Photodynamische Inaktivierung von multiresistenten Bakterien durch Singulett-Sauerstoff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch das Auftreten immer neuer multiresistenter Bakterien-Isolate hat sich die Therapie bakterieller Erkrankungen zunehmend erschwert. Neben der Suche nach neuen Antibiotika ist als innovatives Verfahren die photodynamische Inaktivierung von Bakterien zu nennen. Die mittels Photosensibilisatoren (PS) und Licht erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies können somit für eine effiziente Inaktivierung von Bakterien eingesetzt werden. Eine wichtige Voraussetzung ist daher die ausreichende Aufnahme und Lokalisation von PS innerhalb von Bakterien und eine effiziente photodynamische Inaktivierung zu erzielen. Des Weiteren ist für die Anwendung von Photosensibilisatoren in der antibakteriellen Photodynamik eine wichtige Voraussetzung, dass ein therapeutisches Fenster gefunden wird, also Bedingungen, bei denen die Bakterien bereits sterben, eukaryonte Zellen jedoch noch überleben. Daher müssen die Bedingungen am Ort der Wechselwirkung zwischen Singulett-Sauerstoff und den Mikroorganismen näher betrachtet werden. Es zeigt sich, dass die Singulett-Sauerstoff-Abklingdauer im Wesentlichen vom Lösungsmittel und der Quencher-Konzentration abhängt. Wohingegen sich die Photosensibilisator-Triplett-Abklingdauer hauptsächlich nach der Sauerstoff-Konzentration am Ort des angeregten Photosensibilisators richtet. Erstmals war es möglich die Lumineszenzsignale von Photosensibilisatoren aus Bakterien unter verschiedenen Bedingungen (O2-Konzentration, Bakterienisolat) zu detektieren und auszuwerten. Dabei zeigte sich, dass der Sauerstoffverbrauch bei den Gram-positiven S. aureus-Bakterien unabhängig vom verwendeten Photosensibilisator ist, bei den Gram-negativen E. coli jedoch im Vergleich zu TMPyP ein stärkerer Sauerstoff-Verbrauch bei XF73 festgestellt werden konnte. Aus den Lumineszenzsignalen konnten die Anstiegs- und Abklingzeiten eindeutig der Photosensibilisator-T1-Abklingdauer und der Singulett-Sauerstoff-Abklingdauer zugeordnet werden. Durch die ermittelten Photosensibilisator-T1-Abklingzeiten bei Bakterien konnten die Sauerstoff-Konzentrationen in der Umgebung der verwendeten Photosensibilisatoren abgeschätzt werden und somit, ebenso wie aus den Singulett-Sauerstoff-Abklingzeiten, die Veränderungen in der Lokalisation der Photosensibilisatoren, wie sie beispielhaft in den Fluoreszenzbildern beobachtet wurden, zumindest bei Photofrin und XF73 bei Bakterien bestätigt werden. Bei den XF73-inkubierten Bakterien lag die Sauerstoff-Konzentration und die Singulett- Sauerstoff-Abklingdauer bei niedrigeren Werten als bei TMPyP-inkubierten. Diese Beobachtungen lassen sich mit einer besseren Aufnahme des Photosensibilisators XF73 gegenüber dem Referenzfarbstoffs TMPyP erklären. Auch konnte bei den Gram-positiven S. aureus-Bakterien ein höherer Sauerstoffverbrauch als bei E. coli-Bakterien beobachtet werden, so dass von einer besseren Wirksamkeit der Photosensibilisatoren bei Gram-positiven als bei Gramnegativen Bakterien ausgegangen werden kann, dies konnte durch die Phototoxizitätsexperimente bestätigt werden. Durch die im Rahmen dieses Projektes erzielten Ergebnisse ergaben sich neue Fragestellungen. So muss für weiterführende Messungen die Lokalisation der Photosensibilisatoren in Bakterien durch chemische Analysen bestimmt werden, da die Aufreinigung von Membranfraktionen mit Photosensibilisatormolekülen keinen Erfolg zeigte. Ebenso kann eine Korrelation der Phototoxizität in Abhängigkeit von der gemessenen Lumineszenz und der Menge des aufgenommenen Photosensibilisators zu einem besseren Verständnis des photodynamischen Effekts gegenüber Bakterien beitragen. Dazu kann gegebenenfalls auch die Entwicklung neuer Photosensibilisatoren notwendig sein, die sich besser an Bakterien zielgerichtet anheften oder aufgenommen werden. In weiterführenden interdisziplinären Vorhaben sollen die Zusammenhänge von molekularer Struktur eines Photosensibilisators, Phototoxizität, Applikationsform und Therapiefenster gegenüber bakteriellen Infektionen, verursacht durch die sog. ESKAPE-Erreger (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Acinetobacter baumanii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacter–Stämme), erarbeitet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“The role of singlet oxygen and oxygen depletion in photodynamic inactivation of bacteria”; 7th International Symposium on Photodynamic Therapy and Photodiagnosis in Clincal Practise, 7-11 October 2008, Brixen, Italy
Maisch T
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A new strategy to destroy antibiotic resistant microorganisms: antimicrobial photodynamic treatment. Mini Rev Med Chem. 2009 Jul;9(8):974-83
Maisch T
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Combination of 10% EDTA, Photofrin, and a blue light hand-held photopolymerizer to inactivate leading oral bacteria in dentistry in vitro. J Appl Microbiol. 2009 Nov;107(5):1569-78
Maisch T, Wagner J, Papastamou V, Nerl HJ, Hiller KA, Szeimies RM, Schmalz G
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“Killing of leading oral pathogens: using a combination of a blue light photopolymerizer, EDTA, and Photofrin”, Nr. 7380-116, International Photodynamic Association, IPA, 11-15 June 2009, Seattle, USA
Maisch T
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“Photodynamic inactivation of bacteria – the role of singlet oxygen and oxygen depletion”, Nr. 7380-111, International Photodynamic Association, IPA, Seattle, 11-15 June 2009, USA
Maisch T
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“Singlet oxygen – a predator of microorganisms”; European Society of Photobiology, 13th ESP, 5-10 September 2009, Wroclaw, Poland
Maisch T
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A helpful technology--the luminescence detection of singlet oxygen to investigate photodynamic inactivation of bacteria (PDIB). J Biophotonics. 2010 Jun;3(5-6):319-27
Regensburger J, Maisch T, Felgenträger A, Santarelli F, Bäumler W
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XF drugs: A new family of antibacterials. Drug News Perspect. 2010 Apr;23(3):167-74
Pereira Gonzales F, Maisch T
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“Photodynamic Inactivation – A new tool against the “ESKAPE” Superbugs”, 35th Meeting of the American Society of Photobiology, ASP meeting, 12-16 June 2010, Providence, RI, USA
Maisch T
