kromosom dianggap terlalu sederhana, sehingga gen dicari dalam protein kromosom. Namun pada tahun 1953, ahli biologi Amerika James Dewey Watson, fisikawan Britania Raya Francis Crick, dan ahli kimia Britania Raya Rosalind Franklin menyimpulkan struktur molekuler DNA, sebuah heliks ganda, dan menduga bahwa struktur tersebut membentuk sebuah kode. Pada awal tahun 1960-an, Crick membantu memecahkan kode genetik dalam DNA sehingga mendirikan genetika molekuler.

Pada akhir tahun 1930-an, Yayasan Rockefeller telah mempelopori dan mendanai program penelitian biologi molekuler, yang berupaya mencari penjelasan mendasar tentang organisme dan kehidupan, yang sebagian besar dipimpin oleh fisikawan Max Delbrück di Caltech dan Universitas Vanderbilt.^[16] Namun, realitas organel dalam sel masih kontroversial di tengah visualisasi yang tidak jelas dengan mikroskop cahaya konvensional. Sekitar tahun 1940, sebagian besar melalui penelitian kanker di Institut Rockefeller, biologi sel muncul sebagai disiplin ilmu baru yang mengisi kesenjangan besar antara sitologi dan biokimia dengan menerapkan teknologi baru, yakni ultrasentrifugasi dan mikroskop elektron, untuk mengidentifikasi dan menguraikan struktur, fungsi, dan mekanisme sel. Kedua ilmu baru ini, yakni biologi sel dan biologi molekuler, saling terkait.^[15]

Mengingat Griffith dan Avery, Joshua Lederberg mengkonfirmasi konjugasi bakteri, yang dilaporkan beberapa dekade sebelumnya tetapi kontroversial, dan dianugerahi Penghargaan Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran tahun 1958. Di Laboratorium Cold Spring Harbor di Long Island, New York, Max Delbrück dan Salvador Luria memimpin Kelompok Fag yang menampung Watson, menemukan detail fisiologi sel dengan melacak perubahan pada bakteri setelah infeksi virus mereka. Lederberg memimpin pembukaan departemen genetika di sekolah kedokteran Universitas Stanford, dan memfasilitasi komunikasi yang lebih besar antara ahli biologi dan departemen medis.^[17]

Pada tahun 1950-an, penelitian tentang demam reumatik, komplikasi infeksi Streptococcus, mengungkapkan bahwa penyakit ini dimediasi oleh respons imun tubuh sendiri, yang memicu penyelidikan oleh ahli patologi Lewis Thomas yang mengarah pada identifikasi enzim yang dilepaskan oleh sel imun bawaan makrofag dan yang mendegradasi jaringan tubuh.^[18] Pada akhir tahun 1970-an, sebagai presiden Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Thomas berkolaborasi dengan Lederberg, yang kemudian menjadi presiden Universitas Rockefeller, untuk mengarahkan fokus pendanaan Institut Kesehatan Nasional AS ke arah penelitian dasar tentang mekanisme yang beroperasi selama proses penyakit, yang pada saat itu hampir tidak diketahui oleh para ilmuwan medis, karena para ahli biologi hampir tidak tertarik pada mekanisme penyakit.^[19][20]

Patofisiologi penyakit Parkinson (PD) melibatkan apoptosis, atau kematian sel terprogram, neuron dopaminergik sebagai konsekuensi dari perubahan aktivitas biologis di dalam otak yang terkait dengan gangguan tersebut. Beberapa mekanisme telah diajukan untuk menjelaskan apoptosis neuronal pada PD, namun tidak semua mekanisme ini sepenuhnya dipahami. Lima mekanisme utama yang diyakini berkontribusi pada kematian neuronal pada PD meliputi agregasi protein di dalam badan Lewy, gangguan proses autofagi, perubahan metabolisme sel dan fungsi mitokondria, neuroinflamasi, dan kerusakan sawar darah otak, yang mengakibatkan gangguan pembuluh darah.^[21]

Patofisiologi gagal jantung melibatkan penurunan efisiensi otot jantung melalui kerusakan atau kelebihan beban. Dengan demikian, penyakit ini dapat disebabkan oleh berbagai kondisi, termasuk serangan jantung (di mana iskemia otot jantung menyebabkan kematiannya), hipertensi (yang meningkatkan kekuatan kontraksi yang dibutuhkan untuk memompa darah), dan amiloidosis (di mana protein yang salah lipat mengendap di otot jantung, menyebabkannya menjadi kaku). Seiring waktu, hal ini meningkatkan beban kerja jantung, yang menyebabkan perubahan pada otot jantung itu sendiri.

Patofisiologi sklerosis multipel (MS) adalah penyakit demielinasi inflamasi di mana sel-sel imun yang aktif menyerang sistem saraf pusat dan menyebabkan neuroinflamasi, neurodegenerasi, dan kerusakan jaringan. Faktor pemicu MS yang mendasarinya belum sepenuhnya terdefinisi. Penelitian terkini di bidang neuropatologi, neuroimunologi, neurobiologi, neuroimaging, neurologi klinis, dan psikiatri mendukung gagasan bahwa MS bukanlah penyakit tunggal melainkan spektrum.^[22]

Patofisiologi hipertensi adalah penyakit kronis yang ditandai dengan peningkatan tekanan darah. Hipertensi dapat diklasifikasikan berdasarkan penyebabnya sebagai hipertensi esensial (juga dikenal sebagai hipertensi primer atau idiopatik) atau sekunder. Sekitar 90–95% hipertensi adalah hipertensi esensial.^{[23][24][25][26]}

Patofisiologi HIV/AIDS melibatkan penularan HIV dan replikasi virus di dalam sel T pembantu, yang menyebabkan lisis. Sel T pembantu diperlukan untuk hampir semua respons sistem imun adaptif. Biasanya ada periode awal penyakit mirip influenza setelah tertular, dan kemudian fase laten tanpa gejala. Ketika jumlah limfosit CD4 turun di bawah 200 sel/ml darah, inang HIV telah berkembang menjadi AIDS,^[27] suatu kondisi yang ditandai dengan defisiensi imunitas seluler dan peningkatan kerentanan terhadap infeksi oportunistik dan beberapa jenis kanker.

Patofisiologi gigitan laba-laba melibatkan efek bisa yang disuntikkan. Keracunan laba-laba terjadi ketika laba-laba menyuntikkan bisa ke dalam kulit. Tidak semua gigitan laba-laba menghasilkan bisa (gigitan kering) dan jumlah bisa yang disuntikkan dapat bervariasi tergantung pada jenis laba-laba dan keadaan pertemuan tersebut. Cedera mekanis akibat gigitan laba-laba umumnya bukan masalah serius bagi manusia.

Patofisiologi kegemukan melibatkan banyak proses perkembangan dan pemeliharaan.^[28][29]

Penelitian tentang kegemukan, serta pengobatan kegemukan klinis, hampir tidak tersentuh sampai gen leptin ditemukan pada tahun 1994 di laboratorium Jeffrey M. Friedman.^[30] Para peneliti berhipotesis bahwa leptin berfungsi sebagai faktor rasa kenyang. Pada tikus ob/ob, mutasi pada gen leptin menyebabkan fenotipe kegemukan, menunjukkan potensi terapi berbasis leptin untuk kegemukan manusia. Namun, tak lama kemudian, tim Jose F. Caro gagal menemukan mutasi gen leptin pada manusia dengan kegemukan. Sebaliknya, mereka mengamati peningkatan ekspresi leptin, menunjukkan potensi resistensi leptin pada kegemukan manusia.^[31]