Photoinactivation of viruses by porphyrins

A inativação fotodinâmica tem sido usada com sucesso na inativação de microorganismos. Diversos aspetos da inativação fotodinâmica foram já estudados para diferentes microrganismos, contudo, existe ainda pouca informação disponível no que diz respeito à inativação de bacteriófagos por processos fotodinâmicos. Este trabalho pretendeu elucidar e avaliar vários aspetos da fotoinativação de vírus, em particular de bacteriófagos, incluindo (i) o efeito de diversos parâmetros de luz utilizados na fotoinativação de bacteriófagos; (ii) a eficiência da inativação fotodinâmica de diferentes tipos de bacteriófagos (fagos do tipo DNA e RNA); (iii) o principal mecanismo através do qual a inativação fotodinâmica tem lugar; (iv) o efeito da fotoinativação nas proteínas do bacteriófago; e (v) o possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após vários tratamentos fotodinâmicos consecutivos. Para avaliar o efeito dos diferentes parâmetros de luz, suspensões fágicas com 107 UFP mL-1 foram irradiadas com diferentes fontes e doses de luz, intensidades luminosas e tempos de irradiação (30,90 e 270 min) na presença de 0,5; 1,0 e 5,0 μM dos derivados porfirínicos catiónicos Tri- Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me. A eficiência da fotoinativação de diferentes fagos do tipo DNA e RNA, foi avaliada através da irradiação da suspensão fágica com luz branca (40 W m-2) durante 270 min na presença de 0,5 e 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF, respetivamente para os fagos do tipo RNA e DNA. O mecanismo através do qual a fotoinativação de fagos de DNA (fago do tipo T4) e de RNA (fago Qb) tem lugar foi avaliado por exposição da suspensão fágica à luz branca com uma potência de 40 W m-2, na presença de fotossensibilizador (Tri-Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me) e inibidores, quer do oxigénio singuleto (azida de sódio e L-histidina) quer de radicais livres (Dmanitol e L-cisteína). Os danos nas proteínas do fago do tipo T4, induzidos pelas espécies reativas de oxigénio geradas por 5,0 μM Tri-Py+-Me-PF, foram avaliados pelo método convencional de SDS-PAGE e por espectroscopia de infravermelho. O possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após a inativação fotodinâmica dos bacteriófagos foi avaliado após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico incompletos (120 min sob irradiação de luz branca a uma potência de 40 W m-2) na presença de 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF. Os resultados deste trabalho mostraram que (i) quando uma quantidade de energia (dose de luz) determinada foi aplicada numa suspensão fágica, a partir de uma mesma fonte irradiação, a fotoinactivação do fago foi tanto mais eficiente quanto mais baixa foi a potência luminosa aplicada; (ii) os bacteriófagos foram eficientemente inativados até ao limite de deteção (redução de 6-7 log); (ii) os fagos do tipo RNA foram inativados mais facilmente do que os fagos do tipo DNA (tempos de exposição mais curtos e com concentração de fotossensibilizador dez vezes menor do que a usada para inativar os fagos do tipo DNA); (iii) o mecanismo do tipo II (via produção de oxigénio singuleto) foi o principal mecanismo através do qual a fotoinativação dos bacteriófagos teve lugar; (iv) foi possível detectar danos no perfil proteico após tratamento fotodinâmico e a espectroscopia de infravermelho apresentou-se como uma metodologia promissora de screening para avaliação dos danos induzidos pela inativação fotodinâmica em proteínas; e (v) após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico, o fago do tipo T4 não revelou nenhum tipo de resistência ao tratamento fotodinâmico nem recuperou a sua viabilidade. Como conclusão, a inativação fotodinâmica microbiana é uma tecnologia bastante eficaz para a fotoinativação de bacteriófagos do tipo DNA e RNA sem invólucro, a qual pode ser considerada como uma alternativa ao tratamento convencional com agentes antivíricos, mesmo com intensidades luminosas baixas, sem o risco associado de desenvolvimento de mecanismos de resistência.

Selective photoinactivation of C. albicans and C. dubliniensis with hypericin

The genus Candida includes different species that have the potential to invade and colonize the human body and C. albicans is the most common cause of skin, nail and mucous infections. The increasing resistance against antifungal drugs has renewed the search for new treatment procedures and antimicrobial photodynamic inactivation (PDI) is a propitious candidate. Hypericin (HY) has several wanted properties to be used as a photosensitizer in this technique including a high quantum yield of singlet oxygen generation, a high extinction coefficient near 600 nm, and a relatively low dark toxicity. Although the phototoxicity of HY on several tumor cells has been reported, the data concerning its photoactivity on microorganisms are scarce. The aim of this study was to obtain the experimental parameters to achieve an acceptable selective hypericinphotoinactivation of two species of Candida comparing with fibroblasts and epithelial cells which are the constituents of some potential host tissues, such mucosas, skin and cavities. Microorganisms and cells were incubated with the same HY concentrations and short incubation time followed by irradiation with equal dose of light. The best conditions to kill just Candida were very low HY concentration (0.1-0.4 mu g ml(-1)) incubated by 10 min and irradiated with LED 590 nm with 6 J cm(-2).

Streptococcus Mutans Photoinactivation by Combination of Short Exposure of a Broad-Spectrum Visible Light and Low Concentrations of Photosensitizers

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Selective photoinactivation of Candida albicans in the non-vertebrate host infection model Galleria mellonella

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Seawater carbonate chemistry and photosystem II photoinactivation of the coastal diatom Thalassiosira pseudonana in a laboratory experiment

We studied the interactive effects of pCO2 and growth light on the coastal marine diatom Thalassiosira pseudonana CCMP 1335 growing under ambient and expected end-of-the-century pCO2 (750 ppmv), and a range of growth light from 30 to 380 µmol photons/m**2/s. Elevated pCO2 significantly stimulated the growth of T. pseudonana under sub-saturating growth light, but not under saturating to super-saturating growth light. Under ambient pCO2 susceptibility to photoinactivation of photosystem II (sigma i) increased with increasing growth rate, but cells growing under elevated pCO2 showed no dependence between growth rate and sigma i, so under high growth light cells under elevated pCO2 were less susceptible to photoinactivation of photosystem II, and thus incurred a lower running cost to maintain photosystem II function. Growth light altered the contents of RbcL (RUBISCO) and PsaC (PSI) protein subunits, and the ratios among the subunits, but there were only limited effects on these and other protein pools between cells grown under ambient and elevated pCO2.

A mechanistic model of algal photoinhibition induced by photodamage to Photosystem-II

Photoinhibition is a central problem for the understanding of plasticity in photosynthesis vs. irradiance response. It effectively reduces the photosynthetic rate. In this contribution, we present a mechanistic model of algal photoinhibition induced by photodamage to photosystem-II. Photosystem-IIs (PSIIs) are assumed to exist in three states: open, closed and inhibited. Photosynthesis is closely associated with the transitions between the three states. The present model is defined by four parameters: effective cross section of PSII, number of PSIIs, turnover time of electron transfer chains and the ratio of rate constant of damage to that of repair of D1 proteins in PSIIs. It gives a photosynthetic response curve of phytoplankton to irradiance (PI-curve). Without photoinhibition, the PI-curve is in hyperbola with the first three parameters. The PI-curve with photoinhibition can be simplified to the same form as the hyperbola by replacing either the number of PSIIs with the number of functional PSIIs or the turnover time of electron transfer chains with the average turnover time.

Anti-infective photodynamic biomaterials for the prevention of intraocular lens-associated infectious endophthalmitis

Bacterial attachment onto intraocular lenses (IOLs) during cataract extraction and IOL implantation is a prominent aetiological factor in the pathogenesis of infectious endophthalmitis. Photodynamic therapy (PDT) and photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) have shown that photosensitizers are effective treatments for cancer, and in the photoinactivation of bacteria, viruses, fungi and parasites, in the presence of light. To date, no method of localizing the photocytotoxic effect of a photosensitizer at a biomaterial surface has been demonstrated. Here we show a method for concentrating this effect at a material surface to prevent bacterial colonization by attaching a porphyrin photosensitizer at, or near to, that surface, and demonstrate the principle using IOL biomaterials. Anionic hydrogel copolymers were shown to permanently bind a cationic porphyrin through electrostatic interactions as a thin surface layer. The mechanical and thermal properties of the materials showed that the porphyrin acts as a surface cross-linking agent, and renders surfaces more hydrophilic. Importantly, Staphylococcus epidermidis adherence was reduced by up to 99.0 ± 0.42% relative to the control in intense light conditions and 91.7± 5.99% in the dark. The ability to concentrate the photocytotoxic effect at a surface, together with a significant dark effect, provides a platform for a range of light-activated anti-infective biomaterial technologies.

Novos derivados porfirínicos: síntese e potenciais aplicações em PDT

O trabalho apresentado nesta dissertação descreve estudos desenvolvidos segundo três metodologias para a funcionalização de meso-tetra-arilporfirinas; uma delas baseada na funcionalização com diazo compostos, outra na reacção de Suzuki-Miyaura e a terceira na reacção de metátese. O presente documento é composto por quatro partes distintas. Na primeira parte são feitas considerações gerais sobre propriedades e aplicações de macrociclos porfirínicos. Na segunda parte é apresentado o trabalho realizado na funcionalização de porfirinas com diazo compostos através de reacções de inserção com um catalisador de ródio(II). Este estudo envolveu a preparação de duas porfirinas com grupos O-H e N-H nas posições para dum substituinte meso-fenilo. Os estudos iniciaram-se com a reacção de 5-(4-hidroxifenil)-10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com diazoacetato de etilo na presença de Rh2(OAc)4. Obteve-se o produto esperado de inserção com bons rendimentos. A reacção de 5-(4-aminofenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com esse diazo composto na presença de Rh2(OAc)4 mostrou um perfil diferente do da reacção com o outro porfirinato. Foram obtidos três produtos, a saber: produto de bis-inserção e dois outros contendo o grupo funcional amida. Este capítulo descreve ainda a síntese de glicoporfirinas e de glicoclorinas através de reacções de inserção e de ciclopropanação envolvendo, respectivamente, os complexos 5-(4-hidroxifenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) e 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirinatozinco(II) com α-diazoacetatos com substituintes sacarídicos. Foram usados, como catalisadores, Rh2(OAc)4 e CuCl, respectivamente, na reacção de inserção e na de ciclopropanação. Tendo em vista a sua aplicação em PDT, os novos produtos foram descomplexados e a unidade glicosídica foi desprotegida. Estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que os compostos obtidos são bons geradores dessa espécie citotóxica. Foram também realizados estudos de avaliação da actividade fotodinâmica em células humanas tumorais HeLa e em células humanas saudáveis HaCaT. Estudos de viabilidade celular, após tratamento fotodinâmico, mostraram que as glicoclorinas são mais eficazes na fotoinactivação das células tumorais. Apenas o derivado da clorina com a unidade de galactose mostrou selectividade para a linha celular tumoral, inibindo o crescimento desta e não causando efeito significativo na linha celular saudável. Este fotossensibilizador não foi tóxico na ausência de luz e depois do tratamento fotodinâmico e em condições sub-letais, provocou vacuolização citoplasmática e retracção pronunciada nas células tumorais, enquanto que nas células saudáveis os danos sofridos foram escassos. Nos estudos de localização celular este fotossensibilizador localizou-se na membrana citoplasmática e nos lisossomas tanto nas células HeLa como nas HaCaT. Na terceira parte deste trabalho são descritos os resultados obtidos nos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de Suzuki-Miyaura. O complexo 2-(4,4,5,5,-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) foi o composto escolhido como reagente de partida. Usando a reacção de Suzuki foi possível sintetizar complexos β-bromoarilporfirínicos em bons rendimentos. Estes complexos foram sujeitos à reacção de Suzuki com pinacolborano, tendo sido possível obter os produtos de acoplamento esperados e ainda derivados diméricos de complexos porfirínicos ligados por unidades fenileno. Esta metodologia reacional, catalisada por paládio, permitiu ainda sintetizar novos derivados quinolona-porfirina através da reacção do complexo porfirínico β-borilado anteriormente referido com bromo-quinolonas Nsubstiuídas com grupos alquílicos e glicosídicos. Deste modo foram obtidos derivados quinolona-porfirina em bons rendimentos. Com vista a realizar estudos de potencial aplicação em PACT, foram hidrolisados os grupos éster da unidade de quinolona e clivados os grupos protectores das unidades glicosídicas desses derivados. No estudo por MS Tandem (MS/MS) foi possível verificar que os isómeros dos derivados quinolona-porfirina sofrem as mesmas vias de fragmentação, confirmando as suas estruturas análogas. Foi possível ainda distinguir os derivados em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da posição C-6 da quinolona daqueles em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da sua posição C-7. Os estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que as porfirinas β- substituídas com unidades de quinolona são melhores geradoras desta espécie citotóxica do que a tetrafenilporfirina e que a eficiência que têm em gerar essa espécie é afectada pela posição da ligação entre a porfirina e a quinolona, assim como com o tipo do N-substituinte da quinolona. As bases livres dos conjugados quinolona-porfirinatos foram testadas como fotossensibilizadores em PACT em células do parasita Leishmania Braziliensis, tendo-se observado que estes compostos têm capacidade para fotoinactivar este parasita. Na quarta parte deste trabalho são descritos os resultados dos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de metátese com catalisador de Grubbs, visando a obtenção de novos macrociclos com grupos triazolilo. Verificouse que a eficiência da reacção de metátese cruzada entre 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) e 4-vinil-1,2,3-triazóis N-substituídos dependia das condições reaccionais e do triazol usado em cada caso. Foi possível ainda concluir que o impedimento estéreo das espécies envolvidas é um dos responsáveis pelo ciclo catalítico prosseguir por uma via secundária, originando uma espécie de ruténio pouco eficiente como catalisador. Este estudo foi estendido à reacção dos 4-vinil-1,2,3-triazois seleccionados com 2-butadienil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatoniquel(II); em cada caso foi possível obter uma mistura de isómeros dos derivados triazol-porfirina, geralmente em maiores rendimentos globais do que na reacção com 2-vinil-5,10,15,20-tetrafenilporfirinatozinco(II). Este facto será indicativo de que a reacção de metátase com esse derivado porfirínico segue, predominantemente, a via mais eficiente.

Aplicação da terapia fotodinâmica no processo de esterilização de sangue

A importância médica do sangue associada ao risco de doenças infeciosas levou a um melhoramento das técnicas de rastreio de patogénicos no sangue doado. No entanto, devido aos períodos de "janela", durante o qual os agentes infeciosos não podem ser detetados, a desinfeção de sangue e seus derivados assume uma importância vital. Considerando que as técnicas convencionais de desinfeção (tratamento com solvente-detergente ou irradiação com UV ou radiação gama) pode ser empregue em concentrados de plasma ou de proteínas, o efeito colateral associado aos respetivos tratamentos não permite a sua utilização em frações celulares. Consequentemente, é necessário o desenvolvimento de uma nova alternativa eficaz para inativar microrganismos em sangue. Uma boa estratégia que merece ser considerada baseia-se na terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT). aPDT envolve a interação entre a luz e um fotossensibilizador (PS) na presença de oxigénio molecular. Esta interação produz espécies reativas de oxigénio (ROS), que causam danos oxidativos às moléculas microbianas necessárias à sobrevivência do microrganismo. Em alguns países, esta metodologia já está aprovada para descontaminação de plasma, utilizando azul de metileno ou psoraleno como PSs. O objetivo deste estudo foi avaliar a adequação de de estrutura do tipo ftalocianina (Pc) e porfirina (Por) para desinfeção fotodinâmica de hemoderivados. Plasma e sangue total foram infetados com 108 unidades formadoras de colónias (CFU) / mL de Escherichia coli e após incubação com os derivados Pc e Por em estudo, expostos respetivamente a luz vermelha ou a luz branca com uma irradiância de 150 W/m2durante 270 min. As concentrações de E. coli viáveis foram determinadas a 0, 30, 60, 90, 180 e 270 min e comparadas com as obtidas nos controlos claro (amostras irradiadas na ausência de PS) e controlos escuro (amostras incubadas com PS mas não irradiadas). O efeito do tratamento aPDT nas células do sangue (glóbulos vermelhos e brancos) também foi avaliado. Os resultados obtidos mostram que, em todos os componentes do sangue, a Por em estudo é mais eficaz na inativação de E. coli que o derivado Pc. Após o tratamento aPDT, o número de células vermelhas e brancas no sangue é semelhante aos valores observados nas amostras de controlo. A eficiente inativação de células de E. coli e a ausência de efeito sobre as células de sangue transformam os derivados porfirínicos e ftalocianinas potenciais candidatos a serem utilizados com fotossensibilizadores na desinfeção fotodinâmica de produtos derivados do sangue.

Fungicidal effect of photodynamic therapy against fluconazole-resistant Candida albicans and Candida glabrata

P>Although photodynamic therapy (PDT) has shown great promise for the inactivation of Candida species, its effectiveness against azole-resistant pathogens remains poorly documented. This in vitro study describes the association of Photogem (R) (Photogem, Moscow, Russia) with LED (light emitting diode) light for the photoinactivation of fluconazole-resistant (FR) and American Type Culture Collection (ATCC) strains of Candida albicans and Candida glabrata. Suspensions of each Candida strain were treated with five Photogem (R) concentrations and exposed to four LED light fluences (14, 24, 34 or 50 min of illumination). After incubation (48 h at 37 degrees C), colonies were counted (CFU ml-1). Single-species biofilms were generated on cellulose membrane filters, treated with 25.0 mg l-1 of Photogem (R) and illuminated at 37.5 J cm-2. The biofilms were then disrupted and the viable yeast cells present were determined. Planktonic suspensions of FR strains were effectively killed after PDT. It was observed that the fungicidal effect of PDT was strain-dependent. Significant decreases in biofilm viability were observed for three strains of C. albicans and for two strains of C. glabrata. The results of this investigation demonstrated that although PDT was effective against Candida species, fluconazole-resistant strains showed reduced sensitivity to PDT. Moreover, single-species biofilms were less susceptible to PDT than their planktonic counterparts.

Photodynamic therapy associating Photogem (R) and blue LED on L929 and MDPC-23 cell culture

To evaluate the cytotoxicity of PDT (photodynamic therapy) with Photogem (R) associated to blue LED (light-emitting diode) on L929 and MDPC-23 cell cultures, 30000 cells/cm(2) were seeded in 24-well plates for 48 h, incubated with Photogem (R) (10, 25 or 50 mg/l) and irradiated with an LED source (460 +/- 3 nm; 22 mW/cm(2)) at two energy densities (25.5 or 37.5 J/cm(2)). Cell metabolism was evaluated by the MTT (methyltetrazolium) assay (Dunnet`s post hoc tests) and cell morphology by SEM (scanning electron microscopy). Flow cytometry analysed the type of PDT-induced cell death as well and estimated intracellular production of ROS (reactive oxygen species). There was a statistically significant decrease of mitochondrial activity (90% to 97%) for all Photogem (R) concentrations associated to blue LED, regardless of irradiation time. It was also demonstrated that the mitochondrial activity was not recovered after 12 or 24 h, characterizing irreversible cell damage. PDT-treated cells presented an altered morphology with ill-defined limits. In both cell lines, there was a predominance of necrotic cell death and the presence of Photogem (R) or irradiation increased the intracellular levels of ROS. PDT caused severe toxic effects in normal cell culture, characterized by the reduction of the mitochondrial activity, morphological alterations and induction of necrotic cell death.

Susceptibility of Candida albicans to photodynamic therapy in a murine model of oral candidosis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fungicidal effect of photodynamic therapy against fluconazole-resistant Candida albicans and Candida glabrata

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effect of different pre-irradiation times on curcumin-mediated photodynamic therapy against planktonic cultures and biofilms of Candida spp

Objectives: The aim of this study was to evaluate the effects of pre-irradiation time (PIT) on curcumin (Cur)-mediated photodynamic therapy (PDT) against planktonic and biofilm cultures of reference strains of Candida albicans, Candida glabrata and Candida dubliniensis. Materials and methods: Suspensions and biofilms of Candida species were maintained in contact with different concentrations of Cur for time intervals of 1, 5, 10 and 20 min before irradiation and LED (light emitting diode) activation. Additional samples were treated only with Cur, without illumination, or only with light, without Cur. Control samples received neither light nor Cur. After PDT, suspensions were plated on Sabouraud Dextrose Agar, while biofilm results were obtained using the XTT-salt reduction method. Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) observations were performed to supply a better understanding of Cur penetration through the biofilms after 5 and 20 min of contact with the cultures. Results: Different PITs showed no statistical differences in Cur-mediated PDT of Candida spp. cell suspensions. There was complete inactivation of the three Candida species with the association of 20.0 μM Cur after 5, 10 and 20 min of PIT. Biofilm cultures showed significant reduction in cell viability after PDT. In general, the three Candida species evaluated in this study suffered higher reductions in cell viability with the association of 40.0 μM Cur and 20 min of PIT. Additionally, CLSM observations showed different intensities of fluorescence emissions after 5 and 20 min of incubation. Conclusion: Photoinactivation of planktonic cultures was not PIT-dependent. PIT-dependence of the biofilm cultures differed among the species evaluated. Also, CLSM observations confirmed the need of higher time intervals for the Cur to penetrate biofilm structures. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.