Susceptibility of Candida biofilms to photodynamic treatment

Abstract

In recent decades, the incidence of fungal infections caused by Candida spp. has significantly increased. C. albicans is the most important pathogen within this genus, since it is the most commonly isolated. However, other Candida species have gained importance over the last years, namely C. glabrata and C. parapsilosis. The rise of strains highly resistant to conventional antifungal treatments has increased the research for development of new effective antifungal therapies. Antimicrobial Photodynamic Therapy (APDT) has been proposed as a therapy for a large variety of localized infections. The aim of this work was to study the antifungal photodynamic effect of a new benzophenoxazine compound – FSc – on C. glabrata, C. parapsilosis and C. albicans biofilms. Biofilms were treated with different FSc concentrations (50 μM – 500 μM) for 18 h and irradiated with a xenon arc lamp (600 ± 2 nm) at various light doses (8 J cm-2 – 50 J cm-2). The efficiency of photodynamic treatment mediated by two widely used dyes – Nile blue chloride and Protoporphyrin IX – on C. albicans biofilms was also evaluated. Biofilms were incubated with 300 μM of each dye for 18 h and irradiated with a light dose of 36 J cm-2. In order to understand the oxidative stress response of Candida species to APDT, suspensions of C. albicans, C. glabrata and C. parapsilosis were incubated with 2 mM and 20 mM of two oxidant agents, hydrogen peroxide and paraquat, for 3 h. The effect of these oxidants on both cell viability and induction of antioxidant enzymes was evaluated. The photoinactivation of Candida biofilms with either FSc or PpIX as a photosensitizer was able to reduce the cell viability. On the other hand, Nile blue-mediated APDT assays showed no effect on cell viability. In general, photoinactivation of Candida cells was dependent on the dye concentration and light dose delivered. Nevertheless, irradiation with increasing light doses only resulted in a slight decrease of biofilm viability. Although the results of this study are encouraging, further investigations are needed to optimize protocols for maximal cell inactivation. Candida species showed high levels of resistance to the two oxidant agents, with the exception of C. glabrata that presented a greater sensitivity to paraquat. Generally, all Candida strains responded to hydrogen peroxide and paraquat exposure by increasing their content of catalase and superoxide dismutase, respectively. In summary, the data suggest that Candida species have different levels of resistance to oxidant agents and they use different defense mechanisms against these substances, showing differences in the induction of antioxidant enzymes.

Nas últimas décadas, a incidência de infeções fúngicas provocadas por espécies do género Candida tem aumentado significativamente. C. albicans é considerada a espécie mais patogénica dentro deste género, uma vez que é a mais comummente isolada. No entanto, nos últimos anos, outras espécies de Candida têm ganho importância, nomeadamente C. glabrata e C. parapsilosis. O aumento de estirpes altamente resistentes aos tratamentos antifúngicos convencionais tem aumentado a necessidade de desenvolvimento de novas terapias antifúngicas eficazes. A Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFDA) tem sido proposta como um tratamento para uma grande variedade de infeções localizadas. Este trabalho teve como objetivo estudar o efeito fotodinâmico de um corante pertencente ao grupo das benzofenoxazinas – FSc – em biofilmes de C. glabrata, C. parapsilosis e C. albicans. Os biofilmes foram incubados com diferentes concentrações de FSc (50 μM – 500 μM), durante 18 h, e irradiados com várias doses de luz (8 J cm-2 – 50 J cm-2), usando uma lâmpada de arco de xénon (600 ± 2 nm). Foi ainda avaliada a eficiência da TFDA com dois corantes amplamente utilizados – Azul do nilo e Protoporfirina IX – em biofilmes de C. albicans. Estes foram incubados com 300 μM de cada corante, durante 18 h, e irradiados com uma dose de luz de 36 J cm-2. De forma a compreender a resposta das espécies de Candida ao stresse oxidativo induzido pela TFDA, suspensões de C. albicans, C. glabrata e C. parapsilosis foram incubadas com 2 mM e 20 mM de dois agentes oxidantes, peróxido de hidrogénio e paraquato, durante 3 h. Determinou-se o efeito destes oxidantes na viabilidade celular e na indução de enzimas antioxidantes. Ao contrário da TFDA com Azul do nilo, a fotoinativação de biofilmes de Candida com os compostos FSc ou PpIX foi capaz de reduzir a viabilidade celular. De um modo geral, a inativação das células de Candida foi dependente da concentração de corante e da dose de luz aplicada. No entanto, a irradiação com doses crescentes de luz resultou apenas numa ligeira diminuição da viabilidade celular. Embora os resultados deste estudo sejam encorajadores, investigações posteriores são necessárias para otimizar os protocolos de modo a induzir uma maior inativação celular. As espécies de Candida apresentaram uma grande resistência aos dois agentes oxidantes, à exceção de C. glabrata que mostrou ser mais sensível ao paraquato. De um modo geral, as espécies de Candida responderam à exposição ao peróxido de hidrogénio e ao paraquato com a indução de catalase e de superóxido dismutase, respetivamente. Em suma, os resultados indicam que as espécies de Candida possuem distintos níveis de resistência aos agentes oxidantes, utilizando diferentes mecanismos de defesa contra esses mesmos compostos.