Der Einfluss von allgegenwärtigen Ionen auf die photodynamische Inaktivierung von Bakterien (PIB)

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Bäumler; Dr. Harald Huber
• Fachliche Zuordnung: Dermatologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415812443

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die photodynamische Inaktivierung von Bakterien (PIB) ist ein Verfahren, bei dem sichtbares Licht in bestimmten Molekülen (Photosensibilisatoren) und in Anwesenheit von Sauerstoff reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. PIB konnte in vielen in vitro Studien eine sehr effiziente Inaktivierung von Bakterien unabhängig von ihrer Art und Antibiotika-Resistenz unter Beweis stellen. Erste Untersuchungen unter realen Umgebungsbedingungen hatten aber gezeigt, dass außerhalb des Labors (z.B. auf menschlicher Hautoberfläche) verschiedene Stoffe wie ubiquitäre Ionen die Effizienz von PIB erheblich vermindern können. Hier setzte das vorliegende Projekt an, welches durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde. Im ersten Arbeitspaket konnte mittels Spektroskopie gezeigt werden, dass Photosensibilisatoren wie SAPYR, Methylenblau und auch TMPyP trotz hoher Ionenkonzentrationen eine ausreichend hohe photochemische Stabilität besitzen. Bei der Erzeugung von antibakteriellen ROS spielt bei den untersuchten Photosensibilisatoren vor allem der Singulettsauerstoff eine zentrale Rolle, welcher im zweiten Arbeitspaket untersucht wurde. Das etablierte DPBF-Verfahren zeigte, dass die SAPYR, Methylenblau und TMPyP in Anwesenheit verschiedener Ionen ausreichend effizient Singulettsauerstoff erzeugten. Dessen direkter Nachweis mittels Lumineszenz stellte klar, dass die Ionen keine Quencher wie z.B. Aminosäuren darstellen. Im dritten Arbeitspaket zeigte PIB in Anwesenheit von Ionen eine hohe Effizienz gegenüber verschiedenen, bekannten Pathogenen mit bis zu 6 Log10 CFU/mL Reduktion. Bei Untersuchungen zu PIB in menschlicher Schweißlösung verursachte nur Histidin (Quencher) einen deutlichen Rückgang der PIB-Effizienz. Im vierten Arbeitspaket wurde offensichtlich, dass Porine in Bakterien eine zentrale Rolle für die Aufnahme von Photosensibilisatoren in den periplasmatischen Raum von Gramnegativen Bakterien spielen. Dies erfordert aber weitere molekularbiologische Methoden, die im Rahmen dieses Projekts zeitlich nicht mehr durchgeführt werden konnten. Da im fünften Arbeitspaket gezeigt werden konnte, dass der Chelator Citrat durch Komplexierung der wichtigsten, störenden Ionen die Effektivität der PIB deutlich steigern kann, wurde dies auch bei der Entkeimung von Haut ex vivo eingesetzt, sechstes Arbeitspaket. Das Hydrogel mit dem Photosensibilisator SAPYR konnte die Keimlast auf der Haut mit 4 - 5 Log10 CFU/mL reduzieren. Die wissenschaftlichen Untersuchungen in den Arbeitspaketen haben klar ergeben, welche Anpassungen notwendig sind, um PIB erfolgreich außerhalb von Laborbedingungen einsetzen zu können. So kann PIB mit sichtbarem Licht geringer Intensität in kurzer Zeit sowie einer moderaten Photosensibilisator-Konzentration eine sehr effiziente Inaktivierung von Pathogenen wie S. aureus und P. aeruginosa auf der Haut ex vivo ermöglichen. Die Keimreduktion durch PIB ist dabei besser als bei den meisten Standard Desinfektionsmitteln.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• First Report on Photodynamic Inactivation of Archaea Including a Novel Method for High‐Throughput Reduction Measurement. Photochemistry and Photobiology, 96(4), 883-889.
  Eckl, Daniel B.; Huber, Harald & Bäumler, Wolfgang
  
• The role of ions in photodynamic inactivation, Poster, VAAM 2020, Leipzig
  D. B. Eckl, L. Schottenhaml, V. Mildenberger, S. Eben, A. Eichner R. Vashold, W. Bäumler & H. Huber
  
• Antimicrobial coatings for environmental surfaces in hospitals: a potential new pillar for prevention strategies in hygiene. Critical Reviews in Microbiology, 48(5), 531-564.
  Bäumler, Wolfgang; Eckl, Daniel; Holzmann, Thomas & Schneider-Brachert, Wulf
  
• Decolonisation of human skin by application of a photodynamically active hydrogel, ePoster, DGHM 2021, Berlin
  D. B. Eckl, A. K. Hoffmann, N. Landgraf, A. Eichner, H. Huber & W. Bäumler
  
• Decolonisation of human skin by application of a photodynamically active hydrogel, Poster, ESP 2021, Salzburg
  D. B. Eckl, A. K. Hoffmann, N. Landgraf, A. Eichner, H. Huber & W. Bäumler
  
• Decolonisation of human skin by application of a photodynamically active hydrogel, Präsentation, ICPIC 2021, Genf
  D. B. Eckl, A. K. Hoffmann, N. Landgraf, A. Eichner, H. Huber & W. Bäumler
  
• Interplay of phosphate and carbonate ions with flavin photosensitizers in photodynamic inactivation of bacteria. PLOS ONE, 16(6), e0253212.
  Eckl, Daniel Bernhard; Eben, Stefanie Susanne; Schottenhaml, Laura; Eichner, Anja; Vasold, Rudolf; Späth, Andreas; Bäumler, Wolfgang & Huber, Harald
  
• Antimicrobial Photodynamic Coatings Reduce the Microbial Burden on Environmental Surfaces in Public Transportation—A Field Study in Buses. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(4), 2325.
  Kalb, Larissa; Bäßler, Pauline; Schneider-Brachert, Wulf & Eckl, Daniel Bernhard
  
• Inhibitory effects of calcium or magnesium ions on PDI. Journal of Photochemistry and Photobiology, 11, 100122.
  Eckl, Daniel Bernhard; Landgraf, Nicole; Hoffmann, Anja Karen; Schottenhaml, Laura; Dirscherl, Julia; Weber, Nina; Eben, Stefanie Susanne; Bäßler, Pauline; Eichner, Anja; Huber, Harald & Bäumler, Wolfgang
  
• Photodynamic Inactivation of Bacteria in Ionic Environments Using the Photosensitizer SAPYR and the Chelator Citrate†. Photochemistry and Photobiology, 99(2), 716-731.
  Eckl, Daniel B.; Landgraf, Nicole; Hoffmann, Anja K.; Eichner, Anja; Huber, Harald & Bäumler, Wolfgang
  
• Photodynamic inactivation of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes inoculated onto stainless steel or polyurethane surfaces. Food Microbiology, 110, 104174.
  Kalb, Larissa; Eckl, Daniel; Eichner, Anja; Muranyi, Peter & Bäumler, Wolfgang