Enquête sur l'effet bactéricide d'un milieu

Nov 16, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18111 (2022) Citer cet article

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L'augmentation rapide du nombre de bactéries résistantes à de nombreux agents antimicrobiens couramment utilisés et leur propagation mondiale sont devenues un problème majeur dans le monde entier. En particulier, pour la maladie parodontale, qui est une infection localisée, il existe un besoin croissant de méthodes de traitement qui n'impliquent pas principalement des agents antimicrobiens, et la thérapie photodynamique antimicrobienne (aPDT) attire l'attention. Dans cette étude, les effets bactéricides d'un laser à électrons libres dans l'infrarouge moyen (MIR-FEL) sur E. coli ont été étudiés en tant qu'étude de base pour examiner l'applicabilité des MIR-FEL, qui peuvent exciter sélectivement les vibrations moléculaires en raison de leur accordabilité en longueur d'onde. , à aPDT. Les longueurs d'onde d'irradiation optimales à examiner dans cette étude ont été déterminées à partir du spectre infrarouge des bactéries, qui a été obtenu à l'aide de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Cinq longueurs d'onde d'irradiation (6,62, 6,88, 7,14, 8,09 et 9,26 µm) ont été sélectionnées dans le spectre FT-IR, et nous avons constaté que les effets bactéricides à une longueur d'onde de 6,62 µm étaient nettement plus forts que ceux observés aux autres longueurs d'onde. A cette longueur d'onde correspondant à la bande Amide II, le taux de survie bactérienne diminue significativement à mesure que le temps d'irradiation augmente. Au contraire, l'irradiation d'un laser à grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd: YAG) à 1,06 µm n'a montré aucun effet bactéricide distinct. Aucun changement morphologique n'a été observé après l'irradiation MIR-FEL, suggérant qu'une molécule d'organite bactérienne pourrait être la cible de l'irradiation MIR-FEL, mais la cible exacte n'a pas été identifiée. De plus, le changement de température induit dans le milieu de culture par l'irradiation laser était de ± 1,5 °C à température ambiante. Ces résultats suggèrent que les effets bactéricides de MIR-FEL sont dérivés de réactions photochimiques impliquant des photons infrarouges, puisque E. coli est généralement tué en le chauffant à 75 ° C pendant 1 min ou plus.

Le laser infrarouge (IR) à électrons libres (FEL) installé sur le campus Noda de l'Université des sciences de Tokyo (TUS) (FEL-TUS) est un laser pulsé de haute puissance. Le principal dispositif FEL-TUS est un FEL dans l'infrarouge moyen (MIR-FEL) avec une plage de longueurs d'onde d'oscillation dans la plage de 5 à 12 µm, qui couvre presque toute la région des empreintes moléculaires1. Cette gamme de longueurs d'onde correspond aux fréquences vibratoires fondamentales des molécules ; par conséquent, le MIR-FEL peut être utilisé pour étudier les propriétés photochimiques d'un certain nombre de substances, y compris des molécules, des matériaux organiques, des biomolécules, des cellules biologiques, etc. grâce à l'excitation vibratoire sélective2. La large bande passante instantanée des oscillateurs picosecondes MIR est particulièrement attrayante car elle permet d'utiliser de puissantes techniques de transformée de Fourier (FT), qui transfèrent la charge de l'étalonnage précis de la longueur d'onde de la source au système de détection, tout en fournissant un excellent rapport signal sur bruit. caractéristiques et résolution spectrale indépendante de la longueur d'onde3,4.

Le FEL-TUS introduit un rayonnement, qui est produit en accélérant des électrons à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans un accélérateur linéaire, dans un champ magnétique périodique, puis amplifie le rayonnement par l'interaction entre le rayonnement et un faisceau d'électrons dans un résonateur, générant un faisceau laser5. La lumière laser résultante est caractérisée par (I) une structure d'impulsion spéciale constituée de macro- et micro-impulsions, (II) une luminosité élevée, (III) une longueur d'onde variable et (IV) une polarisation linéaire parfaite. De plus, la large accordabilité de la longueur d'onde du FEL-TUS permet une excitation vibratoire moléculaire sélective, fournissant une source de lumière appropriée pour la dissociation des molécules par l'escalade de l'échelle vibratoire6.

Dans la pratique dentaire, les lasers à grenat d'yttrium et d'aluminium dopés au néodyme (lasers Nd: YAG), qui ont une longueur d'onde lumineuse d'émission typique de 1064 nm, et les lasers dopés à l'erbium (Er): YAG (2940 nm) sont fréquemment utilisés pour la stérilisation pendant la racine les interventions canalaires et le traitement des maladies parodontales7,8,9. La désinfection chimique avec une solution d'hypochlorite de sodium est traditionnellement utilisée pour le traitement du canal radiculaire10, et l'application d'une pommade contenant un antibiotique ou l'élimination mécanique avec un détartreur sont des traitements courants pour les maladies parodontales. Récemment, l'utilisation de lasers pour la stérilisation a attiré l'attention ; cependant, les lasers utilisés pour de telles procédures ont une longueur d'onde fixe, et peu de sources lumineuses appropriées avec des longueurs d'onde variables sont disponibles. Ces dernières années, la stérilisation des surfaces d'implants en dioxyde de titane par des lasers UV et la stérilisation dans le proche infrarouge du COVID-19 ont été signalées11,12. Cependant, il n'y a eu que quelques rapports sur les effets de stérilisation des MIR-FEL depuis 199813,14, bien que les MIR-FEL devaient être introduits en tant que nouveaux dispositifs médicaux en 200615.

La stérilisation est essentielle pour le traitement des maladies parodontales et diverses méthodes de stérilisation ont été rapportées16. Les agents antimicrobiens sont le type de traitement médicamenteux le plus courant. Cependant, l'augmentation rapide de la prévalence de bactéries résistantes à de nombreux agents antimicrobiens couramment utilisés et leur propagation mondiale deviennent des problèmes majeurs dans le monde entier17. De plus, le rythme de développement des agents antimicrobiens diminue nettement, en particulier pour le traitement des maladies parodontales, qui impliquent des infections locales, et il existe un besoin croissant de recherche sur des traitements avec différents mécanismes d'action18,19,20.

Ces dernières années, la thérapie photodynamique (PDT) a été développée comme traitement alternatif pour plusieurs types de cancer21. L'un des principaux avantages de ce type de traitement est qu'il n'a pas d'effets secondaires graves et qu'il peut donc être répété fréquemment22. Il a également été utilisé pour photo-inactiver les micro-organismes Gram-négatifs/-positifs à des fins de stérilisation, ce qui est appelé thérapie photodynamique antimicrobienne (aPDT)23,24. Dans ce contexte, l'aPDT s'est avérée utile pour stériliser de nombreux micro-organismes, y compris les agents pathogènes oraux et les bactéries multirésistantes25,26,27,28. Cependant, en général, les aPDT nécessitent l'utilisation de colorants exogènes ou endogènes, et peu d'études ont rapporté qui ciblent les liaisons intramoléculaires d'organites spécifiques aux bactéries sans nécessiter ces colorants.

De nombreux éléments constitutifs de la vie sont spécifiquement sensibles au rayonnement de la région de l'infrarouge moyen, et les MIR-FEL sont capables d'exciter sélectivement les vibrations moléculaires15,29,30. De plus, si l'irradiation MIR-FEL a des effets bactéricides sans nécessiter de colorant, ce qui serait différent de la technique aPDT conventionnelle, il peut être possible de les utiliser pour développer une méthode de désinfection plus simple. Par conséquent, dans cette étude, nous avons effectué une étude de base des effets bactéricides de l'irradiation MIR-FEL sur Escherichia coli, dans le but d'explorer la possibilité d'utiliser les MIR-FEL comme nouveaux dispositifs aPDT pour le contrôle des maladies infectieuses.

La souche E. coli HB-101 a été utilisée comme bactérie Gram-négative indigène dans cette étude. Les E. coli ont été cultivés en aérobiose dans un bouillon d'infusion cœur-cervelle (bouillon BHI; Beckton Dickinson Co., Sparks, MD, États-Unis) avec 1, 5% de gélose Bacto (Beckton Dickinson) pendant 24 h.

Le MIR-FEL, qui fonctionnait à 5 Hz, était réfléchi verticalement à l'aide d'un miroir recouvert d'or et focalisé avec une lentille BaF2 (Pier-optics Co., Ltd., Gunma, Japon), et le chemin optique était ajusté de sorte que toute la solution bactérienne a été soumise à une irradiation. La puissance du laser juste devant l'échantillon était d'environ 10 mJ/impulsion. Pour déterminer les longueurs d'onde MIR-FEL optimales à étudier, le spectre IR d'E. coli, qui a été étalé sur une lame de verre et séché à l'air pendant 15 min, a été mesuré par un spectromètre FT-IR conventionnel (JASCO FT/IR-6100, JASCO, Tokyo, Japon). Les mesures FT-IR ont été réalisées à l'aide de la technique Attenuated Total Reflection (ATR)31 avec les paramètres de mesure suivants : nombre de scans : 64, résolution : 4 cm−1, puissance : 5–8 mJ/impulsion et plage de mesure : 4000 –800 cm−1 (2,5–12,5 µm).

La lumière produite à l'aide d'un laser Nd: YAG LS-2137 2-DL (LOTIS II Co., Minsk, Biélorussie) fonctionnant à 5 Hz a été filtrée à 1064 nm en la faisant passer à travers un filtre passe-bande, puis réfléchie verticalement à l'aide d'un miroir. Le chemin optique a été ajusté de manière à ce que toute la solution bactérienne soit couverte par le champ d'irradiation. La puissance du laser juste devant l'échantillon était de 10 mJ/impulsion.

Une culture d'une nuit des bactéries (100 µL) avec une valeur d'absorbance de 1,0 à une longueur d'onde de 600 nm a été centrifugée et mise en suspension dans 10 µL de sérum physiologique (Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd., Tokyo, Japon). La suspension bactérienne a été irradiée avec l'un des lasers pendant 5, 15 ou 30 min. Les échantillons témoins n'ont pas été irradiés, mais ont été laissés pendant la même durée que les échantillons irradiés. Après avoir été irradié, chaque échantillon a été dilué en série et 0,1 ml de l'échantillon dilué a été étalé sur des plaques de gélose BHI, qui ont ensuite été cultivées en aérobiose pendant 24 h. Par la suite, le nombre de colonies a été compté et le nombre de bactéries viables a été calculé en unités formant colonies/mL (UFC). La survie des cellules bactériennes a été estimée sur la base du nombre de bactéries viables en comptant le nombre d'UFC après que les cellules aient été irradiées. Pour examiner les effets antibactériens de l'irradiation laser, le taux de survie a été déterminé comme le rapport du nombre de cellules viables dans le groupe irradié à celui du groupe témoin.

Les échantillons d'E. coli qui avaient été irradiés à chaque longueur d'onde planifiée avec un laser MIR-FEL ou Nd: YAG ont été fixés avec du glutaraldéhyde à 1 % dans un tampon cacodylate de sodium 0,1 M pendant 60 min. Après fixation, les échantillons ont été lavés deux fois avec un tampon de cacodylate de sodium 0,1 M et déshydratés à travers une série graduée de solutions aqueuses d'éthanol (50, 70, 80, 90 et 100 % ; temps d'immersion par série : 15 min), avant d'être séchés à l'air. . Ensuite, les échantillons ont été recouverts d'une fine couche de platine à l'aide d'un système de pulvérisation ionique (JFC-1300, AUTO FINE COATER, Japan Electron Optics Laboratory, Ltd., Tokyo, Japon). Les changements morphologiques des cellules bactériennes ont été observés au microscope électronique à balayage (MEB : JCM-6000Plus, JEOL, Tokyo, Japon).

Pour examiner l'influence de l'irradiation laser (irradiation continue de 60 min) sur la température des bactéries, les échantillons ont été surveillés en continu à l'aide d'une caméra d'imagerie thermique SC620 (FLIR Systems Japan KK, Tokyo, Japon) pendant 60 min pendant la procédure d'irradiation.

Les analyses statistiques ont été effectuées par une analyse de variance unidirectionnelle (ANOVA) suivie du test de Tukey à l'aide du logiciel BellCurve pour Excel (Ver. 3.21, Social Survey Research Information Co., Ltd., Tokyo, Japon). Les différences entre les groupes ont été considérées comme significatives à P < 0,05.

Le spectre FT-IR d'E. coli dans la gamme de longueurs d'onde de 2,5 à 12,5 µm est illustré à la Fig. 1. Plusieurs pics d'absorption distincts ont été reconnus dans le spectre susmentionné. Un pic assez large a été observé à ~ 3,0 µm, des pics étroits, pointus et forts ont été observés à 6,00 et 6,62 µm, des pics faibles étaient présents à 6,88 et 7,14 µm et des pics larges ont été observés à 8,09 et 9,26 µm. Selon les spectres IR fournis par la base de données de référence de chimie du NIST (NIST Chemistry WebBook)32, l'absorption dans l'infrarouge moyen de H2O dans la phase condensée présente un seul pic net à environ 1648 cm−1 (6,07 µm) et un large pic autour de 3360 cm-1 (2,98 µm). En conséquence, les pics observés à ~ 3,0 et 6,00 µm (marqués par des triangles gris sur la Fig. 1) pourraient être attribués en toute sécurité à H2O, bien qu'il soit possible que la bande de 6,00 µm se rapporte à la bande amide I d'E. coli comme mentionné plus tard. Les cinq autres longueurs d'onde (marquées par des flèches grises) ont été sélectionnées comme longueurs d'onde d'irradiation pour l'étude en cours. Les affectations vibratoires correspondantes sont répertoriées dans le tableau 1.

Mesure du spectre d'absorption infrarouge d'E coli par spectroscopie d'absorption infrarouge. Plusieurs pics d'absorption distincts sont visibles. Un pic assez large est observé à ~ 3,0 µm, des pics étroits et forts sont observés à 6,00 et 6,62 µm, des pics faibles sont présents à 6,88 et 7,14 µm et des pics larges peuvent être observés à 8,09 et 9,26 µm. Les pics à environ ~ 3,0 et 6,00 µm (marqués par des triangles gris) étaient principalement associés à H2O. Les cinq longueurs d'onde (marquées par des flèches grises) ont été sélectionnées comme longueurs d'onde d'irradiation dans l'expérience actuelle.

E. coli ont été cultivés après irradiation au laser MIR-FEL ou ND: YAG. Ensuite, le nombre d'UFC dans chaque groupe a été déterminé et le taux de survie relatif par rapport au témoin a été calculé (Tableau 2 et Fig. 2). L'irradiation avec le MIR-FEL à 6,62, 6,88, 7,14, 8,09 ou 9,26 µm pendant 15 min a considérablement réduit le nombre de cellules bactériennes viables (P < 0,01), entraînant des valeurs de viabilité relative de 2,3 ± 1,6 %, 12,0 ± 1,1 % , 23,2 ± 2,1 %, 18,7 ± 1,7 % et 18,6 ± 0,5 %, respectivement. La capacité bactéricide du MIR-FEL était nettement supérieure à celle du laser Nd: YAG à toutes les longueurs d'onde (viabilité relative : 43,3 ± 5,3 %, P < 0,01), indiquant l'efficacité bactéricide de la lumière MIR. En particulier, les effets bactéricides observés à une longueur d'onde de 6,62 µm étaient nettement plus forts que ceux observés à d'autres longueurs d'onde (P < 0,01). L'irradiation MIR-FEL à 6, 62 µm a considérablement réduit la survie bactérienne en fonction du temps (Fig. 3).

Effets bactéricides de l'irradiation FEL à différentes longueurs d'onde sur E. coli. Les comparaisons entre les groupes ont été effectuées à l'aide d'une ANOVA à un facteur suivie du test de Tukey. Les astérisques (** P < 0,01) indiquent des différences significatives par rapport au groupe non irradié ou au groupe d'irradiation MIR-FEL de 15 minutes.

Effets bactéricides dépendant du temps (viabilité) de l'irradiation MIR-FEL à une longueur d'onde de 6,62 µm. Les comparaisons entre les groupes ont été effectuées à l'aide d'une ANOVA à un facteur suivie du test de Tukey. Les différences significatives sont indiquées par des astérisques (**P < 0,01).

Après 15 min d'irradiation à la longueur d'onde pertinente, les cellules bactériennes ont été examinées au microscope électronique à balayage. Par rapport au groupe non irradié, le nombre de cellules viables a diminué et une destruction cellulaire a été observée après irradiation MIR-FEL à une longueur d'onde de 6,62 µm. Cependant, aucun changement morphologique n'a été observé après irradiation MIR-FEL à une longueur d'onde de 6,88 µm et, par rapport au groupe non irradié, le nombre de cellules n'a été que légèrement diminué après irradiation à une longueur d'onde MIR-FEL de 7,14 µm. Les images au microscope électronique des cellules bactériennes soumises à une irradiation MIR-FEL à 9,26 µm ou à une irradiation avec le laser Nd : YAG étaient comparables à celles obtenues dans le groupe non irradié (Fig. 4).

Morphologie des cellules E. coli après irradiation MIR-FEL ou ND : irradiation laser YAG. Des images d'E. coli obtenues avec un microscope électronique à balayage fonctionnant à 10 kV sont présentées. (A1) Groupe non traité (témoin); (A2) groupe d'irradiation MIR-FEL de 6,62 µm ; (A3) groupe d'irradiation MIR-FEL de 6,88 µm ; (A4) groupe d'irradiation FEL de 7,14 µm ; (B1) contrôle pour le groupe d'irradiation MIR-FEL de 9,26 µm ; (B2) groupe d'irradiation MIR-FEL de 9,26 µm ; (C1) contrôle pour le groupe d'irradiation ND : YAG ; (C2) 15 min Nd : groupe d'irradiation laser YAG ; barres d'échelle, 2 µm.

La mesure de la température des échantillons bactériens lors de l'irradiation MIR-FEL a été réalisée à l'aide d'une caméra thermographique SC620. La température moyenne des échantillons est restée à température ambiante ± 0,12 °C (Fig. 5).

Changements de température induits dans des échantillons bactériens par irradiation MIR-FEL.

Diverses méthodes de stérilisation sont utilisées dans la pratique clinique. Parmi ceux-ci, les lasers sont parfois utilisés pour tuer les agents pathogènes buccaux dans la pratique dentaire. Les lasers à semi-conducteurs, en particulier les lasers Nd : YAG, Er : YAG et CO2, sont les principaux lasers utilisés dans la pratique dentaire7,8,9. Dans ces lasers, un solide ou un gaz est utilisé comme milieu, ainsi qu'une lumière qui oscille à une seule longueur d'onde. Les régions d'oscillation de ces lasers sont situées à ≤ 3 µm ou ≥ 10 µm ; cependant, les lasers qui émettent de la lumière dans la région MIR n'ont pas encore été mis en pratique. À notre connaissance, aucun rapport n'a été publié concernant la stérilisation des bactéries par excitation vibratoire résonnante, probablement en raison du manque de sources lumineuses accordables en longueur d'onde intense dans la région spectrale des empreintes digitales. Une irradiation hautement efficace, qui peut être obtenue par une irradiation de lumière laser à une longueur d'onde qui résonne avec une liaison moléculaire, devrait supprimer les dommages dans l'environnement environnant. Notre groupe mène des recherches dans le domaine dentaire, et cette étude était une étude pilote qui tentait d'examiner si les MIR-FEL pouvaient être utilisés pour traiter les maladies parodontales. Dans la présente étude, les effets du rayonnement infrarouge dans la plage de 6 à 10 µm sur E. coli ont été étudiés à l'aide d'un MIR-FEL installé au TUS Noda Campus.

Le tableau 1 répertorie l'affectation vibrationnelle des pics observés dans le spectre FT-IR de E. coli33,34,35,36. Le pic pointu autour de 6,00 µm correspond à la bande amide I (C=O)34,35,36. Comme mentionné précédemment, cependant, l'eau liquide présente également un pic intense autour de 6,00 µm. Étant donné que le pic d'eau autour de 2,5 µm apparaît fortement, ce qui signifie l'existence d'eau dans l'échantillon, nous supposons que le pic autour de 6,00 µm est constitué à la fois de H2O et de la bande amide I. Le pic pointu autour de 6,62 µm correspond à la bande amide II (νC–N couplé à la courbure N–H des protéines)34,35,36. Au-dessus de 7 mm, les bandes d'absorption se chevauchent et chaque pic n'est pas séparé, il semble donc difficile de les affecter à un seul mode vibrationnel. Par exemple, Caine et al.35 ont attribué les bandes autour de 7 mm au mode de flexion C–H antisymétrique (~ 1468 cm−1) et COO– symétrique (~ 1400 cm−1) des acides gras et des polysaccharides. En revanche, Acebo et al.33 ont souligné la possibilité de carbonate (1424–1414 cm−1). Le large pic autour de 8,1 mm est attribuable au mode vibrationnel PO2 antisymétrique accompagné de la bande Amide III35. Le pic large autour de 9,3 mm est un symbole du mode de vibration symétrique PO235. Parmi ces longueurs d'onde, l'irradiation MIR-FEL à 6,62 µm (Amide II) a produit la plus grande inhibition post-irradiation de la croissance bactérienne (Fig. 2). Les agents antimicrobiens qui exercent une action bactériostatique comprennent les macrolides et les tétracyclines, dont le mécanisme d'action est l'inhibition de la synthèse des protéines37,38. Ainsi, les protéines au sein des micro-organismes sont des composants importants pour leur croissance et leur survie. Par conséquent, il est possible que l'irradiation MIR-FEL, qui a montré des effets similaires, ait affecté toutes les protéines de la bactérie, entraînant des effets bactériostatiques en inhibant les processus impliqués dans la croissance bactérienne. Cependant, la cible bactérienne de MIR-FEL n'a pas été identifiée dans cette étude, et la cible exacte de l'irradiation MIR-FEL doit être clarifiée par une analyse quantitative utilisant FT-IR à l'avenir.

La stérilisation basée sur l'excitation par vibration O – H des molécules d'eau est considérée comme similaire au mécanisme de stérilisation des lasers Er: YAG (λ = 2,95 μm), dans lequel le laser Er: YAG évapore (ablate) les molécules d'eau autour de la bactérie , et sa puissance cause des dommages physiques aux molécules environnantes. Raouf et al. rapportent qu'un niveau d'énergie de 30 mJ/impulsion est requis pour la stérilisation par un laser Er:YAG39. Dans l'aPDT conventionnel, l'utilisation de LED vertes était à l'origine considérée comme la plus souhaitable afin de maximiser l'excitation du Rose Bengale et d'augmenter la quantité d'oxygène singulet produit40,41. Contrairement à l'irradiation de la lumière proche infrarouge ou visible, cependant, le mécanisme de stérilisation par rayonnement infrarouge moyen est nettement différent. À une longueur d'onde de 6,62 µm, le MIR-FEL frappe sélectivement l'état de la bande Amide II (N – H), ce qui n'implique pas la formation d'espèces réactives de l'oxygène, telles que l'oxygène singulet, et ne causerait théoriquement pas de dommages oxydatifs. D'autre part, comme le montrent les Fig. 2 et 4, le MIR-FEL a eu des effets bactéricides sur E. coli, mais n'a provoqué aucun changement morphologique chez les bactéries. Ces résultats suggèrent que l'irradiation MIR-FEL peut réduire l'activité bactérienne en inhibant la synthèse des acides aminés grâce à ses effets sur les liaisons intermoléculaires au sein des organites bactériennes.

Bien que divers types d'irradiation lumineuse, y compris l'irradiation laser, puissent provoquer une thermotoxicité, dans la présente étude, le changement de température induit dans le milieu de culture pendant la procédure d'irradiation était de ± 0,12 ° C (Fig. 5), et les effets bactéricides de ces températures les modifications peuvent être ignorées. Cette découverte suggère fortement que les effets bactéricides des MIR-FEL sont dérivés des photons IR plutôt que des augmentations de température. L'induction de l'expression de la protéine de choc thermique après un changement de température (de 30 à 42 ° C) a été signalée comme étant nécessaire pour améliorer la résistance à la destruction par la chaleur42. Bien que l'analyse de choc thermique d'E. coli n'ait pas été effectuée après irradiation dans cette étude, seul un petit décalage de température a été observé après l'irradiation MIR-FEL, et il est peu probable que l'irradiation laser augmente la résistance à la destruction thermique des micro-organismes cibles ; par conséquent, les effets indésirables de l'exécution de l'aPDT plusieurs fois peuvent être insignifiants.

Dans les récentes recherches parodontales, des agents pharmacologiques qui agissent sur les réponses immunitaires bactériennes et de l'hôte ont été sélectionnés comme traitements adjuvants. Cependant, aucun de ces agents antimicrobiens ne s'est imposé comme traitement de référence pour les maladies parodontales43. Des études antérieures ont rapporté que les bactéries parodontales sous-gingivales présentaient une résistance in vitro à des concentrations thérapeutiques d'antibiotiques, tels que l'amoxicilline, la clindamycine et la doxycycline, qui sont couramment utilisées pour le traitement de la maladie parodontale44. Par conséquent, puisqu'il n'est peut-être pas possible de traiter efficacement la maladie parodontale en éradiquant les bactéries Gram-négatives seules, d'autres études sur l'aPDT sont nécessaires. Cependant, avant que MIR-FEL puisse être appliqué au traitement de la maladie parodontale, il sera nécessaire d'étudier les effets de MIR-FEL sur le biofilm et Porphyromonas gingivalis, qui sont considérés comme les facteurs les plus importants dans le traitement de la maladie parodontale. Le laser proche infrarouge Nd:YAG (fréquence centrale : 1,064 µm) a une profondeur de pénétration de 1 à 5 mm. La profondeur de pénétration du laser Er : YAG (fréquence centrale : 2,94 µm), qui a une profondeur de pénétration inférieure à celle du laser Nd : YAG et du MIR-FEL, est de 1 µm15. Une cible typique pour l'aPDT en dentisterie est P. gingivalis, et la taille de ce micro-organisme est d'environ 1 µm45. Par conséquent, l'éradication de P. gingivalis par irradiation MIR-FEL est hautement réalisable et peut avoir des applications cliniques.

D'autre part, malgré le fait que l'aPDT utilisant MIR-FEL montre une activité bactéricide contre E. coli à des longueurs d'onde spécifiques, il existe encore des problèmes pratiques majeurs, tels que ses effets sur les cellules normales (sécurité) lorsqu'elles sont irradiées in vivo et la conception des dispositifs d'irradiation associés, à résoudre avant de pouvoir être utilisés en milieu clinique. aPDT pourrait jouer un rôle dans le traitement de la maladie parodontale en tant que thérapie adjuvante, et sa combinaison avec d'autres thérapies parodontales peut contribuer à un succès clinique significatif27,28. Par exemple, l'aPDT utilisant la lumière bleue a été utilisée pour exciter les porphyrines intracellulaires endogènes, telles que celles trouvées dans Propionibacterium acnes, Helicobacter pylori et Staphylococcus aureus46,47,48. Par conséquent, l'aPDT par MIR-FEL, qui ne nécessite pas que la cible de stérilisation soit colorée avec des colorants, peut être applicable en tant que simple aPDT car, contrairement à l'aPDT conventionnel, on peut s'attendre à ce qu'il produise des effets antibactériens basés sur l'irradiation lumineuse seule.

En conclusion, les résultats des expériences MIR-FEL actuelles suggèrent que de tels lasers pourraient devenir la pierre angulaire d'un nouveau aPDT qui induit un clivage intermoléculaire par irradiation à une longueur d'onde spécifique. De plus, l'aPDT peut être réalisée pour des infections répétées, et il y a peu de possibilité d'induire une résistance bactérienne, ce qui n'est pas le cas lorsque des médicaments antimicrobiens sont utilisés de manière répétée. Ces possibilités suggèrent que MIR-FEL pourrait être utilisé dans un nouveau type d'aPDT à l'avenir. À l'heure actuelle, il n'y a pas beaucoup de rapports sur les effets bactéricides de l'irradiation MIR-FEL, bien qu'il soit très intéressant que l'irradiation MIR-FEL à des longueurs d'onde spécifiques exerce des effets bactéricides contre E. coli. Il est nécessaire d'étudier les effets bactéricides de l'irradiation MIR-FEL et le mécanisme sous-jacent. Cependant, la taille de ces dispositifs est le problème le plus sérieux limitant l'application clinique des MIR-FEL. Les MIR-FEL se composent d'un canon à électrons radiofréquence pour générer le faisceau d'électrons, d'un tube accélérateur pour accélérer le faisceau d'électrons, d'un onduleur pour générer de la lumière en faisant serpenter le faisceau d'électrons et d'un résonateur optique pour amplifier et faire osciller la lumière. En particulier, le tube d'accélération mesure à lui seul 3 m de long5, ce qui le rend difficile à placer dans une clinique dans le seul but de stérilisation. Une amélioration supplémentaire du système faciliterait son application clinique.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Thérapie photodynamique antimicrobienne

Infusion cœur-cervelle

Grenat d'aluminium yttrium dopé à l'erbium

Laser à électrons libres

Infrarouge à transformée de Fourier

Infrarouge

Laser à électrons libres dans l'infrarouge moyen

Grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme

Université des sciences de Tokyo

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Cette étude a été soutenue par JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Grant Number 18K09895.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Toshizo Toyama et Jun Fujioka.

Département de microbiologie orale, Université dentaire de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japon

Toshizo Toyama, Jun Fujioka, Keitaro Inaba et Nobushiro Hamada

Centre de recherche IR FEL, RIST, Université des sciences de Tokyo, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japon

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

Département d'enseignement des arts libéraux, Université dentaire de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japon

Kiyoko Watanabé

Département d'éducation dentaire Arts libéraux/Institut d'éducation dentaire, Université dentaire de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japon

Ayaka Yoshida

Clinique dentaire Sakuma, 15-1 Yashikinaka-Aza, Moriai, Fukushima, Fukushima, 906-8003, Japon

Takaaki Sakuma

Département de physique appliquée, Faculté des sciences, Université des sciences de Tokyo, 6-3-1 Niijuku, Katsushika-ku, Tokyo, 125-8585, Japon

Takashi Nakajima

Département de pharmacologie, Université dentaire de Kanagawa, 82 Inaoka-cho, Yokosuka, Kanagawa, 238-8580, Japon

Fumihiko Yoshino

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TT, JF et KW ont conçu l'étude, conçu la recherche, collecté les données et rédigé la première ébauche du manuscrit ; TT, JF, AY, TS, KI, TI et FY ont effectué la recherche et analysé les données ; et KW, TN, KT, NH et FY ont rédigé l'article. Tous les auteurs ont approuvé la version finale du manuscrit et acceptent d'être responsables de tous les aspects du travail en veillant à ce que les questions liées à l'exactitude ou à l'intégrité de toute partie du travail soient étudiées et résolues de manière appropriée.

Correspondance à Fumihiko Yoshino.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Toyama, T., Fujioka, J., Watanabe, K. et al. Étude de l'effet bactéricide d'un laser à électrons libres dans l'infrarouge moyen sur Escherichia coli. Sci Rep 12, 18111 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22949-9

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Reçu : 02 juin 2022

Accepté : 21 octobre 2022

Publié: 27 octobre 2022

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

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