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Research Article
Ewerton Garcia de Oliveira Mima1, Ana Cláudia Pavarina1, Cláudia Carolina Jordão1, Sâmmea Martins Vieira2, Lívia Nordi Dovigo2
1Department of Dental Materials and Prosthodontics, School of Dentistry, Araraquara,São Paulo State University (UNESP), 2Department of Social Dentistry, School of Dentistry, Araraquara,São Paulo State University (UNESP)
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo descrive l'applicazione della terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT) in un modello murino di candidosi orale. L'aPDT è stata eseguita utilizzando una miscela solubile in acqua di curcuminoidi e luce LED blu.
La terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT) è stata ampiamente studiata in vitro e i modelli animali preclinici di infezioni sono adatti per valutare trattamenti alternativi prima degli studi clinici. Questo studio descrive l'efficacia dell'aPDT in un modello murino di candidosi orale. Quaranta topi sono stati immunosoppressi con iniezioni sottocutanee di prednisolone e le loro lingue sono state inoculate utilizzando un tampone orale precedentemente imbevuto di una sospensione cellulare di C. albicans . La tetraciclina è stata somministrata tramite acqua potabile nel corso dell'esperimento. Cinque giorni dopo l'inoculazione fungina, i topi sono stati distribuiti in modo casuale in otto gruppi; Un nono gruppo di topi non infetti non trattati è stato incluso come controllo negativo (n = 5). Tre concentrazioni (20 μM, 40 μM e 80 μM) di una miscela di curcuminoidi sono state testate con una luce LED blu (89,2 mW/cm2; ~ 455 nm) e senza luce (gruppi C + L+ e C + L-, rispettivamente). Solo luce (C-L+), nessun trattamento (C-L-) e animali senza infezione sono stati valutati come controlli. I dati sono stati analizzati utilizzando i test ANOVA e Games-Howell di Welch (α = 0,05). La candidosi orale è stata stabilita in tutti gli animali infetti e visualizzata macroscopicamente attraverso la presenza di caratteristiche macchie bianche o pseudomembrane sul dorso delle lingue. Le sezioni istopatologiche hanno confermato una grande presenza di lievito e filamenti limitati allo strato cheratinizzato dell'epitelio nel gruppo C-L-, e la presenza di cellule fungine è risultata visivamente diminuita nelle immagini ottenute da topi sottoposti ad aPDT con curcuminoidi da 40 μM o 80 μM. L'aPDT mediata da 80 μM curcuminoidi ha promosso una riduzione di 2,47 log10 del numero di colonie rispetto a quelle del gruppo C-L- (p = 0,008). Tutti gli altri gruppi non hanno mostrato una riduzione statisticamente significativa del numero di colonie, compresi i gruppi fotosensibilizzanti (C+L-) o da soli (C-L+). L'aPDT mediata dai curcuminoidi ha ridotto il carico fungino dalle lingue dei topi.
La candidosi orale (OC) è la principale infezione fungina del cavo orale; è causata dalla crescita eccessiva di Candida spp. I fattori predisponenti all'OC includono la disfunzione endocrina, l'uso di antibiotici ad ampio spettro, la radioterapia e la chemioterapia, le carenze nutrizionali, la xerostomia (basso flusso salivare), l'uso di protesi, la scarsa igiene e, soprattutto, l'immunosoppressione1. Tra le specie di Candida , la Candida albicans è la più diffusa e virulenta; Si trova come specie commensale nel corpo umano e come patogeno opportunista. C. albicans ha la capacità di cambiare la sua morfologia da lieviti commensali (blastopori) a filamenti patogeni (ife e pseudoife)2. Le forme filamentose, in particolare le ife, possono invadere l'epitelio ospite per endocitosi o penetrazione attiva, causando infezione3. Altri fattori di virulenza di C. albicans includono l'adesione, la formazione di biofilm e la secrezione di enzimi e tossine lipolitiche e idrolitiche, come lipasi, fosfolipasi, proteinasi e candidalisina4.
I trattamenti OC prevedono l'uso di agenti antimicotici, in particolare polieni e azoli topici (nistatina e miconazolo)5. Tuttavia, mostrano solo un'efficacia a breve termine e le recidive sono frequenti. Inoltre, l'uso eccessivo di antimicotici ha dato origine al problema dello sviluppo e della diffusione della resistenza antifungina6. Pertanto, sono necessarie terapie alternative, come la terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT), che combina un fotosensibilizzante (PS) e la luce a una lunghezza d'onda appropriata (la stessa di quella dell'assorbimento del PS) in presenza di ossigeno. I PS sono legati o assorbiti dalle cellule e, quando attivati dalla luce, producono specie reattive dell'ossigeno (ROS) che sono tossiche per le cellule sensibilizzate7.
Nell'aPDT, uno dei fotosensibilizzanti (PS) impiegati è la curcumina (CUR), un composto naturale estratto dai rizomi della pianta di curcuma (Curcuma longa L.). La curcumina possiede numerosi attributi terapeutici, tra cui capacità antinfiammatorie, antiossidanti, antitumorali e antimicrobiche 8,9. Un'indagine precedente ha rilevato che l'aPDT che utilizza CUR ha diminuito efficacemente C. albicans in un modello murino di candidosi orale senza causare alcun danno ai tessuti dell'ospite10. Il CUR è il principale curcuminoide estratto dalla curcuma, ma in questa pianta si trovano anche altri polifenoli, come la demetossicurcumina e la bis-demetossicurcumina. L'aPDT mediata da curcuminoidi ha dimostrato attività antibatterica contro i biofilm di Staphylococcus aureus cresciuti in cateteri11. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, la sua attività antimicotica contro C. albicans rimane poco chiara. Pertanto, in questo studio, abbiamo valutato l'aPDT mediata da un sale curcuminoide contro C. albicans in un modello murino di OC.
Il protocollo di ricerca per l'uso dei topi è stato approvato dal Comitato Etico per l'Uso Animale (casi numeri 05/2008 e 09/2020) presso la Scuola di Odontoiatria, Araraquara, UNESP. C. albicans (ATCC 90028) è stato utilizzato come ceppo di riferimento. Per il presente studio sono stati utilizzati topi svizzeri femmine di sei settimane (n = 45), con un intervallo di massa corporea di 20-30 g. Gli animali sono stati forniti dall'Università Statale di San Paolo, UNESP, Botucatu.
1. Preparazione del PS e selezione della sorgente luminosa per aPDT
2. Preparazione dell'inoculo di C. albicans
3. Induzione di OC nei topi
NOTA: La seguente metodologia è stata precedentemente descritta da Takakura et al.13 e riprodotta dal nostro gruppo10,14, con alcune modifiche.
4. Terapia fotodinamica antimicrobica e recupero di C. albicans da lesioni orali
5. Analisi istopatologiche
Il modello murino di OC ha mostrato tipiche macchie bianche e pseudomembrane sulla lingua di tutti i topi infetti (Figura 4A). C. albicans recuperati da animali C-L- hanno confermato la colonizzazione tissutale da parte di questo microrganismo (valori compresi tra 1,62 x 104 e 4,80 x 105 CFU/mL). Come previsto, gli animali del gruppo NCtr non hanno mostrato alcuna alterazione tissutale o crescita di colonie dopo il campionamento (Figura 4B).
L'aPDT ha diminuito la vitalità di C. albicans quando i curcuminoidi sono stati utilizzati a 80 μM per la fotosensibilizzazione (Figura 5). La riduzione media del log10 ottenuta con aPDT mediata da PS a 80 μM è stata di 2,47, rispetto a quella del gruppo C-L- (p = 0,008).
Il numero di colonie di C. albicans recuperate dalle lingue dei topi non è stato significativamente diverso tra i topi trattati con curcuminoidi senza illuminazione (gruppi C+L-), topi trattati con luce ma non precedentemente fotosensibilizzati (gruppi C-L+) e topi non trattati (gruppo C-L-) (p ≥ 0,210).
Le caratteristiche istologiche delle lingue degli animali non infetti (NCtr) hanno mostrato tessuti normali/sani, tra cui lamina propria intatta, membrana basale e papille filiformi (Figura 6A). Al contrario, esaminando le immagini istopatologiche delle lingue dei topi del gruppo C-L-, era evidente che il lievito e i filamenti erano presenti all'interno dello strato cheratinizzato dell'epitelio, sebbene non vi fosse infiltrazione di funghi. Nel tessuto connettivo sottostante è stata osservata una lieve risposta infiammatoria, mediata principalmente da cellule mononucleate, e le papille filiformi erano notevolmente assenti (Figura 6B). L'analisi istologica delle lingue dei topi in entrambi i gruppi C+L- e C-L+ ha mostrato caratteristiche simili. Al contrario, le sezioni della lingua dei topi trattati con aPDT mediata da curcuminoidi da 80 μM hanno rivelato un numero ridotto di cellule fungine, principalmente limitate allo strato cheratinizzato dell'epitelio (Figura 6C).

Figura 1: Struttura chimica del fotosensibilizzante. La struttura chimica della miscela salina solubile in acqua utilizzata come fotosensibilizzante, composta per il 53,4% da curcumina naturale e per il 46,6% da altri curcuminoidi (demetossicurcumina e bis-demetossicurcumina). Il peso molecolare medio finale è 730.32 g/mol. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Cronologia del protocollo per il modello murino di candidosi orale e aPDT. Una timeline che delinea il protocollo per il modello murino di candidosi orale e terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Illuminazione delle lingue dei topi dopo la fotosensibilizzazione. Dopo la fotosensibilizzazione (incubazione del tessuto infetto con il fotosensibilizzante), le lingue sono state illuminate a 37,5 J/cm2 utilizzando una luce LED blu (~455 nm). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Lesioni bianche nel modello murino di candidosi orale. (A) Immagini rappresentative che raffigurano le lesioni bianche osservate nel modello murino di candidosi orale. (B) Controllo negativo (non infetto). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Candida albicans recuperata dalle lingue dei topi. I dati rappresentano i valori medi ± deviazione standard del log10 (CFU/mL) dei gruppi di trattamento. L'ANOVA unidirezionale di Welch ha indicato che gli effetti dei trattamenti erano statisticamente significativamente diversi tra i gruppi (p < 0,001). Diverse lettere minuscole (a, b, c) accanto alle medie indicano differenze statisticamente significative secondo il test di Games-Howell (p≤ 0,030). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Immagini rappresentative di sezioni istologiche di lingue di topo. Le sezioni istologiche delle lingue di topo sono state colorate con PAS-H e le immagini sono state catturate a 200x. (A) Topi di controllo negativo senza candidosi orale indotta, fotosensibilizzazione e illuminazione (gruppo NCtr). (B) Topi con candidosi orale indotta, né fotosensibilizzati né esposti all'illuminazione a LED (gruppo C-L-). (C) Animali con candidosi orale indotta, esposti a curcuminoidi da 80 μM e illuminazione a LED da 37,5 J/cm2 (gruppo C+L+ 80). Barre di scala = 100 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Fascicolo supplementare 1: Gruppi sperimentali. Un elenco dei gruppi sperimentali utilizzati nel presente studio. Fare clic qui per scaricare il file.
C. albicans has been associated with oral and esophageal infections in individuals with an immunocompromised state, diabetes mellitus, prolonged use of antibiotics, and poor oral hygiene1,3. The study of human infectious diseases requires both in vitro and in vivo investigations before clinical trials can be safely and accurately designed. The present study describes a method for establishing a murine model of OC, which can be used to evaluate the pathogenesis of oral infections by C. albicans and the efficacy of antifungal approaches15,16,17,18,19.
The murine model of OC employed here was successfully established, as evidenced by the substantial fungal load recovery from lesions as well as by the characteristic infection features observed in the macroscopic and histopathological analyses of the tongues of infected mice. Many studies have used similar murine models of OC. In such models, female mice are immunosuppressed and inoculated with C. albicans, resulting in lesions on the tongue10,13,14,15,20,21. Immunosuppression with prednisolone, a glucocorticoid, inhibits the activity of neutrophils against C. albicans22. In this study, female mice were immunosuppressed with two subcutaneous injections of prednisolone, one day prior to and three days after infection with C. albicans13. In addition, the administration of tetracycline in drinking water during the course of the experiment caused oral dysbiosis by disturbing oral bacteria and helping C. albicans to thrive23,24. Furthermore, the sedation caused by the intramuscular injection of chlorpromazine chloride prevented the animals from drinking water and eating immediately after inoculation. Thus, fungal cells stayed in contact with the dorsum of the tongue for a longer time, enabling the development of germ tubes and the transition from yeasts to filaments (hyphae and pseudohyphae), which are the pathogenic morphologies of C. albicans that can invade the human epithelium. Teichert et al.25 used an immunodeficiency protocol to induce OC in mice and recovered only 2 x 102 CFU/mL of C. albicans.
While Totti et al.26 utilized sialoadenectomized mice and conducted four separate inoculations with a C. albicans suspension, it's noteworthy that, in their case, the infection was not sustained in most animals over the course of the experiment. In contrast, in the present study, the inoculation with fungal cells was carried out only once, and it resulted in the recovery of 104 CFU/mL of C. albicans from the oral cavity. This study employed the murine model of candidiasis described by Takakura et al.13, who performed oral inoculation with a clinical strain isolated from a patient with cutaneous candidiasis (106 CFU/mL). Three to seven days post-inoculation, 105-106 CFU/mL of C. albicans were recovered from the oral cavity of mice13. The differences between the method of Takakura et al.13 and this study include the use of different fungal concentrations in the inoculum (this study used 107 CFU/mL of C. albicans) and different C. albicans strains for oral inoculation (the reference strain ATCC 90028 was used here). Carmello et al.20 employed a similar protocol, which involved using immunosuppressed animals. However, they administered two additional subcutaneous injections of prednisolone to the animals on days 1, 5, 9, and 13 of the experiment. Their study revealed a positive correlation between the scores assigned to the oral lesions of the infected animals and the number of CFU/mL over a period ranging from 5 to 16 days post-infection. It has been well-established in previous research that it is crucial to closely monitor animals under anesthesia to prevent hypothermia. Additional maintenance doses of ketamine should be administered with discretion, only when necessary27.
Regarding the efficacy of aPDT application, the results showed that the irradiation of tongues previously treated with an 80 µM curcuminoid salt mixture caused a significant reduction (2.47 log10) in the viability of C. albicans. Histological analyses revealed that sections from tongues treated with 80 µM curcuminoid-mediated aPDT showed a reduced number of fungal cells, which were limited to the keratinized layer, and a low inflammatory response. It is worth emphasizing that an inflammatory response was detected in all mice that were infected with C. albicans. This observation implies that the inflammation observed in all the aPDT groups might be linked to Candida infection rather than being attributed to aPDT, a consistent finding in line with our prior investigations10,13,14,15.
Previous investigations used CUR, methylene blue, and photodithazine (PDZ) as PSs and obtained promising results10,20,24,25,27. In a similar study10, a combined exposure to CUR and LED light caused a significant reduction in the viability of C. albicans; however, the use of 80 µM CUR and light reduced fungal viability by 4.0 log10. Dovigo et al.10 used only CUR as PS, whereas we used a salt containing the three main curcuminoids from C. longa. When CUR (260 µM) and LED light were used for five consecutive days in the treatment of oral candidiasis in mice, the authors observed a reduction of 1.11 log10 in fungal viability21. When methylene blue was used as PS at 450 µg/mL and 500 µg/mL, aPDT totally eradicated C. albicans from the oral cavity of mice25. Moreover, when aPDT was mediated by PDZ (100 mg/L), a 3.0 log10 reduction and complete remission of oral lesions were observed20. In addition, aPDT increased TNF-α expression in comparison with that in the untreated group20. In a study where a fluconazole-resistant strain was used, aPDT mediated by PDZ (200 mg/L) promoted a reduction equivalent to 1.3 log1027. Moreover, the combination of aPDT with nystatin resulted in a substantial reduction in fungal viability, amounting to a decrease of 2.6 log10, along with notable improvements in oral lesions and a reduction in the inflammatory response27. Collectively, these studies provide compelling evidence for the effectiveness of aPDT in reducing fungal burden within the murine model of oral candidiasis, underscoring its potential as a clinical treatment option due to its antimicrobial efficacy without causing harm to host tissues.
In conclusion, the murine model of OC used in this study is appropriate for mimicking infection and evaluating aPDT efficacy. As a limitation, the OC model used here employed only one reference strain of C. albicans (other strains, clinical isolates, and non-albicans Candida species were not evaluated). In addition, the corticosteroid-induced immunosuppression used in mice to develop oral infection may not mimic other immunodeficiency states, such as that due to HIV infection. There may also be differences in the host conditions for developing OC, such as the oral microbiota of mice and humans. This protocol should be expanded further to evaluate mixed biofilms formed by more than one species or by different strains from the same species. Furthermore, keeping mice adequately sedated and preventing hypothermia while avoiding anesthesia-related mortality are the most difficult steps of the protocol.
Gli autori ringraziano il sostegno finanziario di FAPESP (São Paulo Research Foundation, numero di processo FAPESP #2013/07276-1 (CePID CePOF) e 2008/00601-6. Ringraziamo anche la Dott.ssa Ana Paula Silva per averci fornito le informazioni sul sale idrosolubile a base di CUR.
| C. albicans | ATCC (Rockville, Md, USA) | 90028 | Utilizzato per preparare la centrifuga dell'inoculo di Candida |
| Eppendorf Centrifuga 5804/5804R,B. Braun, Melsungen, Assia, Germania | 022628146 (NA) | Utilizzato per preparare l'inoculo di Candida | |
| clorpromazina cloruro 2 mg/mL | Compounding farmacia, Araraquara, SP, Brasile | - | Utilizzato per sedare gli animali durante l'inoculazione della candida |
| Sale idrosolubile a base di curcumina | PDTPharma, Cravinhos, Brasile | - | Costituito dal 53,4% di curcumina naturale e dal 46,6% di altri curcuminoidi (demetossicurcumina e bis-demetossicurcumina). Preparato in acqua e N-metilD-glucamina (peso molecolare medio finale di 730,32 g.mol− 1) |
| Contatore di colonie digitale | CP 600 Plus, Phoenix Ind Com Equipamentos Cientí ficos Ltda, Araraquara, SP, Brasile | - | Utilizzato per contare le colonie su piastre di agar |
| Cibo estruso per topi | Benelab, Industria Qualy Animal Nutrition and Commerce Ltda., Lindó ia, Sã o Stato di Paulo, Brasile. | - | Utilizzato per l'alimentazione dei topi |
| Ketamina cloridrato 10% | Ketamina Agener, Uniã o Quí mica Farmacê utica Nacional S/A, Embu-Guaç u, SP, Brasile | - | Utilizzato per anestetizzare gli animali prima dei trattamenti e per l'eutanasia |
| Manipolo a diodi emettitori di luce (prototipo) | Instituto de Fí sica de Sã o Carlos, Università di Sã o Paulo, Sã o Carlos, SP, Brasile | - | Fabbricato con LXHL-PR09, emettitore Luxeon III, Lumileds Lighting, San Jose, California, USA |
| Metilprednisolone acetato 40 mg | DEPO-MEDROL, Pfizer, New York | - | Usato come immunosoppressore |
| Microtomo | Leica Microsystems, Bannockburn, IL, USA | SM2500 | Utilizzato per tagliare le sezioni seriali delle linguette Scatole di |
| propilene (alloggiamento gabbie) H13 x L20 x D30 cm | Bonther Equipaments, Ribeirã o Preto, SP, Brasile | - | Utilizzato per mantenere gli animali durante tutto il periodo sperimentale |
| Sabouraud Destrosio agar con cloramfenicolo | HiMedia, Mumbai, India | MM1067-500G | Terreno di coltura per la crescita del lievito (agar) |
| Spettrofotometro | Spettrofotometro Kasvi K37-VIS , Sã o José dos Pinhais, PR, Brasile | K37-VIS | Utilizzato per standardizzare la concentrazione dell'inoculo |
| Tetraciclina cloridrato | Farmacia di compounding, Araraquara, SP, Brasile | - | Antibiotico somministrato per indurre la disbiosi orale |
| Trucioli di legno | J.R. Trucioli di legno, Comerce di Sawdust Ltda., Conchal, Sã o Stato di Paulo, Brasile | - | Utilizzato per il rivestimento del pavimento all'interno delle scatole di alloggiamento |
| Xilazina 2% | Calmiun, Uniã o Quí mica Farmacê utica Nacional S/A, Embu-Guaç u, SP, Brasile | - | Usato in combinazione con ketamina per l'anestesia |
| Lievito Brodo di azoto | Difco, InterLab, Detroit, MI, Stati Uniti | DF0919-07-3 | Terreno di coltura per la crescita del lievito (brodo) |
| Lievito Peptone Destrosio Brodo | NutriSelect Basic, Sigma Aldrich | Y1375 | Terreno di coltura per il mantenimento dei ceppi a -80 gradi C e crescere |