Фотоінактивація in vitro Staphylococcus aureus світлом різних ділянок видимого спектру

Автор(и)

  • Павло Вірич Київський національний університет імені Тараса Шевченка http://orcid.org/0000-0002-1463-1992
  • Оксана Надтока Київський національний університет імені Тараса Шевченка http://orcid.org/0000-0003-1868-3885
  • Петро Вірич ДУ «Інститут отоларингології ім. проф. О.С. Коломійченка НАМН України» http://orcid.org/0000-0001-6201-3892
  • Віктор Мартинюк Київський національний університет імені Тараса Шевченка http://orcid.org/0000-0002-5311-3565
  • Василь Криса Івано-Франківський національний медичний університет http://orcid.org/0000-0003-3697-3157
  • Богдан Криса Івано-Франківський національний медичний університет
  • Наталя Куцевол Київський національний університет імені Тараса Шевченка http://orcid.org/0000-0002-1468-4111

DOI:

https://doi.org/10.31392/iscs.2021.18.040

Ключові слова:

фотоінактивація бактерій, фотосенсибілізатори, ультрафіолетове світло, синє світло, зелене світло, червоне світло, метиленовий синій

Анотація

Питання ефективної антисептичної обробки в медицині залишається актуальним і його вирішення спонукає до пошуку нових засобів впливу на патогенну мікрофлору. Фотодинамічна терапія є альтернативним до антибіотиків сучасним методом інактивації патогенних мікроорганізмів, що заснований на використанні різних фотобіологічних ефектів, що викликаються за допомогою поєднаного застосування світлового випромінювання, кисню і фотосенсибілізатора. Перевагами такого підходу є відсутність селективності та розвитку резистентності бактерій. Як відомо, жорстке ультрафіолетове випромінювання застосовують для стерилізації поверхонь, медичних інструментів тощо. Світло даного діапазону хвиль однаково шкідливе як для прокаріотичних, так і для еукаріотичних клітин, що й обмежує сферу його застосування. За певних умов світло з більшою довжиною хвилі також може виявляти антимікробну дію. Якщо у бактеріальних клітинах присутні специфічні речовини – фотосенсибілізатори, які мають максимуми поглинання у ділянках електромагнітного спектру – при опроміненні такі сполуки взаємодіють із оточуючими молекулами, зокрема кисню, і генерують утворення токсичних для клітин вільних радикалів.

Досліджували дію світла з довжинами хвиль 390, 460, 530 нм та комплексний ефект червоного світла (660 нм) із фотосенсибілізатором метиленовим синім на інактивацію in vitro диких штамів Staphylococcus aureus. Мікроорганізми отримували на середовищі жовтково-сольового агару (ЖСА). Оцінку чутливості мікроорганізмів до дії світла відповідної довжини хвилі проводили у суспензії бактерій, яку готували у середовищі Мюллера-Хінтона. Суспензію інкубували на водяній бані 20 хв при 37 оС. Опромінення суспензії проводили монохроматичним світлом 390, 460, 530 та 660 нм (Lika-Led, Фотоніка Плюс, Черкаси) з емісією 0,1 Дж/с та часовою дискретизацією 2 хв. Розрахунок дози опромінення (Дж/мл) проводили відносно об’єму суспензії бактерій, що становила 10 мл. Ефективність бактерицидної дії світла (%) оцінювали при порівнянні опромінених зразків з контрольними, які перебували в аналогічних умовах, але не піддавалися дії світла.

Дослідження дії світла з довжиною хвилі 390 нм та енергією емісії 0,1 Дж/с показали високу бактерицидну ефективність при дозі опромінення 10-11 Дж/мл бактеріальної суспензії, в результаті чого гине 50% КУО. При менших дозах опромінення виявлено інактивацію близько 40% мікроорганізмів від початкової популяції. Наступне збільшення енергії сприяє лінійному зростанню бактерицидної активності світла. Виявлено, що при активації синім світлом 460 нм з дозою опромінення менше, ніж 1,5 Дж/мл, відбувається слабка ініціація загибелі бактеріальних клітин та інактивується лише 4-5% КУО. Подальше збільшення дози опромінення до 10 Дж/мл забезпечує лінійне зменшення кількості КУО до 40% від початкової популяції з виходом на плато. Дія зеленого світла з довжиною хвилі 530 нм має близьку до синього ефективність. Початкова доза опромінення, необхідна для ініціації загибелі бактерій у суспензії становить 2,5-3 Дж/мл, а її збільшення сприяє різкому зниженню кількості КУО на 35%. Подальше зростання сумарної енергії опромінення виявляє значно меншу ефективність. Максимальний бактерицидний ефект становить 50% при дозі 14-16 Дж/мл. Метиленовий синій виявляє слабкі бактерицидні ефекти при концентраціях вище 0,01%. У нашому дослідженні виявлено, що при дозі опромінення 1-1,5 Дж/мл та присутності у суспензії 0,0001% метиленового синього кількість КУО у знижується на 25%. Максимальний ефект комплексної дії світла та сенсибілізатора досягається при дозі опромінення 4,5-5 Дж/мл і становить 55-60%.

Опромінення in vitro диких штамів Staphylococcus aureus світлом з довжинами хвиль 390, 460 і 530 нм забезпечує інактивацію більш ніж половини КУО у суспензії клітин. Завдяки комплексній дії червоного світла (660 нм), яке має найвищу проникну здатність у тканини, та сенсибілізатора метиленового синього при концентрації 0,0001% досягається висока бактерицидна активність при дозі опромінення 4,5-5 Дж/мл.

Біографія автора

Богдан Криса, Івано-Франківський національний медичний університет

Кафедра хірургії №1

Посилання

Mahmoudi, H., A. Bahador, M. Pourhajibagher, and M.Y. Alikhani. 2018.

Antimicrobial photodynamic therapy: an effective alternative approach to

control bacterial infections. Journal of lasers in medical sciences 9, N3

(2018): 154–160. doi:10.15171/jlms.2018.29

Agarwal, H., S. Menon, S.V. Kumar, and S. Rajeshkumar. 2018. Mechanistic study on antibacterial action of zinc oxide nanoparticles synthesized using green route. Chemico-biological interactions 286 (2018): 60–70.

doi:10.1016/j.cbi.2018.03.008

Kadiyala, U., N.A. Kotov, and J. S. VanEpps. 2018. Antibacterial Metal

Oxide Nanoparticles: Challenges in Interpreting the Literature. Current

pharmac. design 24, N8:896–903. doi:10.2174/1381612824666180219130659

Tang, S, and J. Zheng. 2018. “Antibacterial Activity of Silver Nanoparticles: Structural Effects”. Advanced healthcare materials 13, N7:e1701503.

doi:10.1002/adhm.201701503

Penders, J., M. Stolzoff, D. J. Hickey, M. Andersson, and T. J. Webster.

Shape-dependent antibacterial effects of non-cytotoxic gold nanoparticles. International journal of nanomedicine 12:2457–2468.

doi:10.2147/IJN.S124442

Tegos, G.P., and M.R. Hamblin. 2006. Phenothiazinium antimicrobial photosensitizers are substrates of bacterial multidrug resistance pumps. Antimicrobial agents and chemotherapy 50, N1:196–203.

doi:10.1128/aac.50.1.196-203.2006

Darabpour, E., N. Kashef, and S. Mashayekhan. 2016. Chitosan nanoparticles enhance the efficiency of methylene blue-mediated antimicrobial photodynamic inactivation of bacterial biofilms: An in vitro study. Photodiagnosis

and photodynamic therapy 14:211–217. doi:10.1016/j.pdpdt.2016.04.009

Leung, B., et al. 2020. Development of thermosensitive hydrogel containing

methylene blue for topical antimicrobial photodynamic therapy. Journal

of photochemistry and photobiology. B, Biology 203:111776.

doi:10.1016/j.jphotobiol.2020

Lee, H.J., S.M. Kang, S.H. Jeong, K.H. Chung, and B.I. Kim. 2017. Antibacterial photodynamic therapy with curcumin and Curcuma xanthorrhiza extract against Streptococcus mutans. Photodiagnosis and photodynamic

therapy 20:116–119. doi:10.1016/j.pdpdt.2017.09.003. [10] Shen, J., et al. 2019. In Vitro Effect of Toluidine Blue Antimicrobial

Photodynamic Chemotherapy on Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus Isolated from Ocular Surface Infection. Translational vision science & technology 8, N3:45. doi:10.1167/tvst.8.3.45

Virych, P., O. Oksana Nadtoka, P. Virych, V. Martynyuk, and N. Kutsevol.

Biochemical and medical studies of bactericidal activity of hydrogels

with silver nanoparticles. Interdisciplinary Studies of Complex Systems

:47–59. doi: 10.31392/iscs.2020.16.047

Amos-Tautua, B.M., S.P. Songca, and O.S. Oluwafemi. 2019. Application

of Porphyrins in Antibacterial Photodynamic Therapy. Molecules (Basel,

Switzerland) 24, N13:2456. doi:10.3390/molecules24132456

Pomposiello, P.J., and B. Demple. 2002. Global adjustment of microbial physiology during free radical stress. Advances in microbial physiology

:319–341.

Hillion, M., and H. Antelmann. 2015. Thiol-based redox switches in prokaryotes. Biological chemistry 396, N5:415–444. doi:10.1515/hsz-2015-0102

Mongkolsuk, S., and J.D. Helmann. 2002. Regulation of inducible peroxide

stress responses. Molecular microbiology 45, N1:9–15. doi:10.1046/j.1365-

2002.03015.x

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-07

Номер

Розділ

Біологія, психологія та медицина