RU2802188C1 - Способ инактивации патогенных бактерий (варианты) - Google Patents

Способ инактивации патогенных бактерий (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2802188C1
RU2802188C1 RU2022131823A RU2022131823A RU2802188C1 RU 2802188 C1 RU2802188 C1 RU 2802188C1 RU 2022131823 A RU2022131823 A RU 2022131823A RU 2022131823 A RU2022131823 A RU 2022131823A RU 2802188 C1 RU2802188 C1 RU 2802188C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pathogenic bacteria
wavelength
radiation
laser
laser radiation
Prior art date
Application number
RU2022131823A
Other languages
English (en)
Inventor
Светлана Николаевна Шелыгина
Этери Ромеовна Толордава
Павел Александрович Данилов
Алена Александровна Настулявичус
Ирина Николаевна Сараева
Сергей Александрович Гончуков
Елена Николаевна Римская
Евгений Викторович Кузьмин
Дмитрий Альбертович Заярный
Сергей Иванович Кудряшов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2802188C1 publication Critical patent/RU2802188C1/ru

Links

Abstract

Заявленная группа изобретений относится к биотехнологии. Предложен способ бесконтактной инактивации патогенных бактерий, заключающийся в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным ИК-излучением с длиной волны 3 мкм, с частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 1,2⋅108 Вт/см2 в течение 5 мин или с длиной волны 6 мкм с частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 8⋅106 Вт/см2 в течение 3-5 мин (варианты). Изобретения обеспечивают сокращение колониеобразующих единиц патогенных бактерий в планктонной форме на облучаемых поверхностях без использования химических реагентов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 2 пр.

Description

Заявленная группа изобретений относится к области физических способов инактивации мультирезистентных патогенных бактерий и может быть использована в медицине и пищевой промышленности.
Наиболее распространенным способом борьбы с патогенными бактериями является использование антибиотиков, но их длительное воздействие приводит к появлению мультирезистентных штаммов.
Данную проблему предлагается устранить применением альтернативных способов борьбы с патогенными бактериями, в частности, физических способов, которые являются экологически чистыми и не требуют использования химических соединений.
Известен способ разрушения биопленок, заключающийся в облучении их фемтосекундным ультрафиолетовым лазерным излучением с длиной волны 383 нм, частотой следования лазерных импульсов 70 МГц и длительностью импульсов 140 фс (см. UA 104321 С2, опубл. 27.01.2014 [1]).
К недостаткам известного способа можно отнести сложность генерации фемтосекундного ультрафиолетового лазерного излучения, а также возможные повреждения носителей генетической информации для размножения молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) клеток млекопитающих при облучении их тканей, приводящие к мутагенным эффектам.
Известен способ инактивации плесневых грибов, заключающийся в облучении поверхностей, на которых они присутствуют (зерен риса), инфракрасным (ИК) излучением (см. Oduola А.А. et al. Impacts of broadband and selected infrared wavelength treatments on inactivation of microbes on rough rice, J Food Saf, 2020 [2]).
Недостатком известного способа является его низкая интенсивность в результате применения теплового источника ИК-излучения.
Известен способ инактивации патогенных бактерий, заключающийся в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным ИК-излучением с длиной волны 3 мкм или 6 мкм и частотой следования импульсов 1 кГц при плотностях мощности в диапазоне 0,2-1,1 ТВт/см2 (см. Kompanets V. et al. Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria, Biomedical Optics Express, 2021, т. 12, №10, pp. 6317-6325 [3]).
К недостаткам известного способа можно отнести необходимость использования лазерного излучения крайне высоких плотностей мощности и сложность генерации фемтосекундного лазерного излучения данного спектрального диапазона.
Известный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.
Техническая проблема, решаемая заявленной группой изобретением, состоит в создании бесконтактного способа инактивации (дезинфекции или стерилизации) патогенных бактерий на биотических и абиотических поверхностях без использования химических реагентов и индуцирования мутагенных эффектов в ДНК клеток тканей млекопитающих.
При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности использования источника лазерного излучения малой плотности мощности, что, в свою очередь, приводит к снижению энергоемкости процесса инактивации и отсутствию избыточно сильного нагрева облучаемых поверхностей, что особенно актуально при облучении кожных покровов млекопитающих, а также позволяет избежать повреждения рабочих абиотических поверхностей в медицинских учреждениях и учреждениях пищевой промышленности и снижения товарного вида пищевой продукции.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа инактивации патогенных бактерий, заключающегося в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным ИК-излучением с длиной волны 3 мкм и частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 1,2⋅108 Вт/см2 в течение 5 мин.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается также в результате создания способа инактивации патогенных бактерий, заключающегося в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным ИК-излучением с длиной волны 6 мкм и частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 8⋅106 Вт/см2 в течение 3-5 мин.
При реализации этого варианта также достигается технический результат, заключающийся в возможности инактивации патогенных бактерий, находящихся в замкнутом герметичном пространстве под полиэтиленовой пленкой, что характерно для упакованных пищевых продуктов. Полиэтиленовая пленка может также выступать в качестве защитной при инактивации особо опасных патогенных бактерий.
На фиг. 1 в диапазоне 800-3800 см-1 показан ИК-спектр оптической плотности бактериальной культуры Pseudomonas aeruginosa, нанесенной на поверхность подложки из фторида кальция (CaF2) и облученной на длине волны лазерного ИК-излучения 3 и 6 мкм.
На фиг. 2а показано схематичное изображение прямого облучения бактериальной культуры Pseudomonas aeruginosa лазерным ИК-излучением, согласно первому и второму вариантам заявленного способа.
На фиг. 2b показано схематичное изображение облучения бактериальной культуры Pseudomonas aeruginosa лазерным ИК-излучением, через полиэтиленовую пленку, согласно второму варианту заявленного способа.
Заявленный способ основан на колебательном возбуждении основных структурных компонентов бактериальной клетки (белков, нуклеиновых кислот) лазерным ИК-излучением с фемтосекундной длительностью импульсов и длиной волны, соответствующей резонансному поглощению излучения этими структурами. Возбуждение колебаний C-N связей амидных групп белков и нуклеиновых кислот осуществляется лазерным ИК-излучением с длиной волны 6 мкм, возбуждение С-Н связей углеродного скелета бактериальной клетки - лазерным ИК-излучением с длиной волны 3 мкм (см. [3]).
Лазерное излучение с фемтосекундной длительностью импульсов и длиной волны 3 и 6 мкм получают путем параметрической генерации излучения волоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1030 или 1050 нм и последующей генерации разностной частоты ИК-диапазона.
Характеристики полученного лазерного излучения приведены в табл. 1.
Возможность реализации заявленного способа подтверждается следующими примерами.
Пример 1.
Суточную культуру бульона в 1 мл центрифугировали и удаляли супернатант, затем добавляли 1 мл дистиллированной воды и интенсивно встряхивали. Полученную суспензию разбавляли последовательным десятичным разбавлением до 105 КОЕ/мл. Бактериальную культуру капельно наносили на подложки 1 из CaF2 в объеме 5 мкл и высушивали в течение 10-15 минут. В высушенном виде бактериальная культура представляла пятно 2 диаметром 3 мм и средней толщиной ~ 2 мкм. Далее, как показано на фиг.2а, производилось облучение полученного бактериального пятна 2 лазерным ИК-излучением с характеристиками, приведенными в табл.1, в течение 3, 5 и 7 минут. Облучение лазерным ИК-излучением производилось по нормали к поверхности образца с бактериальной культурой расфокусированным лазерным пучком 3, диаметр которого превышал диаметр пятна 2. Затем облученные лазерным излучением и контрольные образцы перемещали в отдельные стерильные пробирки с физиологическим раствором и интенсивно встряхивали в течение 30 минут. Полученную суспензию высевали на плотную питательную среду и помещали в термостат на один день при 37°С. Через день подсчитали бактериальные колонии для определения количества колониеобразующих единиц (КОЕ) и пересчитали в значения КОЕ/мл.
Пример 2.
Образцы с бактериальной культурой по примеру 1 во время облучения были накрыты полиэтиленовой пленкой 4 (см. фиг. 2b). После облучения образцы с бактериальной культурой помещали в пробирку с физиологическим раствором, полиэтиленовую пленку 4 утилизировали отдельно.
Использовалось только лазерное ИК-излучение с длиной волны 6 мкм, выбор которого был обусловлен высоким пропусканием полиэтиленовой пленки 4 на данной длине волны. Лазерное излучение с длиной волны 3 мкм не может быть использовано, поскольку в спектральной области вблизи 3 мкм полиэтиленовая пленка 4 обладает полосами сильного поглощения, что приводит к поглощению лазерного излучения в самой пленке и не позволяет достичь инактивации бактерий. Плотности мощности лазерного излучения, используемого в [3], также не позволяют достичь инактивации бактерий ввиду возникновения нелинейного поглощения излучения в полиэтиленовой пленке 4.
Микробиологические исследования показали сокращение КОЕ/мл на 1-2 порядка, что соответствует дезинфекции. Результаты сокращения КОЕ/мл в зависимости от времени облучения образцов с бактериальной культурой лазерным излучением приведены в табл. 2 и 3. Результаты подтверждаются при количестве повторений 5 раз.

Claims (2)

1. Способ бесконтактной инактивации патогенных бактерий, заключающийся в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным ИК-излучением с длиной волны 3 мкм, отличающийся тем, что облучение производят лазерным излучением с частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 1,2⋅108 Вт/см2 в течение 5 мин.
2. Способ бесконтактной инактивации патогенных бактерий, заключающийся в облучении поверхности, на которой присутствуют патогенные бактерии в планктонной форме, фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 6 мкм, отличающийся тем, что облучение производят лазерным излучением с частотой следования импульсов 10 кГц при плотности мощности 8⋅106 Вт/см2 в течение 3-5 мин.
RU2022131823A 2022-12-06 Способ инактивации патогенных бактерий (варианты) RU2802188C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2802188C1 true RU2802188C1 (ru) 2023-08-22

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA104321C2 (ru) * 2012-01-16 2014-01-27 Валерий Александрович Каневский Способ разрушения бактериальных биопленок
RU2737417C1 (ru) * 2019-11-27 2020-11-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Способ борьбы с бактериальными биоплёнками

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA104321C2 (ru) * 2012-01-16 2014-01-27 Валерий Александрович Каневский Способ разрушения бактериальных биопленок
RU2737417C1 (ru) * 2019-11-27 2020-11-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Способ борьбы с бактериальными биоплёнками

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOMPANETS V. et al. "Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria"; Biomedical optics express, 2021, v12, N 10(1), pp.6317-6325. *
КОМПАНЕЦ В.О. и др. "Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм"; Письма в ЖЭТФ, 2021, т.113, вып.6, с.365-369. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2108172C (en) Treatment of material
Li et al. Enhanced germicidal effects of pulsed UV‐LED irradiation on biofilms
Tsen et al. Prospects for a novel ultrashort pulsed laser technology for pathogen inactivation
US7445441B2 (en) Three-dimensional printing apparatus and methods of manufacture including sterilization or disinfection, for example, using ultraviolet light
AU2002303593B2 (en) Differential photochemical & photomechanical processing
US9801966B2 (en) Systems and methods of microbial sterilization using polychromatic light
JPS63264064A (ja) 器具殺菌方法及び装置
Khatami et al. Cold atmospheric plasma brush effect on population reduction of different bacterial spectrums
Dadras et al. Different photoresponses of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa to 514, 532, and 633 nm low level lasers in vitro
RU2802188C1 (ru) Способ инактивации патогенных бактерий (варианты)
Sharab et al. Influence of photodynamic therapy on bacterial attachment to titanium surface
Astuti et al. The efficacy of photodynamic inactivation with laser diode on Staphylococcus aureus biofilm with various ages of biofilm
RU2526429C1 (ru) Способ изготовления костных имплантов
US20180007936A1 (en) Systems and methods of microbial sterilization using polychromatic light
Tsen et al. Selective photonic disinfection of cell culture using a visible ultrashort pulsed laser
Letuta et al. Inactivation of planktonic microorganisms by acoustic shock waves
US20030129079A1 (en) Method for protein-preserving purification of contaminated biological liquids
WO1997033629A1 (en) Ultraviolet purification of biological fluids, blood sera and other contaminated solutions
RU2630464C1 (ru) Комбинированный способ стерилизации костных имплантатов
Martínez et al. Revealing ROS production by antibiotics and photosensitizers in biofilms: A fluorescence microscopy approach
Astuti et al. Combination of Blue Laser Exposure with UV-LED to Improve Antimicrobial Effects on Staphylococcus aureus Biofilm.
Truman et al. The effect of ultraviolet light radiation on Mycobacterium leprae
SİREK et al. Comparison of the Antibacterial Effects of Photodynamic Therapy and Cold Atmospheric Plasma on Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus
ZHANG et al. Review of light-based host-nondestructive disinfection
EP3328445A1 (en) Systems and methods of microbial sterilization using polychromatic light