Influência das estruturas bacterianas externas na inativação fotodinâmica por uma porfirina catiónica

Abstract

The main targets of photodynamic inactivation (PDI) are the external bacterial structures, cytoplasmic membrane and cell wall. In this work it was evaluated how the external bacterial structures influence the PDI efficiency. To reach this objective 8 bacteria with distinct external structures were selected; 4 Gram-negative bacteria (Escherichia coli, with typical Gram-negative external structures; Aeromonas salmonicida, Aeromonas hydrophila both with an S-layer and Rhodopirellula sp., with a peptidoglycan-less proteinaceous cell wall and with cytoplasm compartmentalization) and 4 Gram-positive bacteria (Staphylococcus aureus, with typical Gram-positive external structures; Truepera radiovictrix, Deinococcus geothermalis and Deinococcus radiodurans, all with thick cell walls that give them Gram-positive stains, but including a second complex multilayered membrane and structurally analogous to that of Gram-negative bacteria). The studies were performed in the presence of 5,10,15,20-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphyrin tetraiodide (Tetra-Py+-Me) at 5.0 μM with white light (40 W m−2). The susceptibility of each bacteria to PDI by Tetra-Py+-Me was dependent on bacteria external structures. Although all Gram-positive bacteria were inactivated to the detection limit (reduction of ∼8 log) after 60-180 min of irradiation, the inactivation followed distinct patterns. Among the Gram-negative bacteria, E. coli was the only species to be inactivated to the detection limit (∼8 log after 180 min). The efficiency of inactivation of the two species of Aeromonas was similar (reduction of ∼5-6 log after 270 min). Rhodopirellula was less susceptible (reduction of ∼4 log after 270 min). As previously observed, the Gram-positive bacteria are more easily inactivated than Gram-negative strains, and this is even true for T. radiovictrix, D. geothermalis and D. radiodurans, which have a complex multilayered cell wall. The results support the theory that the outer cell structures are major bacterial targets for PDI. Moreover, the chemical composition of the external structures has a stronger effect on PDI efficiency than complexity and the number of layers of the external coating, and lipids seem to be an important target of PDI.

Os principais alvos da inativação fotodinâmica (PDI) são as estruturas bacterianas externas, membrana citoplasmática e parede celular. Neste trabalho foi avaliado o efeito das estruturas bacterianas externas na eficiência da PDI. Para alcançar este objectivo foram selecionadas 8 bactérias com estruturas externas distintas; 4 bactérias de Gram negativo (Escherichia coli, com estruturas externas típicas das bactérias de Gram negativo; Aeromonas salmonicida, Aeromonas hydrophila ambas com uma camada “S-layer” e Rhodopirellula sp., com uma parede celular de natureza proteica com menos peptidoglicano e com compartimentalização do citoplasma) e 4 bactérias de Gram positivo (Staphylococcus aureus, com estruturas externas típicas das bactérias de Gram positivo; Truepera radiovictrix, Deinococcus geothermalis e Deinococcus radiodurans, com uma parede celular espessa que lhes confere uma coloração de Gram positivo, mas que inclui uma segunda membrana complexa com múltiplas camadas e estruturalmente análoga à das bactérias Gram-negativas). Os estudos foram realizados na presença de 5,10,15,20-tetraquis(1-metilpiridínio-4-il)porfirina tetraiodada (Tetra-Py+-Me) a 5.0 μM com luz branca (40 W m−2). A susceptibilidade de cada bactéria à PDI pela porfirina selecionada mostrou ser dependente das estruturas externas bacterianas. Apesar de todas as bactérias Gram-positivas terem sido inactivadas até aos limites de detecção (redução de ∼8 log) após 60-180 min de irradiação, a inactivação seguiu padrões distintos. Entre as bactérias de Gram negativo, a E. coli foi a única espécie a ser inactivada até ao limite de detecção (∼8 log após 180 min). A eficiência de inactivação das duas espécies de Aeromonas foi semelhante (redução de ∼5-6 log após 270 min). Rhodopirellula foi a menos susceptível (redução de ∼4 log após 270 min). Como observado anteriormente, as bactérias de Gram positivo são mais facilmente inativadas do que as estirpes de Gram negativo, e isto é também verdade para a T. radiovictrix, D. geothermalis and D. radiodurans, que têm uma parece celular complexa com várias camadas. Os resultados apoiam a teoria de que as estruturas celulares externas são importantes alvos bacterianos da PDI. A composição química das estruturas externas tem um efeito maior sobre a eficiência da PDI do que a complexidade e o número de camadas do revestimento externo, e os lipídios parecem ser um alvo importante da PDI.