Durchflusszytometrische Untersuchungen zum Schadensmuster der antimikrobiellen photodynamischen Therapie mit Phenalen-1-on-basierten Photosensibilisatoren gegenüber Biofilmen in vitro

• Antragsteller: Professor Dr. Fabian Cieplik
• Fachliche Zuordnung: Zahnheilkunde; Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318538862

Angesichts der zunehmenden Verbreitung resistenter Mikroorganismen sollte in der Zahnmedizin, wo üblicherweise keine lebensbedrohlichen Infektionen behandelt werden müssen, die Anwendung konventioneller Antibiotika und Antiseptika weitest möglich eingeschränkt und Forschung zu alternativen antimikrobiellen Verfahren befördert werden.Ein alternatives antimikrobielles Verfahren stellt die antimikrobielle photodynamische Therapie (aPDT) dar. Die aPDT beruht auf der Inkubation von Bakterien mit einem per se nicht toxischen Farbstoff (Photosensibilisator; PS) und nachfolgender Bestrahlung mit sichtbarem Licht geeigneter Wellenlänge in Anwesenheit von molekularem Sauerstoff. Durch die Entstehung von reaktiven Sauerstoff-Spezies oder Singulettsauerstoff während der Bestrahlung werden bakterielle Strukturen nicht-selektiv oxidativ zerstört. Hierbei erscheinen vor allem PS auf Basis einer Phenalen-1-on-Struktur wegen ihrer hohen Singulettsauerstoff-Quantenausbeute und daraus folgenden hohen antimikrobiellen Effektivität vorteilhaft. Allerdings ist der Schadensmechanismus hier noch weitgehend ungeklärt. Zunächst wurde davon ausgegangen, dass die bakterielle Zytoplasmamembran die Zielstruktur darstellen würden, was aber im Rahmen des vorangegangenen DFG-Projekts des Antragstellers widerlegt werden konnte. Genaue Kenntnisse über Wirkmechanismus und Zielstrukturen eines antimikrobiellen Verfahrens sind aber von entscheidender Bedeutung, um dieses Verfahren optimieren und das Risiko einer Resistenzentwicklung abschätzen zu können.Daher ist es das Ziel dieses Antrags, die durch aPDT mit Phenalen-1-on- PS an in Biofilmen organisierten Bakterien hervorgerufenen Schadensmuster anhand verschiedener Vitalparameter mittels multi-parameter Durchflusszytometrie zu untersuchen. Hierzu sollen zunächst geeignete Inaktivierungsbedingungen für die aPDT mit zwei Phenalen-1-on-Derivaten gegenüber Monospezies-Biofilmen der Modellorganismen Actinomyces naeslundii und Escherichia coli evaluiert werden. Anschließend soll die Methode der Durchflusszytometrie mit diversen Fluoreszenzfarbstoffen etabliert werden, um nach aPDT-Behandlung folgende Vitalparameter auf der Einzelzellebene evaluieren zu können: Membranintegrität, Membranpotenzial, Stoffwechselaktivität sowie das Level an intrazellulären ROS. Zudem sollen die durch aPDT vermittelten Schäden mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie visualisiert werden. Zusätzlich soll die Zytotoxizität der aPDT mit beiden PS gegenüber parodontalen Ligament (PDL)-Zellen untersucht werden.Diese Erkenntnisse stellen die Grundlage für eine zukünftige klinische Anwendung sowie für eine Weiterentwicklung dieser PS dar. Zudem kann die hier entwickelte Methode der Durchflusszytometrie auch auf andere antimikrobielle Verfahren angewendet werden, um deren Schadensmuster evaluieren zu können, und ist somit für Fragestellungen aus der gesamten Humanmedizin und darüber hinaus interessant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen