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B u l le t in o f E x p e r i m e n t a l B i o l o g y a n d M e d i c i n e No_ 3 1 9 9 9 P H A R M A C O L O G Y A N D T O X I C O L O G Y 7 7 ~

Prolonged ac ter ic ida l E f fec t o f Sodium H ypochlor ite

P. A. Galenko-Yaroshevski i S. E. Gu m enyuk

S. G. Pavlenko S. A. Babichev V. Yu. Shevchuk

S. I . Gu m enyuk and u G. Or lov

T r a n s l a t e d f r o m

Byu l l e t en Eksp er ime n ta l no i B io log i i i Medi t s iny ,

Vol . 127 , No. 3 , pp . 305-307, March , 1999

O r ig in a l a r t i c l e s u b m i t t e d F e b r u a r y 3 , 1 9 9 8

P o l y v i n y l p y r r o l i d o n e p r o l o n g s t h e b a c t e ri c id a l e f f e c t o f s o d i u m h y p o c h l o r i t e ( N a O C 1) b y

2 5 - 3 0 t i m e s . T h e a n t ib a c te r ia l a c t i v i ty o f i m m o b i l i z e d N a O C I d e p e n d s o n t h e p o l y m e r

c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o l u ti o n . E x c e s s o f p o l y v i n y l p y r r o l i d o n e l e a d s t o b l o c k a d e o f a c t i v e

g r o u p s a n d r e d u c e s N a O C I a c t i v i t y .

Key Words

p o l y v i n y l p y r r o l i d o n e ; s t a p h y l o c o c c u s ; E s c h e r i c h i a c o l i ; s o d i u m h y p o c h l o r i t e

H i g h i n c i d e n c e o f n o s o c o m i a l i n f e c t io n s a n d m u l t i -

d r u g r e s i s t a n t s t ra i n s o f m i c r o o r g a n i s m s n e c e s s i t at e

s e a r c h fo r n e w d r u g s a n d m e t h o d s f o r c o n t r o l li n g p u ru -

l e n t s u r g i c a l i n f e c t io n . T h e m e t h o d o f i n d i r e c t e l e c t r o -

c h e m i c a l o x i d a t i o n w i t h s o d i u m h y p o c h l o r i t e ( N aO C 1 )

i s a p e r s p e c t i v e t r e a t m e n t . T h i s a g e n t i s h i g h l y e f -

f e c t i v e t o w a r d s p u r u l e n t s u r g i c a l i n f e c t i o n ; it c a n c e l s

a n t i b i o t i c r e s i s t a n c e o f m i c r o o r g a n i s m s ; t h e e ff e c t s o f

t h e m a j o r i t y o f a n t i b a c t e r i a l d r u g s a r e p o t e n t i a t e d b y

N a O C I ; t h e e x o - a n d e n d o t o x i n s o f p a t h o g e n i c m i c r o -

o r g a n i s m s c a n b e b o u n d b y s o d i u m h y p o c h l o r i t e [ 1,2 ,

4 ] . H o w e v e r , N a O C 1 i s a n u n s t a b l e c o m p o u n d , a n d i ts

t h e r a p e u t i c e f f e c t i s l i m i t e d b y s e v e r a l m i n u t e s , a f t e r

w h i c h i t r a p i d l y d e g r a d es . T h i s l i m i t s t h e u s e o f N a O C 1

i n lo c a l t h e r a p y o f p u r u l e n t w o u n d s .

W e i n v e s t i g a t e d th e p o s s i b i l it y o f p r o l o n g i n g t h e

b a c t e r i c i d a l e f f e c t o f N a O C 1 b y i m m o b i l i z a t i o n o n

l o w - m o l e c u l a r - w e i g h t d e x t r a n .

M T E R I L S N D M E T H O D S

S t e r il e a p y r o g e n i c so l u t i o n s o f s o d i u m h y p o c h l o r i t e

w e r e p r e p a r e d b y e l e c t r o l y s i s o f 0 . 8 9 N aC 1 i n a n

a u t o m a t e d m o d e o n a n E D O - 4 d e v i c e ( R e g n at is , M o s -

c o w ) . T h e c o n c e n t r a t i o n o f N aO C 1 ( 6 0 0 a n d 1 2 00 m g /

l it e r) w a s r e g u l a t e d b y c h a n g i n g t h e e x p o s u r e a n d

Department of Pharmacology, Department of Surgery of Pediatric and

Dentistry Faculties, Depart ment of Microbiology, Kuban State Medical

Academy, Krasnodar

c u r r e n t d u ri n g e l e c t r o l y s i s . T h e a g e n t w a s m i x e d ( 1 :1 )

w i t h s t e r i le w a t e r s o l u t i o n o f m e d i c a l p o l y v i n y l p y r r o -

l i d o n e ( P V P ) w i t h m o l e c u l a r w e i g h t o f 1 2 6 0 0 _ _ . 2 0 0 0

i n d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s a t 1 8 - 2 0~ U n d e r t h e s e

c o n d i t i o n s c o m p e t i t i v e in t e r a c t io n s o f w e a k l y o r i e n t e d

a n i o n g r o u p s l e d t o f i x a t i o n o f a c t i v e o x y g e n o n th e

p o l y m e r [ 3 ] .

A n t i b a c t e r i a l a c t i v i ty o f i m m o b i l i z e d N a O C 1 w a s

i n v e s t i g a t e d u s i n g s t a n d a r d

E s c h e r i c h i a c o l i

J 5 3 m e t

p r o - Z Z l a c + a n d

S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s

209 s t r a ins .

C u l t u r es o f s t a n d ar d s t r a in s w e r e g r o w n i n o b l i q u e

m e a t - p e p t o n e a g a r ( M P A ) f o r 1 6 h , a n d a b a c t e r i al

suspension 4x10 9

C F U i n is o t o n i c N a C I ) w a s p r e -

p a r e d. T h e a n t i b a c t e ri a l e f f e c t o f N a O C I d e p e n d s o n

t h e i n i ti a l c o n c e n t r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s : t h e h i g h e r

t h e c o n c e n t r a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s , t h e h i g h e r t h e

e f f e c t i v e c o n c e n t r a t i o n o f N aO C 1 . F o r s i m u l a t i n g t h e

c o n d i t i o n s i n a p u r u l e n t w o u n d . 5 m l N a O C 1 w i t h a n d

w i t h o u t P V P w a s m i x e d w i t h 0 .2 m l f r e s h h ep a r in i z e d

h u m a n p l a s m a .

T h e m i x t u r e w a s i n c u b a t e d a t 3 7 ~ I o r 2 4 h a n d

0 . 5 - m l a l i q u o t s t a k e n a f t e r c e r t a i n i n t e r v a l s ( 1 5 m i n ,

1 . 6 , 1 2 . a n d 2 4 h ) w e r e i n c u b a t e d w i th 0 . 1 ml b a c -

t e r i a l s u s p e n s io n f o r 1 5 m in at 3 7 ~ i n a w a t e r b a th .

T h e n u m b e r o f v i a b l e b a c t e r i a w a s e v a l u a t e d b y t h e

m e th o d o f s e r ia l d i l u ti o n s a f t e r in o c u l a t i o n o f t h e mix -

t u r e i n d is h e s w i t h M P A ( f o r S . aureus ) o r E n d o m e -

d i u m ( fo r

E. col i ) .

V a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f N a O C I

( 6 0 0 a n d 1 2 0 0 mg / l i t e r ) a n d P V P ( 0 . 5 . 1 , 2 , 5 , a n d

1 0 ) w e r e c o m b i n e d .

0007-4888/99/0003-0275522.00 9 Kluwer Academic/Plenum Publishers

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B u l l e t i n o f E x p e r i m e n t a l B i o l o g y a n d M e d i c i n e N o

3

1 99 9 P H A R M A C O L O G Y A N D T O X I C O L O G Y

5 H ~ 2 z,+

o c n r t o O o

' z 0.23 '

F i g . 1 . C F U i n

a E c o i l

cul ture treated wi th NaO CI 600 rag/ l iter ) and

p o l y v i n y l p y r r o l i d o n e .

PV P ~ @ ~ P V P

p v P P V P

Fig . 2 . Bacter icidal ef fect of NaOCI at polyvinyl pyrro l idone

( P V P )

concentrations

1-2 (a ) an d > 5 (b ).

BC: bacterial

cel l .

Bactericidal effect, %

100

80-

/

H

1200 rag/liter

O---O 600 rag/liter

6 0

40-

20-

/

0 / 9 - ~=

2 4 6 8 10

Concentration, %

Fig . 3 . Bacter icidal ef fect of immobi l ized NaOCI for

E c o i l

cul ture a t

d i f fe r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f p o ~ y v i n y l p y r ro ~ i d o n e . E x p o s u r e 6 0 m i n .

RESULTS

W h e n s t a n d a r d E c o l i J 5 3 m e t p r o - Z Z l a c + s tr a in w a s

i n c u b a t e d w i t h N a O C 1 w i t h o u t P V P t h e a n t i b a c t e r i a l

a c t i v i t y o f t h e s o l u t i o n d i s a p p e a r e d w i t h i n 1 h ( F i g .

1 ). A d d i t i o n o f P V P p r o l o n g e d t h e a n t i b a c t e r ia l a c -

t i v i t y o f N a O C 1 i n a d o s e - d e p e n d e n t m a n n e r . I n a

c o n c e n t r a ti o n o f 0 . 5 % P V P p r o l o n g e d t h e a g e n t a c -

t i v it y to 6 h. T h e m a x i m u m e f f e c t w a s o b s e r v e d a t a

P V P c o n c e n t r a t i o n o f 1 % , w h e n t h e d r u g a c t i v i t y d e -

c r e a s e d o n l y a f t e r 2 4 h . F u r t h e r i n c r e a s e i n P V P c o n -

c e n t r a t i o n i n t h e m i x t u r e r e d u c e d i t s a n t i b a c t e r i a l a c -

t iv i ty . M i x t u r e s c o n t a i n in g m o r e t h a n 5 % P V P p o s -

s e s s e d n o a n t i b a c t e ri a l a c t i v i t y .

S i m i la r r e s u lt s w e r e o b s e r v e d w i t h S a u r e u s c u l -

t u r e s , t h o u g h t h e a n t ib a c t e r i a l a c t i v i t y o f i m m o b i l i z e d

N a O C I w a s l o w e r b y a n o r d e r o f m a g n i t u d e . I n t h e

c o n t r o l s e r i e s , i s o t o n i c N a C 1 d i d n o t s u p p r e s s t h e v i a b i -

l i ty o f b a c t e r ia . C o n t r o l t e s t s w i t h P V P i n d i f f e r e n t

c o n c e n tr a ti o n s w i t h o u t N a O C I s h o w e d t h a t t h e n u m b e r

o f C F U a f te r e x p o s u r e o f b a c t e r i a l s u s p e n s i o n s f o r 1 5

a n d 3 0 m i n d i d n o t d e p e n d o n t h e c o n c e n t r a t i o n o 1

P V P a n d w a s v i r t u a l ly t h e s a m e a s i n i s o t o n i c N a C I I

H e n c e , t h e b a c t er i c id a l e f f e c t o f N a O C I d e p e n d s

o n t h e c o n c e n t r a ti o n o f P V P i n t h e s o l u t i o n . T h e e f f e c t

o f 1 - 2 % P V P c a n b e d u e t o b i n d i n g o r b a c t er i a an d

t o x i n s t o t h e c a rr i er e n a b l i n g t h e i r c l o s e c o n t a c t w i t h

t h e o x i d a n t ( F i g . 2 , a ) . T h e b a c t e r i c i d a l e f f e c t in th i s

c a s e i s d u e t o i m m e d i a t e e f f e c t o f t r e e N a O C I i n t he .

s o l u t i o n a n d p r o l o n g e d e f f e c t o f a r e l a t i v e l y u n s t a b l e

c o m p l e x o f P V P a n d h y p o c h l o r i t e d i s s o c i a t io n p r o - -

d u c t s ( h y p o c h l o r o u s a c i d H O C 1 a n d h y p o c h l o r i t e .

i o n O C 1 - ) . S u p e r s a tu r a t i o n o f th e s o l u t i o n w i th P V P

i n c re a s e s c r o s s -l i n k in g o f a c t iv e p o l y m e r g r o u p s w i t h

N a O C I d i s s o c i a t i o n p r o d u c t s a n d y i e l d s a t i g h t m a t ri x

w i t h b l o c k e d a c t iv e g r o u p s . T h e r e t o r e , b a c t e r i a l c e l l s

c o n t a c t o n l y w i t h s u r f a c e a c t i v e g r o u p s i n t h i s c o m -

p l e x ( F i g . 2 , b ) , w h i c h w a s c o n f i r m e d i n e x p e r i m e n t s

w i t h d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f N a O C I ( F i g . 3 ).

T h u s , p o l y m e r i c c a r ri e r c o n s i d e r a b l y ( 2 5 - 3 0 t i m e s )

p r o l o n g e d t h e b a c t e r i c id a l e f f e c t o f N a O C I , w h i l e a n

e x c e s s o f t h e p o l y m e r i c c a r r ie r i n th e s o l u t i o n b l o c k e d

a c t i v e g r o u p s a n d s h a r p l y d e c r e a s e d a n t i b a c t e r i a l a c -

t i v it y o f t h e c o m p l e x . P o l y m e r - i m m o b i l i z e d N a O C 1 i s

a p r o m i s i n g a g e n t t o r m e d i c i n e : p r o l o n g a t i o n o f it s

e f f e c t f o r m o r e t h a n 2 4 h m a k e s i t a u s e f u l d r u g f o r

t h e tr e a t m e n t o f i n t o x i c a t io n s a n d i n p y o s e p t i c s u r -

g e r y , p a r ti c u l ar l y i n i n f e c t i o n s c a u s e d b y a n a e r o b i c

m i c r o f l o r a .

I n t h e c o n t r o l, N a O C I w a s r e p la c e d w i t h 0 . 8 9 %

N a C 1 . I n o r d e r t o r u l e o u t t h e n o n s p e c i f i c e f f e c t s o f

P V P o n b a c t e r i al c e l l s ( t b r e x a m p l e , c o a g g l u t i n a t io n ) ,

t h e n u m b e r s o f C F U i n b a c te r i a l s u s p e n s i o n i n is o -

t o n i c N a C I a n d P V P w e r e c o m p a r e d .

REF EREN ES

1. T .F . Zhirnov, M. V. Izotov, I. I. Karuzina,

e t a l . V o p r M e d .

K h i m .

No. 2, 218-222 (1979).

2. N. I. Lop atkin and Yu. M. Lopukhin, E f f e r e n t M e t h o d s i n

M e d i c i n e [in Russian], Moscow (1989).

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p. A. Galenko-Yaroshev skii S. E. Gumenyuk et al. 77

S. G. Pavlenko, S. E. Gumenyuk, P. A. Galenko-Yaroshev-

skii, e t a l. M e t h o d f o r T r e a t i n g S u r g ic a l I n f e c t io n s License

No. 2091078 of the Russian Federation, July 31, 1995) B y u l l .

I z o b r e t . No. 27 1997).

4

E. A. Petrosyan, P a t h o g e n e t i c P r i n c i p l e s a n d V a l i d a ti o n o f

T r e a ti n g P u r u l e n t S u r g i c a l I n f e c t i o n b y t h e M e t h o d o f In -

d i r e c t E l e c t ro c h e m i c a l O x i d a t io n Abstract of Doct. Med.

Sci. Dissertation, Leningrad 1991).