Antimicrobial photodynamic therapy potentiation by potassium iodide

Abstract

With the global increasing and spreading of antibiotic-resistant microorganisms, there is a need to develop strategies capable of inactivating plantonic and biofilm-forms of pathogenic microorganisms that causes untreatable and mortal infections. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) is an alternative approach capable of combating microorganisms independently of their resistance profile. Althought this technique presents great results and advantages, the neutral and monocationic photosensitizers (PS) do not usually kill efficiently gram-negative bacteria and fungi, and their synthetic preparation are usually expensive and laborious. In this The results of these experiments demonstrated that FORM is efficient on inactivating planktonic forms of bacteria, fungi and viruses and that when combined with KI was clearly more effective to inactivate all the microorganisms. This combination allows also to destroy efficiently the preformed biofilms of bacteria and fungi and avoided also the formation of E. coli and S. aureus biofilms, contrarily to that observed with FORM but without KI. The use of FORM combined with KI allowed to reduce PS concentration and the treatment time which will promote to transpose the aPDT to the clinic or environment fields.context, it is needed to develop new approaches that can improve the antimicrobial effect of a PS and simultaneously to allow the decrease of the applied PS concentration and also of the treatment time. Recent studies have reported a enhancer effect on antimicrobial photoinactivation by the combined used of some PS and potassium iodide (KI), an inorganic salt. These studies have always shown potentiating effect of KI for the tested PS. The main goal of this work was, in a first phase, to achieve an insight into the KI potentiation effect on diferent groups of PS; tetraarylporphyrins positively charged at meso (including a formulation consisting of five cationic porphyrins - FORM) or β-pyrrolic positions and non-porphyrinic dyes, using a bioluminescent Escherichia coli as bacterial model. The results of these studies pointing out that the presence of KI can enhance the aPDT killing effect of some PS, but this enhancement is not general for all PS. The comparison of the obtained results with the ones from the literature allowed to confirm that the enhance effect of KI is related to the generation of 1O2 by PS, PS structure (charge number and charge position), aggregation behavior and its affinity for the external structures of the microorganisms. In a second phase, the aPDT effect of the FORM (easy to prepare when compared with their corresponding porphyrins that constitute the mixture in the pure form) and of its combined effect with KI (100mM) on planktonic and biofilm forms of a broad-spectrum of microorganisms. Therefore, this study was performed on the free and biofilms forms of gram-negative and gram-positive bacteria: E. coli resistant to chloramphenicol and ampicillin, and Staphylococcus aureus resistant to methicillin (MRSA), of the fungi Candida albicans as well as on the free-form of a T4 like bacteriophage as a model of human viruses.

O aumento e disseminação da resistência a antimicrobianos torna necessário o procura de novas estratégias para combater infeções não tratáveis e muitas vezes mortais, causadas por microrganismos quer na forma planctónica quer organizados em biofilmes. A terapia fotodinâmica antimicrobiana tem-se revelado uma alternativa capaz de inativar microrganismos, independentemente do seu perfil de resistência aos antimicrobianos convencionais. Contudo, a baixa eficácia de fotosensibilizadores (PS) neutros e aniónicos na inactivação de bactérias de gram-negativo e fungos, bem como os elevados custos de produção e purificação associados, tem exigido à comunidade científica encontrar moleculas ou coadjuvantes que permitam aumentar a fotoinactivação microbiana (aPDT) e com diminuição dos custos associados quer pela diminuição da quantidade de composto aplicado quer pela diminuição do tempo de tratamento. Estudos recentes, demonstraram que o iodeto de potássio (KI), um sal inorgânico, é capaz de potenciar o efeito de alguns PS porfirínicos e não porfirínicos catiónicos e não catiónicos. Estes estudos mostraram sempre nos PS testados um efeito potenciador do KI. Assim, o presente trabalho teve como objectivo determinar as características dos PS que influenciam o efeito potenciador do KI, usando para tal PS com características diferentes. Para tal, foram realizados ensaios de aPDT usando como modelo uma estirpe de Escherichia coli bioluminescente. Nestes ensaios o KI (50 mM e 100 mM) foi testado na presença de diferentes PS porfirínicos catiónicos substituídos quer em posições meso (incluindo uma formulação constituída por uma mistura de cinco porfirinas - FORM) quer nas posições ‐pirrólicas, e PS não porfirínicos [Azul de metileno (MB), Rosa Bengal (RB), Azul de Toluidina (TBO), Violeta Cristal (CV) e Verde de Malachita (MG)]. Os resultados evidenciam que o KI é capaz de potenciar o efeito antibacteriano da maior parte dos PS testados, permitindo reduzir ainda o tempo de irradiação necessário para produzir o efeito fotodinãmico desejado. Contudo, não se observa o efeito potenciador do KI quando combinado com todos os PS porfirínicos e não-porfirínicos. Uma comparação dos resultados obtidos com os da literatura permite confirmar que o efeito potenciador quando o sal KI é combinado com um PS depende da produção de oxigénio singleto (1O2) por parte do PS, da sua estrutura (número de cargas e a sua posição espacial), da sua tendência para agregar e da sua afinidade para com as estruturas externas dos microrganismos. Na segunda fase do trabalho pretendeu-se avaliar a capacidade da formulação porfirínica (FORM, de fácil preparação e obtenção comparativamente com as respectivos constituintes puros), e da combinação da FORM com KI (100 mM) na inativação de vários microrganismos (bactérias e fungos) quer na forma planctónica quer em biofilmes. Para tal, foram realizados ensaios com os seguintes microrganismos: E. coli resistente ao clorofenicol e à ampicilina (bactéria de gram-negativo), Staphyloccocus aureus resistente à meticilina (bactéria de gram-positivo), o fungo Candida albicans; quer na forma livre quer em biofilmes; bem como um bacteriófago tipo T4, utilizado como modelo de vírus humano. Os resultados obtidos mostraram que a FORM isoladamente é eficaz na inativação de bactéias, fungos e vírus na sua forma planctónica, e quando usada em combinação com o KI o seu efeito antimicrobiano é intensificado. A combinação da FORM com o KI foi também eficaz na destruição de biofilmes bacterianos e fúngicos, e evitou a formação de biofilmes bacterianos, o que não se verifica quando a FORM foi utilizada isoladamente. A utilização da FORM combinada com KI em aPDT permitiu reduzir a concentração de PS e o tempo de tratamento o que facilitará possíveis aplicações quer na clínica quer no ambiente.