Ex vivo model of using the method of optical skin clearing during antimicrobial photodynamic action

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study evaluated the effi cacy of transcutaneous photodynamic therapy using blue (428 nm) LED irradiation on Staphylococcus aureus 11 in combination with a water-soluble cationic pyridyl porphyrin and optical clearing agents (OCA) in an ex vivo model. Results showed that OCA signifi cantly enhanced photodynamic inactivation with a 61% reduction in bacterial cell counts after 15 minutes of light exposure, comparable to direct irradiation. Optical parameter analysis revealed a decrease in scattering and absorption coeffi cients and an increase in light penetration depth (up to 121,6%) in OCA-treated skin samples. The results confi rm that optical clearing improves the effi cacy of antimicrobial photodynamic action by enhancing light penetration into deeper tissue layers, reducing the need for high laser intensities, and minimizing superfi cial tissue damage. This approach holds promise for the treatment of skin, mucosal and soft tissue infections in humans and animals, off ering valuable insights into light-tissue interactions and optimizing photodynamic therapy while reducing the risks associated with the use of LEDs and lasers.

About the authors

Elena S. Tuchina

Saratov State University

83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Yury I. Surkov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-6736-4480
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Isabella A. Serebryakova

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-6285-9222
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Tatiana V. Sharabarina

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0008-2422-3678
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Vadim D. Genin

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-8292-2708
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Ara G. Musaelyan

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-9849-7304
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Leonid E. Dolotov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-1171-5365
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Valeriy V. Tuchin

Saratov State University

83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

References

  1. Mahmoudi H., Pourhajibagher M., Chiniforush N., Alikhani M. Y., Bahador A. Antimicrobial photodynamic therapy: Modern technology in the treatment of wound infections in patients with burns // J. Wound Care. 2023. Vol. 32. P. 31–38. https://doi.org/10.12968/jowc.2023.32.Sup4a.xxxi
  2. Hu X., Huang Y.-Y., Wang Y., Wang X., Hamblin M. R. Antimicrobial photodynamic therapy to control clinically relevant biofilm infections // Frontiers in Microbiology. 2018. Vol. 9. P. 1–24. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01299
  3. Feng Y., Tonon C. C., Ashraf S., Hasan T. Photodynamic and antibiotic therapy in combination against bacterial infections: Efficacy, determinants, mechanisms, and future perspectives // Adv. Drug Deliv. Rev. 2021. Vol. 177. EN 113941. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.113941
  4. Huang S., Lin S., Qin H., Jiang H., Liu M. The parameters affecting antimicrobial efficiency of antimicrobial blue light therapy: A review and prospect // Biomedicines. 2023. Vol. 11. Article number 1197. P. 1–13. https://doi.org/10.3390/biomedicines11041197
  5. Tuchin V. V., Genina E. A., Tuchina E. S., Svetlakova A. V., Svenskaya Y. I. Optical clearing of tissues: Issues of antimicrobial phototherapy and drug delivery // Advanced Drug Delivery Reviews. 2022. Vol. 180. EN 114037. P. 1–122. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.114037
  6. Larin K. V., Ghosn M. G., Bashkatov A. N., Genina E. A., Trunina N. A., Tuchin V. V. Optical clearing for OCT image enhancement and in-depth monitoring of molecular diffusion // J. Sel. Top. Quantum Electron. 2012. Vol. 18, № 3. P. 1244–1259. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2011.2181991
  7. Oliveira L., Tuchin V. V. The optical clearing method: A new tool for clinical practice and biomedical engineering. Basel : Springer Nature Switzerland AG, 2019. 177 p.
  8. Tuchin V. V., Zhu D., Genina E. A. Handbook of Tissue Optical Clearing. Boca Raton: CRC Press, 2022. 682 p. https://doi.org/10.1201/9781003025252
  9. Shariati B. K. B., Khatami S. S., Ansari M. A., Jahangiri F., Latifi H., Tuchin V. V. Method for tissue clearing: Temporal tissue optical clearing // Biomed. Opt. Exp. 2022. Vol. 13, № 8. P. 4222–4235. https://doi.org/10.1364/BOE.461115
  10. Costantini I., Cicchi R., Silvestri L., Vanzi F., Pavone F. S. In vivo and ex vivo optical clearing methods for biological tissues: Review // Biomed. Opt. Express. 2019. Vol. 10. P. 5251–5267. https://doi.org/10.1364/boe.10.005251
  11. Feng W., Shi R., Ma N., Tuchina D. K., Tuchin V. V., Zhu D. Skin optical clearing potential of disaccharides // J. Biomed. Opt. 2016. Vol. 21, № 8. EN 081207. https://doi.org/10.1117/1.JBO.21.8.081207
  12. Shi R., Guo L., Zhang C., Feng W., Li P., Ding Z., Zhu D. A useful way to develop effective in vivo skin optical clearing agents // J. Biophoton. 2017. Vol. 10. P. 887–895. https://doi.org/10.1002/jbio.201600221
  13. Liu Y., Zhu D., Xu J., Wang Y., Feng W., Chen D., Li Y., Liu H., Guo X., Qiu H., Gu Y. Penetration-enhanced optical coherence tomography angiography with optical clearing agent for clinical evaluation of human skin // Photodiagnosis Photodyn. Ther. 2020. Vol. 30. EN 101734. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2020.101734
  14. Yu T., Zhong X., Li D., Zhu J., Tuchin V. V., Zhu D. Delivery and kinetics of immersion optical clearing agents in tissues: Optical imaging from ex vivo to in vivo // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2024. Vol. 215. EN 115470. https://doi.org/10.1016/j.addr.2024.115470
  15. Selifonov A. A., Tuchin V. V. Tissue optical clearing in the ultraviolet for clinical use in dentistry to optimize the treatment of chronic recurrent aphthous stomatitis // J. Biomed. Photonics. Eng. 2020. Vol. 6, № 4. EN 040301. https://doi.org/10.18287/jbpe20.06.040301
  16. Pires L., Demidov V., Wilson B. C., Salvio A. G., Moriyama L., Bagnato V. S., Vitkin I. A., Kurachi C. Dual-agent photodynamic therapy with optical clearing eradicates pigmented melanoma in preclinical tumor models // Cancers. 2020. Vol. 12, № 7. EN 1956. https://doi.org/10.3390/cancers12071956
  17. Martinelli L. P., Iermak I., Moriyama L. T., Requena M. B., Pires L., Kurachi C. Optical clearing agent increases effectiveness of photodynamic therapy in a mouse model of cutaneous melanoma: An analysis by Raman microspectroscopy // Biomed. Opt. Exp. 2020. Vol. 11, № 11. P. 6516–6527. https://doi.org/10.1364/BOE.405039
  18. Тучина Е. С., Корченова М. В., Закоян А. А., Тучин В. В. Влияние штаммовых различий на устойчивость Staphylococcus aureus к фотодинамическому воздействию с использованием мезо-замещенных катионных порфиринов // Известия Саратовского университета. Физика. 2024. Т. 24, вып. 3. С. 216–227. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-3-216-227
  19. Tovmasyan A. G., Babayan N. S., Sahakyan L. A., Shahkhatuni A. G., Gasparyan G. H., Aroutiounian R. M., Ghazaryan R. K. Synthesis and in vitro anticancer activity of water-soluble cationic pyridylporphyrins and their metallocomplexes // J. of Porphyrins and Phthalocyanines. 2008. Vol. 12, iss. 10. P. 1100–1110. https://doi.org/10.1142/s1088424608000467
  20. Gyulkhandanyan G. V., Sargsyan A. A., Paronyan M. H., Sheyranyan M. A. Absorption and fluorescence spectra parameters of cationic porphyrins for photodynamic therapy of tumors // Biolog. Journal of Armenia. 2020. Vol. 3, iss. 72. P. 72–76.
  21. Bashkatov A. N., Genina E. A., Kozintseva M. D., Kochubei V. I., Gorodkov S. Yu., Tuchin V. V. Optical properties of peritoneal biological tissues in the spectral range of 350–2500 nm // Opt. Spectrosc. 2016. Vol. 120, № 1. P. 1–8.
  22. Khan R., Gul B., Khan S., Nisar H., Ahmad I. Refractive index of biological tissues: Review, measurement techniques, and applications // Photodiagnosis Photodyn. Ther. 2021. Vol. 33. EN 102192. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2021.102192
  23. Lazareva E. N., Oliveira L., Yanina I. Yu., Chernomyrdin N. V., Musina G. R., Tuchina D. K., Bashkatov A. N., Zaytsev K. I., Tuchin V. V. Refractive index measurements of tissue and blood components and OCAs in a wide spectral range // Handbook of Tissue Optical Clearing. CRC Press, 2022. P. 141–166.
  24. Genina E. A. Tissue optical clearing: State of the art and prospects // Diagnostics. 2022. Vol. 12, № 7. EN 1534. https://doi.org/10.3390/diagnostics12071534
  25. Wang R. K. Modelling optical properties of soft tissue by fractal distribution of scatterers // Journal of Modern Optics. 2000. Vol. 47, № 1. P. 103–120.
  26. Bashkatov A. N., Genina E. A., Kochubey V. I., Tuchin V. V. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Vol. 38, № 15. P. 25–43. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/004
  27. Zhao Z., Ma J., Wang Y., Xu Z., Zhao L., Zhao J., Hong G., Liu T. Antimicrobial photodynamic therapy combined with antibiotic in the treatment of rats with third-degree burns // Front. Microbiol. 2021. Vol. 12. EN 622410. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.622410
  28. Svenskaya Y. I., Verkhovskii R. A., Zaytsev S. M., Lademann J., Genina E. A. Current issues in optical monitoring of drug delivery via hair follicles // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2025. Vol. 217. EN 115477. https://doi.org/10.1016/j.addr.2024.115477

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».