Автор: Edith Dube
Стаття від: 25 березня 2024 року
Перспективні технології аквакультури можуть допомогти в лікуванні та профілактиці рибних інфекцій, спричинених мікробними патогенами.
Антимікробна фотодинамічна терапія (aPDT) з використанням природних і синтетичних фотосенсибілізаторів показала антимікробну активність проти патогенних для риби бактерій, включаючи мультирезистентні. aPDT може інактивувати патогенні для риб бактерії (особливо грамнегативні бактерії) і має потенціал для використання в дезінфекції поверхонь, обладнання та води з рибницьких потужностецй. Фото Darryl Jory.
Для боротьби з патогенними інфекціями у вирощуваній рибі потрібні альтернативні технології, і антимікробна фотодинамічна терапія (aPDT) нещодавно з’явилася як одна з технологій, яку можна успішно застосовувати для лікування бактеріальних захворювань і для профілактики антибіотикорезистентності. Ця терапія передбачає використання різних хімічних речовин, які називаються фотосенсибілізаторами, разом зі світлом у середовищі, багатому на кисень, для знищення патогенних бактерій.
aPDT застосовує фотосенсибілізатор – наприклад, метиленовий синій, рибофлавін, куркумін та деякі інші – який після поглинання бактеріями опромінюється світлом (відповідної довжини хвилі), що сприяє хімічним змінам фотосенсибілізатора всередині бактеріальних клітин, в результаті чого утворюються активні форми кисню (ROS), такі як перекис водню та інші, які спричиняють пошкодження і загибель клітин патогенів.
Ця стаття – узагальнення оригінальної публікації (Dube, E. and G.E. Okuthe. 2024. Applications of Antimicrobial Photodynamic Therapy in Aquaculture: Effect on Fish Pathogenic Bacteria. Fishes 2024, 9(3), 99) – надає огляд використання aPDT проти рибних патогенних бактерій та його потенціалу як інноваційної розробки для розвитку сталої аквакультури.
Для отримання детальної інформації про цю технологію, різні фотосенсибілізатори, що використовуються для aPDT проти рибних патогенів, потенційне застосування aPDT в аквакультурі та іншу відповідну інформацію, зверніться до оригінальної публікації.
Рис. 1: Узагальнення потенційних застосувань антимікробної фотодинамічної терапії в аквакультурі. Адаптовано з оригіналу.(Патогени забруднюють рибницьку систему; застосовується антимікробна фотодинамічна терапія; за результатами її застосування поліпшуємо стан здоров’я риби та сталість системи аквакультури).
Застосування aPDT в аквакультурі
Застосування aPDT для лікування глибоких тканинних інфекцій є обмеженим, і є лише кілька задокументованих спроб із залученням тваринних моделей, таких як миші. Однак існує помітний брак наукових досліджень щодо лікування хвороб риб за допомогою aPDT, що може бути пов’язано з локалізованою доставкою видимого світла. Дослідники запропонували витримувати риб з поверхневими інфекціями, виразками або ураженнями в темряві та у воді з розчиненим фотосенсибілізатором. Подальше опромінення світлом має призвести до повного одужання, як показано на рис. 2. Однак цей напрямок досліджень ще потребує ретельного вивчення, враховуючи чутливість риб до зміни умов навколишнього середовища, особливо до раптових змін водного режиму.
Рис. 2: Ілюстрація запропонованого лікування локальних інфекцій риб за допомогою aPDT в аквакультурі.
(зліва направо та зверху вниз: фотосенсибілізатори розчиняються у воді; у резервуарі розміщують інфіковану рибу; резервуар витримується певний час у темряві; світло активує фотосенсибілізатори; резервуар піддається дії світла; активовані фотосенсибілізатори переносять енергію до О2, створюючи 1О2; 1О2 руйнує бактерії; здорова риба у воді).
Якість води має важливе значення для рибницьких господарств, оскільки вона впливає на ріст і здоров’я риби. Риби не тільки живуть, але й харчуються та виводять відходи у воді. Залишки корму, фекалії та інші забруднювачі води створюють сприятливе середовище для розмноження мікроорганізмів. Для зменшення мікробних інфекцій воду необхідно регулярно очищати і дезінфікувати. aPDT використовується для дезінфекції води для аквакультури шляхом додавання фотосенсибілізатора у воду або вбудовування фотосенсибілізатора в тверду мембрану перед опроміненням світлом з відповідною довжиною хвилі. Випромінюване світло повинно мати можливість проникати у воду (таким чином, вода повинна бути вільною від зважених речовин) для активації фотосенсибілізатора, а вода повинна бути достатньо насиченою киснем.
Магнітні наночастинки були зв’язані з фотосенсибілізаторами для легкого вилучення фотосенсибілізаторів з водної матриці за допомогою магніту, що дозволяє переробляти та використовувати їх повторно. Рис. 3 ілюструє використання магнітного фотосенсибілізатора для дезінфекції води для аквакультури, а також відновлення фотосенсибілізатора після дезінфекції за допомогою магніту.
Рис. 3: Ілюстрація знезараження води для аквакультури за допомогою магнітного фотосенсибілізатора та відновлення фотосенсибілізатора після знезараження за допомогою магніту.
(зліва направо, зверху вниз: магнітні наночасточки, поєднані з фотосенсибілізаторами, додаються до води; резервуар експонується світлом; світло активує фотосенсибілізатори; активовані фотосенсибілізатори переносять енергію до О2, формуючи 1О2; 1О2 руйнує бактерії; вода вільна від бактерій – а магнітною смужкою наночасточки прибираються; магнітні наночасточки з фотосенсибілізаторами видаляються з води; рибу розміщують у дезінфіковану воду)
Дослідники продемонстрували фотоінактивацію таких бактерій, як золотистий стафілокок та кишкова паличка, за допомогою магнітного фотосенсибілізатора (фталоціанін, зв’язаний з наночастинками оксиду заліза), а також можливість повторного використання фотосенсибілізатора. Фотосенсибілізатори також були іммобілізовані на багатостінних вуглецевих нанотрубках для посилення антибактеріальної активності (за допомогою фотодинамічної та фототермічної терапії), дозволяючи при цьому відновлювати та повторно використовувати їх для дезінфекції води та поверхонь, що робить їх економічно ефективними та екологічно чистими. Для забезпечення сталості можна розглянути природне сонячне світло, оскільки воно може проникати глибоко і використовуватися для великих ставків.
Дезінфекція поверхонь та обладнання є профілактичним заходом для запобігання розвитку умовно-патогенних мікроорганізмів, включаючи їх передачу всередині аквакультурних об’єктів. Після очищення поверхні, посудини та обладнання можна піддавати впливу фотосенсибілізатора та світла для інактивації бактерій за допомогою aPDT, і повідомлялося про самодезінфікуючі поверхні, які використовують aPDT. Наприклад, дослідники використовували феноксизаміщений фталоціанін цинку як фотосенсибілізатор для виготовлення самодезінфікуючих плівок на основі ацетату целюлози, які безперервно генерували синглетний кисень (1O2; найнижчий збуджений стан двоатомної молекули кисню) протягом більш ніж шести місяців під постійним впливом кімнатного світла. Таким чином, самодезінфікуючі покриття aPDT можна наносити на поверхні аквакультури для активації природним світлом.
Аквакорм виготовляється з рослинних і тваринних джерел, включаючи морські водорості та мікроводорості. Вони можуть бути забруднені бактеріями до збору врожаю, під час сушіння, переробки, пакування, зберігання та транспортування. Щоб уникнути потрапляння бактеріальних патогенів у виробничі системи аквакультури, рибні корми необхідно дезінфікувати, і дослідники показали, що aPDT має потенціал для дезінфекції рибних кормів. Дослідники також продемонстрували здатність aPDT дезінфікувати аквакорм з мікроводоростей, заражений бактерією Vibrio campbellii. Інші автори підтвердили здатність aPDT знищувати V. splendidus як у кормі з мікроводоростей, так і у воді акваріума устриць, яких годували обробленими aPDT мікроводоростями, порівняно з устрицями, яких годували необробленим раціоном.
Переваги aPDT
aPDT, будучи неантибіотичною стратегією лікування та профілактики інфекційних захворювань, має кілька переваг над використанням антибіотиків, оскільки антибіотики можуть призвести до збільшення кількості антибіотикорезистентних бактерій разом із наявністю залишкових антибіотиків у харчових продуктах..
aPDT виявився ефективним завдяки своєму широкому спектру дії, оскільки він може запобігати інфекціям, спричиненим різними організмами, такими як найпростіші, віруси, грибки, паразити та бактерії. Це відбувається тому, що aPDT генерує високоактивні форми кисню (ROS), які окислюють клітинні компоненти, швидко інактивуючи клітини цих інфекційних організмів. Таким чином, aPDT можна використовувати для боротьби не лише з бактеріальною інфекцією, а й з цілим рядом мікробних інфекцій
aPDT виявилася ефективною проти небезпечних бактерій, стійких до антибіотиків. Крім того, немає жодних повідомлень про розвиток резистентності до фотосенсибілізатора навіть після багаторазових сеансів терапії. Ймовірно, це може бути пов’язано з тим, що, на відміну від антибіотикотерапії, лікування за допомогою aPDT є надто коротким для розвитку резистентності. Крім того, ROS, що утворюється, може окислювати численні мішені в структурі бактеріальної клітини та її компонентах, на відміну від антибіотиків, які діють на конкретну мішень. Для лікування інфекцій у риб aPDT може бути розроблений таким чином, щоб мати мінімальний вплив і пошкодження тканин хазяїна за допомогою фотосенсибілізатора і контролю дозування світла, а також таргетування на інфіковані ділянки, забезпечуючи знищення лише патогенних мікроорганізмів. Через короткий час життя і високу реакційну здатність синглетного кисню фотоокислювальне пошкодження обмежується відкритими інфікованими ділянками.
Оскільки фотосенсибілізатор також можна вбудовувати в полімери, можна розробити виробничі системи для аквакультури, які можуть вбивати мікроби на своїй поверхні при активації видимим світлом. Самодезінфікуючі системи можуть зменшити поширення хвороботворних мікробів під час виробництва та переробки. Крім того, для активації фотосенсибілізатора можна використовувати природне світло, що робить технологію aPDT економічно вигідною. Вбудовування фотосенсибілізатора в полімерні матеріали запобігає його вивільненню в навколишнє середовище і сприяє повторному використанню вбудованого фотосенсибілізатора.
aPDT можна поєднувати з іншими технологіями для підвищення ефективності. Можна використовувати комбіновану терапію, що включає aPDT та антибіотики, оскільки доведено, що терапія aPDT викликає пошкодження клітинних мембран бактерій, що робить бактерії більш чутливими до лікування антибіотиками. Поєднання aPDT з наноматеріалами не тільки покращує поглинання бактеріями, але також може призвести до синергетичного ефекту aPDT і фототермічної терапії (PTT), оскільки специфічні наноматеріали генерують локалізовані високі температури при поглинанні світла.
Обмеження aPDT
Застосування aPDT для лікування рибних інфекцій обмежується інфікованими частинами риби, до яких може дістатися світло, наприклад, шкірою. Він не буде працювати при системних інфекціях через погану доступність світла.
Світлопроникність є важливою для aPDT; отже, в аквакультурі цей метод може працювати лише у воді, яка пропускає світло (вода повинна бути прозорою і вільною від сміття). Враховуючи, що фекалії та нез’їдена їжа роблять воду у ставках каламутною, для того, щоб цей метод був ефективним, їх слід уловлювати та видаляти з системи. Таким чином, для безперервного очищення та дезінфекції аквакультурної води можуть знадобитися рециркуляційні аквакультурні системи.
aPDT призначений для боротьби з інфекційними мікроорганізмами. Однак через свою неселективність він також пошкоджує ненавмисні мішені, такі як риб’ячі тканини та корисні мікроорганізми, що може проявлятися у вигляді побічних ефектів, таких як почервоніння, набряк та інші алергічні реакції.
Перспективи
aPDT може інактивувати патогенні бактерії риб, особливо грамнегативні бактерії, які є одними з найважливіших патогенів в аквакультурі. Хоча поки що немає повідомлень про його застосування для лікування рибних інфекцій, ця технологія має потенціал для використання в аквакультурі, особливо для дезінфекції поверхонь, обладнання та аквакультурної води, оскільки вона продемонструвала переваги порівняно з традиційними антибіотиками. Ця технологія може бути ефективною у воді, якщо її використовувати в системах аквакультури з рециркуляцією. Це дозволить безперервно видаляти мул, що дасть змогу проводити обробку води за технологією aPDT і, зрештою, повторно використовувати воду.
Хоча ще не повідомлялося про застосування фотосенсибілізаторів в аквакультурі, самодезінфікуючі поверхні, що використовують aPDT, можуть суттєво допомогти в боротьбі з бактеріальними патогенами. Фотосенсибілізатори можуть бути вбудовані в матеріали для покриття поверхні для активації світлом, включаючи сонячне світло. Можливість використання сонячного світла і природних фотосенсибілізаторів може здешевити технологію. Крім того, технологія може зменшити викиди фотосенсибілізатора в навколишнє середовище і дозволити повторне використання фотосенсибілізатора.
Хоча повідомлялося про деякі обмеження aPDT, особливо при використанні природних фотосенсибілізаторів, можна розробити способи подолання цих обмежень. Наприклад, одночасне використання декількох фотосенсибілізаторів може посилити антимікробну дію. Комбінований фотосенсибілізатор може мати різні фотофізичні та фотохімічні характеристики, які доповнюють один одного. Крім того, aPDT поєднується з іншими антимікробними препаратами. Застосування aPDT в аквакультурі все ще потребує значних досліджень і розробок, щоб забезпечити його ефективність, безпеку і масштабованість.
