Combining antibiotics and photodynamic therapy to inactivate Staphylococcus aureus on skin

Abstract

Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium common in skin infections, but this bacterium can spread through the bloodstream and infect distant organs. To the treatment of this infections antibiotics are usually used, however, microorganisms have acquired the capacity to develop resistance against antimicrobial agents. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) is being actively studied as a possible alternative to antibiotics to treat localized infections. This study was conducted to evaluate the antibacterial activity of aPDT for treatment of S. aureus infections on skin. The synergistic effect of aPDT and antibiotics (ampicillin, chloramphenicol, kanamycin, penicillin G and tetracycline) to inactivate S. aureus was also evaluated. To this purpose, a tetracationic porphyrin, the 5,10,15,20-tetrakis(1-methylpiridinium-4-yl)porphyrin tetra-iodide (Tetra-Py+-Me) was used to inactivate S. aureus in vitro using a buffer solution (PBS) and ex vivo, on pork skin artificially contamined with S. aureus. The results show an efficient inactivation of S. aureus in PBS using 5.0 μM of Tetra-Py+-Me during 180 min in the presence of a white light at an irradiance of 40 W m-2 (reduction of 8 log). When aPDT was done in the presence of ampicillin at 0.5 and 1.0 μg mL-1 (MIC dose 0.25 μg mL) in PBS a faster decrease (8 log) in total bacterial number was observed at 60 and 30 min, respectively. For the other antibiotics no increase in bacterial inactivation was observed. In ex vivo experiments a reduction of ~4 log of S. aureus after treatment with 50 μM of Tetra-Py+-Me under after 180 min. The efficiency of inactivation in the skin in the same conditions but in the presence of 5 μg mL-1 of ampicillin at 50 μM was significantly different of that obtained with PS in the absence of antibiotic with an inactivation of ~5.6 log. The results of this study showed that aPDT is an effective approache to control S. aureus infection in skin, inactivating the bacteria to the detection limit after three cycles of treatment. Moreover, the combination of aPDT with antibiotics can increase the efficacy of bacterial inactivation, allowing the reduction the treatment time for a quarter.

Staphylococcus aureus é uma bactéria de Gram-positivo que está comumente presente em infeções da pele podendo espalhar-se através da corrente sanguínea e afetar outros órgãos. Para o tratamento destas infeções são normalmente utilizados os antibióticos, no entanto, os microrganismos têm a capacidade de adquirir resistência aos agentes antimicrobianos. A terapia fotodinâmica antimicrobiana está a ser estudada ativamente como alternativa ao tratamento de infeções localizadas. Este estudo foi orientado para avaliar a atividade antibacteriana da terapia fotodinâmica no tratamento de infeções por S. aureus na superfície da pele. Foi também avaliado o efeito sinérgico da terapia fotodinâmica antimicrobiana e de antibióticos (ampicilina, cloranfenicol, canamicina, penicilina G e tetraciclina) na inativação de S. aureus. Para este fim, foi utilizado uma porfirina tetra catiónica (Tetra-Py+-Me) que foi testada in vitro para inativar a bactéria numa solução tampão e ex vivo em pele de porco artificialmente contaminada com S. aureus. Os resultados mostraram inactivação eficaz de S. aureus (redução de 8 log) em tampão fosfato salino utilizando a porfirina Tetra-Py+-Me numa concentração de 5.0 μM após 180 minutos de irradiação com luz branca (com incidência de 40 W.m-2) Na combinação de ampicilina (MIC 0,25 μg mL-1) em concentrações de 0,5 μg mL-1 e 1 μg mL-1 com a porfirina Tetra-Py+-Me a 5.0 μM (em tampão fosfato salino) foi observado um decréscimo mais rápido (8 log) na inativação total do número de bactérias após 30 e 60 min de irradiação, respetivamente. Para os outros antibióticos não foi observado qualquer aumento na inactivação bacteriana. Nos ensaios ex vivo houve uma redução de ~4 log após tratamento com a porfirina Tetra-Py+-Me a 50 μM após 180 minutos de irradiação. A eficiência da inativação na pele nas mesmas condições, mas na presença de 5 μg mL-1 de ampicilina foi significativamente diferente da obtida com PS na ausência do antibiótico com uma inativação de ~5,6 log. Os resultados deste estudo mostraram que a DPT é uma abordagem eficaz para controlar infeções por S. aureus na pele, inativando as bactérias até ao limite de deteção após três ciclos de tratamento. Além disso, a combinação de aPDT com antibióticos pode aumentar a eficácia da inactivação bacteriana, permitindo a redução do tempo de tratamento para um quarto.