Antibacterial effects of natural extracts-mediated photodynamic therapy on Streptococcus mutans

Abstract

최근에 다양한 분야에서 광역학 치료의 항균 효과를 평가하고 있다. 그러나기존의 광역학치료 과정에서의 광민감제는 비용이 높고 공정과정이 복잡한 순물질이 사용되어왔다. 본 연구에서는 오랫동안 약용식물로 사용하고 있으며 물에 타먹는 분말형태로 시판되어 있는 천연 추출물을 사용하고자 하였다. 이러한 천연 추출물에 포함되어 있는 유용성분은 뛰어난 효능을 보여 많은 관심을 받고 있으나 대부분 난용성 소재들로 낮은 용해도를 보여 이를 해결하고자 광역학치료 방법을 적용하였다. 본 연구의 목적은 기존에 항균 효과가 밝혀진 강황, 클로렐라, 생강, 핑거루트 분말의 추출물이 광민감제로 작용하는지 여부를 확인하고자 치아우식증의 원인균을 알려진 Streptococcus mutans에 대한 광역학 항균 작용을 평가하는 것이었다. 본 연구에서는 치아우식 유발균주인 Streptococcus mutans에 대하여 항균물질을 갖는 천연 추출물인 광민감제와 405 nm의 광원을 이용하여 광역학 항균 효과를 확인하였다. 부유성 S. mutans 항균 효과를 평가하였을 때, 강황 분말 추출물의 0.05 mg/ml, 0.5 mg/ml 농도는 빛을 조사하여 0 log CFU/ml로 감소하였으며, 5 mg/ml 농도는 5.60 ± 0.29 log CFU/ml로 감소하였다 또한 클로렐라 분말 추출물의 0.05 mg/ml 농도는 빛을 조사하였을 때 5.88 ± 0.08 log CFU/ml로 감소하였으며, 0.5 mg/ml 농도는 빛을 조사하였을 때 3.15 ± 0.70 log CFU/ml, 5 mg/ml 농도는 빛을 조사하지 않았을 때보다 5.53 ± 0.20 log CFU/ml 로 감소하였다. 이 후 이 두 가지 물질의 바이오필름 형태의 S. mutans에 적용한 결과, 강황 분말 추출물은 생균수가 4.76 ± 0.07 log CFU/ml로 감소하였고, 클로렐라 분말 추출물은 5.66 ± 0.06 log CFU/ml로 감소하였다. 본 연구에서는 접근성이 좋은 시판 강황분말과 클로렐라분말 추출물을 광민감제로서 적용하는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 천연 추출물을 광민감제로 활용한 광역학치료는 추후 구강질환 예방관리방법으로 다양한 술식 및 구강관리용품 개발 등에 응용될 수 있을 것으로 예상된다. In recent years, the antibacterial effect of photodynamic therapy (PDT) has been evaluated in various fields including biology, chemistry, and medicine. However, the use of photosensitizers in conventional photodynamic treatment requires expensive materials with high purity and is a complicated process. In order to overcome the difficulties, this study used commercially available powdered natural extracts from medicinal plants with a long history of safe usage. The natural extracts have received a great deal of attention owing to their excellent efficacy but most of them exhibit a very low solubility, thus limiting their use. Therefore, PDT was chosen to resolve this problem. The study aimed to evaluate the antibacterial effect of PDT using natural extracts as photosensitizers along with a light source of 405 nm against Streptococcus mutans, a known causative agent of dental caries. The study also aimed to determine whether the natural extracts such as chlorella, curcuma, ginger, and fingerroot powder with proven antibacterial activities, could act as a photosensitizer. On the evaluation of the antibacterial effect of PDT against planktonic S. mutans, 0.05 and 0.5 mg/ml curcuma powder extracts with light reduced the colonies of planktonic S. mutans by 0 log CFU/ml and the log CFU/ml at 5 mg/ml concentration was reduced by 5.60±0.29. In the groups of chlorella powder extract with light irradiation, the log CFU/ml values at concentrations of 0.05, 0.5, and 5 mg/ml decreased to 5.88 ± 0.08, 3.15 ± 0.70, and 5.53 ± 0.20, respectively, compared to the groups without light. However, a partial antibacterial effect was observed when both these substances were used on S. mutans biofilm; the colonies of biofilm S. mutans were reduced by 4.76 ± 0.07 log CFU/ml in curcuma powder and by 5.66 ± 0.06 log CFU/ml in chlorella powder extract. In addition to being cost-effective and easily accessible, the use of commercially available chlorella and curcuma powder extracts as photosensitizers were confirmed in the study. PDT using natural extracts as photosensitizers are expected to be used in the development of various dental procedures and oral care products as potentially effective strategies for the prevention and management of oral diseases in the future.