BuTB as a novel photosensitizer for aPDT against polymicrobial biofilms on titanium implants: Insights into peri-implantitis treatment

Abstract

A peri-implantite é uma doença inflamatória iniciada por um biofilme disbiótico aderido às superfícies de implantes dentários, podendo resultar na perda do implante. A terapia fotodinâmica antimicrobiana (TFDA), baseada no uso de um fotossensibilizador (PS) associado à luz, tem atraído atenção como um potencial tratamento adjuvante para a peri-implantite. No entanto, apesar da significativa quantidade de PSs disponíveis, a aplicação desta terapia ainda não tem sido sugerida pela Diretriz de Prática Clínica da Federação Europeia de Periodontologia em virtude do baixo número de estudos clínicos disponíveis. Dentro deste contexto, o primeiro estudo propõe uma abordagem crítica sobre os princípios químicos e biológicos subjacentes ao mecanismo de ação dos PSs que afetam o sucesso clínico do procedimento. Ainda neste tópico, exploramos potenciais modificações nos compostos dos PSs visando intensificar a sua eficácia contra biofilmes polimicrobianos. Já no segundo estudo, consideramos a necessidade de restabelecer a concentração mínima de um novo PS, o azul de butil toluidina (BuTB), capaz de inibir o crescimento de um biofilme polimicrobiano sem causar toxicidade às células humanas. Para este fim, discos de titânio (Ti) foram utilizados como substrato para simular superfícies de abutment de implante e o modelo de biofilme foi construído com base na saliva coletada de pacientes diagnosticados com peri-implantite e crescida em meio de cultura próprio. A TFDA foi aplicada sobre um biofilme inicial de 24 horas com o laser Índio-Gálio-Alumínio-Fósforo (InGaAlP) com comprimento de onda de 660 nm. A capacidade antibacteriana do BuTB foi confirmada para a concentração de 0,05 mg/mL, com mais de 3 log de redução do crescimento bacteriano em comparação aos discos de Ti não tratados (p<0,05), em dois tempos de pré-irradiação (1 e 5 minutos). Avaliações quantitativas e qualitativas demonstraram que o BuTB na concentração de 0,05 mg/mL e tempo de pré-irradiação de 1 minuto não afetou a atividade enzimática mitocondrial de células de queratinócitos (HaCaT) e fibroblastos gengivais humanos (HGF) cultivadas em monocamada. Não obstante, efeito citotóxico foi observado quando ambas as células foram expostas a um tempo de pré-irradiação de 5 minutos para a mesma concentração. Esses achados fornecem novos insights sobre o efeito do BuTB na formação de biofilme polimicrobiano e no comportamento celular e estabelecem novos parâmetros para tornar a aPDT mais segura a experimentos sequenciais in vivo.

Peri-implantitis is an inflammatory disease initiated by a dysbiotic biofilm adhered to the surfaces of dental implants, which can result in implant loss. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT), based on the use of a photosensitizer (PS) associated with light, has attracted attention as a potential adjuvant treatment for peri-implantitis. However, despite the significant amount of PS available, the application of this therapy has not yet been suggested by the Clinical Practice Guideline of the European Federation of Periodontology due to the low number of clinical studies available. Within this context, the first study proposes a critical approach to the chemical and biological principles underlying the mechanism of action of PSs that affect the clinical success of the procedure. Still on this topic, we explore potential modifications in PSs compounds to intensify their efficacy against polymicrobial biofilms. In the second study, we considered the need to reestablish the minimum concentration of a new PS, butyl toluidine blue (BuTB), capable of inhibiting the growth of a polymicrobial biofilm without causing toxicity to human cellss. For this purpose, titanium (Ti) discs were used as substrate to simulate implant abutment surfaces, and the biofilm model was constructed based on saliva collected from patients diagnosed with peri-implantitis and grown in own culture medium. aPDT was applied on an initial 24-hour biofilm with the Indium-Gallium-Aluminum-Phosphorus (InGaAlP) laser with a wavelength of 660 nm. The antibacterial capacity of BuTB was confirmed to be at a concentration of 0.05 mg/mL, with more than 3 log reduction in bacterial growth compared to untreated Ti discs (p<0.05), at two pre-irradiation times (1 and 5 minutes). Quantitative and qualitative evaluations demonstrated that BuTB at a concentration of 0.05 mg/mL and a pre-irradiation time of 1 minute did not affect the mitochondrial enzymatic activity of keratinocyte cells (HaCaT) and human gingival fibroblasts (HGF) cultured in monolayer. Nevertheless, cytotoxic effect was observed when both cells were exposed to a pre-irradiation time of 5 minutes for the same concentration. These findings provide new insights into the effect of BuTB on polymicrobial biofilm formation and cell behavior and establish new parameters to make aPDT more safer to sequential in vivo experiments.