Investigating the combinatory effect of dual photosensitizers ıncorporated mesoporous silica nanoparticles and photodynamic therapy for biofilm eradication = İkili fotosensitizan i̇çeren mezogözenekli silika nanopartiküller ve fotodinamik terapinin biyofilmin yok edilmesinde kombine etkisinin araştırılması

ÖZETBakteriyel enfeksiyonların insan sağlığı üzerinde büyük etkisi vardır, hastalıklara neden olarak insan hayatını tehdit ederler. Bu sorunun ciddiyeti, ilaca dirençli bakteri suşlarının büyümesi ve yayılmasıyla artmıştır. Bakteriyel kaynaklı enfeksiyonların tedavisinde en sık kullanılan yöntem antibiyotik tedavisidir. Bu nedenle bakteriler, bir savunma mekanizması olarak antibakteriyel ilaçlara karşı direnç kazanırlar. Yanlış antibiyotik kullanımı enfeksiyonların tedavisini zorlaştırır. Yanlış tedavi, enfeksiyon bölgesinde bulunan bakterilerin biyofilm oluşturmasına neden olur. Biyofilmler, yüzeye yapışarak büyüyen bakteri kolonileridir. Kendi ürettikleri polisakkarit, protein, lipit ve DNA'dan oluşan hücre dışı polimerik matris içerisinde gömülü olarak bulunurlar. Bu matris, biyofilmin içindeki bakteriler için bir kalkan görevi görür ve onları konak hücrelerin immün yanıtından ve antibakteriyel ajanların penetrasyonundan korur. Fotodinamik tedavi (FDT), son yıllarda gelecek vaat eden antibakteriyel tedavi yöntemlerinden biridir. PDT'nin mekanizması, ışık enerjisinin dönüştürülmesiyle reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimine dayanır. ROS, hücre zarına saldıran ve hücre yıkımına neden olan toksik moleküllerdir. Nanoteknoloji, terapinin etkinliğini artırmak için fotodinamik uygulama alanında sıklıkla kullanılmaktadır. Nanopartiküller nanotıpta farklı amaçlar için kullanılabilir. Özellikle mezogözenekli silika nanopartiküller (MSN), ayarlanabilir tasarım özelliklerine sahip bir ilaç dağıtım sistemi olarak antibakteriyel uygulamalar için umut vaat etmektedir. vi Bu çalışmada, bakteriyel enfeksiyonu taklit etmek için biyofilm oluşumunda E. coli ATCC 25922 bakteri suşu kullanılmıştır. Antibakteriyel PDT uygulaması için Ce6 ve ICG ışığa duyarlılaştırıcıları (PS) içeren bir MSN tasarımı geliştirilmiştir. Biyofilm numuneleri, 400, 800 ve 1600 μg/ml konsantrasyonlarda Ce6-MSN @ PPI-ICG nanopartikülleri ile işleme tabi tutulmuştur. PDT uygulaması, 120 J/cm2 enerji yoğunluğuna sahip 655 nm diyot lazer ve 240 J/cm2 ile 808 nm diyot lazerin 706 saniye süreyle aynı anda uygulanmasıyla gerçekleştirilmiştir. Uygulamadan sonra bakteri hücre sayısında optimal parametrelerle önemli bir logaritmik azalma gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre PDT'nin bakteriyel enfeksiyonlar için alternatif bir tedavi tekniği olabileceği gösterilmiştir. Ayrıca PDT'nin etkisini göstermek için SEM görüntüleme, Safranin O boyama, ROS ve MDA analizleri yapılmıştır. ROS analizi, Safranin O boyama ve SEM görüntülemenin sonuçları PDT'nin antibakteriyel etkisini desteklemiştir.ABSTRACTBacterial infections have a major effect on human health, they threaten human life by causing diseases. The severity of this problem has escalated by the growth and spread of drug-resistant bacterial strains. Antibiotic treatment is the most frequently used method for the treatment of bacterial caused inflammations. Because of that reason bacteria gain resistance against antibacterial drugs as a defense mechanism. Improper usage of antibiotics makes infections harder to treat. Inaccurate treatment prompts bacteria found in the infection site to biofilm formation. Biofilms are bacterial colonies that grow adhered to the surface. They are found to be embedded in a self-produced extracellular polymeric substance (EPS) matrix composed of polysaccharides, protein, lipids, and DNA. This matrix acts as a shield for the bacteria inside the biofilm and protects them against the host cellular immune response and the penetration of the antibacterial agents. Photodynamic therapy (PDT) is one of the promising antibacterial treatment methods in recent years. The mechanism of PDT is based on the production of reactive oxygen species (ROS) by the conversion of light energy. ROS are toxic molecules that attack the cellular membrane and cause cell destruction. Nanotechnology is frequently used in the field of photodynamic applications to increase the efficiency of the therapy. Nanoparticles can be used for different purposes in nanomedicine. Especially, mesoporous silica nanoparticles (MSN) promise hope for antibacterial applications as a drug delivery system with adjustable design properties. iv In this study, E. coli ATCC 25922 bacterial strain has been used for biofilm formation to mimic bacterial infection. For antibacterial PDT application, MSN design with Ce6 and ICG photosensitizers (PS) incorporation was developed. Biofilm samples were treated at different concentrations of designed nanoparticles abbreviated as Ce6-MSN@PPI-ICG nanoparticles. Biofilm samples were treated with 400, 800, and 1600 μg/ml concentrations of the Ce6-MSN@PPI-ICG nanoparticles. PDT application was performed by simultaneous application of the 655 nm diode laser with 120 J/cm2 energy density and 808 nm diode laser with 240 J/cm2 for 706 seconds. After the application, a significant logarithmic reduction in the bacterial cell count was observed with the optimal parameters. According to the results, it was demonstrated that PDT can be an alternative treatment technique for bacterial infections. Additionally, to demonstrate the effect of PDT, SEM imaging, Safranin O staining, ROS, and MDA analyses have been performed. The results of ROS analysis, Safranin O staining, and SEM imaging have supported the antibacterial effect of the PDT.