Photoinaktivierung

Photoinaktivierung bezeichnet die Unterbrechung einer Funktion durch Licht. Sie wird in der Biochemie zur Hemmung von Biomolekülen und in der Medizin zur Desinfektion und bei der photodynamischen Therapie eingesetzt.

Eigenschaften

Bei der Photoinaktivierung mit sichtbarem Licht werden zur Erhöhung der Absorption verschiedene Farbstoffe als Photosensibilisator (zur Erhöhung der Photosensibilität) verwendet, wie Methylenblau.[1] Die Verwendung eines Farbstoffs erhöht die Wirksamkeit sichtbaren Lichts.[2] Durch die erhöhte Lichtabsorption werden aus gelöstem Sauerstoff reaktive Sauerstoffspezies wie Singulett-Sauerstoff und Hydroxid-Radikale gebildet, die zu einer Energieübertragung (bei Singulett-Sauerstoff) bzw. zum Entzug eines Elektrons (bei Hydroxid) beim Kontakt mit anderen Molekülen führen.[3][4] Wichtige Parameter der Inaktivierung sind neben der Wellenlänge die Dosis, bestehend aus Strahlenintensität und Dauer.[5] Die Radikale reagieren mit den Biomolekülen in Mikroorganismen und hemmen ihre Funktion.[6] Diese Effekte führen zu verschiedenen Reaktionen, wie Oxidation von Guanin in Nukleinsäuren,[3][7] die zu den DNA-Schäden gehört. Bei manchen Farbstoffen wie Psoralen erfolgt die Photoinaktivierung verstärkt in Abwesenheit von Sauerstoff über einen anderen Mechanismus.[8] Bei Tetracyclinen, Kaliumiodid und Natriumazid gibt es eine sauerstoffunabhängige Photoinaktivierung.[8]

Ohne Zugabe eines Farbstoffs führt eine Bestrahlung mit blauem Licht der Wellenlänge 405 nm und einer Intensität von 500 J/cm2 unter aeroben Bedingungen bei Bakterien zu einer Keimzahlreduktion um den Faktor 1000, während bei 470 nm die Effizienz im Vergleich zu 405 nm um den Faktor 2 bis 5 abnimmt.[9] Endosporen, Viren und Bakteriophagen sind resistenter gegen eine Photoinaktivierung mit blauem Licht.[10] Unbehüllte Viren erfordern eine höhere Dosis als behüllte Viren.[7][5] Ohne Farbstoffzugabe hat sichtbares Licht keine inaktivierende Wirkung auf Viren.[11]

Je nach Wellenlänge bzw. der Energie des Lichts entstehen unterschiedliche Effekte. Eine Photoinaktivierung mit ionisierender Strahlung wie UV-Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung führt dagegen durch Photonen höherer Energie zu weniger selektiven Brüchen von kovalenten Bindungen und zur Entstehung verschiedener Radikale, die wiederum Elektronen entziehen.[5]

Als weitere Farbstoffe werden Porphyrine,[12] BODIPY,[13] Curcumin,[14] Merocyanin 540,[15] Phthalocyanine[16], Chlorine, Bakteriochlorine, halogenierte Xanthene (z. B. Rose Bengal), Perylenchinone (wie Hypericin[17]), Phenothiazine (z. B. Toluidinblau O und Methylenblau), kationische Fullerene und Psoralene (wie Furanocoumarine) untersucht.[4][7]

Anwendung

In der Medizin wird die Photoinaktivierung bei der Desinfektion von gefrorenem Blutplasma und von roten Blutkörperchen mit Phenothiazin-Farbstoffen wie Methylenblau zur Inaktivierung behüllter Viren eingesetzt,[3] das anschließend beispielsweise zum Plasmaaustausch (Apherese) verwendet wird.[18] Methylenblau wird in der photodynamischen Therapie zur Behandlung von Hautkrebs und Darmkrebs eingesetzt.[19]

Geschichte

Die Photoinaktivierung kommt natürlich bei Pflanzen und Blaualgen vor im Photosystem II der Photosynthese.[20] Arthur Henry Downes und Thomas Porter Plunt entdeckten 1877 die bakterizide Wirkung von Licht.[21] Im Jahr 1900 entdeckte Oscar Raab, dass mit Acridinorange gefärbte Pantoffeltierchen unter starker Lichteinwirkung starben.[22][4] Niels Ryberg Finsen erhielt 1903 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Behandlung von Mycobacterium tuberculosis-infizierter Haut mit Licht.[23] Die Photoinaktivierung bei Lichtbestrahlung in Anwesenheit von Methylenblau wurde 1928 bei Bakterien[24][25] und 1933 bei Viren gezeigt.[26][25]

Einzelnachweise

  1. ↑ R. A. Floyd, J. E. Schneider, D. P. Dittmer: Methylene blue photoinactivation of RNA viruses. In: Antiviral research. Band 61, Nummer 3, März 2004, S. 141–151, doi:10.1016/j.antiviral.2003.11.004, PMID 15168794.
  2. ↑ M. Shleeva, A. Savitsky, A. Kaprelyants: Photoinactivation of mycobacteria to combat infection diseases: current state and perspectives. In: Applied Microbiology and Biotechnology. Band 105, Nummer 10, Mai 2021, S. 4099–4109, doi:10.1007/s00253-021-11349-0, PMID 33997929, PMC 8126513 (freier Volltext).
  3. ↑ a b c S. J. Wagner: Virus inactivation in blood components by photoactive phenothiazine dyes. In: Transfusion medicine reviews. Band 16, Nummer 1, Januar 2002, S. 61–66, doi:10.1053/tmrv.2002.29405, PMID 11788930.
  4. ↑ a b c D. M. Vera, M. H. Haynes, A. R. Ball, T. Dai, C. Astrakas, M. J. Kelso, M. R. Hamblin, G. P. Tegos: Strategies to potentiate antimicrobial photoinactivation by overcoming resistant phenotypes. In: Photochemistry and photobiology. Band 88, Nummer 3, 2012, S. 499–511, doi:10.1111/j.1751-1097.2012.01087.x, PMID 22242675, PMC 3345078 (freier Volltext).
  5. ↑ a b c M. Sadraeian, L. Zhang, F. Aavani, E. Biazar, D. Jin: Viral inactivation by light. In: eLight. Band 2, Nummer 1, 2022, S. 18, doi:10.1186/s43593-022-00029-9, PMID 36187558, PMC 9510523 (freier Volltext).
  6. ↑ St Denis TG, Dai T, Izikson L, Astrakas C, Anderson RR, Hamblin MR, Tegos GP: All you need is light: antimicrobial photoinactivation as an evolving and emerging discovery strategy against infectious disease. In: Virulence (2011); Band 2, Heft 6, S. 509–520. doi:10.4161/viru.2.6.17889. PMID 21971183; PMC 3260545 (freier Volltext).
  7. ↑ a b c Costa L, Faustino MA, Neves MG, Cunha A, Almeida A: Photodynamic inactivation of mammalian viruses and bacteriophages. In: Viruses (2012). Band 4, Heft 7, S. 1034–1074. doi:10.3390/v4071034. PMID 22852040; PMC 3407894 (freier Volltext).
  8. ↑ a b M. R. Hamblin, H. Abrahamse: Oxygen-Independent Antimicrobial Photoinactivation: Type III Photochemical Mechanism? In: Antibiotics. Band 9, Nummer 2, Januar 2020, S. , doi:10.3390/antibiotics9020053, PMID 32023978, PMC 7168166 (freier Volltext).
  9. ↑ M. Hessling, B. Spellerberg, K. Hoenes: Photoinactivation of bacteria by endogenous photosensitizers and exposure to visible light of different wavelengths - a review on existing data. In: FEMS microbiology letters. Band 364, Nummer 2, Januar 2017, S. , doi:10.1093/femsle/fnw270, PMID 27915252.
  10. ↑ R. M. Tomb, T. A. White, J. E. Coia, J. G. Anderson, S. J. MacGregor, M. Maclean: Review of the Comparative Susceptibility of Microbial Species to Photoinactivation Using 380-480 nm Violet-Blue Light. In: Photochemistry and photobiology. Band 94, Nummer 3, Mai 2018, S. 445–458, doi:10.1111/php.12883, PMID 29350751.
  11. ↑ Y. Wang, G. X. He, F. Sanchez-Quete, S. K. Loeb: Systematic Review and Meta-analysis on the Inactivation Rate of Viruses and Bacteriophage by Solar Wavelength Radiation. In: Environmental Science & Technology. Band 59, Nummer 15, April 2025, S. 7421–7439, doi:10.1021/acs.est.4c04766, PMID 40210473.
  12. ↑ Araújo ARL, Tomé AC, Santos CIM, Faustino MAF, Neves MGPMS, Simões MMQ, Moura NMM, Abu-Orabi ST, Cavaleiro JAS: Azides and Porphyrinoids: Synthetic Approaches and Applications. Part 1-Azides, Porphyrins and Corroles. In: Molecules (2020), Band 25, Heft 7, S. 1662. doi:10.3390/molecules25071662. PMID 32260294; PMC 7181322 (freier Volltext).
  13. ↑ A. M. Durantini, D. A. Heredia, J. E. Durantini, E. N. Durantini: BODIPYs to the rescue: Potential applications in photodynamic inactivation. In: European journal of medicinal chemistry. Band 144, Januar 2018, S. 651–661, doi:10.1016/j.ejmech.2017.12.068, PMID 29289888.
  14. ↑ S. K. Law, A. W. Leung, C. Xu: Photodynamic Action of Curcumin and Methylene Blue against Bacteria and SARS-CoV-2-A Review. In: Pharmaceuticals. Band 17, Nummer 1, Dezember 2023, S. , doi:10.3390/ph17010034, PMID 38256868, PMC 1081864 (freier Volltext).
  15. ↑ F. Sieber, J. M. O'Brien, D. K. Gaffney: Merocyanine-sensitized photoinactivation of enveloped viruses. In: Blood cells. Band 18, Nummer 1, 1992, S. 117–127, PMID 1617187.
  16. ↑ A. Galstyan: Turning Photons into Drugs: Phthalocyanine-Based Photosensitizers as Efficient Photoantimicrobials. In: Chemistry. Band 27, Nummer 6, Januar 2021, S. 1903–1920, doi:10.1002/chem.202002703, PMID 32677718, PMC 7894475 (freier Volltext).
  17. ↑ G. P. de Andrade, T. F. de Souza, G. Cerchiaro, M. A. Pinhal, A. O. Ribeiro, M. J. Girão: Hypericin in photobiological assays: An overview. In: Photodiagnosis and photodynamic therapy. Band 35, September 2021, S. 102343, doi:10.1016/j.pdpdt.2021.102343, PMID 34038765.
  18. ↑ A. Alvarez-Larrán, J. Del Río, C. Ramírez, C. Albo, F. Peña, A. Campos, J. Cid, J. Muncunill, J. L. Sastre, C. Sanz, A. Pereira: Methylene blue-photoinactivated plasma vs. fresh-frozen plasma as replacement fluid for plasma exchange in thrombotic thrombocytopenic purpura. In: Vox sanguinis. Band 86, Nummer 4, Mai 2004, S. 246–251, doi:10.1111/j.0042-9007.2004.00506.x, PMID 15144529.
  19. ↑ A. Taldaev, R. Terekhov, I. Nikitin, E. Melnik, V. Kuzina, M. Klochko, I. Reshetov, A. Shiryaev, V. Loschenov, G. Ramenskaya: Methylene blue in anticancer photodynamic therapy: systematic review of preclinical studies. In: Frontiers in pharmacology. Band 14, 2023, S. 1264961, doi:10.3389/fphar.2023.1264961, PMID 37841915, PMC 1056845 (freier Volltext).
  20. ↑ I. Ohad, A. Berg, S. M. Berkowicz, A. Kaplan, N. Keren: Photoinactivation of photosystem II: is there more than one way to skin a cat? In: Physiologia plantarum. Band 142, Nummer 1, Mai 2011, S. 79–86, doi:10.1111/j.1399-3054.2011.01466.x, PMID 21382038.
  21. ↑ Arthur Downes, Thomas P. Blunt; III.: Researches on the effect of light upon Bacteria and other organisms. In: Proc. R. Soc. (1878); Band 26 (179–184), S. 488–500. doi:10.1098/rspl.1877.0068.
  22. ↑ O. Raab: Über die Wirkung fluoreszierender Stoffe auf Infusorien. In: Z. Biol. (1900), Band 39, S. 524–536.
  23. ↑ A. El-Hussein, S. L. Manoto, S. Ombinda-Lemboumba, Z. A. Alrowaili, P. Mthunzi-Kufa: A Review of Chemotherapy and Photodynamic Therapy for Lung Cancer Treatment. In: Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry. Band 21, Nummer 2, 2021, S. 149–161, doi:10.2174/1871520620666200403144945, PMID 32242788.
  24. ↑ Schultz E.W., Krueger A.P.: Inactivation of Staphyloccus Bacteriophage by Methylene Blue. In: Exp. Biol. Med. (1928); Band 26, S. 100–101. doi:10.3181/00379727-26-4158.
  25. ↑ a b H. Xue, A. Thaivalappil, K. Cao: The Potentials of Methylene Blue as an Anti-Aging Drug. In: Cells. Band 10, Nummer 12, Dezember 2021, S. , doi:10.3390/cells10123379, PMID 34943887, PMC 8699482 (freier Volltext).
  26. ↑ Perdrau J.R., Charles Todd: The photodynamic action of methylene blue on certain viruses. In: Proc. R. Soc. Lond. Ser. B Boil. Sci. (1933), Band 112, S. 288–298. doi:10.1098/rspb.1933.0011.
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