Investigación del efecto bactericida de un mid

Nov 16, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18111 (2022) Citar este artículo

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El rápido aumento en el número de bacterias que son resistentes a muchos agentes antimicrobianos de uso común y su propagación global se han convertido en un problema importante en todo el mundo. En particular, para la enfermedad periodontal, que es una infección localizada, existe una creciente necesidad de métodos de tratamiento que no impliquen principalmente agentes antimicrobianos, y la terapia fotodinámica antimicrobiana (TFD) está atrayendo la atención. En este estudio, los efectos bactericidas de un láser de electrones libres de infrarrojo medio (MIR-FEL) en E. coli se investigaron como un estudio básico para examinar la aplicabilidad de los MIR-FEL, que pueden excitar selectivamente las vibraciones moleculares debido a su capacidad de sintonización de longitud de onda. , a PDT. Las longitudes de onda de irradiación óptimas que se examinarán en este estudio se determinaron a partir del espectro infrarrojo de la bacteria, que se obtuvo mediante espectroscopia infrarroja transformada de Fourier. Se seleccionaron cinco longitudes de onda de irradiación (6,62, 6,88, 7,14, 8,09 y 9,26 µm) del espectro FT-IR y descubrimos que los efectos bactericidas a una longitud de onda de 6,62 µm eran notablemente más fuertes que los observados en las otras longitudes de onda. A esta longitud de onda correspondiente a la banda Amide II, la tasa de supervivencia bacteriana disminuyó significativamente a medida que aumentaba el tiempo de irradiación. Por el contrario, la irradiación de un láser de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Nd: YAG) a 1,06 µm no mostró un efecto bactericida claro. No se observaron cambios morfológicos después de la irradiación con MIR-FEL, lo que sugiere que una molécula de orgánulo bacteriano puede ser el objetivo de la irradiación con MIR-FEL, pero no se identificó el objetivo exacto. Además, el cambio de temperatura inducido en el medio de cultivo por la irradiación láser fue de ± 1,5 °C a temperatura ambiente. Estos resultados sugieren que los efectos bactericidas de MIR-FEL se derivan de reacciones fotoquímicas que involucran fotones infrarrojos, ya que la E. coli generalmente se elimina calentándola a 75 °C durante 1 minuto o más.

El láser infrarrojo (IR) de electrones libres (FEL) instalado en el Campus Noda de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) (FEL-TUS) es un láser pulsado de alta potencia. El dispositivo FEL-TUS principal es un FEL de infrarrojo medio (MIR-FEL) con un rango de longitud de onda de oscilación de 5 a 12 µm, que cubre casi toda la región de la huella molecular1. Este rango de longitud de onda corresponde a las frecuencias vibratorias fundamentales de las moléculas; por lo tanto, el MIR-FEL se puede utilizar para estudiar las propiedades fotoquímicas de una serie de sustancias, incluidas moléculas, materiales orgánicos, biomoléculas, células biológicas, etc. a través de la excitación vibratoria selectiva2. El amplio ancho de banda instantáneo de los osciladores de picosegundos MIR es especialmente atractivo, ya que permite emplear potentes técnicas de transformada de Fourier (FT), que transfieren la carga de la calibración precisa de la longitud de onda desde la fuente al sistema de detección, a la vez que proporcionan una excelente relación señal-ruido. características y resolución espectral independiente de la longitud de onda3,4.

El FEL-TUS introduce radiación, que se produce acelerando electrones a una velocidad cercana a la de la luz en un acelerador lineal, en un campo magnético periódico y luego amplifica la radiación a través de la interacción entre la radiación y un haz de electrones en un resonador, generando un rayo láser5. La luz láser resultante se caracteriza por (I) una estructura de pulso especial que consta de macropulsos y micropulsos, (II) alto brillo, (III) una longitud de onda variable y (IV) polarización lineal perfecta. Además, la sintonizabilidad de longitud de onda amplia del FEL-TUS permite la excitación vibratoria molecular selectiva, lo que proporciona una fuente de luz adecuada para la disociación de moléculas a través de la escalada de la escalera vibratoria6.

En la práctica dental, los láseres de granate de itrio y aluminio dopados con neodimio (láseres Nd: YAG), que tienen una longitud de onda de luz de emisión típica de 1064 nm, y los láseres dopados con erbio (Er): YAG (2940 nm) se emplean con frecuencia para la esterilización durante la cirugía de la raíz. procedimientos de canal y el tratamiento de la enfermedad periodontal7,8,9. La desinfección química con solución de hipoclorito de sodio se ha utilizado tradicionalmente para el tratamiento del conducto radicular10, y la aplicación de ungüentos que contienen antibióticos o la eliminación mecánica con un raspador son tratamientos comunes para la enfermedad periodontal. Recientemente, ha llamado la atención el uso de láseres para la esterilización; sin embargo, los láseres utilizados para tales procedimientos tienen una longitud de onda fija y se encuentran disponibles pocas fuentes de luz apropiadas con longitudes de onda variables. En los últimos años, se ha informado sobre la esterilización de superficies de implantes de dióxido de titanio mediante láseres UV y la esterilización por infrarrojo cercano de COVID-1911,12. Sin embargo, ha habido solo unos pocos informes sobre los efectos de esterilización de los MIR-FEL desde 199813,14, aunque se esperaba que los MIR-FEL se introdujeran como nuevos dispositivos médicos en 200615.

La esterilización es crítica para el tratamiento de la enfermedad periodontal y se han informado varios métodos de esterilización16. Los agentes antimicrobianos son el tipo más común de terapia farmacológica. Sin embargo, el rápido aumento en la prevalencia de bacterias que son resistentes a muchos agentes antimicrobianos de uso común y su propagación global se están convirtiendo en problemas importantes en todo el mundo17. Además, el ritmo de desarrollo de agentes antimicrobianos está disminuyendo claramente, especialmente para el tratamiento de la enfermedad periodontal, que involucra infecciones locales, y existe una creciente necesidad de investigar tratamientos con diferentes mecanismos de acción18,19,20.

En los últimos años, la terapia fotodinámica (TFD) se ha desarrollado como una alternativa de tratamiento para varios tipos de cáncer21. Una de las principales ventajas de este tipo de tratamiento es que no tiene efectos secundarios graves, por lo que puede repetirse con frecuencia22. También se ha utilizado para fotoinactivar microorganismos Gram-negativos/-positivos con fines de esterilización, lo que se denomina terapia fotodinámica antimicrobiana (aPDT)23,24. En este contexto, se ha informado que la aPDT es útil para esterilizar muchos microorganismos, incluidos los patógenos orales y las bacterias multirresistentes25,26,27,28. Sin embargo, en general, los aPDT requieren el uso de colorantes exógenos o endógenos, y pocos estudios han informado que se dirijan a los enlaces intramoleculares de orgánulos específicos de bacterias sin requerir estos colorantes.

Muchos de los componentes básicos de la vida son específicamente sensibles a la radiación de la región del infrarrojo medio, y los MIR-FEL pueden excitar selectivamente las vibraciones moleculares15,29,30. Además, si la irradiación MIR-FEL tiene efectos bactericidas sin la necesidad de un tinte, que sería diferente de la técnica convencional de aPDT, puede ser posible utilizarlos para desarrollar un método de desinfección más simple. Por lo tanto, en este estudio realizamos un estudio básico de los efectos bactericidas de la irradiación MIR-FEL en Escherichia coli, con el objetivo de explorar la posibilidad de utilizar MIR-FEL como nuevos dispositivos aPDT para el control de enfermedades infecciosas.

En este estudio se utilizó la cepa E. coli HB-101 como bacteria gramnegativa autóctona. Las E. coli se cultivaron aeróbicamente en caldo de infusión de cerebro y corazón (caldo BHI; Beckton Dickinson Co., Sparks, MD, EE. UU.) con agar Bacto al 1,5 % (Beckton Dickinson) durante 24 h.

El MIR-FEL, que se operó a 5 Hz, se reflejó verticalmente usando un espejo recubierto de oro y se enfocó con una lente BaF2 (Pier-optics Co., Ltd., Gunma, Japón), y la trayectoria óptica se ajustó para que toda la solución bacteriana se sometió a irradiación. La potencia del láser justo en frente de la muestra fue de ~ 10 mJ/pulso. Para determinar las longitudes de onda MIR-FEL óptimas para el estudio, se midió el espectro IR de E. coli, que se extendieron sobre un portaobjetos de vidrio y se secaron al aire durante 15 minutos, con un espectrómetro FT-IR convencional (JASCO FT/IR-6100, JASCO, Tokio, Japón). Las mediciones de FT-IR se realizaron utilizando la técnica de reflexión total atenuada (ATR)31 con los siguientes parámetros de medición: número de escaneos: 64, resolución: 4 cm−1, potencia: 5–8 mJ/pulso y rango de medición: 4000 –800 cm−1 (2,5–12,5 µm).

La luz producida usando un láser Nd: YAG LS-2137 2-DL (LOTIS II Co., Minsk, Bielorrusia) operado a 5 Hz se filtró a 1064 nm pasándola a través de un filtro de paso de banda y luego se reflejó verticalmente usando un espejo. El camino óptico se ajustó de modo que toda la solución bacteriana fuera cubierta por el campo de irradiación. La potencia del láser justo enfrente de la muestra era de 10 mJ/pulso.

Se centrifugó un cultivo de la bacteria durante la noche (100 µl) con un valor de absorbancia de 1,0 a una longitud de onda de 600 nm y se suspendió en 10 µl de solución salina fisiológica (Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd., Tokio, Japón). La suspensión bacteriana se irradió con uno de los láseres durante 5, 15 o 30 min. Las muestras de control no se irradiaron, sino que se dejaron durante el mismo tiempo que las muestras irradiadas. Después de ser irradiadas, cada muestra se diluyó en serie y 0,1 ml de la muestra diluida se untó en placas de agar BHI, que luego se cultivaron aeróbicamente durante 24 h. Posteriormente, se contó el número de colonias y se calculó el número de bacterias viables en unidades formadoras de colonias/mL (UFC). La supervivencia de las células bacterianas se estimó en función del número de bacterias viables contando el número de CFU después de irradiar las células. Para examinar los efectos antibacterianos de la irradiación con láser, la tasa de supervivencia se determinó como la relación entre el recuento de células viables en el grupo irradiado y el del grupo de control.

Las muestras de E. coli que se habían irradiado a cada longitud de onda planificada con un láser MIR-FEL o Nd:YAG se fijaron con glutaraldehído al 1 % en tampón de cacodilato de sodio 0,1 M durante 60 min. Después de la fijación, las muestras se lavaron dos veces con tampón de cacodilato de sodio 0,1 M y se deshidrataron a través de una serie graduada de soluciones acuosas de etanol (50, 70, 80, 90 y 100 %; tiempo de inmersión por serie: 15 min), antes de secarse al aire. . Luego, las muestras se recubrieron con una capa delgada de platino utilizando un sistema de pulverización iónica (JFC-1300, AUTO FINE COATER, Japan Electron Optics Laboratory, Ltd., Tokio, Japón). Los cambios morfológicos de las células bacterianas se observaron con microscopio electrónico de barrido (SEM: JCM-6000Plus, JEOL, Tokio, Japón).

Para examinar la influencia de la irradiación láser (irradiación continua de 60 minutos) en la temperatura de las bacterias, las muestras se monitorearon continuamente con una cámara termográfica SC620 (FLIR Systems Japan KK, Tokio, Japón) durante 60 minutos durante el procedimiento de irradiación.

Los análisis estadísticos se realizaron mediante análisis de varianza unidireccional (ANOVA) seguido de la prueba de Tukey utilizando el software BellCurve for Excel (Ver. 3.21, Social Survey Research Information Co., Ltd., Tokio, Japón). Las diferencias entre los grupos se consideraron significativas a P < 0,05.

El espectro FT-IR de E. coli en el rango de longitud de onda de 2,5 a 12,5 µm se muestra en la Fig. 1. Se reconocieron varios picos de absorción distintos en el espectro mencionado anteriormente. Se observó un pico bastante ancho a ~ 3,0 µm, se observaron picos estrechos, nítidos y fuertes a 6,00 y 6,62 µm, picos débiles a 6,88 y 7,14 µm, y picos anchos a 8,09 y 9,26 µm. De acuerdo con los espectros IR proporcionados por la Base de datos de referencia química del NIST (Libro web de química del NIST)32, la absorción de H2O en el infrarrojo medio en la fase condensada exhibe un único pico agudo en alrededor de 1648 cm−1 (6,07 µm) y un pico ancho alrededor de 3360 cm−1 (2,98 µm). En consecuencia, los picos observados en ~ 3,0 y 6,00 µm (marcados con triángulos grises en la Fig. 1) podrían asignarse con seguridad a H2O, aunque es posible que la banda de 6,00 µm se relacione con la banda de amida I de E. coli, como se mencionó. más tarde. Las otras cinco longitudes de onda (marcadas con flechas grises) se seleccionaron como longitudes de onda de irradiación para el estudio actual. Las asignaciones vibratorias correspondientes se enumeran en la Tabla 1.

Medición del espectro de absorción infrarroja de E. coli mediante espectroscopia de absorción infrarroja. Son visibles varios picos de absorción distintos. Se observa un pico bastante ancho a ~ 3,0 µm, se observan picos fuertes y estrechos a 6,00 y 6,62 µm, picos débiles a 6,88 y 7,14 µm y picos anchos a 8,09 y 9,26 µm. Los picos alrededor de ~ 3,0 y 6,00 µm (marcados por triángulos grises) se asociaron principalmente con H2O. Las cinco longitudes de onda (marcadas con flechas grises) se seleccionaron como longitudes de onda de irradiación en el experimento actual.

E. coli se cultivó después de la irradiación con láser MIR-FEL o ND: YAG. Luego, se determinó el número de UFC en cada grupo y se calculó la tasa de supervivencia relativa en comparación con el control (Tabla 2 y Fig. 2). La irradiación con MIR-FEL a 6,62, 6,88, 7,14, 8,09 o 9,26 µm durante 15 min redujo significativamente la cantidad de células bacterianas viables (P < 0,01), lo que resultó en valores de viabilidad relativa de 2,3 ± 1,6 %, 12,0 ± 1,1 % , 23,2 ± 2,1 %, 18,7 ± 1,7 % y 18,6 ± 0,5 %, respectivamente. La capacidad bactericida del MIR-FEL fue notablemente mayor que la del láser Nd: YAG en todas las longitudes de onda (viabilidad relativa: 43,3 ± 5,3 %, P < 0,01), lo que indica la eficacia bactericida de la luz MIR. En particular, los efectos bactericidas observados a una longitud de onda de 6,62 µm fueron notablemente más fuertes que los observados a otras longitudes de onda (P < 0,01). La irradiación con MIR-FEL a 6,62 µm redujo significativamente la supervivencia bacteriana de forma dependiente del tiempo (Fig. 3).

Efectos bactericidas de la irradiación FEL a varias longitudes de onda en E. coli. Las comparaciones entre grupos se realizaron utilizando ANOVA de una vía seguido de la prueba de Tukey. Los asteriscos (**P < 0,01) indican diferencias significativas con el grupo no irradiado o el grupo de irradiación MIR-FEL de 15 min.

Efectos bactericidas dependientes del tiempo (viabilidad) de la irradiación MIR-FEL a una longitud de onda de 6,62 µm. Las comparaciones entre grupos se realizaron utilizando ANOVA de una vía seguido de la prueba de Tukey. Las diferencias significativas se indican con asteriscos (**P < 0,01).

Después de 15 min de irradiación a la longitud de onda relevante, las células bacterianas se examinaron bajo un microscopio electrónico de barrido. En comparación con el grupo no irradiado, el número de células viables disminuyó y se observó destrucción celular después de la irradiación con MIR-FEL a una longitud de onda de 6,62 µm. Sin embargo, no se observaron cambios morfológicos tras la irradiación con MIR-FEL a una longitud de onda de 6,88 µm y, en comparación con el grupo no irradiado, el número de células solo disminuyó ligeramente tras la irradiación con una longitud de onda de MIR-FEL de 7,14 µm. Las imágenes de microscopía electrónica de las células bacterianas sometidas a irradiación MIR-FEL a 9,26 µm o irradiación con láser Nd:YAG fueron comparables a las obtenidas en el grupo no irradiado (fig. 4).

Morfología de las células de E. coli después de la irradiación con MIR-FEL o la irradiación con láser ND: YAG. Se muestran imágenes de E. coli obtenidas con un microscopio electrónico de barrido que opera a 10 kV. (A1) Grupo no tratado (control); (A2) grupo de irradiación MIR-FEL de 6,62 µm; (A3) grupo de irradiación MIR-FEL de 6,88 µm; (A4) grupo de irradiación FEL de 7,14 µm; (B1) control para el grupo de irradiación MIR-FEL de 9,26 µm; (B2) grupo de irradiación MIR-FEL de 9,26 µm; (C1) control para el grupo de irradiación ND:YAG; (C2) 15 min Nd: grupo de irradiación con láser YAG; barras de escala, 2 µm.

La medición de la temperatura de las muestras bacterianas durante la irradiación MIR-FEL se realizó mediante una cámara termográfica SC620. La temperatura media de las muestras se mantuvo a temperatura ambiente ± 0,12 °C (Fig. 5).

Cambios de temperatura inducidos en muestras bacterianas por irradiación MIR-FEL.

En la práctica clínica se utilizan varios métodos de esterilización. De estos, los láseres se usan ocasionalmente para matar patógenos orales en la práctica dental. Los láseres semiconductores, especialmente los láseres Nd:YAG, Er:YAG y CO2, son los principales láseres empleados en la práctica odontológica7,8,9. En estos láseres se utiliza como medio un sólido o gas, junto con una luz que oscila en una única longitud de onda. Las regiones de oscilación de estos láseres están ubicadas en ≤ 3 µm o ≥ 10 µm; sin embargo, los láseres que emiten luz en la región MIR aún no se han puesto en uso práctico. Hasta donde sabemos, no se han publicado informes sobre la esterilización de bacterias mediante excitación vibratoria resonante, probablemente debido a la falta de fuentes de luz sintonizables de longitud de onda intensa en la región espectral de huellas dactilares. La irradiación altamente eficiente, que se puede lograr mediante la irradiación de luz láser a una longitud de onda que resuena con un enlace molecular, debería suprimir el daño en el entorno circundante. Nuestro grupo realiza investigaciones en el campo dental, y este estudio fue un estudio piloto que intentó examinar si los MIR-FEL podrían usarse para tratar la enfermedad periodontal. En el presente estudio, se investigaron los efectos de la radiación IR en el rango de 6 a 10 µm en E. coli utilizando un MIR-FEL instalado en el campus de TUS Noda.

La Tabla 1 enumera la asignación vibratoria de los picos observados en el espectro FT-IR de E. coli33,34,35,36. El pico agudo alrededor de 6,00 µm corresponde a la banda de amida I (C=O)34,35,36. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, el agua líquida también exhibe un pico intenso alrededor de 6,00 µm. Dado que el pico de agua alrededor de 2,5 µm aparece fuertemente, lo que significa la existencia de agua en la muestra, suponemos que el pico alrededor de 6,00 µm consiste tanto en H2O como en la banda de amida I. El pico nítido alrededor de 6,62 µm corresponde a la banda amida II (νC–N junto con la flexión N–H de las proteínas)34,35,36. Por encima de 7 mm, las bandas de absorción se superponen y cada pico no se separa, por lo que parece difícil asignarlos a un solo modo vibracional. Por ejemplo, Caine et al.35 atribuyeron las bandas alrededor de 7 mm al modo de flexión C-H antisimétrico (~ 1468 cm-1) y COO- simétrico (~ 1400 cm-1) de ácidos grasos y polisacáridos. Por otro lado, Acebo et al.33 apuntan la posibilidad de carbonato (1424-1414 cm−1). El pico ancho de alrededor de 8,1 mm es asignable al modo vibracional PO2-antisimétrico acompañado por la banda Amide III35. El pico ancho de alrededor de 9,3 mm es un símbolo del modo vibracional PO2 simétrico35. Entre estas longitudes de onda, la irradiación MIR-FEL a 6,62 µm (amida II) produjo la mayor inhibición posterior a la irradiación del crecimiento bacteriano (Fig. 2). Los agentes antimicrobianos que ejercen acción bacteriostática incluyen macrólidos y tetraciclinas, cuyo mecanismo de acción es la inhibición de la síntesis de proteínas37,38. Por lo tanto, las proteínas dentro de los microorganismos son componentes importantes para su crecimiento y supervivencia. Por lo tanto, es posible que la irradiación MIR-FEL, que mostró efectos similares, afectara a todas las proteínas dentro de las bacterias, dando como resultado efectos bacteriostáticos al inhibir los procesos involucrados en el crecimiento bacteriano. Sin embargo, el objetivo bacteriano de MIR-FEL no se identificó en este estudio, y el objetivo exacto de la irradiación de MIR-FEL debe aclararse mediante un análisis cuantitativo utilizando FT-IR en el futuro.

La esterilización basada en la excitación por vibración O-H de las moléculas de agua se considera similar al mecanismo de esterilización de los láseres Er: YAG (λ = 2,95 μm), en los que el láser Er: YAG evapora (extirpa) las moléculas de agua alrededor de la bacteria , y su poder causa daño físico a las moléculas circundantes. Rauf et al. informaron que se requiere un nivel de energía de 30 mJ/pulso para la esterilización por un láser Er:YAG39. En la TFD convencional, originalmente se consideró más deseable el uso de LED verdes para maximizar la excitación de la Rosa de Bengala y aumentar la cantidad de oxígeno singulete producido40,41. Sin embargo, en contraste con la irradiación de luz visible o infrarroja cercana, el mecanismo de esterilización por radiación infrarroja media es definitivamente diferente. A una longitud de onda de 6,62 µm, el MIR-FEL alcanza la banda de amida II (N-H) de forma selectiva, lo que no implica la formación de especies reactivas de oxígeno, como el oxígeno singulete, y teóricamente no causaría daño oxidativo. Por otro lado, como se muestra en las Figs. 2 y 4, el MIR-FEL tuvo efectos bactericidas sobre E. coli, pero no provocó cambios morfológicos en las bacterias. Estos hallazgos sugieren que la irradiación MIR-FEL puede reducir la actividad bacteriana al inhibir la síntesis de aminoácidos a través de sus efectos sobre los enlaces intermoleculares dentro de los orgánulos bacterianos.

Aunque varios tipos de irradiación de luz, incluida la irradiación láser, pueden causar termotoxicidad, en el presente estudio el cambio de temperatura inducido en el medio de cultivo durante el procedimiento de irradiación estuvo dentro de ± 0,12 °C (Fig. 5), y los efectos bactericidas de estas temperaturas los cambios pueden ser ignorados. Este hallazgo sugiere fuertemente que los efectos bactericidas de los MIR-FEL se derivan de los fotones IR en lugar de los aumentos de temperatura. Se ha informado que la inducción de la expresión de proteínas de choque térmico después de un cambio de temperatura (de 30 a 42 °C) es necesaria para mejorar la resistencia a la muerte por calor42. Aunque en este estudio no se realizó un análisis de choque térmico de E. coli después de la irradiación, solo se observó un pequeño cambio de temperatura después de la irradiación MIR-FEL, y es poco probable que la irradiación láser aumente la resistencia a la muerte térmica de los microorganismos objetivo; por lo tanto, los efectos adversos de realizar aPDT varias veces pueden ser insignificantes.

En investigaciones periodontales recientes, se han seleccionado como tratamientos adyuvantes agentes farmacológicos que actúan sobre las respuestas inmunitarias bacterianas y del huésped. Sin embargo, ninguno de estos agentes antimicrobianos se ha establecido como tratamiento de referencia para la enfermedad periodontal43. Estudios previos informaron que las bacterias periodontales subgingivales exhibieron resistencia in vitro a concentraciones terapéuticas de antibióticos, como amoxicilina, clindamicina y doxiciclina, que se usan comúnmente para el tratamiento de la enfermedad periodontal44. Por lo tanto, dado que puede que no sea posible tratar eficazmente la enfermedad periodontal erradicando solo las bacterias Gram-negativas, se requieren más estudios sobre aPDT. Sin embargo, antes de que MIR-FEL pueda aplicarse al tratamiento de la enfermedad periodontal, será necesario investigar los efectos de MIR-FEL sobre el biofilm y Porphyromonas gingivalis, que se consideran los factores más importantes en el tratamiento de la enfermedad periodontal. El láser Nd: YAG de infrarrojo cercano (frecuencia central: 1,064 µm) tiene una profundidad de penetración de 1 a 5 mm. La profundidad de penetración del láser Er: YAG (frecuencia central: 2,94 µm), que tiene una profundidad de penetración más baja que el láser Nd: YAG y MIR-FEL, es de 1 µm15. Un objetivo típico para aPDT en odontología es P. gingivalis, y el tamaño de este microorganismo es de alrededor de 1 µm45. Por lo tanto, la erradicación de P. gingivalis por irradiación MIR-FEL es muy factible y puede tener aplicaciones clínicas.

Por otro lado, a pesar de que la TFD a través de MIR-FEL muestra actividad bactericida contra E. coli a longitudes de onda específicas, aún existen importantes problemas prácticos, como sus efectos sobre las células normales (seguridad) cuando son irradiadas in vivo y el diseño de los dispositivos de irradiación asociados, para resolver antes de que pueda ser utilizado en el entorno clínico. aPDT podría desempeñar un papel en el tratamiento de la enfermedad periodontal como terapia adyuvante, y su combinación con otras terapias periodontales puede contribuir a un éxito clínico significativo27,28. Por ejemplo, se ha utilizado aPDT con luz azul para excitar porfirinas intracelulares endógenas, como las que se encuentran en Propionibacterium acnes, Helicobacter pylori y Staphylococcus aureus46,47,48. Por lo tanto, la aPDT por MIR-FEL, que no requiere teñir el objetivo de esterilización con tintes, puede aplicarse como una aPDT simple porque, a diferencia de la aPDT convencional, se puede esperar que produzca efectos antibacterianos basados ​​solo en la irradiación de luz.

En conclusión, los resultados de los experimentos MIR-FEL actuales sugieren que dichos láseres pueden convertirse en la piedra angular de una nueva aPDT que induce la escisión intermolecular mediante la irradiación a una longitud de onda específica. Además, la aPDT se puede realizar para infecciones repetidas, y hay poca posibilidad de inducir resistencia bacteriana, lo que no ocurre cuando los fármacos antimicrobianos se usan repetidamente. Estas posibilidades sugieren que MIR-FEL se puede utilizar en un nuevo tipo de aPDT en el futuro. En la actualidad, no hay muchos informes sobre los efectos bactericidas de la irradiación MIR-FEL, aunque es muy interesante que la irradiación MIR-FEL en longitudes de onda específicas ejerce efectos bactericidas contra E. coli. Es necesario investigar los efectos bactericidas de la irradiación MIR-FEL y el mecanismo subyacente. Sin embargo, el tamaño de tales dispositivos es el problema más serio que limita la aplicación clínica de MIR-FEL. Los MIR-FEL consisten en un cañón de electrones de radiofrecuencia para generar el haz de electrones, un tubo acelerador para acelerar el haz de electrones, un ondulador para generar luz serpenteando el haz de electrones y un resonador óptico para amplificar y hacer oscilar la luz. En particular, el tubo de aceleración solo tiene 3 m de largo5, lo que dificulta su colocación en una clínica con el único propósito de esterilización. La mejora adicional del sistema ayudaría a su aplicación clínica.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Terapia fotodinámica antimicrobiana

Infusión cerebro corazón

Granate de itrio y aluminio dopado con erbio

láser de electrones libres

Transformada de Fourier para infrarrojos

Infrarrojo

Láser de electrones libres de infrarrojo medio

Granate de itrio y aluminio dopado con neodimio

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Este estudio fue apoyado por JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Grant Number 18K09895.

Estos autores contribuyeron por igual: Toshizo Toyama y Jun Fujioka.

Departamento de Microbiología Oral, Universidad Dental de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japón

Toshizo Toyama, Jun Fujioka, Keitaro Inaba y Nobushiro Hamada

Centro de Investigación IR FEL, RIST, Universidad de Ciencias de Tokio, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japón

Toshizo Toyama, Jun Fujioka, Takayuki Imai, Koichi Tsukiyama y Fumihiko Yoshino

Departamento de Educación en Artes Liberales, Universidad Dental de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japón

Kiyoko Watanabe

Departamento de Educación Dental Instituto de Educación Dental/Artes Liberales, Universidad Dental de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japón

Ayaka Yoshida

Clínica dental Sakuma, 15-1 Yashikinaka-Aza, Moriai, Fukushima, Fukushima, 906-8003, Japón

Takaaki Sakuma

Departamento de Física Aplicada, Facultad de Ciencias, Universidad de Ciencias de Tokio, 6-3-1 Niijuku, Katsushika-ku, Tokio, 125-8585, Japón

takashi nakajima

Departamento de Farmacología, Universidad Dental de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japón

Fumihiko Yoshino

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TT, JF y KW concibieron el estudio, diseñaron la investigación, recolectaron los datos y escribieron el borrador inicial del manuscrito; TT, JF, AY, TS, KI, TI y FY realizaron la investigación y analizaron los datos; y KW, TN, KT, NH y FY escribieron el artículo. Todos los autores han aprobado la versión final del manuscrito y aceptan ser responsables de todos los aspectos del trabajo para garantizar que las preguntas relacionadas con la precisión o integridad de cualquier parte del trabajo se investiguen y resuelvan adecuadamente.

Correspondencia a Fumihiko Yoshino.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Toyama, T., Fujioka, J., Watanabe, K. et al. Investigación del efecto bactericida de un láser de electrones libres de infrarrojo medio en Escherichia coli. Informe científico 12, 18111 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22949-9

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Recibido: 02 junio 2022

Aceptado: 21 de octubre de 2022

Publicado: 27 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22949-9

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