כאן אנו מציגים פרוטוקול להשבתת חיידקים פתוגניים עם מיני חמצן תגובתי המיוצרים במהלך פוטוליזה של פלווין מונונוקלאוטיד (FMN) תחת קרינת אור כחול וסגול בעוצמה נמוכה. פוטוליזה FMN הוכחה כשיטה פשוטה ובטוחה לתהליכים סניטריים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
כאן אנו מציגים פרוטוקול להשבתת חיידקים פתוגניים עם מיני חמצן תגובתי המיוצרים במהלך פוטוליזה של פלווין מונונוקלאוטיד (FMN) תחת קרינת אור כחול וסגול בעוצמה נמוכה. פוטוליזה FMN הוכחה כשיטה פשוטה ובטוחה לתהליכים סניטריים.
ריבופלבין-5'-פוספט (או פלווין מונונוקלאוטיד; FMN) רגיש לאור הנראה. תרכובות שונות, כולל מיני חמצן תגובתי (ROS), יכולות להיווצר מפוטוליזה של FMN בעת הקרנה עם אור נראה. ה-ROS שנוצר מפוטוליזה של FMN מזיק למיקרואורגניזמים, כולל חיידקים פתוגניים כגון סטפילוקוקוס אאורוס (S. aureus). מאמר זה מציג פרוטוקול להשבתת S. aureus, כדוגמה, באמצעות תגובות פוטוכימיות המערבות FMN תחת קרינת אור נראה. האניון הרדיקלי סופראוקסיד (באנגלית: Superoxide radical anion) שנוצר במהלך פוטוליזה של FMN מוערך באמצעות הפחתת טראזוליום כחול ניטרו (
NBT). הכדאיות המיקרוביאלית של S. aureus המיוחסת למינים תגובתיים
שימשה לקביעת יעילות התהליך. קצב ההשבתה של החיידקים פרופורציונלי לריכוז ה-FMN. אור סגול יעיל יותר בהשבתת S. aureus מאשר קרינת אור כחול, בעוד שהאור האדום או הירוק אינו מניע פוטוליזה של FMN. המאמר הנוכחי מדגים פוטוליזה FMN כשיטה פשוטה ובטוחה לתהליכים סניטריים.
ריבופלבין-5′-פוספט (FMN) נוצר על ידי פוספורילציה במיקום 5′-ריבופלבין של שרשרת הצד של הריביטיל ונדרש על ידי כל חלבוני הפלבופרוטאין לתהליכים תאיים רבים כדי לייצר אנרגיה. זה גם משחק את התפקיד של ויטמין עבור כמה פונקציות בגוף האדם1. FMN מסיס בערך פי 200 במים מאשר ריבופלבין2.
ההשבתה הפוטודינמית האנטי-בקטריאלית (aPDI) של חיידקים היא דרך יעילה לשלוט בעמידות לחיידקים 3,4 מכיוון שהיא אינה תלויה במצב עמידות החיידקים. מבחינה קלינית, aPDI משמש לטיפול בזיהומים ברקמות רכות על מנת להפחית זיהום של עור nosocomial עקב חיידקים עמידים מרובים 5,6,7,8,9. aPDI גם מייצר מוות תאי על ידי יצירת מיני חמצן תגובתי (ROS). ROS, כגון רדיקלים סופראוקסיד (באנגלית: ROS), כגון רדיקלים סופראוקסיד, חמצן סינגלט, רדיקלים הידרוקסיליים (
•OH) ורדיקלים פרוקסיליים, הם רדיקלים חופשיים או מולקולות המכילות חמצן תגובתי 10,11,12 והן בדרך כלל תגובתיות 13. בדומה לנזק לדנ"א שנגרם על ידי ROS, חמצון ממברנה והרס של תאי אנדותל הם גם תגובות ביוכימיות שליליות המיוחסות ל- ROS בתאים12.
השימוש ב- aPDI עבור חיידקים פתוגניים כרוך במקור אור נראה או UV כדי להשבית מיקרואורגניזמים בנוכחות תרכובות כימיות, כגון מתילתיוניניום כלוריד 14, PEI-c e6 מצומד15, פורפירין16, טיטניום דו-חמצני 17, טולוידין כחול O 18, וננו-חלקיקים של תחמוצת אבץ 19. כחול טולוידין O ומתילן כחול הם צבעי פנותיאזיניום ולכחול מתילן יש תכונות רעילות. ננו-חלקיקים של תחמוצת אבץ וקרינת UV קשורים להשפעות בריאותיות וסביבתיות שליליות. ככזה, הניצול של פוטו-סנסיטייזר אמין, מאובטח ופשוט באמצעות פוטוליזה תחת הקרנה נראית לעין ראוי למחקר נוסף.
המיקרונוטריאנט, ריבופלבין או FMN, אינו רעיל ואכן משמש לייצור מזון או להאכלה20. גם FMN וגם ריבופלבין רגישים מאוד לקרינת אור2. תחת UV 1,2,21,22,23 וקרינת אור כחול 10,24, שתי תרכובות אלה משיגות מצב נרגש. הריבופלבין המופעל או FMN המיוצר על ידי פוטוליזה מקודם למצב השלישייה שלו ו- ROS נוצרים בו זמנית 2,25. Kumar et al. דיווחו כי ריבופלבין המופעל על ידי אור UV באופן סלקטיבי גורם לפגיעה מוגברת בגואנין מואטי של דנ"א במיקרואורגניזמים פתוגניים26. תחת הקרנה על ידי אור UV, ריבופלבין המופעל פוטודינמית הוכח כמקדם את הדור של 8-OH-dG, שהוא סמן ביולוגי לעקה חמצונית, בדנ"אדו-גדילי 27. הוא דיווח כי S. aureus ו E. coli מושבתים על ידי ROS במהלך riboflavin או FMN photolysis 10,24,28. מחקר קודם של המחברים הראה כי התגובות הפוטוליטיות המערבות ריבופלבין ו- FMN מפחיתות את סגול הגביש, צבע טריארילמתאן וסוכן אנטיבקטריאלי שמייצר
, ומבטלות את רוב היכולת האנטי מיקרוביאלית של קריסטל סגול28. כאשר פלווין אדנין דינוקלאוטיד או FMN מוקרן על ידי אור כחול, ROS וכתוצאה מכך לייצר אפופטוזיס בתאי HeLa עבור הרעלתם במבחנה29. באמצעות טיפול פוטוכימי בנוכחות ריבופלבין, Cui et al. לימפוציטים מומתים על ידי עיכוב התפשטותם וייצור ציטוקינים30.
הפוטוליזה של ריבופלבין משמשת להשבתה של פתוגן הדם על ידי UV 10,24, אך מרכיבי הדם יכולים להיפגע תחת קרינת אור UV30. כמו כן, דווח כי טסיות שנחשפו ל- UV משפרות בהדרגה את הביצועים של סמני ההפעלה P-selectin ו- LIMP-CD63 על הממברנות שלהם. יש לחקור את הציטוטוקסיות של UV והקרנה בעוצמה גבוהה ופוטו-סנסיטייזר שאינו מסובך ובטוח במהלך פוטו-ריאקציה של FMN המערבת אור נראה יהיה שימושי מאוד.
אור באורכי גל קצרים יותר הוא בעל אנרגיה רבה יותר והוא נוטה הרבה יותר לגרום נזק חמור לתאים. עם זאת, בנוכחות פוטוסנסיטייזר מתאים, הקרנה עם אור סגול בעוצמה נמוכה יכולה לעכב מיקרואורגניזמים פתוגניים. לפיכך, חשוב לחקור את הרגישות לאור הפוטו-סנסיטיזציה ואת יצירתה על
ידי FMN כאשר היא מוקרנת באור סגול, על מנת לקבוע את המסלול שבו ROS מפוטוליזה של FMN מגבירה את ההשבתה של חיידקים.
בקרה אנטי-מיקרוביאלית היא בעיה נפוצה, והתפתחות של אנטיביוטיקות חדשות נמשכת לעתים קרובות עשרות שנים. לאחר הקרנה באור סגול, פוטו-אינאקטיבציה המתווכת על ידי FMN יכולה להשמיד חיידקים פתוגניים סביבתיים. מחקר זה מציג פרוטוקול אנטי-מיקרוביאלי יעיל במבחנה המשתמש באור סגול להנעת פוטוליזה של FMN ובכך יוצר
עבור aPDI. הכדאיות המיקרוביאלית של S. aureus משמשת לקביעת ההיתכנות של aPDI המושרה על ידי FMN.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. הגדרת מערכת פוטוליזה
2. ההשפעה של אורך גל האור על הפוטוליזה של FMN (איור 3)
3. שיטת הפחתת הטרזוליום הכחול של ניטרו (NBT) לזיהוי
(איור 4).
הערה: שיטת הפחתת ה- NBT המשמשת כאן שונתה מעט מהבדיקה עבור תגובת פוטו-רחיפה של ריבופלבין. שיטת הפחתת NBT משמשת להערכת רמת
הפוטוליזה של FMN. ה-FMN הנרגש מבחינה פוטוכימית מצטמצם תחילה על-ידי L-מתיונין לסמיקינון, אשר לאחר מכן תורם אלקטרון לחמצן ומוליד 31
. כפי שנוצר
מקטין NBT כדי formazan, אשר יש ספיגה אופיינית ב 560 ננומטר32.
המין (מן הספיגה ב 560 ננומטר) המיוצר על ידי התגובה הפוטוכימית, אשר מפחית NBT ומייצר formazan.4. הכדאיות של S. aureus לאחר פוטוליזה של FMN (איור 5)
5. זיהוי של
S. aureus (איור 6)
מהספיגה במהירות של 560 ננומטר.6. ניתוח סטטיסטי
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
השפעת אורך גל האור על FMN
ספקטרום הספיגה של 0.1 mM FMN המוקרן באמצעות נוריות LED כחולות, ירוקות, אדומות וסגולות מוצג באיור 3. ישנן שתי פסגות עבור FMN (372 ננומטר ו-444 ננומטר) עבור הבקרה החשוכה. לאור ירוק ואדום אין השפעה מכיוון ששינויים בספקטרום אינם משמעותיים. מצד שני, הקליטה המתאימה של FMN ב-444 ננומטר מופחתת בכ-19% ו-34%, בהתאמה, לאחר הקרנת אור כחול וסגול ב-10 W/m2 למשך 5 דקות, מה שמרמז על כך שהקרנה עם אור כחול/סגול מגבירה את הפוטוליזה של FMN.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פוטוסנסיטייזר מגביר את התגובה הפוטוכימית של תרכובות כימיות כדי ליצור ROS. מיקרואורגניזמים פתוגניים יכולים להיות מושתקים על ידי הקרנת אור בנוכחות פוטוסנסיטייזרים. מחקר זה קובע את ה- aPDI של S. aureus עקב ROS שנוצר על ידי הקרנת אור סגול של פוטוסנסיטייזר אקסוגני, FMN.
כפי שניתן לראות באיור 3, עבור FMN, הספיגה ב-444 ננומטר מופחתת באופן משמעותי לאחר 5 דקות של הקרנה באמצעות אור סגול או כחול ואין שינוי משמעותי בבליעת ה-FMN תחת הקרנה עם אור ירוק או אדום. הפחתת NB...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים על היעדר ניגוד עניינים.
המחברים מודים לד"ר טאק-ווה וונג ולמר זונג-ג'ה הסייה על תמיכתם בניסויים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| נורות LED כחולות, ירוקות ואדומות | Vita LED Technologies Co., טיינאן, טייוואן | DC 12 V 5050 | |
| דימתיל סולפוקסיד | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי | מדחום | |
| Raytek Co. סנטה קרוז, קליפורניה | MT4 | ||
| LB מרק | Difco Co., NJ | ||
| L-Methionine | Sigma-Aldrich, סנט לואיס, MO | 1.05707 | |
| NBT | Bio Basic, Inc. מרקהם, אונטריו, קנדה | ||
| ספק כוח | סין טק ושות', טאיפיי סיטי החדשה, טייוואן | YP30-3-2 | |
| ריבופלבין 5&פריים;-פוספט | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, MO | R7774 | |
| RNase | ניו אינגלנד BioLabs, Inc. איפסוויץ', MA | ||
| מד כוח סולארי | Tenmars Electronics Co., טאיפיי, טייוואן | TM-207 | |
| Staphylococcus aureus subsp. aureus Bioresource | איסוף ומחקר מרכז (BCRC), שינג'ו, טייוואן | 10451 | |
| ספקטרומטר אופטי UV-Vis | אופטיקה אוקיינוס, דנידין, פלורידה | USB4000 | |
| UV-Vis | היטאצ'י היי-טק מדע קורפוריישן, טוקיו, יפן | U-2900 | |
| סגול LED | Long-hui אלקטרונית ושות', בע"מ, דונגגוואן, סין |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.