インドシアニングリーンを装填したSPIONを用いた近赤外照射下での広スペクトル抗菌性光力学療法および光熱療法の実現

Broad spectrum antibacterial photodynamic and photothermal therapy achieved with indocyanine green loaded SPIONs under near infrared irradiation.

• K Bilici
• N Atac
• A Muti
• I Baylam
• O Dogan
• A Sennaroglu
• F Can
• H Yagci Acar

抄録

抗菌光力学療法（aPDT）および抗菌光熱療法（aPTT）は、抗生物質耐性細菌感染症やバイオフィルムに対する局所的かつ効果的な代替療法として有望視されています。ナノ粒子と有機光増感剤の組み合わせは、プランクトン性細菌とそのバイオフィルムの両方を効果的に根絶するためにPDTとPTTを組み合わせる大きな機会を提供しています。本研究では、インドシアニングリーン（ICG）、3-アミノプロピルシラン被覆超常磁性酸化鉄ナノ粒子（APTMS@SPIONs）、およびICGを担持したAPTMS@SPIONsの光誘起抗菌活性を、プランクトン細胞およびグラム陰性菌（大腸菌、肺炎菌、緑膿菌）およびグラム陽性菌（表皮菌）のバイオフィルムを対象に評価した。本研究では、比較的低用量のICG（25μg mL-1）とSPIONs（0.425μg mL-1ナノ粒子）を、1150mWのパワーで808nmの単回短時間（10分）のレーザー照射と組み合わせて使用した。レーザー照射による薬剤の暗毒性や抗菌効果は観察されなかった。粒子の電荷は、グラム陰性対グラム陽性細菌株またはそのバイオフィルムへの浸透性に有意な差を与えなかった。APTMS@SPION/レーザー処理は、P. aeruginosaを完全に除去し、大腸菌のコロニー形成単位（CFU）を7log減少させたが、他の2つの細菌には効果がなかった。これは、このナノ粒子の抗菌性光毒性の最初の例である。ICG/レーザーおよびICG-APTMS@SPION/レーザー処理は、すべてのプランクトン細胞の完全な殺傷を提供した。ICG/レーザー処理（CFUの3.2-3.7 log減少）またはICG-APTMS@SPION/レーザー処理（CFUの3.3-4.4 log減少）では、すべてのバイオフィルムの根絶に成功した。しかし，ICG-APTMS@SPION/レーザー処理を行ったK. pneumoniaeバイオフィルムでは，ICGとICG/APTMS@SPION処理の間に劇的な差が見られただけでなく，6.5log減少という例外的に高い減少率が観察された．光治療を受けたバイオフィルムの活性酸素の産生と局所温度の上昇を調べたところ、光毒性のメカニズムとして aPTT と aPDT の組み合わせが示唆され、ICG-APTMS@SPION/レーザーを用いた場合には相乗効果を示すことがわかった。このアプローチは、低用量でFDA承認の光学的に追跡可能なICGと比較的低コストで臨床的に許容される酸化鉄ナノ粒子の抗菌・抗生物質活性をうまく利用して、近赤外波長での短時間レーザー照射によって誘導される効果的なaPDT/aPTTの組み合わせを可能にすることで、薬剤耐性感染症との戦いにおいて刺激的で新しい道筋を切り開くものである。

Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) and antimicrobial photothermal therapy (aPTT) are promising local and effective alternative therapies for antibiotic resistant bacterial infections and biofilms. A combination of nanoparticles and organic photosensitizers offers a great opportunity to combine PDT and PTT for effective eradication of both planktonic bacteria and their biofilms. In this work, photo-induced antibacterial activity of indocyanine green (ICG), 3-aminopropylsilane coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (APTMS@SPIONs) and ICG loaded APTMS@SPIONs was evaluated on planktonic cells and biofilms of Gram-negative (E. coli, K. pneumoniae, P. aeruginosa) and Gram-positive (S. epidermis) bacteria. A relatively low dose of ICG (25 μg mL-1) and SPIONs (0.425 μg mL-1 nanoparticle) in combination with single, short (10 min) laser irradiation at 808 nm with a power of 1150 mW was used in this study. No dark toxicity of the agents or antibacterial effect of the laser irradiation was observed. The charge of the particles did not provide a significant difference in their penetration to Gram-negative versus Gram-positive bacterial strains or their biofilms. APTMS@SPION/laser treatment completely eliminated P. aeruginosa and provided 7-log reduction in the colony forming unit (CFU) of E. Coli, but was not effective on the other two bacteria. This is the first example for antibacterial phototoxicity of this nanoparticle. ICG/laser and ICG-APTMS@SPION/laser treatments provided complete killing of all planktonic cells. Successful eradication of all biofilms was achieved with ICG/laser (3.2-3.7 log reduction in CFUs) or ICG-APTMS@SPION/laser treatment (3.3-4.4 log reduction in CFUs). However, an exceptionally high, 6.5-log reduction as well as a dramatic difference between ICG versus ICG/APTMS@SPION treatment was observed in K. pneumoniae biofilms with ICG-APTMS@SPION/laser treatment. Investigation of the ROS production and increase in the local temperature of the biofilms that were subjected to phototherapy suggested a combination of aPTT and aPDT mechanisms for phototoxicity, exhibiting a synergistic effect when ICG-APTMS@SPION/laser was used. This approach opens an exciting and novel avenue in the fight against drug resistant infections by successfully utilizing the antimicrobial and antibiofilm activity of low dose FDA approved optically traceable ICG and relatively low cost clinically acceptable iron oxide nanoparticles to enable effective aPDT/aPTT combination, induced via short-duration laser irradiation at a near-infrared wavelength.