![[img]](https://epub.uni-regensburg.de/style/images/fileicons/application_pdf.png) | License: Creative Commons Attribution 4.0 (49MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-529112
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.52911
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 15 September 2023 |
| Referee: | Prof. Dr. Dina Grohmann and Prof. Dr. Wolfgang Bäumler and Prof. Dr. Winfried Hausner |
| Date of exam: | 15 September 2022 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Mikrobiologie (Archaeenzentrum) |
| Keywords: | Photodynamische Inaktivierung; Photodynamic inactivation; bacteria; decolonization of human skin; ions; divalent ions; synthetic sweat; citrate; phosphate; carbonate; flavins; |
| 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: | 52911 |
Abstract (English)
The careless use of antibiotics led to the emergence of multi-resistant bacteria responsible for 700,000 deaths annually, estimates even predict 50 million annual deaths as of 2050 - especially since new antibiotics are unlikely to be introduced. To counteract this development, new approaches are urgently needed. In both medicine and hygiene, photodynamic inactivation (PDI) can make its ...
Abstract (English)
The careless use of antibiotics led to the emergence of multi-resistant bacteria responsible for 700,000 deaths annually, estimates even predict 50 million annual deaths as of 2050 - especially since new antibiotics are unlikely to be introduced. To counteract this development, new approaches are urgently needed. In both medicine and hygiene, photodynamic inactivation (PDI) can make its contribution in the treatment of human skin or the use of antimicrobial surfaces. In PDI, highly reactive singlet oxygen (¹O₂), responsible for the antimicrobial effect, is formed based on a photosensitizer (PS). PDI shows excellent activity in a controlled laboratory environment, but applications under real live conditions require considerably higher PS concentration or light doses. This hampers the application and requires purposeful research to unfold these obstacles. The aim of this work was to elucidate which substances and processes are involved in this effect to overcome those obstacles, in particular for PDI on human skin. Investigated substances were Na⁺, Ca²⁺ or Mg²⁺ as well as CO₃²⁻ and PO₄³⁻, especially relevant for applications under real life conditions. It was hypothesized, if citrate might circumvent detrimental effects via complexation in artificial solutions containing Ca²⁺ or Mg²⁺ and in tap water or synthetic sweat. The synthetic sweat contained several ions and organic molecules like histidine. Lastly, the results were transferred to the human skin with a PS-hydrogel.
Initially, a procedure was established for an efficient investigation of the physical and chemical processes of PDI using SAPYR, a phenalene-based PS as well as the porphyrin TMPyP on Halobacterium salinarum, which requires high NaCl concentrations for growth. It was found that the PS did not change in the high salt environment, still generated ¹O₂, and were able to induce a reduction of viable cells of at least 99.9%. In the next part of this work, it was found that flavin derivatives FLASH-02a and FLASH-06a undergo a chemical reaction with CO₃²⁻ or PO₄³⁻. Consequently, the PS stops generating ¹O₂, accompanied by a quasi-absence of PDI. Similarly, it was shown that regardless of the PS Ca²⁺ and Mg²⁺ have drastic effects on antimicrobial potential. Although the tested PS (methylene blue, TMPyP, SAPYR, FLASH-02a and FLASH-06a) remained chemically intact and generated ¹O₂ a reduced efficacy was demonstrated. Based on this, citrate as chelator was used to circumvent the negative influence of Ca²⁺ and Mg²⁺ and at least for Gram- negative bacteria efficacy was improved. In this context, experiments were also carried out in tap water and synthetic sweat. It was observed that especially histidine in sweat is primarily responsible for an inhibitory effect on PDI. As a final step, the knowledge about inhibitory substances in PDI was used to develop a SAPYR-hydroxyethyl cellulose hydrogel. The hydrogel also contained citrate to circumvent the detrimental effects of Ca²⁺ and Mg²⁺. In all cases, bacterial reduction on human skin was greater than or close to 99.99%. Apoptosis and necrosis did not occur in the skin tissue despite treatment with the PS-hydrogel.
The results of this work are of great relevance for the transfer of PDI from laboratory to applications under real life conditions. The data obtained can be used to adapt the application of PDI in Ca²⁺ and Mg²⁺-rich environments like tap water and skin. In the field of dentistry, where PDI is already used, it is advisable to possibly add a washing step with citrate solution to existing protocols to increase effectiveness. The PS-hydrogel could have the greatest contribution to solving the problems mentioned above with multidrug-resistant germs, since it has been shown that good efficacy can be achieved on the skin under acceptable treatment conditions. Finally, many currently used antibiotics or antiseptics in the treatment or prevention of SSTIs already show resistances to the substances used. However, PDI is unlikely to provoke resistance in bacteria because the generated ¹O₂ damages almost all biomolecules via oxidative mechanisms. In this way, the PS-hydrogel described in this thesis may possibly provide a partial answer to the questions of the post-antibiotic age that is upon us.
Translation of the abstract (German)
Der sorglose Umgang mit Antibiotika führte zur Entstehung multiresistenter Bakterien, welche jährlich für 700.000 Todesfälle verantwortlich sind, Schätzungen gehen sogar von 50 Millionen jährlichen Todesfällen ab 2050 aus - zumal die Entdeckung neuer Antibiotika unwahrscheinlich ist. Um dem entgegenzuwirken, werden dringend neue Ansätze benötigt. Sowohl in der Medizin als auch in der Hygiene kann ...
Translation of the abstract (German)
Der sorglose Umgang mit Antibiotika führte zur Entstehung multiresistenter Bakterien, welche jährlich für 700.000 Todesfälle verantwortlich sind, Schätzungen gehen sogar von 50 Millionen jährlichen Todesfällen ab 2050 aus - zumal die Entdeckung neuer Antibiotika unwahrscheinlich ist. Um dem entgegenzuwirken, werden dringend neue Ansätze benötigt. Sowohl in der Medizin als auch in der Hygiene kann die photodynamische Inaktivierung (PDI) ihren Beitrag zur Behandlung menschlicher Haut oder beim Einsatz antimikrobieller Oberflächen leisten. Bei der PDI wird hochreaktiver Singulett-Sauerstoff (¹O₂), der für die antimikrobielle Wirkung verantwortlich ist, auf der Basis eines Photosensibilisators (PS) gebildet. Experimente mit PDI zeigen eine ausgezeichnete Aktivität in kontrollierter Laborumgebung, aber Anwendungen unter realen Bedingungen erfordern wesentlich höhere PS-Konzentrationen oder Lichtdosen. Dies erschwert die Anwendung und erfordert gezielte Forschung, um diese Probleme zu beseitigen. Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, welche Substanzen und Prozesse an diesem Effekt beteiligt sind und wie ein Umgehen dieser möglich ist, insbesondere für PDI auf der menschlichen Haut. Bei den untersuchten Substanzen handelte es sich um alltagsrelevante Ionen wie Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, CO₃²⁻ und PO₄³⁻. Es wurde die Hypothese aufgestellt, ob Citrat die inhibierende Wirkung durch Komplexierung umgehen kann, insbesondere in Leitungswasser oder synthetischem Schweiß, welche Ca²⁺ oder Mg²⁺ enthalten. Der synthetische Schweiß enthielt dabei verschiedene Ionen und organische Moleküle wie Histidin. Letztlich wurden die Ergebnisse mit Hilfe eines PS-Hydrogels auf die menschliche Haut übertragen.
Zunächst wurde ein Versuchsablauf zur effizienten Untersuchung der physikalischen und chemischen Prozesse von PDI entwickelt. Unter Verwendung von SAPYR, einem Phenalenon, sowie des Porphyrins TMPyP wurde auch die antimikrobielle Wirksamkeit auf Halobacterium salinarum untersucht, welches hohe NaCl-Konzentrationen für sein Wachstum benötigt. Daraus resultierte, dass sich die PS auch bei hoher Salzkonzentration nicht veränderten, immer noch ¹O₂ generieren und in der Lage waren, die lebensfähigen Zellen um mindestens 99,9 % zu reduzieren Der nächste Teil dieser Arbeit zeigte, dass die Flavine FLASH-02a und FLASH-06a eine chemische Reaktion mit CO₃²⁻ oder PO₄³⁻ eingehen. Infolgedessen erzeugten die PS kein ¹O₂ mehr, was mit einem Ausbleiben der PDI einhergeht. Ebenso wurde gezeigt, dass unabhängig vom PS Ca²⁺ und Mg²⁺ drastische Auswirkungen auf das antimikrobielle Potenzial besitzen. Obwohl die getesteten PS (Methylenblau, TMPyP, SAPYR, FLASH-02a und FLASH-06a) chemisch intakt blieben und ¹O₂ erzeugten, wurde eine geringere Wirksamkeit nachgewiesen. Daraufhin wurde Citrat als Chelator eingesetzt, um den negativen Einfluss von Ca²⁺ und Mg²⁺ zu verringern. Dabei wurde zumindest für Gram-negative Bakterien eine bessere Wirksamkeit erzielt. In diesem Zusammenhang wurden auch Versuche in Leitungswasser und synthetischem Schweiß durchgeführt. Es zeigte sich, dass vor allem Histidin im Schweiß für eine hemmende Wirkung auf PDI verantwortlich ist. In einem letzten Schritt wurde das Wissen über hemmende Substanzen eingesetzt, um ein SAPYR- Hydroxyethylcellulose-Hydrogel zu entwickeln. Das Hydrogel enthielt zusätzlich Citrat, um die nachteiligen Auswirkungen von Ca²⁺ und Mg²⁺ auszugleichen. In allen Fällen lag die bakterielle Reduktion auf menschlicher Haut bei über oder nahe 99,99 %. Apoptose und Nekrose traten im Hautgewebe trotz der Behandlung mit dem PS-Hydrogel nicht auf.
Die Ergebnisse dieser Arbeit sind von großer Bedeutung hinsichtlich der Übertragung von PDI aus dem Labor auf Anwendungen unter realen Bedingungen. Die hierbei gewonnenen Daten können genutzt werden, um die Anwendung von PDI in Ca²⁺ und Mg²⁺-reichen Umgebungen wie Leitungswasser oder Haut anzupassen. Im Bereich der Zahnmedizin, wo PDI bereits Anwendung findet, ist es ratsam, den bestehenden Protokollen möglicherweise einen Waschschritt mit Citratlösung hinzuzufügen, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Das PS-Hydrogel könnte großen Beitrag zur Lösung der oben erwähnten Probleme mit multiresistenten Keimen leisten. Hierbei zeigte sich, dass auf der Haut unter akzeptablen Behandlungsbedingungen eine gute Wirksamkeit erzielt werden kann. Schließlich existieren bereits gegen viele der zur Behandlung oder Vorbeugung eingesetzten Antibiotika oder Antiseptika Resistenzen. Dass PDI bei Bakterien eine Resistenz hervorruft, gilt als unwahrscheinlich, da das erzeugte ¹O₂ fast alle Biomoleküle über oxidative Mechanismen schädigt. Auf diese Weise könnte das in dieser Arbeit beschriebene PS-Hydrogel möglicherweise eine Teilantwort auf die Fragen des post-antibiotischen Zeitalters geben, das uns bevorsteht.
Metadata last modified: 15 Sep 2023 04:20
Owner only: item control page
Download Statistics