Biomedical applications of starch-based photoactive materials

Abstract

The centrality that light presents in the human being’s life since antiquity to its use in industrial and biomedical applications makes it a topic of intense research. The knowledge of its properties and the way it affects the environment and living beings allows us to find new applications, namely biomedical. Photodynamic therapy is known since the end of the 1970’s as a promising approach in the treatment of neoplasia. This therapeutic approach takes advantage of light’s interaction with photosensitive compounds, named photosensitizers, which in the presence of molecular oxygen produce reactive oxygen species capable of leading tumoral cells to cellular death. From tumoral cells to microbial cells was only a step, and this photodynamic approach has proved very successful, more specifically using porphyrins as photosensitizers, in inactivating microorganisms, including microbial strains multi-resistant to conventional antimicrobial agents (e.g., antibiotics, antifungals). With the rise of microbial resistance to conventional antimicrobials and increasing emergence of chronical conditions such as diabetes and its complications, it becomes imperative to find new therapies which allow to treat and help meliorate patients’ quality of life. The goal of this study was to evaluate the possibility of using cost-friendly materials, such as starch, to support porphyrinic derivatives and in this way to produce photoactive materials with the ability to act as photosensitizers and inactivate common skin infections such as the ones incited by methicillin resistant Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, and which arise in diabetic ulcers, and furthermore to evaluate its ability to promote tissue regeneration. The porphyrins selected to incorporate in starch were cationic porphyrin 5,10,15,20-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphyrin (TPP5F) and neutral porphyrin 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin (TMPyP) which were prepared and later immobilized in the starch-based materials. The photoactive films prepared by incorporation of porphyrin in starch were then tested and their antimicrobial properties evaluated in in vitro and ex vivo studies. The TMPyP incorporated starch-based film revealed promising antimicrobial activity as it was able to inactivate S.aureus (MRSA), both in vitro and ex vivo, after white light exposure with an irradiance of 50 mW cm-2 for 60 min and 24h, respectively. Using porcine skin as skin infection model, this TMPyP film revealed potential in preventing the onset of bacterial infections. To evaluate the biocompatibility and possible stimulating effects in tissue regeneration of the starch/ porphyrin films, in vitro studies were conducted in cell lines of fibroblasts (HDF) and endothelial cells (HMEC), two important components of tissue regeneration and wound healing. Four different parameters were tested: cellular viability, cellular migration, ROS formation and cellular adhesion. For that, the starch/porphyrin-based materials were applied and irradiated with a red light from a LED system with an irradiance of 5 mW cm-2 for 15 min. The films of 7.06 mm2 revealed the best results in viability and at these conditions the cells present high levels of cellular ROS. The application of light seems to have influenced all parameters except ROS formation. Low dose red-light seems to positively influence viability and wound healing in endothelial cells, revealing itself as a potential promoter of vascularization. The results obtained with the starch/porphyrin films allow for a perspective of their potential application in the treatment of diabetics’ wounds/ulcers.

A centralidade que a luz apresenta na vida do ser Humano desde a antiguidade até à sua utilização em aplicações industriais e biomédicas faz com que esta continue a ser objeto de intensa investigação. O conhecimento das suas propriedades e da forma como afeta o ambiente e os seres vivos permite encontrar novas aplicações nomeadamente biomédicas. A terapia fotodinâmica é reconhecida desde finais da década de 70 como uma abordagem promissora no tratamento de neoplasias. Esta abordagem terapêutica tira partido da interação da luz com compostos fotossensíveis designados de fotosensibilizadores que na presença de oxigénio molecular produzem espécies reativas de oxigénio capaz de levar à morte celular de células tumorais. Das células tumorais às células microbianas foi um passo, e esta abordagem fotodinâmica tem sido muito bem sucedida nomeadamente utilizando porfirinas como fotosensibilizadores, na inativação de microorganismos incluindo estirpes microbianas multi-resistentes aos agentes antimicrobianos convencionais (eg. antibióticos, antifúngicos, etc). Com o aumento da resistência microbiana aos antimicrobianos convencionais e o surgimento crescente de condições crónicas como diabetes e as suas complicações, torna-se imperativo encontrar novas terapias que permitam tratar e melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Este estudo teve como objetivo avaliar a possibilidade de utilizar materiais baratos, como seja o amido, para suportar derivados porfirínicos e desta forma produzir materiais fotoactivos com capacidade de atuar como fotosensibilizadores e inactivarem comuns infeções de pele como sejam as provocadas por Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA) e Pseudomonas aeruginosa e que surgem em úlceras de diabéticos, e mais do que isso, avaliar a sua capacidade de promoverem a regeneração de tecidos. As porfirinas selecionadas para incorporar no amido foram a porfirina catiónica 5,10,15,20-tetraquis(1- metilpiridinium-4-il)porfirina (TMPyP) e porfirina neutra 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPP5F) que foram preparadas e posteriormente imobilizadas nos materiais à base de amido. Os filmes fotoactivos preparados por incorporação de porfirina em amido, foram então testados e as suas propriedades antimicrobianas em estudos in vitro e ex vivo avaliadas. O filme à base de amido com a TMPyP incorporada revelou promissora atividade antimicrobiana sendo que conseguiu inativar a S. aureus (MRSA), tanto in vitro como ex vivo, após exposição a luz branca com uma irradiância de 50 mW cm-2 por 60 min e 24h, respetivamente. Utilizando pele de porco como um modelo de infeção de pele, este filme contendo TMPyP revelou potencial em prevenir a instalação de infeções bacterianas. Para avaliar a biocompatibilidade dos filmes de amido-porfirina preparados e possíveis efeitos estimulantes na regeneração de tecidos, foram realizados estudos in vitro em linhas celulares de fibroblastos (HDF) e células endoteliais (HMEC), dois componentes importantes da regeneração de tecido e cura de feridas. Quatro parâmetros diferentes foram testados: viabilidade celular, migração celular, formação de ROS e adesão celular. Para tal os filmes à base de amido-porfirinas foram aplicados e irradiados com luz vermelha proveniente de um sistema LED com uma irradiância de 5 mW cm-2 por 15 min. Os filmes de dimensões 7.06 mm2 revelaram os melhores resultados nos ensaios de viabilidade celular, e as células nestas condições apresentam elevada quantidade de ROS celular. A aplicação de luz parece ter influenciado todos os parâmetros exceto a formação de ROS. A luz vermelha em baixa dose parece influenciar positivamente a viabilidade e regeneração em células endoteliais, revelando-se um potencial promotor de vascularização. Os resultados obtidos com os filmes amido-porfirina permitem perspetivar a sua potencial aplicação no tratamento de feridas/úlceras de diabéticos.