Antimicrobial efficacy of photosensitizers by photodynamic inactivation against nosocomial pathogens

Abstract

[EN] Health care-associated infections (HAI) are the infections affiliated to the to the medical assistance in a hospital, clinics and other home care that are developed within the first 48h to 30 days after hospitalization. These infections are linked to an increase in mortality, morbidity as well as economic losses derivated to the increases in length at hospital. 80% of HAI are caused by the bacteria group known as ¿ESKAPE¿ in which are found Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli bacteria. Most of these infections are caused by multi-drug resistant bacteria that are also able to form biofilm. This two facts makes these infections really difficult to treat because of the ineffectiveness of antibiotics. On the one hand for the resistance itself and on the other hand by the mechanical resistance that the biofilm supposes. These bacterias are usually found as normal comensal in the organism but resistant phenotype, virulence factors or dissemination could lead to the pathogenic version.

A biofilm is a community of cells in a complex matrix formed by polymers secreted by cells and irreversibly attached to a surface. These biofilms are developed on the surface of medical devices such as implants, prostheses and catheters causing infections really difficult to treat. Because of that, there is a high pressure to find alternatives to fight against these issue. Biofilm structure supposes an increase of 1000-folded times resistance for antibacterial treatment. That is because of the evasion of the immune system, difficulty of antibiotic penetrance, slow growth rate, development of efflux pumps and acquisition of resistance to which is added the difficulty of diagnosis. Some alternatives are coating or modification of the device surface with antibiotics, silver compounds, hydrogel or other biomolecules as well as bacteriophage therapy or the use of antimicrobial peptides. This thesis is focused on the use of photodynamic inactivation to eradicate biofilm formation of nosocomial pathogens. Photodynamic inactivation(PDI) is based on the use of light of a properly wavelength, oxygen and a photosensitizer(PS). The excitation of the PS with an specific wavelength results on the formation of ROS that provokes a high oxidative environment that leads to the bacterial death. One of the main advantages of this technique that resistance is difficult to be developed. That might be because there is not an specific target cell component, but the damage is caused generally in the cell. Also because of that, it is usefull in a high spectrum pathogens from gram positive to gram negative bacteria up to yeasts and fungi.

Dyes are usually used as photosensitiziters, molecules that absorbs near the visible region and gives a characteristic color to the compound. PS have different proprieties attending to its physico-chemical characteristics and are divided in two different groups according to its structure: phorphyrinoids (porphyrins, chlorins and phthalocyanines) and non-porphyrinoids (Phenothiazine, xanthene and curcuminoids). The most commonly used PS are methylen blue and rose bengale.

[CA] Les infeccions associades a l'assistència sanitària (HAI) són infeccions relacionades a l'assistència mèdica en un hospital, clíniques i altres serveis d'atenció domiciliària que es desenvolupen en els primers 48h a 30 dies després de l'hospitalització. Aquestes infeccions suposen un augment de la mortalitat, la morbiditat i en pèrdues econòmiques derivades de l’augment de l’estància a l’hospital. El 80% de les HAI son causades per un grup de bacteris conegut com a “ESKAPE” en el qual es troben Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa i Escherichia coli. La majoria d’aquestes infeccions són causades per bacteris resistents a antibiòtics que també són capaços de formar biofilms. Aquests dos fets fan que aquestes infeccions siguin realment difícils de tractar a causa de la ineficàcia dels antibiòtics: d’una banda per la pròpia resistència i, per l’altra, per la resistència mecànica que suposa el biofilm. Aquests bacteris solen trobar-se comensals normals a l’organisme, però el fenotip resistent, els factors de virulència o la disseminació poden conduir a la versió patògena. Un biofilm és una comunitat de cèl·lules que es troba en una matriu complexa formada per polímers secretats per les pròpies cèl·lules i unides de manera irreversible a una superfície. Aquests biofilms es desenvolupen a la superfície de dispositius mèdics com implants, pròtesis i catèters que provoquen infeccions difícils d'eliminar. Per això, hi ha una elevada pressió per trobar alternatives amb el fi d’eradicar aquestes infeccions. L’estructura del biofilm suposa un increment de 1.000 vegades en la resistència a antibiòtics. Això es deu a l'evasió del sistema immunitari, la dificultat de penetrància d'antibiòtics, el ritme de creixement lent, el desenvolupament de bombes d'efluència i l'adquisició de resistència a les quals s'afegeix la dificultat del diagnòstic. Algunes alternatives són el recobriment o la modificació de la superfície del dispositiu amb antibiòtics, compostos de plata, hidrogel o altres biomolècules, així com la teràpia amb bacteriòfags o l’ús de pèptids antimicrobians. Aquesta tesi se centra en l’ús de la inactivació fotodinàmica per eradicar la formació de biofilms de patògens nosocomials. La inactivació fotodinàmica (PDI) es basa en l’ús de llum d’una longitud d’ona adequada, oxigen i una molècula fotosensible (PS). L’excitació del PS amb una longitud d’ona específica dóna lloc a la formació de ROS que provoca un entorn oxidatiu elevat que condueix a la mort bacteriana. Un dels principals avantatges d'aquesta tècnica és la dificultat que suposa el desenvolupant de resistència. Això pot ser perquè no hi ha un component de cel·lular específic, però el dany es produeix generalment a la cèl·lula. Per això també és útil en patògens d’ampli espectre, des de bacteris gram+ fins a bacteris gram- fins a llevats i fongs. Els colorants s’utilitzen generalment com a molècules fotosensibles, que absorbeixen a prop de la regió visible i donen un color característic al compost. Els PS tenen diferents propietats atenent a les seves característiques físico-químiques i es divideixen en dos grups segons la seva estructura: els porfinoides (porfirines, clorines i ftalocianines) i els no porfirinoides (Fenotiazina, xantè i curcuminoides). Els PS més utilitzats són el blau de metil i el rosa bengal.