Photodynamic Inactivation of Uropathogenic Biofilm-Forming Microorganisms: A Pilot Study

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Methods for microbial inactivation, including physical approaches aimed at the destruction of biofilms formed by uropathogenic microorganisms for the prevention of infectious and inflammatory diseases in urology, remain insufficiently studied. The development of new strategies in this field remains relevant.

AIM: To evaluate the feasibility of photodynamic inactivation of biofilms formed by typical representatives of uropathogenic microorganisms using an antiseptic agent with a bacteriostatic effect—methylene blue—possessing photochemical properties.

METHODS: Cultures of Staphylococcus aureus and Escherichia coli isolated from renal calculi of patients from a urology department were used. In vitro experiments on photodynamic inactivation of microorganisms were conducted on mature preformed biofilms. Irradiation was performed using a diode laser emitting at a wavelength of 662 nm through a sterile 0.1% methylene blue solution in continuous mode across five setups (three control, two experimental). After irradiation, biofilms on the cover glasses were fixed on microscope slides using colorless varnish. The prepared specimens were stained with acridine orange solution, dried in the dark, examined under a fluorescence microscope at ×100 magnification using an immersion system, and photographed with a digital camera. Images were digitally processed using 3D modeling technologies with ImageJ software version 1.52a.

RESULTS: The impact of the photoactive agent and laser irradiation was assessed at two power settings—450 mW and 1100 mW. In the first case, partial destruction of the biofilms was noted (41.9% of the original biofilm structure for S. aureus and 82.4% for E. coli), whereas in the second case, exposure at 1100 mW resulted in complete degradation of the mature multilayer biofilm into single cells without extracellular matrix, corresponding to 97.7% destruction of the original biofilm structure for S. aureus and 96.5% for E. coli.

CONCLUSION: This study is the first to demonstrate the feasibility of photodynamic inactivation of uropathogenic biofilm-forming microorganisms using a photochemically active agent—methylene blue. The promising results suggest that combined laser irradiation and methylene blue application may serve as an alternative or adjunct to systemic antibiotic therapy in urological practice.

About the authors

Dmitrii V. Kryazhev

Academician I.N. Blokhina Nizhny Novgorod Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology

Email: micbiol2008@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0517-8065
SPIN-code: 4399-1375

Dr. Sci. (Biology)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Olga S. Streltsova

Privolzhsky Research Medical University

Author for correspondence.
Email: strelzova_uro@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9097-0267
SPIN-code: 9674-0382

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Artem E. Antonyan

Privolzhsky Research Medical University

Email: 5x5x5@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-6494-7277
Russian Federation, Nizhny Novgorod

Galiya B. Ermolina

Academician I.N. Blokhina Nizhny Novgorod Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology

Email: labnikif@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0520-2456
SPIN-code: 1937-0629

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Elena V. Belyaeva

Academician I.N. Blokhina Nizhny Novgorod Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology

Email: labnikif@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8889-8801
SPIN-code: 7949-3100

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Vadim V. Elagin

Privolzhsky Research Medical University

Email: elagin.vadim@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2676-5661
SPIN-code: 3539-8728

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Nadezhda I. Ignatova

Privolzhsky Research Medical University

Email: n.i.evteeva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4570-9342
SPIN-code: 2808-5521

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Valentin N. Krupin

Privolzhsky Research Medical University

Email: vn.krupin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4887-4888
SPIN-code: 8892-7661

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

  1. Daudova AD, Demina JZ, Genatullina GN, et al. Antibacterial resistance. The challenge of modernity. Antibiotics and Chemotherapy. 2023;68(3–4):66–75. doi: 10.37489/0235-2990-2023-68-3-4-66-75 EDN: VYJHQY
  2. Sklyarov BA, Netronin AA. Spread of multiple drug-resistant bacteria: risk factors and control measures. Scientific Aspect. 2023;1(9):98–102. EDN: VEQXXJ
  3. Ilyina TS, Romanova YuM. The role of bacterial biofilms in chronic infectious processes and the search for methods to combat them. Molecular Genetics, Microbiology and Virology. 2021;39(2):14–24. doi: 10.17116/molgen20213902114 EDN: RHLJAM
  4. Flemming HC, Neu TR, Wozniak DJ. The EPS matrix: the “house of biofilm cells”. J Bacteriol. 2007;189(22):7945–7947. doi: 10.1128/JB.00858-07
  5. Aswathanarayan JB, Vittal RR. Microbial biofilms and their control by various antimicrobial strategies. In: Microbial pathogens and strategies for combating them: science, technology and education. Méndez-Vilas A, editor. FORMATEX; 2013. P. 124–133.
  6. Chebotar IV, Bocharova YuA, Gur’ev AS, et al. Bacteria survival strategies in contact with antibiotics. Russian Clinical Laboratory Diagnostics. 2020;65(2):116–121. doi: 10.18821/0869-2084-2020-65-2-116-121 EDN: JOAIIC
  7. Grande R, Puca V, Muraro R. Antibiotic resistance and bacterial biofilm. Expert Opin Ther Pat. 2020;30(12):897–900. doi: 10.1080/13543776.2020.1830060 EDN: QLHACO
  8. Tim M. Strategies to optimize photosensitizers for photodynamic inactivation of bacteria. J Photochem Photobiol B. 2015;150:2–10. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2015.05.010 EDN: VFPUNP
  9. Tanaka M, Mroz P, Dai T, et al. Photodynamic therapy can induce a protective innate immune response against murine bacterial arthritis via neutrophil accumulation. PLOS ONE. 2012;7(6):e39823. doi: 10.1371/journal.pone.0039823
  10. Filonenko EV, Serova LG. Photodynamic therapy in the clinical practice. Biomedical Photonics. 2016;5(2):26–37. EDN: WBOFTX
  11. Al-Asousi F, Dadgostar A, Javer A. Sinonasal methicillin-resistant Staphylococcus aureus: updates on treatment. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg. 2017;25(1):19–23. doi: 10.1097/MOO.0000000000000324
  12. Monzavi A, Chinipardaz Z, Mousavi M, et al. Antimicrobial photodynamic therapy using diode laser activated indocyanine green as an adjunct in the treatment of chronic periodontitis: a randomized clinical trial. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2016;14:93–97. doi: 10.1016/j.pdpdt.2016.02.007 EDN: WUCZPP
  13. Safavi M, Sabourian R, Foroumadi A. Treatment of Helicobacter pylori infection: Current and future insights. World J Clin Cases. 2016;4(1):5–19. doi: 10.12998/wjcc.v4.i1.5
  14. Vt A, Paramanantham P, Sb SL, et al. Antimicrobial photodynamic activity of rose bengal conjugated multi walled carbon nanotubes against planktonic cells and biofilm of Escherichia coli. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2018;24:300–310. doi: 10.1016/j.pdpdt.2018.10.013 EDN: NBKRGJ
  15. Ignatova NI, Elagin VV, Budruev IA, et al. Application of photodynamic inactivation against pathogens of urinary tract infections. Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2022;24(4): 395–400. doi: 10.36488/cmac.2022.4.395-400 EDN: AZNLSG
  16. Streltsova O, Antonyan A, Ignatova N, et al. Preclinical studies on the safety and toxicity of photoditazine in the antibacterial photodynamic therapy of uropathogenic bacteria. Biomedicines. 2023;11(8):2283. doi: 10.3390/biomedicines11082283 EDN: XBGRVX
  17. O’Toole GA. Microtiter Dish Biofilm Formation Assay. J Vis Exp. 2011;(47):2437. doi: 10.3791/2437
  18. Kropotov VS, Zaslavskaya MI, Alexandrova NA, et al. Investigation of biofilm formation stages in bacterial pathogens of ENT infections by photometry and luminescent microscopy with 3D modeling. Russian Clinical Laboratory Diagnostics. 2023;68(12): 761–768. doi: 10.51620/0869-2084-2023-68-12-761-768 EDN: CFBODY
  19. Tarin-Pello A, Suay-Garcia B, Perez-Gracia MT. Antibiotic resistant bacteria: current situation and treatment options to accelerate the development of a new antimicrobial arsenal. Expert Rev Anti Infect Ther. 2022;20(8):1095–1108. doi: 10.1080/14787210.2022.2078308 EDN: SEEVWK
  20. Ignatova NI, Elagin VV, Ivanova TS, et al. Evaluation of the potential pathogenicity of microorganisms associated with urinary calculi. Russian Clinical Laboratory Diagnostics. 2022;67(6):369–373. doi: 10.51620/0869-2084-2022-67-6-369-373 EDN: BPRQHE
  21. Naumovich S, Plavsky V, Kuvshinov A. Antimicrobial photodynamic therapy: advantages, disadvantages and development prospects. Sovremennaya stomatologiya. 2020;(1):11–16. (In Russ.) EDN: INLZNY
  22. Stranadko EF, Kuleshov IYu, Karakhanov GI. Photodynamic effects on pathogenic microorganisms (Modern state-of-art in antimicrobial photodynamic therapy). Laser medicine. 2010;14(2):52–56. EDN: MNIQYB
  23. Liu Ya, Qin R, Zaat SAJ, et al. Antibacterial photodynamic therapy: overview of a promising approach to fight antibiotic-resistant bacterial infections. J Clin Transl Res. 2015;1(3):140–167. doi: 10.18053/jctres.201503.002
  24. Teichert MC, Jones JW, Usacheva MN, Biel MA. Treatment of oral candidiasis with methylene blue-mediated photodynamic therapy in an immunodeficient murine model. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2002;93(2):155–160. doi: 10.1067/moe.2002.120051
  25. Ewerton GDM, Pavarina AC, Dovigo LN, et al. Susceptibility of Candida albicans to photodynamic therapy in a murine model of oral candidosis. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2010;109(3):392–401. doi: 10.1016/j.tripleo.2009.10.006
  26. Aveline BM, Redmond RW. Exclusive free radical mechanisms of cellular photosensitization. Photochem Photobiol. 1998;68(3): 266–275. doi: 10.1111/j.1751-1097.1998.tb09680.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. 3D topographic model of a biofilm of uropathogenic bacteria, control option 1 (without photosensitizer, without irradiation).

Download (339KB)
3. Fig. 2. 3D topographic model of a biofilm of uropathogenic bacteria, control option 2 (with a photoactive drug).

Download (335KB)
4. Fig. 3. 3D topographic model of a biofilm of uropathogenic bacteria, control option 3 (with laser exposure).

Download (351KB)
5. Fig. 4. 3D topographic model of a biofilm of uropathogenic bacteria, variant — experiment 1 (with exposure to a photosensitizer and a laser of 1500 MJ/cm2).

Download (335KB)
6. Fig. 5. 3D topographic model of a biofilm of uropathogenic bacteria, experiment 2 (with exposure to a photosensitizer and a laser of 4750 MJ/cm2).

Download (195KB)

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


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».