Multidrug resistant bacteria inactivation by photodynamic therapy

Abstract

The development of antimicrobials promoted the idea that diseases provoked by microorganisms would diminish and would be reduced to the insignificancy to human health. However, the great amount of antibiotics used in human medicine and veterinary lead to a selection of pathogenic bacteria resistant to multiple antibiotics, being hospital wastewaters one of the most important sources of antibiotic-resistant organisms and antibiotic-resistance genes that are released into the environment. The significant increase in the development of multiple resistance mechanisms to antibiotics caused an increase in the research of alternative treatments that may be cost effective and human friendly. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) is a quickly expanding technology for the treatment of diseases since it inactivates efficiently microorganisms, is cost effective and human safe. The general objective of this work was to assess the inactivation of 4 clinical multidrug-resistant bacteria by aPDT, using a tetracationic porphyrin (PS). The efficacy of aPDT was assessed in phosphate buffered saline (PBS) and in hospital residual water for each isolated bacterium and for the bacteria mixtured all together. The synergistic effect of aPDT and antibiotics (ampicillin and chloramphenicol) was also evaluated as well as the effect of sodium dodecylsulphate (SDS) on aPDT efficiency. The results show an efficient inactivation of multidrug-resistant bacteria in PBS using 5 μM of PS during 270 minutes in the presence of a light fluence rate of 40 W.m-2 (reduction of 6 to 8 log). In the residual water, the inactivation of the 4 bacteria was also efficient and the decrease in bacterial number starts even sooner. It was observed a faster decrease in bacterial number when aPDT was combined with the addition of ampicillin and chloramphenicol at concentrations of 16 and 32 μg mL-1 (MIC dose 32 μg mL-1 for both antibiotics). The efficiency of aPDT with a lower porphyrin concentration (2.5 μM) in the presence of antibiotics at MIC dose was not significantly different of that obtained when just the PS was used. The addition of SDS did not affect the efficiency of aPDT. The results of this study showed that aPDT inactivate efficiently multidrug-resistant bacteria, in hospital residual water the bacterial inactivation is faster than in PBS, the combination of antibiotics and aPDT acts more efficiently than the aPDT alone, but aPDT in the presence of SDS does not affect the efficiency of bacterial inactivation. In conclusion, aPDT is effective to combating microbial diseases transmitted by multidrug-resistant bacteria and can be used to increase the efficacy of classical antibiotics.

O desenvolvimento de agentes antimicrobianos levou a pensar que as doenças provocadas por microrganismos diminuiriam, tornando-se insignificantes para a saúde humana. No entanto, a grande quantidade de antibióticos utilizados na medicina humana e veterinária levaram a uma selecção de bactérias patogénicas resistentes a muitos antibióticos, sendo os efluentes hospitalares uma das fontes mais importantes de organismos resistentes a antibióticos e de genes de resistência a antibióticos que são lançados no meio ambiente. O aumento significativo no desenvolvimento de diversos mecanismos de resistência a antibióticos provocou um aumento na pesquisa de tratamentos alternativos que apresentem baixo custo e que não apresentem efeitos adversos para o homem. A terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT) alternativa aos antibióticos para o tratamento de doenças, visto que inactiva eficientemente microrganismos, é barata e segura. O objectivo geral deste trabalho foi avaliar a inactivação de quatro isolados clínicos de bactérias multirresistentes pela aPDT, utilizando uma porfirina tetracatiónica (PS). A eficácia da aPDT foi avaliada em solução tampão (PBS) e em águas residuais hospitalares para cada bactéria isolada e para a mistura das 4 bactérias juntas. O efeito sinergético da aPDT e antibióticos (ampicilina e cloranfenicol) também foi avaliado, assim como o efeito do dodecilsulfato de sódio (SDS) sobre a eficiência da aPDT. Os resultados mostram uma inactivação eficiente de bactérias multirresistentes em PBS utilizando 5 μM de PS, durante 270 minutos na presença de 40 W.m-2 de luz (redução de 6-8 log). Na água residual hospitalar, a inactivação das 4 bactérias foi igualmente eficiente, começado mesmo a diminuição do número de bactérias mais cedo que em PBS. Foi observado uma redução mais acentuada no número de bactérias quando a aPDT foi combinada com a adição de ampicilina e cloranfenicol nas concentrações de 16 e 32 μg mL-1 (dose MIC de 32 μg mL-1 para ambos os antibióticos). A eficiência da aPDT com uma concentração inferior de PS (2.5 μM) na presença de antibióticos na dose MIC não foi significativamente diferente da obtida quando foi utilizado apenas a porfirina. A adição do SDS também não afectou a eficiência da aPDT. Os resultados deste estudo mostraram que a aPDT inactiva bactérias multirresistentes de forma eficiente; em água de esgoto hospitalar a inactivação bacteriana é mais rápida do que em PBS, a combinação de antibióticos e aPDT actua de forma mais eficiente do que a APDT sozinha, mas eficiência da aPDT na presença de SDS não é afectada. Em conclusão, aPDT é eficaz para combater doenças microbianas transmitidas por bactérias multi-resistentes e podem ser usados para aumentar a eficácia dos antibióticos clássicos.