Antimicrobial photodynamic therapy against Staphylococcus aureus with microalgae’ lipid extracts

Abstract

Bacterial antibiotic resistance causes around 1.27 million deaths annually around the globe and has been recognized as a priority health threat. Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium, and a growing number of S. aureus strains exhibit antibiotic resistance, which make it harder to treat infections caused by this pathogen. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) can be an alternative to conventional antibiotic treatments. Algae are a promising source of photosensitizers (PSs), as they are known to contain antibacterial compounds, such as lipids, and pigments, such as chlorophylls, which can produce long-lasting reactive oxygen species. The potential of algal lipid extracts and their polar lipid fractions as PSs in aPDT has been examined before and both showcased antibacterial activity. However, there is a clear gap in the literature about the topic of microalgal lipid extracts’ potential as PSs, as there is only one study on this topic and that study only analyzes the extracts of two green algae. This study’s main aim is to explore the potential of lipid extracts sourced from microalgae of different phyla as PSs in aPDT, as to address the gap in literature on this topic. In this work, the lipid extracts sourced from eleven distinct microalgae, representing various phyla including Cyanobacteria (Arthrospira platensis), Ochrophyta (Nannochloropsis oceanica), Bacillariophyta (Skeletonema costatum and Phaeodactylum tricornutum), Haptophyta (Tisochrysis lutea and Pavlova gyrans), Rhodophyta (Porphyridium cruentum) and Chlorophyta (Dunaliella salina, Tetraselmis chuii, Scenedesmus obliquus and Chlorococcum amblystomatis) were encapsulated in liposomes at the concentration of 1 mg mL-1 and inoculated with S. aureus. The samples were exposed to light with an irradiance of 100 mW cm-2 up to a maximum of 120 minutes. The inactivation in the dark with these extracts was also tested by encapsulating them in liposomes at the concentration of 1 mg mL-1 with S. aureus for 24 hours in the absence of light. The more effective extracts, of P. tricornutum and T. lutea, were further subjected to aPDT assays at lower concentrations, 75 μg mL-1, 7.5 μg mL-1 and 3.75 μg mL-1, they were encapsulated in liposomes, inoculated with S. aureus and exposed to an irradiation of 100 mW cm-2 for up to 60 minutes. The inactivation in the dark with the extracts of T. lutea at the concentrations 75 μg mL-1, 7.5 μg mL-1 and 3.75 μg mL-1 was tested by encapsulating them in liposomes and inoculating them with S. aureus in the absence of light for 24 hours. All the extracts exhibited an inactivation of S. aureus greater than 3 log10 (CFU mL-1), presenting bactericidal activity. The extracts sourced from microalgae belonging to the phyla Bacillariophyta (P. tricornutum and S. costatum) and Haptophyta (P. gyrans and T. lutea) exhibited the best inactivation of S. aureus, as the cell viability decreased ≈ 8 log10 (CFU mL-1) in 10 and 15 minutes of treatment, respectively. The extracts sourced from freshwater microalgae belonging to the phylum Chlorophyta (C. amblystomatis and S. obliquus) achieved the second-best inactivation of S. aureus, with a decrease of ≈ 8 log10 (CFU mL-1) in 60 minutes of treatment. The lipid extracts sourced form microalgae of the phyla Ochrophyta (N. oceanica) and Rhodophyta (P. cruentum) both present a decrease in cell viability of ≈ 8 log10 (CFU mL-1) in 90 minutes of treatment. The extracts sourced from marine microalgae belonging to the phylum Chlorophyta (D. salina and T. chuii) and the phylum Cyanobacteria (A. platensis) had the poorest inactivation of S. aureus. In the 120 minutes of treatment, the extracts of D. salina obtained a decreased of cell viability of ≈ 8 log10 (CFU mL-1), the extracts of T. chuii obtained a decreased of cell viability of ≈ 5 log10 (CFU mL-1) and the extracts of A. platensis obtained a decreased of cell viability of ≈ 4 log10 (CFU mL-1). The only extracts which presented inactivation in the dark were the ones sourced from P. gyrans, T. lutea, S. costatum and D. salina. All the extracts sourced from P. tricornutum and T. lutea at the concentrations 75 μg mL-1, 7.5 μg mL-1 and 3.75 μg mL-1 obtained an inactivation of S. aureus greater than 3 log10 (CFU mL-1), proving to be bactericidal. At the concentration 75 μg mL-1 both extracts obtained a decrease of cell viability of ≈ 8 log10 (CFU mL-1) in 10 and 15 minutes of treatment, respectively. A decrease of cell viability of ≈ 8 log10 (CFU mL-1) was also achieved with the extracts of P. tricornutum at the concentration 7.5 μg mL-1 in 60 minutes of treatment. The extracts of P. tricornutum at the concentration 3.75 μg mL-1 and the extracts of T. lutea at the concentration of 7.5 μg mL-1 both had a decrease of cell viability of ≈ 7 log10 (CFU mL-1) in 60 minutes of treatment, while the extracts of T. lutea at the concentration of 3.75 μg mL-1 had a decrease of cell viability of ≈ 5 log10 (CFU mL-1) in the same timeframe. The T. lutea extracts did not exhibit any significant inactivation in the dark at the concentrations 75 μg mL-1, 7.5 μg mL-1 or 3.75 μg mL-1. The lipid extracts sourced from microalgae belonging to different phyla showcased bactericidal activity when used as PSs in aPDT in this study. This suggests the possibility of conducting additional tests to explore their application in treating infections caused by antibiotic-resistant S. aureus strains, particularly in cases like antibiotic-resistant skin infections.

A resistência bacteriana aos antibióticos causa cerca de 1,27 milhões de mortes anualmente em todo o mundo e foi reconhecida como uma ameaça prioritária à saúde. Staphylococcus aureus é uma bactéria Gram-positiva, e um número crescente de estirpes de S. aureus apresentam resistência a antibióticos, o que dificulta o tratamento de infeções causadas por esse agente patogénico. A terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT) pode ser uma alternativa aos tratamentos antibióticos convencionais. As algas são uma fonte promissora de fotossensibilizadores (PS), pois são conhecidas por conterem compostos antibacterianos, como lipídios, e pigmentos, como as clorofilas, que podem produzir espécies reativas de oxigénio de longa duração. O potencial dos extratos lipídicos de algas e das suas frações lipídicas polares como PS em aPDT já foi testado antes e ambos os extratos apresentaram atividade antibacteriana. No entanto, não existe literatura suficiente acerca do potencial de extratos lipídicos de microalgas como PS, uma vez que existe apenas um estudo sobre este tema e esse estudo analisa apenas os extratos de duas algas verdes. O principal objetivo do presente estudo é explorar o potencial de extratos lipídicos provenientes de microalgas de diferentes filos como PS em aPDT, de modo a contribuir para a exploração deste tópico na literatura. Neste trabalho, os extratos lipídicos provenientes de onze microalgas distintas, representando vários filos, incluindo Cyanobacteria (Arthrospira platensis), Ochrophyta (Nannochloropsis oceanica), Bacillariophyta (Skeletonema costatum e Phaeodactylum tricornutum), Haptophyta (Tisochrysis lutea e Pavlova gyrans), Rhodophyta (Porphyridium cruentum) e Chlorophyta (Dunaliella salina, Tetraselmis chuii, Scenedesmus obliquus e Chlorococcum amblystomatis) foram encapsulados em lipossomas à concentração de 1 mg mL-1 e inoculados com S. aureus. As amostras foram expostas à luz com irradiância de 100 mW cm-2 até, no máximo, 120 minutos. A inativação no escuro desses extratos também foi testada encapsulando-os em lipossomas, na concentração de 1 mg mL-1, com S. aureus por 24 horas na ausência de luz. Os extratos mais eficazes, de P. tricornutum e T. lutea, foram posteriormente submetidos a ensaios de aPDT a concentrações mais baixas, 75 μg mL-1, 7,5 μg mL-1 e 3,75 μg mL-1, foram encapsulados em lipossomas, inoculados com S. aureus e expostos a uma irradiação de 100 mW cm-2 por até 60 minutos. A inativação no escuro dos extratos de T. lutea nas concentrações 75 μg mL-1, 7,5 μg mL-1 e 3,75 μg mL-1 foi testada encapsulando-os em lipossomas e inoculando-os com S. aureus na ausência de luz por 24 horas. Todos os extratos exibiram uma inativação de S. aureus superior a 3 log10 (UFC mL-1), apresentando atividade bactericida. Os extratos provenientes de microalgas pertencentes aos filos Bacillariophyta (P. tricornutum e S. costatum) e Haptophyta (P. gyrans e T. lutea) exibiram a melhor inativação de S. aureus, pois a viabilidade celular diminuiu ≈ 8 log10 (UFC mL-1) em 10 e 15 minutos de tratamento, respetivamente. Os extratos provenientes de microalgas de água doce pertencentes ao filo Chlorophyta (C. amblystomatis e S. obliquus) alcançaram a segunda melhor inativação de S. aureus, com uma diminuição de ≈ 8 log10 (UFC mL-1) em 60 minutos de tratamento. Os extratos lipídicos provenientes de microalgas dos filos Ochrophyta (N. oceanica) e Rhodophyta (P. cruentum) apresentam ambos uma diminuição na viabilidade celular de ≈ 8 log10 (UFC mL-1) em 90 minutos de tratamento. Os extratos provenientes de microalgas marinhas pertencentes ao filo Chlorophyta (D. salina e T. chuii) e ao filo Cyanobacteria (A. platensis) promoveram a menor inativação de S. aureus. Aos 120 minutos de tratamento, os extratos de D. salina obtiveram uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 8 log10 (UFC mL-1), os extratos de T. chuii obtiveram uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 5 log10 (UFC mL-1) e os extratos de A. platensis obtiveram uma diminuição de viabilidade celular de ≈ 4 log10 (UFC mL-1). Os únicos extratos que apresentaram inativação no escuro foram os provenientes de P. gyrans, T. lutea, S. costatum e D. salina. Todos os extratos provenientes de P. tricornutum e T. lutea a concentrações de 75 μg mL-1, 7,5 μg mL-1 e 3,75 μg mL-1 promoveram inativação de S. aureus superior a 3 log10 (UFC mL-1), demonstrando ser bactericidas. À concentração 75 μg mL-1 os extratos provenientes de ambas as algas obtiveram uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 8 log10 (UFC mL-1) em 10 e 15 minutos de tratamento, respetivamente. Uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 8 log10 (UFC mL-1) também foi alcançada com os extratos de P. tricornutum à concentração 7,5 μg mL-1 em 60 minutos de tratamento. Os extratos de P. tricornutum na concentração 3,75 μg mL-1 e os extratos de T. lutea na concentração de 7,5 μg mL-1 ambos tiveram uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 7 log10 (UFC mL-1) em 60 minutos de tratamento, enquanto os extratos de T. lutea na concentração de 3.75 μg mL-1 tiveram uma diminuição da viabilidade celular de ≈ 5 log10 (UFC mL-1) no mesmo período de tempo. Os extratos de T. lutea não exibiram inativação no escuro significativa às concentrações 75 μg mL-1, 7,5 μg mL-1 ou 3,75 μg mL-1. Os extratos lipídicos provenientes de microalgas pertencentes a diferentes filos apresentaram atividade bactericida quando utilizados como PS em aPDT neste estudo. Isto sugere a possibilidade de realizar testes adicionais para explorar a sua aplicação no tratamento de infeções causadas por estirpes de S. aureus resistentes a antibióticos, particularmente em casos como infeções cutâneas resistentes a antibióticos.