Inactivation of Pseudomonas spp. biofilms with natural and synthetic photossensitizers

Abstract

Cationic porphyrins have been widely used as photosensitizers (PSs) in the inactivation of microorganisms, both in biofilms and in planktonic forms. However, the application of curcumin, a natural PS, in the inactivation of biofilms, is poorly studied. The objectives of this study were (1) to evaluate and compare the efficiency of a cationic porphyrin tetra (Tetra-Py+-Me) and curcumin in the photodynamic inactivation of biofilms of Pseudomonas spp and the corresponding planktonic form; (2) to evaluate the effect of these PSs in cell adhesion and biofilm maturation. In eradication assays, biofilms of Pseudomonas spp adherent to silicone tubes were subjected to irradiation with white light (180 J cm-2) in presence of different concentrations (5 and 10 μM) of PS. In colonization experiments, solid supports were immersed in cell suspensions, PS was added and the mixture experimental setup was irradiated (864 J cm-2) during the adhesion phase. After transference solid supports to new PS-containing medium, irradiation (2592 J cm-2) was resumed during biofilm maturation. The assays of inactivation of planktonic cells were conducted in cell suspensions added of PS concentrations equivalent to those used in experiments with biofilms. The inactivation of planktonic cells and biofilms (eradication and colonization assays) was assessed by quantification of viable cells after plating in solid medium, at the beginning and at the end of the experiments. The results show that porphyrin Tetra-Py+-Me effectively inactivated planktonic cells (3.7 and 3.0 log) and biofilms of Pseudomonas spp (3.2 and 3.6 log). In colonization assays, the adhesion of cells was attenuated in 2.2 log, and during the maturation phase, a 5.2 log reduction in the concentration of viable cells was observed. Curcumin failed to cause significant inactivation in planktonic cells (0.7 and 0.9 log) and for that reason it was not tested in biofilm eradication assays. In colonization assays, curcumin did not affect the adhesion of cells to the solid support and caused a very modest reduction (1.0 log) in the concentration of viable cells during the maturation phase. The results confirm that the photodynamic inactivation is a promising strategy to control installed biofilms and in preventing colonization. Curcumin, however, does not represent an advantageous alternative to porphyrins in the case of biofilms of Pseudomonas spp.

As porfirinas catiónicas têm sido muito utilizadas como fotossensibilizadores (PSs) na inativação de microrganismos tanto na forma planctónica como em biofilmes. No entanto, a eficiência da curcumina, um PS natural, na inativação de biofilmes está ainda muito pouco estudada. Os objetivos deste trabalho foram: (1) avaliar e comparar a eficiência de uma porfirina tetra catiónica (Tetra-Py+-Me) e da curcumina na inativação fotodinâmica de biofilmes de Pseudomonas spp., bem como na inativação de células na forma planctónica; (2) avaliar o efeito destes PSs nas fases de adesão e maturação do biofilme. Em experiências de erradicação, biofilmes de Pseudomonas spp aderentes a tubos de silicone foram sujeitos a irradiação com luz branca (180 J cm-2) na presença de diferentes concentrações (5 e 10 μM) de PS. Em experiências de colonização, os suportes sólidos foram imersos em suspensões de células, adicionados de PS e irradiados durante a fase de adesão (864 J cm-2). Após transferência dos suportes sólidos para novo meio contendo idêntica concentração de PS, prosseguiu-se com a irradiação (2592 J cm-2) durante a fase de maturação dos biofilmes. As experiências de inativação da forma planctónica foram conduzidas em suspensões de células, adicionadas de concentrações de PS equivalentes às usadas nas experiências com biofilmes. A inativação de células livres e de biofilmes (experiências de erradicação e de colonização) foi avaliada por quantificação de células viáveis através de sementeira em meio sólido, antes e depois da irradiação. Os resultados demonstraram que a porfirina TetraPy+-Me inativou eficazmente quer as células planctónicas (3.7 e 3.0 log), quer os biofilmes de Pseudomonas spp (3.2 e 3.6 log). Nos ensaios de colonização, reduziu em cerca de 2.2 log a concentração de células aderentes e, durante a fase de maturação, causou uma inativação de 5.2 log na concentração de células viáveis. A curcumina revelou-se um fotossensibilizador muito pouco eficaz na inactivação de células planctónicas (0.7 e 0.9 log) e por essa razão não foi testada nos ensaios de erradicação. Nos ensaios de colonização, não afetou a adesão e causou uma redução muito modesta (1.0 log) na concentração de células durante a fase de maturação. Os resultados confirmam que a inativação fotodinâmica é uma estratégia promissora no controle de biofilmes instalados e na prevenção da colonização. A curcumina, no entanto, não representa uma alternativa vantajosa às porfirinas, no caso dos biofilmes de Pseudomonas spp.