The widespread use of antimicrobial chemotherapy in medicine and livestock production imposed an evolutive selection of drug-resistant strains worldwide. As a result, the effectiveness of our current antimicrobial armamentarium is constantly being reduced to alarming levels. Therefore, novel antimicrobial therapeutic strategies are urgently needed. Antimicrobial photodynamic therapy (APDT) comes to this scenario as a powerful tool to counteract the emergence of microbial drug-resistance. Its mechanisms of action are based on simultaneous oxidative damage of multiple targets and, therefore, it is much less likely to allow any type of microbial resistance. Therefore, the objectives of this study were focused into establishing 1) a mathematical tool to allow precise analysis of microbial photoinactivation; 2) a broad analysis of APDT effectiveness against global priority drug-resistant pathogens; 3) inhibition of ßlactamase enzymes; and 4) how the biochemical mechanisms of APDT avoid emergence of resistance. The main results obtained through the investigation led by this thesis were divided into 4 scientific articles regarding each of the above-mentioned objectives. In summary, we discovered that 1) a power-law function can precisely fit all microbial inactivation kinetics data and provide insightful information of tolerance factors and lethal doses; 2) there is no correlation between drug-resistance and APDT sensitivity, i.e., extensively drug resistant microorganisms are killed in the same kinetics as drug-sensitive controls; 3) β-lactamases are very sensitive to photodynamic inhibition; 4) biochemical mechanisms of APDT promote oxidative damages to external cell membranes, DNA and proteins whereas the main cause of microbial death seems to be directly associated with protein degradation. Thus, we conclude that APDT is effective against a broad-spectrum of pathogens and has minimum chances of promoting resistance mechanisms.

O amplo uso da quimioterapia antimicrobiana impôs uma seleção evolutiva de cepas resistentes a medicamentos. Como resultado, a eficácia dos fármacos antimicrobianos tem sido reduzida a níveis alarmantes. Portanto, novas estratégias terapêuticas antimicrobianas são urgentemente necessárias. A terapia fotodinâmica antimicrobiana (TFDA) entra neste cenário como uma ferramenta poderosa para combater a resistência microbiana. Seus mecanismos de ação são baseados no dano oxidativo sobre múltiplos alvos e, portanto, é muito menos provável que permita o surgimento de qualquer tipo de resistência. Os objetivos deste estudo foram focados ao estabelecimento de 1) modelo matemático para análise precisa da fotoinativação microbiana; 2) ampla análise da eficácia da TFDA contra patógenos resistentes a fármacos antimicrobianos de prioridade global; 3) inibição de ß-lactamases por TFDA; e 4) como os mecanismos bioquímicos da TFDA evitam o surgimento de resistência. Os principais resultados obtidos através da investigação conduzida por esta tese foram divididos em 4 artigos científicos. Em resumo, descobrimos que 1) uma função de lei de potência pode ajustar com precisão todos os dados de cinética de inativação microbiana e fornecer informações detalhadas sobre fatores de tolerância e doses letais; 2) não há correlação entre resistência à quimioterapia antimicrobiana e sensibilidade à TFDA, isto é, cepas extensivamente resistentes aos antimicrobianos são inativadas sob a mesma cinética que controles sensíveis aos antimicrobianos; 3) β-lactamases são altamente sensíveis à inibição fotodinâmica; 4) os mecanismos bioquímicos da TFDA promovem danos oxidativos às membranas celulares e DNA, porém, a principal causa de morte microbiana é diretamente associada à degradação das proteínas. Assim, concluímos que a TFDA é eficaz contra um amplo espectro de patógenos e tem chances mínimas de promover mecanismos de resistência.