The impact of ubiquitous ions on the photodynamic inactivation of bacteria (PIB)

• Applicants: Professor Dr. Wolfgang Bäumler; Dr. Harald Huber
• Subject Area: Dermatology
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 415812443

Pathogene Bakterien werden zunehmend unempfindlicher gegenüber antibiotischen oder antiseptischen Substanzen. Zu den häufigsten Infektionen weltweit gehören bakterielle Hautinfektionen. Diese werden zunehmend von Bakterien mit einer Resistenz oder zumindest einer Toleranz gegenüber Substanzen wie Triclosan, Chlorhexidin, Fusidinsäure, Mupirocin oder sogar Alkohole verursacht.In den letzten Jahren wurden daher Anstrengungen unternommen, neue Technologien im Kampf gegen diese Bakterien zu entwickeln. Dazu gehören die Anwendung des kalten Plasmas, Endolysine und auch die photodynamische Inaktivierung von Bakterien PIB.PIB ist ein effizientes, antibakterielles Verfahren, das vor allem den hochreaktiven Singulett Sauerstoff mittels sichtbarem Licht und Farbstoffen (kationische Photosensibilisatoren) erzeugt. Singulett Sauerstoff zerstört sehr schnell und effizient Bakterien auf oxidativem Wege, unabhängig von deren Typ und Resistenzen gegenüber Antibiotika. Allerdings zeigen erste Hinweise aus der Literatur sowie die Resultate eigener Vorversuche, dass der photodynamische Mechanismus durch die Anwesenheit von bestimmten Ionen erheblich gestört werden kann. Diese Ionen sind in den potentiellen Anwendungsgebieten, insbesondere auch auf der Hautoberfläche omnipräsent und stellen somit ein Hindernis für den Einsatz der Photodynamik dar. Daher ist es das Ziel des Projekts, den inhibitorischen Ioneneinfluss zu untersuchen und Lösungen aufzuzeigen.Zum Einsatz kommen Photosensibilisatoren aus vier verschiedenen Farbstoffklassen sowie die Ionen, wie sie in wässrigen Milieus oder auf menschlicher Haut vorkommen. Mittels spektroskopischer Methoden wird zunächst ein möglicher Einfluss von Ionen auf die photochemische und photophysikalische Stabilität der Photosensibilisatoren in Lösungen erforscht. Anschließend wird die antibakterielle Effizienz der Photodynamik in Gegenwart von Ionen quantifiziert. Bei Gram-negativen Bakterien könnte der Aufnahme von Photosensibilisatoren durch Porine eine besondere Bedeutung zukommen. Dies wird durch eine Variation der Porindichte am Beispiel des E. coli untersucht. Danach wird erforscht, ob und welche Komplexbildner die störenden Ioneneinflüsse kompensieren können. Nach einer Inokulation von Hautoberflächen mit Bakterien ex vivo, soll der Einfluss von dort natürlich vorkommenden Ionen auf die Photodynamik untersucht werden. Gleichzeitig soll die photodynamisch behandelte Haut mittels Histologie auf eventuelle zelluläre Schäden überprüft werden. Im letzten Schritt wird eine mögliche Stressadaptionen von Bakterien sowie eine Entwicklung von Toleranzen gegenüber der Photodynamik untersucht.Die Ergebnisse des Projekts liefern die Basis für eine zukünftige klinische Studie am Menschen, zunächst für die Dekolonisierung der Haut, später auch für die Behandlung von bakteriellen Hautinfektionen.

• DFG Programme: Research Grants