| License: Publishing license for publications excluding print on demand (34MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-287642
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.28764
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 1 September 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Wolfgang Bäumler |
| Date of exam: | 1 July 2013 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Dermatologie und Venerologie |
| Keywords: | self-disinfecting surfaces, photodynamic, singlet oxygen, time-correlated single photon counting, photosensitizer, antimicrobial |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 28764 |
Abstract (English)
This thesis addresses the principle of antimicrobial photodynamic inactivation (PDI) as a complementary method to antibiotics or disinfection in order to deactivate pathogenic microorganisms. Herein, the prevention of settlement and growth of microorganisms on surfaces using the PDI method is a main issue with focus on the development and improvement of such surfaces. Therefore, different ...
Abstract (English)
This thesis addresses the principle of antimicrobial photodynamic inactivation (PDI) as a complementary method to antibiotics or disinfection in order to deactivate pathogenic microorganisms. Herein, the prevention of settlement and growth of microorganisms on surfaces using the PDI method is a main issue with focus on the development and improvement of such surfaces. Therefore, different photosensitizers were investigated first in solution in regard to their ability to generate singlet oxygen and their phototoxic effect. Some of these photosensitizers were polymerized into different surface structures, their physical properties were clarified with spectroscopic methods and the phototoxic efficacy on the surfaces was determined.
Chapter 3: In literature a rather high dark toxicity component of the photosensitizer class of phenothiazines was described and the systematics of the toxic processes were controversially discussed. Due to their wide use in PDI, the phenothiazine Methylene blue (MB) and common derivatives of this photosensitizer class were investigated in solution of H2O with direct spectroscopic methods in regard to their singlet oxygen generation and thus to clarify the singlet oxygen quantum yield. For all photosensitizers substantially smaller quantum yields as compared to values in literature were obtained via direct monitoring of singlet oxygen. This is considered as a probable effect of dimerisation or the use of indirect methods to monitor singlet oxygen without the explicit exclusion of the participation of other reactive species. Further, the attachment to Gram(+) and Gram(-) bacteria was determined quantitatively. In a second study, newly synthesized derivatives of MB were investigated in order to systemize the influence of side chains on the spectroscopic characteristics, especially the ability to generate singlet oxygen, the photostability and the phototoxic effectivity. In contrast to the commercially available dimerisation could be suppressed in some derivatives and achieving a higher photostability whilst comparable phototoxicity.
Chapter 4: The phototoxic properties of the porphyrin XF73 were reported to be rather high due to good cell attachment or penetration abilities with allowing a therapeutic window. Therefore, the photophysical characteristics of this photosensitizer were investigated in H2O and in cell physiological solution with regard to aggregation and singlet oxygen generation. The results were compared to findings with TMPyP. Aggregation was enhanced in XF73, most probably due to the flexible side chains, and a stacking was further driven by the presence of 〖Cl〗^-, which is found to a high extent in cell physiological solution like PBS. The singlet oxygen generation was dramatically influenced by this stacking effect.
Chapter 5: The porphyrin TMPyP was incubated in C. albicans planktonic and biofilm growing samples. Thereafter, the singlet oxygen luminescence was directly detected at 1270 nm being the first report of the involvement of singlet oxygen in these cell types with this highly sensitive, non-invasive monitoring technique. Biofilm samples were considered as complex surfaces, exhibiting different decay kinetics for singlet oxygen than their planktonic counterparts. Different experimental laser setups were used for the measurements, thus allowing irradiation of the Soret- or Q-band of the photosensitizer with different irradiation power. With an enhanced sensitivity when irradiating at 420 nm, very low photosensitizer concentrations were necessary to monitor the singlet oxygen luminescence with a good signal-to-noise ratio. A dependency of the rise and decay times of the singlet oxygen luminescence on the photosensitizer concentration used for incubation was detected. Based on these findings a model was proposed, suggesting different surroundings for TMPyP within or adherent to the cell.
Chapter 6: Cellulose acetate surfaces and polyurethane-coated PMMA surfaces doped with different photosensitizers were produced and compared with regard to singlet oxygen generation and phototoxic efficacy. The generation of singlet oxygen by irradiation of the photosensitizer was proven within direct spectrally and time-resolved single-photon counting. The assignment of the rise and decay time was challenging, because the bi-exponential fit model was not sufficient for the complex surface system, which showed a multi-exponential decay manner. The presence of singlet oxygen was also monitored via an indirect method using the reaction with potassium iodide. Nevertheless, the PU-surfaces showed an effect without photosensitizer inherent, which indicates ROS generation of the material itself. The phototoxic efficacy against S. aureus was dependent on the irradiation time and the photosensitizer concentration in the material. Also, a difference in the phototoxic efficacy of the porphyrin-based and phenalenone-based photosensitizer doped in the surface material was detected, resulting in >2 〖log〗_10 reduction (> 99%) with the first and >3 〖log〗_10 reduction (> 99.9%) with the latter sample (P=50 mW〖cm〗^(-2), irradiation time 30 min).
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Doktorarbeit behandelt die antimikrobielle photodynamische Inaktivierung (PDI) als eine ergänzende Methode zur Verwendung von Antibiotika oder Desinfektionsmitteln, um pathogene Mikroorganismen zu deaktivieren. Prävention von Ansiedlung und Wachstum dieser Mikroorganismen auf Oberflächen mit Hilfe der PDI ist dabei das Hauptthema; dabei liegt der besondere Fokus auf der ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Doktorarbeit behandelt die antimikrobielle photodynamische Inaktivierung (PDI) als eine ergänzende Methode zur Verwendung von Antibiotika oder Desinfektionsmitteln, um pathogene Mikroorganismen zu deaktivieren. Prävention von Ansiedlung und Wachstum dieser Mikroorganismen auf Oberflächen mit Hilfe der PDI ist dabei das Hauptthema; dabei liegt der besondere Fokus auf der Herstellung und Verbesserung solcher Oberflächen. Dafür wurden verschiedene photoaktive Substanzen (Photosensibilisatoren) erst in Lösung in Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Singulett-Sauerstoff-Generierung untersucht. Einige dieser Photosensibilisatoren wurden anschließend in verschiedene Oberflächenstrukturen einpolymerisiert und im Anschluss mit Hilfe spektroskopischer Methoden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer phototoxischen Effektivität untersucht.
Kapitel 3: In der Literatur ist eine Dunkeltoxizität der Photosensibilisatorklasse der Phenothiazine beschrieben und die Systematik des toxischen Prozesses wird kontrovers diskutiert. Aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums im Bereich PDI, wurden die Phenothiazine Methylen blau (MB) und gebräuchliche Derivate dieser Photosensibilisator-klasse in wässriger Lösung mit spektroskopischen Methoden untersucht und dabei die Singulett-Sauerstoff Generierung durch Bestimmung der Quantenausbeute für Singulett-Sauerstoff ermittelt. Für alle Photosensibilisatoren wurden mit direktem Monitoring von Singulett-Sauerstoff deutlich niedrigere Quantenausbeuten bestimmt, als in der Literatur angegeben. Als Grund dafür werden ein Dimerisierungseffekt oder die in der Literatur verwendeten indirekten Messmethoden für Singulett-Sauerstoff, welche nicht explizit die Beteiligung anderer reaktiver Spezies ausschließen, verantwortlich gemacht. Desweiteren wurde die Anlagerung oder Aufnahme der Photosensibilisatoren in Gram(+) und Gram(-) Bakterien quantitativ bestimmt. In einer zweiten Studie wurden neu synthetisierte MB-Derivate hinsichtlich des Einflusses der Seitenketten am jeweiligen Molekül auf die spektroskopische Charakteristik hin untersucht, insbesondere bezüglich der Fähigkeit zur Singulett-Sauerstoff Generierung, der Photostabilität und der phototoxischen Effektivität. Im Gegensatz zu den käuflich erhältlichen Derivaten aus dem ersten Teil konnte Dimerisierungsverhalten bei einigen Exemplaren unterdrückt werden, bei gleichzeitig hoher Photostabilität und mit MB vergleichbarer Phototoxizität.
Kapitel 4: Die phototoxischen Eigenschaften des Porphyrins XF73 wurden als effektiv eingestuft aufgrund einer guten Anlagerung bzw. Aufnahme in Zellen, unter gleichzeitigem Vorhandensein eines therapeutischen Fensters. Deswegen wurden die photophysikalischen Eigenschaften dieses Photosensibilisators in H_2 O und in zellphysiologischer Lösung hinsichtlich Aggregationsverhalten und Singulett-Sauerstoff Generierung untersucht. Die Ergebnisse wurden mit denen des Referenzphotosensibilisators TMPyP verglichen. Aggregation war mit XF73 sehr wahrscheinlich durch dessen flexible Seitenketten erhöht und wurde zusätzlich konzentrationsabhängig getrieben in Gegenwart von 〖Cl〗^-, welches in zellphysiologischer Lösung wie PBS zu finden ist. Aggregation von XF73 beeinflusst deutlich negativ die Generierung von Singulett-Sauerstoff.
Kapitel 5: Das Porphyrin TMPyP wurde in C. albicans inkubiert, welche sowohl planktonisch als auch als Biofilm wuchsen. Anschließend wurde die Lumineszenz von Singulett-Sauerstoff direkt bei 1270 nm detektiert und in dieser Arbeit erstmalig als beteiligtes toxisches Agens in diesem Mikroorganismus mit Hilfe der hochsensitiven und nicht-invasiven Monitoring-Technik beschrieben. Die Biofilm-Proben werden als komplexe Oberflächen angesehen, die unterschiedliche Abklingkinetik für Singulett-Sauerstoff aufweisen, im Vergleich zu ihren planktonischen Entsprechungen. Verschiedene Laseraufbauten wurden für die Messungen verwendet und ermöglichten Bestrahlung in der Soret- oder Q-Bande von TMPyP mit unterschiedlicher Leistung. Mit der erzielten erhöhten Sensitivität für die Bestrahlung bei 420 nm (Soret) waren nur sehr niedrige Photosensibilisatorkonzentrationen nötig, um die Singulett-Sauerstoff-Lumineszenz mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu aufzunehmen. Eine Abhängigkeit der Anstiegs- und Abklingzeiten der Singulett-Sauerstoff-Lumineszenz von der Konzentration des Photosensibilisators wurde bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen wird hier ein Modell vorgeschlagen, welches verschiedene Umgebungen für TMPyP innerhalb oder anhaftend an die Zelle vorschlägt.
Kapitel 6: Oberflächen aus Zelluloseazetat oder mit Polyurethan überzogenes PMMA wurden mit unterschiedlichen Photosensibilisatoren dotiert und miteinander verglichen hinsichtlich Generierung von Singulett-Sauerstoff und phototoxischer Effektivität. Die Generierung von Singulett-Sauerstoff konnte mit Hilfe von spektral- und zeitaufgelöster Einzelphotonenzählung nachgewiesen werden. Die Zuordnung von Anstiegs- und Abklingzeiten war eine Herausforderung, weil das bi-exponentielle Fitmodell nicht ausreichte, um das komplexe Oberflächensystem zu beschreiben, welches ein multi-exponentielles Verhalten an den Tag legte. Das Vorhandensein von Singulett-Sauerstoff wurde zudem mit einer indirekten Methode überprüft, die sich die Reaktion von Kaliumiodid mit Singulett-Sauerstoff zu Triiodid zunutze macht. Nichtsdestotrotz zeigte mit dieser Methode auch das PU-Material ohne inhärenten Photosensibilisator die Ausbildung reaktiver Spezies. Die Phototoxizität gegen S. aureus war abhängig von der Bestrahlungszeit und der Konzentration des Photosensibilisators im Material. Zudem wurde ein Unterschied zwischen der phototoxischen Effektivität der Oberfläche mit einpolymerisiertem Photosensibilisator auf Porphyrin-Basis und Phenalenone-Basis festgestellt. Ersterer führte zu einer Reduktion von >2 〖log〗_10-Schritten (> 99%), letzterer zu einer Reduktion von >3 〖log〗_10-Schritten (> 99.9%) mit einer Bestrahlungsleistung von P=50 mW〖cm〗^(-2) und einer Bestrahlungszeit von 30 min.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:54
Owner only: item control page
Download Statistics