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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-782914
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.78291
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 16 Dezember 2025 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Tim Maisch |
| Tag der Prüfung: | 13 November 2025 |
| Institutionen: | Medizin > Lehrstuhl für Dermatologie und Venerologie |
| Stichwörter / Keywords: | antimikrobielle photodynamische Therapie (aPDT), Escherichia coli, Stressantwort |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 78291 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Angesichts der zunehmenden globalen Problematik der Antibiotikaresistenzen ist die Entwicklung alternativer therapeutischer Strategien von hoher Relevanz. Eine vielversprechende Methode stellt die antimikrobielle photodynamische Therapie (aPDT) dar, deren Mechanismen auf die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies zur Inaktivierung bakterieller Zellen abzielen. In der vorliegenden Studie wurden die ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Angesichts der zunehmenden globalen Problematik der Antibiotikaresistenzen ist die Entwicklung alternativer therapeutischer Strategien von hoher Relevanz. Eine vielversprechende Methode stellt die antimikrobielle photodynamische Therapie (aPDT) dar, deren Mechanismen auf die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies zur Inaktivierung bakterieller Zellen abzielen. In der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen verschiedener Stressfaktoren – Hitzeschock, oxidativer Stress durch H₂O₂ sowie aPDT – auf die Expression spezifischer Proteine in Escherichia coli untersucht. Zur Definition subletaler Stressbedingungen wurden Toxizitätstests durchgeführt, wobei eine Reduktion der koloniebildenden Einheiten (KBE) um weniger als 3 log₁₀ - Stufen als subletal eingestuft wurde. Andere Studien verwenden teils Kriterien mit Reduktionen von ≤ 2 - log₁₀ bis 0,5 log₁₀ - Stufen. In der vorliegenden Arbeit wurde für oxidativen Stress eine subletale H₂O₂ - Konzentration von 0,5 % bei 5 - minütiger Exposition bestimmt. Der Test zeigte, dass die Katalaseaktivität bei höheren H₂O₂ - Konzentrationen niedriger war, was darauf hinweisen könnte, dass die Bedingung für einige Bakterien letal gewesen sein könnte. Beobachtet man die Aktivität im zeitlichen Verlauf, fällt auf, dass ein Anstieg nach 30 Minuten nach Behandlung mit H₂O₂ und ein anschließender Abfall nach 60 Minuten zu erkennen ist. Laut Literatur induziert E.coli die Expression von KatG solange die Bakterien oxidativem Stress, wie H₂O₂, ausgesetzt sind. Nach Bestimmung der subletalen Bedingungen, wurden diese Parameter verwendet, um dann die Proteinexpression von DnaK, RecA, KatG und GAPDH durch Western Blot - Analysen zu messen, um Veränderungen als Antwort auf die verschiedenen Stressbedingungen zu identifizieren. GAPDH sollte ursprünglich als Housekeepingprotein verwendet werden. Da es aber eine Regulation in diesen Versuchen zeigte, war es dafür nicht geeignet und wurde dafür nicht verwendet. Für die Stressproteine konnte keine homogene Regulation beobachtet werden. Die Western Blots zeigten eine stärkere Expression von DnaK und RecA nach einer H₂O₂ – Behandlung von 0,5 %. KatG wies keine relevanten Expressionsänderungen auf. Im Hitzeschockexperiment wurde eine Regulation von DnaK, RecA und KatG festgestellt. Für aPDT wurden die Photosensibilisatoren TMPyP (0,4 μM und 0,8 μM) und Methylenblau (4 μM und 8 μM) verwendet. TMPyP führte zu keiner signifikanten Regulation von DnaK. Eine erhöhte DnaK-Expression wurde in dieser Untersuchung nach Behandlung mit 4 μM Methylenblau nach 30 und 60 Minuten festgestellt. Andere Studien zeigten einerseits ebenfalls keine DnaK Regulation nach aPDT mit dem PS SAPYR, andererseits eine deutliche dnak - Hochregulation auf Genebene mit verschiedenen Photosensibilisatoren, darunter Toluidinblau (TBO) und Chlorin e6 (Ce6). In der vorliegenden Untersuchung zeigte sich eine 3 - fache Erhöhung von RecA nach 90 Minuten bei niedriger TMPyP-Konzentration (0,4 μM). Auch in der UK - Gruppe sowie bei 8 μM Methylenblau (MB) wurde eine relevante Regulation beobachtet. Die verstärkte RecA-Expression nach antimikrobieller photodynamischer Therapie (aPDT) könnte laut Literatur auf DNA- Schäden hindeuten. Andere Studien zeigten ebenfalls eine verstärkte RecA Expression nach aPDT nach Behandlung mit anderen PS. In den hier durchgeführten Untersuchungen zeigte KatG lediglich eine signifikante Erhöhung nach MB – Behandlung (4 μM) zum Zeitpunkt 0 Minuten. Mit Behandlung von TMPyP wurde in dieser Untersuchung keine Erhöhung festgestellt. In anderen Untersuchungen wurde nach aPDT mit anderen PS (SAPYR und Chl) keine erhöhte Expression von KatG auf Gen – oder Proteinebene festgestellt. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass die bakterielle Stressantwort auf aPDT gegenwärtig keinem gängigen Schema folgt und somit vermutlich von mehreren Faktoren abhängt. Entscheidend könnten hierbei die Wahl des Photosensibilisators und dessen chemischer Struktur, die applizierte Lichtdosis sowie die Definition der subletalen Dosis sein. Zusätzlich wäre es sinnvoll, neben der Proteinebene auch die Genebene zu untersuchen, um ein umfassenderes Bild der bakteriellen Stressantwort zu erhalten. In dieser Untersuchung wurde die Proteinregulation anhand der Graustufenverteilung quantitativ bestimmt, während viele Studien Western Blots qualitativ auswerten.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Given the increasing global problem of antibiotic resistance, the development of alternative therapeutic strategies is of great relevance. A promising method is antimicrobial photodynamic therapy (aPDT), whose mechanism is based on the generation of reactive oxygen species to inactivate bacterial cells. In the present study, the effects of different stress factors—heat shock, oxidative stress ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Given the increasing global problem of antibiotic resistance, the development of alternative therapeutic strategies is of great relevance. A promising method is antimicrobial photodynamic therapy (aPDT), whose mechanism is based on the generation of reactive oxygen species to inactivate bacterial cells. In the present study, the effects of different stress factors—heat shock, oxidative stress induced by H₂O₂, and aPDT—on the expression of specific proteins in Escherichia coli were investigated. To define sublethal stress conditions, toxicity assays were performed, with a reduction in colony-forming units (CFU) by less than 3 log₁₀ steps classified as sublethal. Other studies apply criteria ranging from reductions of ≤ 2 log₁₀ to 0.5 log₁₀ steps. In this study, a sublethal H₂O₂ concentration of 0.5% with an exposure time of 5 minutes was determined for oxidative stress. The assay showed that catalase activity was lower at higher H₂O₂ concentrations, which could indicate that the conditions may have been lethal for some bacteria. Observing the activity over time revealed an increase 30 minutes after H₂O₂ treatment, followed by a decline after 60 minutes. According to the literature, E. coli induces the expression of KatG as long as the bacteria are exposed to oxidative stress such as H₂O₂. After defining the sublethal conditions, these parameters were used to measure the protein expression of DnaK, RecA, KatG, and GAPDH via Western Blot analysis in order to identify changes in response to the different stress conditions. GAPDH was initially intended to be used as a housekeeping protein; however, as it showed regulation in these experiments, it was not suitable and therefore not used for normalization.
No homogeneous regulation pattern was observed for the stress proteins. The Western Blots showed increased expression of DnaK and RecA after treatment with 0.5% H₂O₂. KatG showed no relevant changes in expression. In the heat shock experiment, regulation of DnaK, RecA, and KatG was detected. For aPDT, the photosensitizers TMPyP (0.4 μM and 0.8 μM) and methylene blue (4 μM and 8 μM) were used. TMPyP did not lead to significant regulation of DnaK. In this study, an increased DnaK expression was observed after treatment with 4 μM methylene blue at 30 and 60 minutes. Other studies likewise found no DnaK regulation after aPDT with the photosensitizer SAPYR, while others reported strong upregulation of dnak at the gene level with various photosensitizers, including toluidine blue (TBO) and chlorin e6 (Ce6).
In the present study, a threefold increase in RecA was observed after 90 minutes at the lower TMPyP concentration (0.4 μM). Relevant regulation was also observed in the untreated control group and after treatment with 8 μM methylene blue (MB). According to the literature, increased RecA expression after aPDT may indicate DNA damage. Other studies similarly reported increased RecA expression after aPDT using different photosensitizers. In the experiments conducted here, KatG showed a significant increase only after MB treatment (4 μM) at the 0-minute time point. Treatment with TMPyP did not lead to increased expression. Other studies also found no increased KatG expression at either the gene or protein level after aPDT with different photosensitizers (SAPYR and Chl).
Overall, the results demonstrate that the bacterial stress response to aPDT does not currently follow any common pattern and is likely influenced by multiple factors. Critical variables may include the choice of photosensitizer and its chemical structure, the applied light dose, and the definition of the sublethal dose. Additionally, it would be useful to complement protein-level analyses with gene-level investigations in order to obtain a more comprehensive picture of the bacterial stress response. In this study, protein regulation was quantified based on grayscale intensity distribution, whereas many studies evaluate Western Blots qualitatively.
Metadaten zuletzt geändert: 16 Dez 2025 08:38
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