ophthalmologyОфтальмологияOphthalmology in Russia1816-50952500-0845Ophthalmology10.18008/1816-5095-2023-1-120-127ophthalmology-2050Research ArticleКЛИНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯCLINICAL & EXPERIMENTAL RESEARCHПрименение квантовых точек InP/ZnSe/ZnS в лечении экспериментального антибиотикорезистентного эндофтальмита in vivoApplication of InP/ZnSe/ZnS Quantum Dots in the Treatment of Experimental Antibiotic-Resistant Endophthalmitis in vivohttps://orcid.org/0000-0002-2353-9610ПономаревВ. О.PonomarevV. O.

Пономарев Вячеслав Олегович - кандидат медицинских наук, врач‑офтальмохирург,  заместитель генерального директора по научно‑клинической работе 

 ул. Академика Бардина, 4а, Екатеринбург, 620149, Российская Федерация 

Ponomarev Vyacheslav O. - PhD, ophthalmosurgeon, deputy general director for scientific and clinical work 

 Academician Bardin str., 4A, Yekaterinburg, 620149, Russian Federation 

ponomarev-mntk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9569-5906КазайкинВ. Н.KazaykinV. N.

Казайкин Виктор Николаевич - доктор медицинских наук, врач‑офтальмохирург, ведущий научный сотрудник 

 ул. Академика Бардина, 4а, Екатеринбург, 620149, Российская Федерация 

Kazaykin Viktor N. - MD, ophthalmic surgeon, leading researcher 

 Academician Bardin str., 4A, Yekaterinburg, 620149, Russian Federation 

https://orcid.org/0000-0001-8593-9364ТкаченкоК. А.TkachenkoK. A.

Ткаченко Константин Андреевич - врач‑офтальмолог

 ул. Академика Бардина, 4а, Екатеринбург, 620149, Российская Федерация 

Tkachenko Konstantin A. -ophthalmologist 

 Academician Bardin str., 4A, Yekaterinburg, 620149, Russian Federation 

https://orcid.org/0000-0003-2529-3770ВохминцевА. С.VokhmintsevA. S.

Вохминцев Александр Сергеевич - Кандидат физико‑математических наук, Доцент 

 ул. Мира, 32, Екатеринбург, 620078, Российская Федерация 

Vokhmintsev Alexander S. - PhD (Phys.‑Math.), Associate Professor 

 Mira str., 19, Yekaterinburg, 620002, Russian Federation 

https://orcid.org/0000-0002-5573-7128ВайнштейнИ. А.WeinsteinI. A.

Вайнштейн Илья Александрович - Доктор физико‑математических наук, профессор, главный  научный сотрудник

 ул. Мира, 32, Екатеринбург, 620078, Российская Федерация 

Weinstein Ilya A. - MD (Phys.‑Math.), Professor, chief researcher 

 Mira str., 19, Yekaterinburg, 620002, Russian Federation 

https://orcid.org/0000-0003-4725-3681ЖдановА. Е.ZhdanovA. E.

Алексей Евгеньевич Жданов - инженер‑исследователь

 ул. Мира, 32, Екатеринбург, 620078, Российская Федерация 

Zhdanov Alexey E. - research engineer 

 Mira str., 19, Yekaterinburg, 620002, Russian Federation 

АО «Екатеринбургский центр МНТК “Микрохирургия глаза”» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияEye Microsurgery Ekaterinburg CenterRussian FederationФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»РоссияUral Federal University named after the First President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation202305042023201120127Copyright © Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Ткаченко К.А., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Жданов А.Е., 20232023Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Ткаченко К.А., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Жданов А.Е.Ponomarev V.O., Kazaykin V.N., Tkachenko K.A., Vokhmintsev A.S., Weinstein I.A., Zhdanov A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.ophthalmojournal.com/opht/article/view/2050

Цель работы — моделирование экспериментального антибиотикорезистентного эндофтальмита на лабораторных животных с описанием механизмов взаимодействия квантовых точек (КТ) с инфекционным агентом.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объект исследования — лабораторные новозеландские кролики (2 особи мужского пола, возраст 4 месяца, вес 3,5 кг). Индуктор воспаления — культура внутрибольничного штамма метициллин-резистентного золотистого стафилококка (МРЗС), нечувствительного к гликопептидам. Первому кролику было выполнено интравитреальное введение конъюгата на основе 1 мг/0,05 мл ванкомицина в сочетании с 0,5 мкг 0,01 %/0,05 мл водным раствором квантовых точек InP/ZnSe/ZnS 660. Второму кролику выполнено интравитреальное введение 1 мг/0,1 мл ванкомицина. Динамическое наблюдение за течением клинического процесса производилось ежедневно посредством фоторегистрации переднего отрезка и ультразвуковой сонографии.

Результаты

Результаты. Конъюгат на основе 1 мг/0,05 мл ванкомицина в сочетании с 0,5 мкг 0,01 %/0,05 мл водного раствора квантовых точек InP/ZnSe/ZnS 660 продемонстрировал высокую антиинфекционную активность в отношении ванкомицин-резистентного МРЗС в данной группе исследования. Методом электронной микроскопии показано, что воздействие названного раствора на МРЗС описывается одномоментной способностью квантовых точек к тропности в отношении биологических объектов. Спектрофотометрическим методом обнаружена генерация супероксидных радикалов O2–• в водном растворе КТ при воздействии синего света.

Заключение

Заключение. Конъюгаты на основе квантовых точек можно рассматривать как одно из перспективных направлений лечения антибиотикорезистентных эндофтальмитов.

Purpose

Purpose: modeling of experimental antibiotic-resistant endophthalmitis on laboratory animals model describing the interaction of quantum dots and a biological organism and its physicochemical and kinetic aspects.

Material and methods

Material and methods. The object of the study is laboratory New Zealand rabbits (2 male, age 4 months, weight 3.5 kg). The inflammation inductor is the culture of Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus (MRSA). 1 mg/0.05 ml of vancomycin in combination with 0.5 μg (0.01 %)/0.05 ml by a solution of quantum dots InP/ZnSe/ZnS 660 was intravitreally administrated to the first rabbit. 1 mg/0.1 ml of vancomycin was intravitreally administrated to the second rabbit. Dynamic observation of the clinical process was performed daily by photo registration of the front segment and ultrasonic sonography.

Results

Results. The conjugate based on 1 mg/0.05 ml vancomycin coupled with 0.5 μg (0.01 %)/0.05 ml quantum dots InP/ZnSe/ZnS 660 demonstrated high anti-infectious activity against vancomycin-resistant MRSA. It was shown that the effect of the above solution on MRSA is described by the one-time ability of quantum dots by using electron microscopy. The presence of superoxide radicals O2–• generation in an aqueous solution of quantum dots under the action of blue light has also been proven by spectrophotometric method.

Conclusion

Conclusion. Conjugates based on quantum dots can be considered as one of the promising directions of treatment of antibiotic-resistant endophthalmitis.

бактериальный эндофтальмитконъюгатыквантовые точкиантибиотикорезистентностьантиинфекционная активностьbacterial endophthalmitisconjugatesquantum dotsantibiotic resistanceanti-infective activityReferencesTabatabaei S.A., Aminzade S., Ahmadraji A., Kasaee A., Cheraqpour K. Early and complete vitrectomy versus tap and inject in acute post cataract surgery endophthalmitis presenting with hand motion vision; a quasi experimental study. BMC Ophthalmology. 2022;22(1):16. DOI: 10.1186/s12886-022-02247-8Tabatabaei S.A., Aminzade S., Ahmadraji A., Kasaee A., Cheraqpour K. Early and complete vitrectomy versus tap and inject in acute post cataract surgery endophthalmitis presenting with hand motion vision; a quasi experimental study. BMC Ophthalmology. 2022;22(1):16. DOI: 10.1186/s12886-022-02247-8Taban M., Behrens A., Newcomb R.L., Nobe M.Y., Saedi G., Sweet P.M., McDonnell P.J. Acute endophthalmitis following cataract surgery: A systematic review of the literature. Archives of Ophthalmology. 2005;123(5):613–620. DOI: 10.1001/ar-chopht.123.5.613Taban M., Behrens A., Newcomb R.L., Nobe M.Y., Saedi G., Sweet P.M., McDonnell P.J. Acute endophthalmitis following cataract surgery: A systematic review of the literature. Archives of Ophthalmology. 2005;123(5):613–620. DOI: 10.1001/ar-chopht.123.5.613Results of the Endophthalmitis Vitrectomy Study: A Randomized Trial of Immediate Vitrectomy and of Intravenous Antibiotics for the Treatment of Postoperative Bacterial Endophthalmitis. Archives of Ophthalmology. 1995;113(12):1479–1496. DOI: 10.1001/archopht.1995.01100120009001Results of the Endophthalmitis Vitrectomy Study: A Randomized Trial of Immediate Vitrectomy and of Intravenous Antibiotics for the Treatment of Postoperative Bacterial Endophthalmitis. Archives of Ophthalmology. 1995;113(12):1479–1496. DOI: 10.1001/archopht.1995.01100120009001Dib B., Morris R.E., Oltmanns M.H., Sapp M.R., Glover J.P., Kuhn F. Complete and early vitrectomy for endophthalmitis after cataract surgery: An alternative treatment paradigm. Clinical Ophthalmology.2020;14:1945–1954. DOI: 10.2147/OPTH.S253228Dib B., Morris R.E., Oltmanns M.H., Sapp M.R., Glover J.P., Kuhn F. Complete and early vitrectomy for endophthalmitis after cataract surgery: An alternative treatment paradigm. Clinical Ophthalmology.2020;14:1945–1954. DOI: 10.2147/OPTH.S253228Relhan N., Pathengay A., Schwartz S.G., Flynn H.W. Jr. Emerging Worldwide Antimicrobial Resistance, Antibiotic Stewardship and Alternative Intravitreal Agents for the Treatment of Endophthalmitis. Retina. 2017;37(5):811–818. DOI: 10.1097/IAE.0000000000001603Relhan N., Pathengay A., Schwartz S.G., Flynn H.W. Jr. Emerging Worldwide Antimicrobial Resistance, Antibiotic Stewardship and Alternative Intravitreal Agents for the Treatment of Endophthalmitis. Retina. 2017;37(5):811–818. DOI: 10.1097/IAE.0000000000001603Read A.F., Woods R.J. Antibiotic resistance management. Evol. Med. Public Health. 2014;14(1):147. DOI: 10.1093/emph/eou024Read A.F., Woods R.J. Antibiotic resistance management. Evol. Med. Public Health. 2014;14(1):147. DOI: 10.1093/emph/eou024Bartlett J.G., Gilbert D.N., Spellberg B. Seven ways to preserve the miracle of antibiotics. Clin. Infect. Dis. 2013;56(10):1445–1450. DOI: 10.1093/cid/cit070Bartlett J.G., Gilbert D.N., Spellberg B. Seven ways to preserve the miracle of antibiotics. Clin. Infect. Dis. 2013;56(10):1445–1450. DOI: 10.1093/cid/cit070No authors listed. The antibiotic alarm. Nature. 2013;495(7440):14. DOI: 10.1038/495141aNo authors listed. The antibiotic alarm. Nature. 2013;495(7440):14. DOI: 10.1038/495141aViswanathan V.K. Off label abuse of antibiotics by bacteria. Gut. Microbes. 2014;5(1):3–4. DOI: 10.4161/gmic.28027Viswanathan V.K. Off label abuse of antibiotics by bacteria. Gut. Microbes. 2014;5(1):3–4. DOI: 10.4161/gmic.28027Luyt C.E., Brechot N., Trouillet J.L., Chastre J. Antibiotic stewardship in the intensive care unit. Crit. Care. 2014;18(5):480. DOI: 10.1186/s13054-014-0480-6Luyt C.E., Brechot N., Trouillet J.L., Chastre J. Antibiotic stewardship in the intensive care unit. Crit. Care. 2014;18(5):480. DOI: 10.1186/s13054-014-0480-6Grzybowski A., Brona P., Kim S.J. Microbial flora and resistance in ophthalmology: a review. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2017;255(5):851–862. DOI: 10.1007/s00417-017-3608-yGrzybowski A., Brona P., Kim S.J. Microbial flora and resistance in ophthalmology: a review. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2017;255(5):851–862. DOI: 10.1007/s00417-017-3608-yMiller D. Update on the Epidemiology and Antibiotic Resistance of Ocular Infections. Middle East Afr. J. Ophthalmol. 2017;24(1):30–42. DOI: 10.4103/meajo.MEA-JO_276_16Miller D. Update on the Epidemiology and Antibiotic Resistance of Ocular Infections. Middle East Afr. J. Ophthalmol. 2017;24(1):30–42. DOI: 10.4103/meajo.MEA-JO_276_16Michael C.A., Dominey Howes D., Labbate M. The antibiotic resistance crisis: causes, consequences, and management. Front Public Health. 2014;2:145. DOI: 10.3389/fpubh.2014.00145Michael C.A., Dominey Howes D., Labbate M. The antibiotic resistance crisis: causes, consequences, and management. Front Public Health. 2014;2:145. DOI: 10.3389/fpubh.2014.00145David M., Richards D.M., Endres R.G. The Mechanism of Phagocytosis: Two Stages of Engulfment. Biophys J. 2014 Oct 7;107(7):1542–1553. DOI: 10.1016/j.bpj.2014.07.070David M., Richards D.M., Endres R.G. The Mechanism of Phagocytosis: Two Stages of Engulfment. Biophys J. 2014 Oct 7;107(7):1542–1553. DOI: 10.1016/j.bpj.2014.07.070Courtney C.M., Goodman S.M., Nagy T.A., Levy M., Bhusal P., Madinger N.E. Potentiating antibiotics in drug resistant clinical isolates via stimuli activated superoxide generation. Sci. Adv. 2017;3(10):1–10. DOI: 10.1126/sciadv.170177Courtney C.M., Goodman S.M., Nagy T.A., Levy M., Bhusal P., Madinger N.E. Potentiating antibiotics in drug resistant clinical isolates via stimuli activated superoxide generation. Sci. Adv. 2017;3(10):1–10. DOI: 10.1126/sciadv.170177Courtney C.M., Goodman S.M., McDaniel J.A., Madinger N.E., Chatterjee A., Nagpal P. Photoexcited quantum dots for killing multidrug resistant bacteria. Nat. Mater. 2016;15:529–534. DOI: 10.1038/nmat4542Courtney C.M., Goodman S.M., McDaniel J.A., Madinger N.E., Chatterjee A., Nagpal P. Photoexcited quantum dots for killing multidrug resistant bacteria. Nat. Mater. 2016;15:529–534. DOI: 10.1038/nmat4542Cheeseman K.H., Slater T.F. An introduction to free radical biochemistry. Brit. Med. Bull. 1993;49:481–493. DOI: 10.1093/oxfordjournals.bmb.a072625Cheeseman K.H., Slater T.F. An introduction to free radical biochemistry. Brit. Med. Bull. 1993;49:481–493. DOI: 10.1093/oxfordjournals.bmb.a072625Cross A.R., Jones O.T.G. Enzymic mechanisms of superoxide production. Biochem. biophys. acta. 1991;1057:281–298. DOI: 10.1016/s0005-2728(05)80140-9Cross A.R., Jones O.T.G. Enzymic mechanisms of superoxide production. Biochem. biophys. acta. 1991;1057:281–298. DOI: 10.1016/s0005-2728(05)80140-9Sandhu S.K., Kaur G. Mitochondrial Electron Transport Chain Complexes in Aging Rat Brain and Lymphocytes. Biogerontol. 2003;4(1):19–29. DOI: 10.1023/a:1022473219044Sandhu S.K., Kaur G. Mitochondrial Electron Transport Chain Complexes in Aging Rat Brain and Lymphocytes. Biogerontol. 2003;4(1):19–29. DOI: 10.1023/a:1022473219044Kinnula V.L., Soini Y., Kvist Makela K., Savolainen E.R., Koistinen P. Antioxidant defense mechanisms in human neutrophils. Antioxid. Redox Signal. 2002;4(1):27–34. DOI: 10.1089/152308602753625825Kinnula V.L., Soini Y., Kvist Makela K., Savolainen E.R., Koistinen P. Antioxidant defense mechanisms in human neutrophils. Antioxid. Redox Signal. 2002;4(1):27–34. DOI: 10.1089/152308602753625825Valko M., Leibfritz D., Moncol J. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease. Int. J. Biochem. Cell Biol. 2007;39:44–84. DOI: 10.1016/j.biocel.2006.07.001Valko M., Leibfritz D., Moncol J. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease. Int. J. Biochem. Cell Biol. 2007;39:44–84. DOI: 10.1016/j.biocel.2006.07.001Imlay J.A. The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: lessons from a model bacterium. Nat. Rev. Microbiol. 2013;11:443–454. DOI: 10.1038/nrmicro3032Imlay J.A. The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: lessons from a model bacterium. Nat. Rev. Microbiol. 2013;11:443–454. DOI: 10.1038/nrmicro3032Goodman M., Levy M., Fei Fei L. Designing Superoxide Generating Quantum Dots for Selective Light-Activated Nanotherapy. Front. Chem. 2018;46(6):1–12. DOI: 10.3389/fchem.2018.00046Goodman M., Levy M., Fei Fei L. Designing Superoxide Generating Quantum Dots for Selective Light-Activated Nanotherapy. Front. Chem. 2018;46(6):1–12. DOI: 10.3389/fchem.2018.00046Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Дежуров С.В. Оценка офтальмотоксического воздействия квантовых точек и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения резистентных эндофтальмитов. Экспериментальное исследование. (1-й этап). Офтальмология. 2021;18(3):476–487. DOI: 10.18008/1816-5095-2021-3-476-487Ponomarev V.O., Kazaykin V.N., Lizunov A.V. , Vokhmintsev A.S., Vainshtein I.A., Dezhurov S.V. Evaluation of the ophthalmotoxic effect of quantum dots and bioconjugates based on them in terms of the prospects for the treatment of resistant endophthalmitis. Experimental research (stage 1). Ophthalmology in Russia = Oftal’mologiya. 2021;18(3):476–487 (In Russ.). DOI: 10.18008/1816-5095-2021-3-476-487Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Дежуров С.В, Оценка офтальмотоксического воздействия квантовых точек InP/ZnSe/ZnS 660 и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения резистентных эндофтальмитов. Экспериментальное исследование. Часть 2 (1-й этап). Офтальмология. 2021;18(4):876–884. DOI: 10.18008/1816-5095-2021-4-876-884Ponomarev V.O., Kazaykin V.N., Lizunov A.V., Vokhmintsev A.S., Vainshtein I.A., Dezhurov S.V. Evaluation of the ophthalmotoxic effect of quantum dots and bioconjugates based on them in terms of the prospects for the treatment of resistant endophthalmitis. Experimental research. Part 2. (stage 1). Ophthalmology = Oftal’mologiya. 2021;18(4):876–884 (In Russ.). DOI: 10.18008/1816-5095-2021-4-876-884Yaghini E., Pirker K.F., Kay C.W.M., Seifalian A.M., Macrobert A.J. Quantification of reactive oxygen species generation by photoexcitation of PEGylated quantum dots. Small. 2014;10(24):5106–5115. DOI: 10.1002/smll.201401209Yaghini E., Pirker K.F., Kay C.W.M., Seifalian A.M., Macrobert A.J. Quantification of reactive oxygen species generation by photoexcitation of PEGylated quantum dots. Small. 2014;10(24):5106–5115. DOI: 10.1002/smll.201401209Healy V.L., Lessard I.A., Roper D.I., Knox J.R., Walsh C.T. Vancomycin resistance in enterococci: reprogramming of the d Ala–d Ala ligases in bacterial peptidoglycan biosynthesis. Chemestry and Biology. 2000;7(5):109–119. DOI: 10.1016/S1074-5521(00)00116-2Healy V.L., Lessard I.A., Roper D.I., Knox J.R., Walsh C.T. Vancomycin resistance in enterococci: reprogramming of the d Ala–d Ala ligases in bacterial peptidoglycan biosynthesis. Chemestry and Biology. 2000;7(5):109–119. DOI: 10.1016/S1074-5521(00)00116-2Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Розанова С.М., Кырф М.В. Лабораторный анализ антиинфекционной активности квантовых точек и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения воспалительных заболеваний глаза. Экспериментальное исследование (часть 3). Офтальмология 2022;19(1):188–194. DOI: 10.18008/1816-5095-2022-1-188-194Ponomarev V.O., Kazaykin V.N., Lizunov A.V., Vokhmintsev A.S., Vainshtein I.A., Rozanova S.M., Kirf M.V. Laboratory analysis of the anti infectious activity of quantum dots and bioconjugates based on them in the aspect of the prospects for the treatment of inflammatory diseases of the eye. Experimental research (Part 3). Ophthalmology = Ophthalmology in Russia. 2022;19(1):188–194 (In Russ.). DOI: 10.18008/1816-5095-2022-1-188-194McCollum C.R., Bertram J.R., Nagpal P., Chatterjee A. Photoactivated Indium Phosphide Quantum Dots Treat Multidrug Resistant Bacterial Abscesses In Vivo. ACS Appl Mater Interfaces. 2021 Jul 7;13(26):30404–30419. DOI: 10.1021/acsami.1c08306. Epub 2021 Jun 22.PMID: 34156817McCollum C.R., Bertram J.R., Nagpal P., Chatterjee A. Photoactivated Indium Phosphide Quantum Dots Treat Multidrug Resistant Bacterial Abscesses In Vivo. ACS Appl Mater Interfaces. 2021 Jul 7;13(26):30404–30419. DOI: 10.1021/acsami.1c08306. Epub 2021 Jun 22.PMID: 34156817McCollum C.R., Levy M., Bertram J.R., Nagpal P., Chatterjee A. Photoexcited Quantum Dots as Efficacious and Nontoxic Antibiotics in an Animal Model. ACS Biomater Sci Eng. 2021 May 10;7(5):1863–1875. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01406McCollum C.R., Levy M., Bertram J.R., Nagpal P., Chatterjee A. Photoexcited Quantum Dots as Efficacious and Nontoxic Antibiotics in an Animal Model. ACS Biomater Sci Eng. 2021 May 10;7(5):1863–1875. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01406

The authors declare that there are no conflicts of interest present.