biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2017-6-4-27-36bioph-202Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНАКТИВАЦИЯ ПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ В БИОПЛЕНКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДНЫХ БАКТЕРИОХЛОРИНАPHOTODYNAMIC INACTIVATION OF PATHOGENIC BACTERIA IN BIOFILMS USING NEW SYNTHETIC BACTERIOCHLORIN DERIVATIVESТигановаИ. Г.TiganovaI. G.iraida1tig@mail.ruМакароваЕ. А.MakarovaE. A.МееровичГ. А.MeerovichG. A.АлексееваН. В.AlekseevaN. V.ТолордаваЭ. Р.TolordavaE. R.ЖижимоваЮ. С.ZhizhimovaYu. S.ЛукьянецЕ. А.LukyanetsE. A.РомановаЮ. М.RomanovaYu. M.Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. почетного акад. Н.Ф. ГамалеиРоссияN.F. Gamaleya National Research Center for Epidemiology and MicrobiologyRussian FederationФГУП ГНЦ «НИОПИК»РоссияOrganic Intermediates and Dyes InstituteRussian FederationИнститут общей физики имени А.М. Прохорова РАН Национальный исследовательский ядерный университет МИФИРоссияA.M. Prokhorov General Physics Institute of Russian Academy of Sciences National research nuclear university MEPhIRussian FederationНациональный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. почетного акад. Н.Ф. Гамалеи Первый Московский Государственный Медицинский Университет им. И.М. СеченоваРоссияN.F. Gamaleya National Research Center for Epidemiology and Microbiology I.M. Sechenov First Moscow State Medical UniversityRussian Federation201721022018642736Copyright © Тиганова И.Г., Макарова Е.А., Меерович Г.А., Алексеева Н.В., Толордава Э.Р., Жижимова Ю.С., Лукьянец Е.А., Романова Ю.М., 20182018Тиганова И.Г., Макарова Е.А., Меерович Г.А., Алексеева Н.В., Толордава Э.Р., Жижимова Ю.С., Лукьянец Е.А., Романова Ю.М.Tiganova I.G., Makarova E.A., Meerovich G.A., Alekseeva N.V., Tolordava E.R., Zhizhimova Y.S., Lukyanets E.A., Romanova Y.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/202

Производные бактериохлорина, как антимикробные фотосенсибилизаторы, имеют серьезные перспективы в связи с растущей множественной антибиотикорезистентностью бактерий. В  работе было изучено in vitro влияние количества положительно заряженных заместителей и  липофильности молекулы синтетических производных бактериохлорина на эффективность фотодинамической инактивации бактерий в биопленках с целью определить  оптимальное соотношение этих параметров. Были исследованы четыре синтетических  производных бактериохлорина, синтезированные во ФГУП «ГНЦ «НИОПИК»: гидрофобный нейтральный мезо-тетра(3-пиридил)бактериохлорин (ВС1), амфифильный  тетракатионный мезо-тетра(1-ундецил-3-пиридил) бактериохлорин тетрабромид (ВС2),  гидрофильные тетракатионный мезо-тетра[1-(4'-бромбутил)-3-пиридил]бактериохлорин тетрабромид (ВС3) и октакатионный мезо-тетра[1-(4'-пиридиниобутил)-3-пиридил]бактериохлорин октабромид (ВС4). Наибольшую эффективность в фотоинактивации бактерий в биопленках показали  водорастворимые катионные производные бактериохлорина. Полную гибель бактерий в биопленках (99,999% и более) вызывали для S. aureus 15 тетракатионный ВС3, а для P. aeruginosa 32 октакатионный ВС4. В отношении грамотрицательных бактерий в биопленках  увеличение числа катионных групп у фотосенсибилизатора от 4 до 8 усиливало  бактерицидное действие. Отсутствие заряда и высокая липофильность молекулы фотосенсибилизатора оказывали негативное влияние на фотодинамическую  инактивацию бактерий в биопленках. Проведенные эксперименты показали, что одним из  механизмов бактерицидного действия фотосенсибилизаторов может быть разрушение мембран бактерий в результате фотодинамического воздействия.

Bacteriochlorins as the antimicrobial photosensitizers have a promising future in the face of the unrelenting increase in antimicrobial resistance. The goal of this study was to investigate the infl uence of lipophilicity and number of positively charged  substituents in these molecules on the photodynamic inactivation  (PDI) of biofi lm bacteria in vitro. Testing how bacteriochlorin  derivatives with different properties affect microbes will allow to  determine the optimal ratio of these parameters within a single  molecule. We have investigated 4 bacteriochlorin derivatives, all of  which were synthesized in Organic Intermediates and Dyes Institute. These were: hydrophobic neutral meso-tetra(3-pyridyl)  bacteriochlorin (ВС1), amphyphilic tetracationic meso-tetra(1- undecyl-3-pyridyl)bacteriochlorin tetrabromide (ВС2), hydrophilic  tetracationic meso-tetra[1-(4'-bromobutyl)-3-pyridyl]bacteriochlorin  tetrabromide (ВС3) and octacationic meso-tetra[1-(4'-pyridiniobutyl) -3-pyridyl]bacteriochlorin octabromide (ВС4) . The water-soluble  cationic bacteriochlorin derivatives showed the most effective PDI of  bacteria in biofi lms. While tetracationic BC3 caused total inactivation of S. aureus 15, octacationic BC4 was bactericidal for P. aeruginosa  32 to the same degree (>99.999%). Interestingly, increasing the  number of cationic substituents from 4 to 8 in bacteriochlorin  molecules enhances bactericidal action against gram-negative  bacteria in biofi lms. The lack of charge-carrying groups and high  degree of lipophilicity of PS have negative impact on PDI of biofi lm  bacteria. Bacterial membrane damage as a result of PDI can be one of the causes of cell death.

биопленки бактерийфотосенсибилизаторфотодинамическая инактивациябактериохлоринbacterial biofilmsphotosensitizerphotodynamic inactivationbacteriochlorinReferencesMalik Z., Ladan H., Nitzan Y. Photodynamic inactivation of Gramnegative bacteria: problems and possible solutions // J. Photochem. Photobiol. – 1992. – Vol. 14. – P. 262-266.Malik Z., Ladan H., Nitzan Y. Photodynamic inactivation of Gramnegative bacteria: problems and possible solutions, J. Photochem. Photobiol., 1992, Vol. 14, pp. 262-266.Simões C., Gomes M.C., Neves M.G.P.M.S., et al. Photodynamic inactivation of Escherichia coli with cationic meso-tetraarylporphyrins – The charge number and charge distribution effects // Catalysis Today. – 2016. – Vol. 266. – P. 197-204.Simões C., Gomes M.C., Neves M.G.P.M.S., Cynha Â., Tomé J.P.C., Tomé A.C., Cavaleiro J.A.S., Almedia A., Faustino M.A.F. Photodynamic inactivation of Escherichia coli with cationic meso-tetraarylporphyrins – The charge number and charge distribution effects, Catalysis Today, 2016, Vol. 266, pp. 197-204.Страховская М.Г., Антоненко Ю.Н., Пашковская А.А. и др. Электростатическое связывание замещенных металлофталоцианинов с клетками энтеробактерий: роль в фотодинамической инактивации // Биохимия. – 2009. – Т. 74, Вып. 12. – С. 1603-1614.Strakhovskaya M.G., Antonenko Yu.N., Pashkovskaya A.A., Kotova E.A., Kireev V., Zhukhovitskii V.G., Kuznetsova N.A., Yuzhakova O.A., Negrimovskii V.M., Rubin A.B. Electrostatic binding of substituted metallophthalocyanines to enterobacteria cells: role in photodynamic inactivation, Biokhimiya, 2009, Vol. 74, Is. 12, pp. 1603-1614. (in Russian)Meerovich G.А., Tiganova I.G., Makarova E.A., et al. Photodynamic inactivation of bacteria and biofilms using cationic bacteriochlorins // J. of Physics: Conference Series. – 2016. – Vol. 691. doi: 10.1088/1742-6596/691/1/012011Meerovich G.А., Tiganova I.G., Makarova E.A., Meerovich I.G., Romanova Ju.M., Tolordova E.R., Alekseeva N.V., Stepanova T.V., Koloskova Yu., Luk’anets E.A., Krivospitskaya N.V., Sipailo I.P., Baikova T.V., Lostchenov V.B., Gonchukov S.A. Photodynamic inactivation of bacteria and biofilms using cationic bacteriochlorins, J. of Physics: Conference Series, 2016, Vol. 691. doi: 10.1088/1742- 6596/691/1/012011Usacheva M.N., Teichert M.C., Biel M.A. Comparison of the methylene blue and toluidine blue photobactericidal efficacy against gram-positive and gram-negative microorganisms // Lasers Surg. Med. – 2001. – Vol. 29(2). – P. 165-173.Usacheva M.N., Teichert M.C., Biel M.A. Comparison of the methylene blue and toluidine blue photobactericidal efficacy against gram-positive and gram-negative microorganisms, Lasers Surg. Med., 2001, Vol. 29(2), pp. 165-173.Li X., Guo H., Tian Q., et al. Effects of 5-aminolevulinic acid-mediated photodynamic therapy on antibiotic-resistant staphylococcal biofilm: an in vitro study // J.Surg.Res. – 2013. – Vol. 184. – P.1013-1021.Li X., Guo H., Tian Q., Zheng G., Hu Y., Fu Y., Tan H. Effects of 5- aminolevulinic acid-mediated photodynamic therapy on antibioticresistant staphylococcal biofilm: an in vitro study, J.Surg.Res., 2013, Vol. 184, pp. 1013-1021.Wang Y., Zhou Q., Wang Y., et al. In vitro photodynamic inactivation effects of Ru(II) complexes on clinical methicillin-resistant Staphylococcus aureus planktonic and biofilm cultures // Photochem. Photobiol. – 2015. – Vol. 91. – P. 124-133.Wang Y., Zhou Q., Wang Y., Ren J., Zhao H., Wu S., Yang J., Zhen J., Luo Y., Wang X., Gu Y. In vitro photodynamic inactivation effects of Ru(II) complexes on clinical methicillin-resistant Staphylococcus aureus planktonic and biofilm cultures, Photochem. Photobiol., 2015, Vol. 91, pp. 124-133.Cieplik F., Späth A., Regensburger J., et al. Photodynamic biofilm inactivation by SAPYR – an exclusive singlet oxygen photosensitizer // Free Radical Biology and Medicine. – 2013. – Vol. 65. – P. 477-487.Cieplik F., Späth A., Regensburger J., Gollmer A., Tabenski L., Hiller K.A., Bäumler W., Maisch T., Schmalz G. Photodynamic biofilm inactivation by SAPYR – an exclusive singlet oxygen photosensitizer, Free Radical Biology and Medicine, 2013, Vol. 65, pp. 477-487.Kim H.-J., Lindsey J.S. De novo synthesis of stable tetrahydroporphyrinic heterocycles: bacteriochlorins and a tetrahydrocorrin // J Org. Chem. – 2005. – Vol. 70. – P. 5475-5486.Kim H.-J., Lindsey J.S. De novo synthesis of stable tetrahydroporphyrinic heterocycles: bacteriochlorins and a tetrahydrocorrin, J Org. Chem., 2005, Vol. 70, pp. 5475-5486.Krayer M., Ptaszek M., Kim H.J., et al. Expanded scope of synthetic bacteriochlorins via improved acid catalysis conditions and diverse dihydrodipyrrin-acetals // J Org. Chem. – 2010. – Vol. 75. – P. 1016- 1039.Krayer M., Ptaszek M., Kim H.J., Meneely K.R., Fan D., Secor K., Lindsey J.S. Expanded scope of synthetic bacteriochlorins via improved acid catalysis conditions and diverse dihydrodipyrrin-acetals, J Org. Chem., 2010, Vol. 75, pp. 1016-1039.Mass O., Lindsey J.S. A trans-AB-bacteriochlorin building block // J. Org. Chem. – 2011. – Vol. 76. – P. 9478-9487.Mass O., Lindsey J.S. A trans-AB-bacteriochlorin building block, J. Org. Chem., 2011, Vol. 76, pp. 9478-9487.Huang L., Huang Y.Y., Mroz P., et al. Stable synthetic cationic bacteriochlorins as selective antimicrobial photosensitizers // Antimicrob. Agents Chemother. – 2010. – Vol. 54. – P. 3834-3841.Huang L., Huang Y.Y., Mroz P., Tegos G.P., Zhiyentayev T., Sharma S.K., Lu Z., Balasubramanian T., Krayer M., Ruzié C., Yang E., Kee H.L., Kirmaier C., Diers J.R., Bocian D.F., Holten D., Lindsey J.S., Hamblin M.R. Stable synthetic cationic bacteriochlorins as selective antimicrobial photosensitizers, Antimicrob. Agents Chemother., 2010, Vol. 54, pp. 3834-3841.Schastak S., Gitter B., Handzel R., et al. Improved photoinactivation of gram-negative and gram-positive methicillin-resistant bacterial strains using a new near-infrared absorbing meso-tetrahydroporphyrin: a comparative study with a chlorine e6 photosensitizer Photolon // Methods Find. Exp. Clin. Pharmacol. – 2008. – Vol. 30. – P. 129-133.Schastak S., Gitter B., Handzel R., Hermann R., Wiedemann P. Improved photoinactivation of gram-negative and gram-positive methicillin-resistant bacterial strains using a new near-infrared absorbing meso-tetrahydroporphyrin: a comparative study with a chlorine e6 photosensitizer Photolon, Methods Find. Exp. Clin. Pharmacol., 2008, Vol. 30, pp. 129-133.Schastak S., Ziganshyna S., Gitter B., et al. Efficient photodynamic therapy against Gram- positive and Gram-negative bacteria using THPTS, a cationic photosensitizer excited by infrared wavelength // PLoS One. – 2010. – Vol. 5. – e11674.Schastak S., Ziganshyna S., Gitter B., Wiedemann P., Claudepierre T. Efficient photodynamic therapy against Gram-positive and Gramnegative bacteria using THPTS, a cationic photosensitizer excited by infrared wavelength, PLoS One, 2010, Vol. 5, e11674.Lee C.F., Lee C.J., Chen C.T., Huang C.T. delta-Aminolaevulinic acid mediated photodynamic antimicrobial chemotherapy on Pseudomonas aeruginosa planktonic and biofilm cultures // J Photochem Photobiol B. – 2004. – Vol. 75. – P. 21-25.Lee C.F., Lee C.J., Chen C.T., Huang C.T. delta-Aminolaevulinic acid mediated photodynamic antimicrobial chemotherapy on Pseudomonas aeruginosa planktonic and biofilm cultures, J Photochem Photobiol B, 2004, Vol. 75, pp. 21-25.Street C.N., Gibbs A., Pedigo L., et al. In vitro photodynamic eradication of Pseudomonas aeruginosa in planktonic and biofilm culture // Photochemistry and Photobiology. – 2009. – Vol. 85. – P. 137-143.Street C.N., Gibbs A., Pedigo L., Andersen D., Loebel N.G. In vitro photodynamic eradication of Pseudomonas aeruginosa in planktonic and biofilm culture, Photochemistry and Photobiology, 2009, Vol. 85, pp. 137-143.Плотникова Е.А., Лукьянец Е.А., Якубовская Р.И. Сравнительная оценка глубины проникновения светового луча в опухолевую ткань при использовании фотосенсибилизаторов хлоринового и бактериохлоринового рядов // Biomedical Photonics. - Спец. Выпуск «Материалы V Всероссийской конференции «Фотодинамическая терапия и Фотодиагностика». – 2016. – С. 12.Plotnikova E.A., Lukyanets E.A., Yakubovskaya R.I. Comparative evaluation of the light beam penetration depth into tumor tissue using chlorin and bacteriochlorin series photosensitizers, Biomedical Photonics, Sp. Is. Materialy V Vserossiiskoi konferentsii Fotodinamicheskaya terapiya i Fotodiagnostika, 2016, p. 12. (in Russian)Biofilm infections / by ed. Bjarnsholt T. – Heidelberg: Springer, 2011. – 314 p.Biofilm infections, by ed. Bjarnsholt T. Heidelberg, Springer, 2011. 314 p.Макарова Е.А., Якубовская Р.И., Ворожцов Г.Н. и др. Фотосенсибилизатор для фотодинамической терапии // Патент России № 254995. – 2013.Makarova E.A., Yakubovskaya R.I., Vorozhtsov G.N., Morozova N.B., Luk'yanets E.A., Lastovoi A.P., Plotnikova E.A. Fotosensibilizator dlya fotodinamicheskoi terapii [Photosensitizer for photodynamic therapy]. Patent RF, no 254995, 2013.Dudkin S.V., Makarova E.A., Slivka L.K., Lukyanets E.A. Synthesis and properties of tetra- and octacationic meso-tetrakis(3-pyridyl)bacteriochlorin derivatives // J. Porphyrins Phthalocyanines. – 2014. – Vol. 18. – P. 107-114.Dudkin S.V., Makarova E.A., Slivka L.K., Lukyanets E.A. Synthesis and properties of tetra- and octacationic meso-tetrakis(3-pyridyl)bacteriochlorin derivatives, J. Porphyrins Phthalocyanines, 2014, Vol. 18, pp. 107-114.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.