Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth / Fotoemissores de luz azul e vermelha como abordagem para inibir o crescimento de Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa

The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm2, 13.19 mW/cm2 and 603.44 J/cm2, 27.93 mW/cm2 respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha (470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azul e vermelha foram 284,90 J/cm2, 13,19 mW/cm2 e 603,44 J/cm2, 27,93 mW/cm2, respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após 24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth / Fotoemissores de luz azul e vermelha como abordagem para inibir o crescimento de Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa

The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm², 13.19 mW/cm² and 603.44 J/cm², 27.93 mW/cm² respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha(470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azule vermelha foram 284,90 J/cm², 13,19 mW/cm² e 603,44 J/cm², 27,93 mW/cm², respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth

Abstract The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm2, 13.19 mW/cm2 and 603.44 J/cm2, 27.93 mW/cm2 respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

Resumo A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha (470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azul e vermelha foram 284,90 J/cm2, 13,19 mW/cm2 e 603,44 J/cm2, 27,93 mW/cm2, respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após 24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Antimicrobial photodynamic inactivation mediated by methylene blue: Analysis of inactivation kinetics and biochemical mechanisms / Inativação fotodinâmica antimicrobiana mediada por azul de metileno: Análises de cinética de inativação e mecanismos bioquímicos

The widespread use of antimicrobial chemotherapy in medicine and livestock production imposed an evolutive selection of drug-resistant strains worldwide. As a result, the effectiveness of our current antimicrobial armamentarium is constantly being reduced to alarming levels. Therefore, novel antimicrobial therapeutic strategies are urgently needed. Antimicrobial photodynamic therapy (APDT) comes to this scenario as a powerful tool to counteract the emergence of microbial drug-resistance. Its mechanisms of action are based on simultaneous oxidative damage of multiple targets and, therefore, it is much less likely to allow any type of microbial resistance. Therefore, the objectives of this study were focused into establishing 1) a mathematical tool to allow precise analysis of microbial photoinactivation; 2) a broad analysis of APDT effectiveness against global priority drug-resistant pathogens; 3) inhibition of ßlactamase enzymes; and 4) how the biochemical mechanisms of APDT avoid emergence of resistance. The main results obtained through the investigation led by this thesis were divided into 4 scientific articles regarding each of the above-mentioned objectives. In summary, we discovered that 1) a power-law function can precisely fit all microbial inactivation kinetics data and provide insightful information of tolerance factors and lethal doses; 2) there is no correlation between drug-resistance and APDT sensitivity, i.e., extensively drug resistant microorganisms are killed in the same kinetics as drug-sensitive controls; 3) ß-lactamases are very sensitive to photodynamic inhibition; 4) biochemical mechanisms of APDT promote oxidative damages to external cell membranes, DNA and proteins whereas the main cause of microbial death seems to be directly associated with protein degradation. Thus, we conclude that APDT is effective against a broad-spectrum of pathogens and has minimum chances of promoting resistance mechanisms

O amplo uso da quimioterapia antimicrobiana impôs uma seleção evolutiva de cepas resistentes a medicamentos. Como resultado, a eficácia dos fármacos antimicrobianos tem sido reduzida a níveis alarmantes. Portanto, novas estratégias terapêuticas antimicrobianas são urgentemente necessárias. A terapia fotodinâmica antimicrobiana (TFDA) entra neste cenário como uma ferramenta poderosa para combater a resistência microbiana. Seus mecanismos de ação são baseados no dano oxidativo sobre múltiplos alvos e, portanto, é muito menos provável que permita o surgimento de qualquer tipo de resistência. Os objetivos deste estudo foram focados ao estabelecimento de 1) modelo matemático para análise precisa da fotoinativação microbiana; 2) ampla análise da eficácia da TFDA contra patógenos resistentes a fármacos antimicrobianos de prioridade global; 3) inibição de ß-lactamases por TFDA; e 4) como os mecanismos bioquímicos da TFDA evitam o surgimento de resistência. Os principais resultados obtidos através da investigação conduzida por esta tese foram divididos em 4 artigos científicos. Em resumo, descobrimos que 1) uma função de lei de potência pode ajustar com precisão todos os dados de cinética de inativação microbiana e fornecer informações detalhadas sobre fatores de tolerância e doses letais; 2) não há correlação entre resistência à quimioterapia antimicrobiana e sensibilidade à TFDA, isto é, cepas extensivamente resistentes aos antimicrobianos são inativadas sob a mesma cinética que controles sensíveis aos antimicrobianos; 3) ß-lactamases são altamente sensíveis à inibição fotodinâmica; 4) os mecanismos bioquímicos da TFDA promovem danos oxidativos às membranas celulares e DNA, porém, a principal causa de morte microbiana é diretamente associada à degradação das proteínas. Assim, concluímos que a TFDA é eficaz contra um amplo espectro de patógenos e tem chances mínimas de promover mecanismos de resistência