Grazie per aver visitato nature.com.Stai utilizzando una versione del browser con supporto limitato per i CSS.Per ottenere la migliore esperienza, ti consigliamo di utilizzare un browser più aggiornato (o disattivare la modalità di compatibilità in Internet Explorer).Nel frattempo, per garantire un supporto continuo, stiamo visualizzando il sito senza stili e JavaScript.Carosello con tre diapositive mostrate alla volta.Usa i pulsanti Precedente e Successivo per navigare tra tre diapositive alla volta o i pulsanti con i puntini alla fine per saltare tre diapositive alla volta.Ichiro Tatsuno, Yuna Niimi, … Takahiro MatsumotoWeina Han, Lan Jiang, … Yongfeng LuAlbert Kim, Jiawei Zhou, … Babak ZiaieHee Chul Lee, James Childs, … Sung Bin ChoKevin Werner, Vitaly Gruzdev, … Enam ChowdhuryYi Gao, Hyub Lee, … Young-Jin KimF. Torretti, J. Sheil, … J. ColganAnton A. Popov, Gleb Tselikov, … Andrei V. KabashinAhasanul Haque, Monir Morshed, … Haroldo T. HattoriScientific Reports volume 12, Numero articolo: 18111 (2022 ) Cita questo articoloIl rapido aumento del numero di batteri resistenti a molti agenti antimicrobici comunemente usati e la loro diffusione globale sono diventati un grave problema in tutto il mondo.In particolare, per la malattia parodontale, che è un'infezione localizzata, vi è una crescente necessità di metodi di trattamento che non coinvolgano principalmente agenti antimicrobici e la terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT) sta attirando l'attenzione.In questo studio, gli effetti battericidi di un laser a elettroni liberi nel medio infrarosso (MIR-FEL) su E. coli sono stati studiati come studio di base per esaminare l'applicabilità dei MIR-FEL, che possono eccitare selettivamente le vibrazioni molecolari a causa della loro sintonizzazione della lunghezza d'onda , ad aPDT.Le lunghezze d'onda di irradiazione ottimali da esaminare in questo studio sono state determinate dallo spettro infrarosso dei batteri, che è stato ottenuto utilizzando la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier.Cinque lunghezze d'onda di irradiazione (6,62, 6,88, 7,14, 8,09 e 9,26 μm) sono state selezionate dallo spettro FT-IR e abbiamo scoperto che gli effetti battericidi a una lunghezza d'onda di 6,62 μm erano nettamente più forti di quelli osservati alle altre lunghezze d'onda.A questa lunghezza d'onda corrispondente alla banda Amide II, il tasso di sopravvivenza batterica è diminuito significativamente con l'aumentare del tempo di irradiazione.Al contrario, l'irradiazione di un laser a granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio (Nd: YAG) a 1,06 µm non ha mostrato alcun effetto battericida distinto.Non sono stati osservati cambiamenti morfologici dopo l'irradiazione MIR-FEL, suggerendo che una molecola di organello batterico potrebbe essere il bersaglio dell'irradiazione MIR-FEL, ma il bersaglio esatto non è stato identificato.Inoltre, la variazione di temperatura indotta nel terreno di coltura dall'irradiazione laser è stata di ± 1,5 °C a temperatura ambiente.Questi risultati suggeriscono che gli effetti battericidi di MIR-FEL derivano da reazioni fotochimiche che coinvolgono fotoni infrarossi, poiché E. coli viene solitamente ucciso riscaldandolo a 75 ° C per 1 minuto o più.Il laser a elettroni liberi (FEL) a infrarossi (IR) installato presso il Noda Campus (FEL-TUS) della Tokyo University of Science (TUS) è ​​un laser pulsato ad alta potenza.Il dispositivo FEL-TUS principale è un FEL nel medio infrarosso (MIR-FEL) con un intervallo di lunghezze d'onda di oscillazione compreso tra 5 e 12 µm, che copre quasi l'intera regione dell'impronta molecolare1.Questa gamma di lunghezze d'onda corrisponde alle frequenze vibrazionali fondamentali delle molecole;pertanto, il MIR-FEL può essere utilizzato per studiare le proprietà fotochimiche di numerose sostanze, tra cui molecole, materiali organici, biomolecole, cellule biologiche, ecc. attraverso l'eccitazione vibrazionale selettiva2.L'ampia larghezza di banda istantanea degli oscillatori a picosecondi MIR è particolarmente allettante in quanto consente di impiegare potenti tecniche di trasformata di Fourier (FT), che trasferiscono l'onere della precisa calibrazione della lunghezza d'onda dalla sorgente al sistema di rilevamento, fornendo al contempo un eccellente rapporto segnale-rumore caratteristiche e risoluzione spettrale indipendente dalla lunghezza d'onda3,4.Il FEL-TUS introduce la radiazione, prodotta accelerando gli elettroni a una velocità vicina alla luce in un acceleratore lineare, in un campo magnetico periodico e quindi amplifica la radiazione attraverso l'interazione tra la radiazione e un fascio di elettroni in un risonatore, generando un raggio laser5.La luce laser risultante è caratterizzata da (I) una speciale struttura di impulso composta da macro e microimpulsi, (II) elevata luminosità, (III) lunghezza d'onda variabile e (IV) perfetta polarizzazione lineare.Inoltre, l'ampia sintonizzabilità della lunghezza d'onda del FEL-TUS consente l'eccitazione vibrazionale molecolare selettiva, fornendo una fonte di luce appropriata per la dissociazione delle molecole attraverso l'arrampicata su scale vibrazionali6.Nello studio dentistico, i laser a granato di ittrio e alluminio drogati al neodimio (laser Nd:YAG), che hanno una tipica lunghezza d'onda della luce di emissione di 1064 nm, e i laser a granato di ittrio-alluminio drogati con erbio (2940 nm) sono spesso impiegati per la sterilizzazione durante la procedure canalari e trattamento della malattia parodontale7,8,9.La disinfezione chimica con soluzione di ipoclorito di sodio è stata tradizionalmente utilizzata per il trattamento del canale radicolare10 e l'applicazione di pomate contenenti antibiotici o la rimozione meccanica con un ablatore sono trattamenti comuni per la malattia parodontale.Recentemente, l'uso dei laser per la sterilizzazione ha attirato l'attenzione;tuttavia, i laser utilizzati per tali procedure hanno una lunghezza d'onda fissa e sono disponibili poche sorgenti luminose appropriate con lunghezze d'onda variabili.Negli ultimi anni è stata segnalata la sterilizzazione delle superfici implantari al biossido di titanio mediante laser UV e la sterilizzazione nel vicino infrarosso di COVID-1911,12.Tuttavia, ci sono state solo poche segnalazioni sugli effetti di sterilizzazione dei MIR-FEL dal 199813,14, anche se i MIR-FEL avrebbero dovuto essere introdotti come nuovi dispositivi medici nel 200615.La sterilizzazione è fondamentale per il trattamento della malattia parodontale e sono stati segnalati vari metodi di sterilizzazione16.Gli agenti antimicrobici sono il tipo più comune di terapia farmacologica.Tuttavia, il rapido aumento della prevalenza di batteri resistenti a molti agenti antimicrobici di uso comune e la loro diffusione globale stanno diventando problemi importanti in tutto il mondo17.Inoltre, il ritmo di sviluppo degli agenti antimicrobici sta chiaramente diminuendo, soprattutto per il trattamento della malattia parodontale, che comporta infezioni locali, e vi è una crescente necessità di ricerca di trattamenti con diversi meccanismi di azione18,19,20.Negli ultimi anni, la terapia fotodinamica (PDT) è stata sviluppata come trattamento alternativo per diversi tipi di cancro21.Uno dei principali vantaggi di questo tipo di trattamento è che non ha gravi effetti collaterali e, quindi, può essere ripetuto frequentemente22.È stato anche utilizzato per fotoinattivare i microrganismi Gram-negativi/positivi a scopo di sterilizzazione, che è chiamata terapia fotodinamica antimicrobica (aPDT)23,24.In questo contesto, è stato segnalato che aPDT è utile per la sterilizzazione di molti microrganismi, inclusi sia i patogeni orali che i batteri multiresistenti25,26,27,28.Tuttavia, in generale, gli aPDT richiedono l'uso di coloranti esogeni o endogeni e pochi studi hanno riportato che prendono di mira i legami intramolecolari di organelli specifici dei batteri senza richiedere questi coloranti.Molti degli elementi costitutivi della vita sono particolarmente sensibili alle radiazioni della regione del medio infrarosso e i MIR-FEL sono in grado di eccitare selettivamente le vibrazioni molecolari15,29,30.Inoltre, se l'irradiazione MIR-FEL ha effetti battericidi senza la necessità di un colorante, che differirebbe dalla tecnica aPDT convenzionale, potrebbe essere possibile utilizzarli per sviluppare un metodo di disinfezione più semplice.Pertanto, in questo studio abbiamo eseguito uno studio di base degli effetti battericidi dell'irradiazione MIR-FEL su Escherichia coli, con l'obiettivo di esplorare la possibilità di utilizzare MIR-FEL come nuovi dispositivi aPDT per il controllo delle malattie infettive.Il ceppo E. coli HB-101 è stato utilizzato come batterio Gram-negativo indigeno in questo studio.L'E. coli è stato coltivato aerobicamente in brodo di infusione di cuore cerebrale (brodo BHI; Beckton Dickinson Co., Sparks, MD, USA) con Bacto agar all'1, 5% (Beckton Dickinson) per 24 ore.Il MIR-FEL, operato a 5 Hz, è stato riflesso verticalmente utilizzando uno specchio rivestito in oro e messo a fuoco con una lente BaF2 (Pier-optics Co., Ltd., Gunma, Giappone), e il percorso ottico è stato regolato in modo che l'intera soluzione batterica è stata sottoposta ad irraggiamento.La potenza del laser proprio di fronte al campione era di ~ 10 mJ/impulso.Per determinare le lunghezze d'onda MIR-FEL ottimali da studiare, lo spettro IR di E. coli, che è stato applicato su un vetrino e asciugato all'aria per 15 minuti, è stato misurato mediante uno spettrometro FT-IR convenzionale (JASCO FT/IR-6100, JASCO, Tokio, Giappone).Le misurazioni FT-IR sono state eseguite utilizzando la tecnica Attenuated Total Reflection (ATR)31 con i seguenti parametri di misurazione: numero di scansioni: 64, risoluzione: 4 cm−1, potenza: 5–8 mJ/impulso e intervallo di misurazione: 4000 –800 cm-1 (2,5–12,5 µm).La luce prodotta utilizzando un laser Nd: YAG LS-2137 2-DL (LOTIS II Co., Minsk, Bielorussia) operato a 5 Hz è stata filtrata a 1064 nm facendola passare attraverso un filtro passa-banda e quindi riflessa verticalmente utilizzando uno specchio.Il percorso ottico è stato regolato in modo che l'intera soluzione batterica fosse coperta dal campo di irradiazione.La potenza del laser proprio di fronte al campione era di 10 mJ/impulso.Una coltura notturna dei batteri (100 µL) con un valore di assorbanza di 1,0 a una lunghezza d'onda di 600 nm è stata centrifugata e sospesa in 10 µL di soluzione fisiologica (Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd., Tokyo, Giappone).La sospensione batterica è stata irradiata con uno dei laser per 5, 15 o 30 min.I campioni di controllo non sono stati irradiati, ma sono stati lasciati per lo stesso periodo di tempo dei campioni irradiati.Dopo essere stato irradiato, ciascun campione è stato diluito in serie e 0,1 ml del campione diluito sono stati spalmati su piastre di agar BHI, che sono state poi coltivate aerobicamente per 24 ore.Successivamente, è stato contato il numero di colonie e il numero di batteri vitali è stato calcolato in unità formanti colonie/mL (CFU).La sopravvivenza delle cellule batteriche è stata stimata in base al numero di batteri vitali contando il numero di CFU dopo che le cellule erano state irradiate.Per esaminare gli effetti antibatterici dell'irradiazione laser, il tasso di sopravvivenza è stato determinato come rapporto tra il numero di cellule vitali nel gruppo irradiato e quello nel gruppo di controllo.I campioni di E. coli che erano stati irradiati a ciascuna lunghezza d'onda pianificata con un laser MIR-FEL o Nd: YAG sono stati fissati con glutaraldeide all'1% in tampone cacodilato di sodio 0, 1 M per 60 minuti.Dopo la fissazione, i campioni sono stati lavati due volte con tampone cacodilato di sodio 0,1 M e disidratati attraverso una serie graduata di soluzioni acquose di etanolo (50, 70, 80, 90 e 100%; tempo di immersione per serie: 15 min), prima di essere asciugati all'aria .Quindi, i campioni sono stati rivestiti con un sottile strato di platino utilizzando un sistema di sputtering ionico (JFC-1300, AUTO FINE COATER, Japan Electron Optics Laboratory, Ltd., Tokyo, Giappone).I cambiamenti morfologici delle cellule batteriche sono stati osservati con il microscopio elettronico a scansione (SEM: JCM-6000Plus, JEOL, Tokyo, Giappone).Per esaminare l'influenza dell'irradiazione laser (irradiazione continua di 60 minuti) sulla temperatura dei batteri, i campioni sono stati continuamente monitorati utilizzando una termocamera SC620 (FLIR Systems Japan KK, Tokyo, Giappone) per 60 minuti durante la procedura di irradiazione.Le analisi statistiche sono state eseguite mediante analisi della varianza unidirezionale (ANOVA) seguita dal test di Tukey utilizzando il software BellCurve per Excel (Ver. 3.21, Social Survey Research Information Co., Ltd., Tokyo, Giappone).Le differenze tra i gruppi sono state considerate significative a P <0,05.Lo spettro FT-IR di E. coli nell'intervallo di lunghezza d'onda 2,5-12,5 µm è mostrato in Fig. 1. Diversi picchi di assorbimento distinti sono stati riconosciuti nello spettro sopra menzionato.È stato osservato un picco piuttosto ampio a ~ 3,0 µm, sono stati osservati picchi stretti e forti a 6,00 e 6,62 µm, erano presenti picchi deboli a 6,88 e 7,14 µm e sono stati osservati picchi ampi a 8,09 e 9,26 µm.Secondo gli spettri IR forniti dal NIST Chemistry Reference Database (NIST Chemistry WebBook)32, l'assorbimento nel medio infrarosso di H2O nella fase condensata mostra un singolo picco acuto a circa 1648 cm−1 (6,07 µm) e un ampio picco intorno 3360 cm-1 (2,98 micron).Di conseguenza, i picchi visti a ~ 3,0 e 6,00 µm (contrassegnati da triangoli grigi in Fig. 1) potrebbero essere tranquillamente assegnati a H2O, sebbene sia possibile che la banda di 6,00 µm si riferisca alla banda ammidica I di E. coli come menzionato dopo.Le altre cinque lunghezze d'onda (contrassegnate da frecce grigie) sono state selezionate come lunghezze d'onda di irradiazione per il presente studio.Le assegnazioni vibrazionali corrispondenti sono elencate nella Tabella 1.Misurazione dello spettro di assorbimento infrarosso di E coli mediante spettroscopia di assorbimento infrarosso.Sono visibili diversi picchi di assorbimento distinti.Si osserva un picco piuttosto ampio a ~ 3,0 µm, si osservano picchi stretti e forti a 6,00 e 6,62 µm, sono presenti picchi deboli a 6,88 e 7,14 µm e si possono osservare picchi ampi a 8,09 e 9,26 µm.I picchi a circa ~ 3,0 e 6,00 µm (contrassegnati da triangoli grigi) erano principalmente associati all'H2O.Le cinque lunghezze d'onda (contrassegnate da frecce grigie) sono state selezionate come lunghezze d'onda di irradiazione nell'esperimento corrente.E. coli sono stati coltivati ​​dopo irradiazione laser MIR-FEL o ND: YAG.Quindi, è stato determinato il numero di CFU in ciascun gruppo ed è stato calcolato il tasso di sopravvivenza relativa rispetto al controllo (Tabella 2 e Fig. 2).L'irradiazione con il MIR-FEL a 6,62, 6,88, 7,14, 8,09 o 9,26 µm per 15 minuti ha ridotto significativamente il numero di cellule batteriche vitali (P <0,01), risultando in valori di vitalità relativa di 2,3 ± 1,6%, 12,0 ± 1,1% , 23,2 ± 2,1%, 18,7 ± 1,7% e 18,6 ± 0,5%, rispettivamente.L'abilità battericida del MIR-FEL era nettamente maggiore di quella del laser Nd: YAG a tutte le lunghezze d'onda (vitalità relativa: 43,3 ± 5,3%, P <0,01), indicando l'efficacia battericida della luce MIR.In particolare, gli effetti battericidi osservati alla lunghezza d'onda di 6,62 µm erano nettamente più forti di quelli osservati ad altre lunghezze d'onda (P < 0,01).L'irradiazione MIR-FEL a 6,62 μm ha ridotto significativamente la sopravvivenza batterica in modo dipendente dal tempo (Fig. 3).Effetti battericidi dell'irradiazione FEL a varie lunghezze d'onda su E. coli.I confronti tra i gruppi sono stati eseguiti utilizzando ANOVA unidirezionale seguita dal test di Tukey.Gli asterischi (** P <0, 01) indicano differenze significative rispetto al gruppo non irradiato o al gruppo di irradiazione MIR-FEL di 15 minuti.Effetti battericidi dipendenti dal tempo (vitalità) dell'irradiazione MIR-FEL a una lunghezza d'onda di 6,62 µm.I confronti tra i gruppi sono stati eseguiti utilizzando ANOVA unidirezionale seguita dal test di Tukey.Le differenze significative sono indicate da asterischi (**P <0,01).Dopo 15 minuti di irradiazione alla relativa lunghezza d'onda, le cellule batteriche sono state esaminate al microscopio elettronico a scansione.Rispetto al gruppo non irradiato, il numero di cellule vitali è diminuito e la distruzione cellulare è stata osservata dopo l'irradiazione MIR-FEL a una lunghezza d'onda di 6,62 µm.Tuttavia, non sono stati osservati cambiamenti morfologici dopo l'irradiazione MIR-FEL a una lunghezza d'onda di 6,88 µm e, rispetto al gruppo non irradiato, il numero di cellule è stato solo leggermente ridotto dopo l'irradiazione a una lunghezza d'onda MIR-FEL di 7,14 µm.Le immagini al microscopio elettronico delle cellule batteriche sottoposte a irradiazione MIR-FEL a 9,26 µm o irradiazione con il laser Nd:YAG erano paragonabili a quelle ottenute nel gruppo non irradiato (Fig. 4).Morfologia delle cellule di E. coli dopo irradiazione MIR-FEL o ND: irradiazione laser YAG.Vengono mostrate immagini di E. coli ottenute con un microscopio elettronico a scansione operante a 10 kV.(A1) Gruppo non trattato (controllo);(A2) gruppo di irradiazione MIR-FEL da 6,62 µm;(A3) gruppo di irradiazione MIR-FEL da 6,88 µm;(A4) gruppo di irradiazione FEL da 7,14 µm;(B1) controllo per il gruppo di irradiazione MIR-FEL da 9,26 µm;(B2) gruppo di irradiazione MIR-FEL da 9,26 µm;(C1) controllo per il gruppo di irraggiamento ND: YAG;(C2) 15 min Nd: gruppo di irradiazione laser YAG;barre di scala, 2 µm.La misurazione della temperatura dei campioni batterici durante l'irradiazione MIR-FEL è stata effettuata utilizzando una termocamera SC620.La temperatura media dei campioni è rimasta a temperatura ambiente ± 0,12 °C (Fig. 5).Variazioni di temperatura indotte in campioni batterici dall'irradiazione MIR-FEL.Vari metodi di sterilizzazione sono utilizzati nella pratica clinica.Di questi, i laser vengono occasionalmente utilizzati per uccidere i patogeni orali nello studio dentistico.I laser a semiconduttore, in particolare i laser Nd:YAG, Er:YAG e CO2, sono i principali laser utilizzati negli studi dentistici7,8,9.In questi laser, un solido o un gas viene utilizzato come mezzo, insieme a una luce che oscilla a una singola lunghezza d'onda.Le regioni di oscillazione di questi laser si trovano a ≤ 3 µm o ≥ 10 µm;tuttavia, i laser che emettono luce nella regione MIR non sono ancora stati messi in pratica.Per quanto ne sappiamo, non è stato pubblicato alcun rapporto riguardante la sterilizzazione dei batteri mediante eccitazione vibrazionale risonante, probabilmente a causa della mancanza di intense sorgenti luminose sintonizzabili a lunghezza d'onda nella regione spettrale dell'impronta digitale.L'irradiazione altamente efficiente, che può essere ottenuta mediante irradiazione di luce laser a una lunghezza d'onda che risuona con un legame molecolare, dovrebbe sopprimere i danni nell'ambiente circostante.Il nostro gruppo conduce ricerche nel campo dentale e questo studio è stato uno studio pilota che ha tentato di esaminare se i MIR-FEL potessero essere usati per trattare la malattia parodontale.Nel presente studio, gli effetti della radiazione IR nell'intervallo di 6-10 µm su E. coli sono stati studiati utilizzando un MIR-FEL installato presso il TUS Noda Campus.La tabella 1 elenca l'assegnazione vibrazionale dei picchi osservati nello spettro FT-IR di E. coli33,34,35,36.Il picco acuto intorno a 6,00 µm corrisponde alla banda ammidica I (C=O)34,35,36.Come accennato in precedenza, tuttavia, anche l'acqua liquida presenta un picco intenso intorno ai 6,00 µm.Poiché il picco dell'acqua intorno a 2,5 µm appare fortemente, il che significa l'esistenza di acqua nel campione, presumiamo che il picco intorno a 6,00 µm sia costituito sia da H2O che dalla banda ammidica I.Il picco acuto intorno a 6,62 µm corrisponde alla banda ammidica II (νC–N accoppiata con flessione N–H delle proteine)34,35,36.Al di sopra di 7 mm, le bande di assorbimento si sovrappongono e ogni picco non è separato, quindi sembra difficile assegnarle a un singolo modo vibrazionale.Ad esempio, Caine et al.35 hanno attribuito le bande di circa 7 mm alla modalità di flessione C-H antisimmetrica (~ 1468 cm-1) e COO simmetrica- (~ 1400 cm-1) di acidi grassi e polisaccaridi.D'altra parte, Acebo et al.33 hanno evidenziato la possibilità del carbonato (1424–1414 cm−1).L'ampio picco di circa 8,1 mm è assegnabile alla modalità vibrazionale PO2 antisimmetrica accompagnata dalla banda Amide III35.L'ampio picco di circa 9,3 mm è un simbolo della modalità vibrazionale PO2 simmetrica35.Tra queste lunghezze d'onda, l'irradiazione MIR-FEL a 6,62 µm (Ammide II) ha prodotto la maggiore inibizione post-irradiazione della crescita batterica (Fig. 2).Gli agenti antimicrobici che esercitano un'azione batteriostatica includono macrolidi e tetracicline, il cui meccanismo d'azione è l'inibizione della sintesi proteica37,38.Pertanto, le proteine ​​all'interno dei microrganismi sono componenti importanti per la loro crescita e sopravvivenza.Pertanto, è possibile che l'irradiazione MIR-FEL, che ha mostrato effetti simili, abbia colpito tutte le proteine ​​all'interno dei batteri, provocando effetti batteriostatici inibendo i processi coinvolti nella crescita batterica.Tuttavia, l'obiettivo batterico di MIR-FEL non è stato identificato in questo studio e l'esatto obiettivo dell'irradiazione MIR-FEL deve essere chiarito mediante analisi quantitativa utilizzando FT-IR in futuro.La sterilizzazione basata sull'eccitazione della vibrazione O–H delle molecole d'acqua è considerata simile al meccanismo di sterilizzazione dei laser Er: YAG (λ = 2,95 μm), in cui il laser Er: YAG evapora (abla) le molecole d'acqua attorno al batterio e il suo potere provoca danni fisici alle molecole circostanti.Rauf et al.ha riportato che per la sterilizzazione con un laser Er:YAG è richiesto un livello di energia di 30 mJ/impulso39.Nell'aPDT convenzionale, l'uso di LED verdi era originariamente considerato il più desiderabile per massimizzare l'eccitazione del rosa bengala e aumentare la quantità di ossigeno singoletto prodotto40,41.In contrasto con l'irradiazione di luce nel vicino infrarosso o visibile, tuttavia, il meccanismo per la sterilizzazione mediante radiazione nel medio infrarosso è decisamente diverso.Ad una lunghezza d'onda di 6,62 µm il MIR-FEL colpisce selettivamente lo stato della banda Amide II (N–H), che non comporta la formazione di specie reattive dell'ossigeno, come l'ossigeno singoletto, e teoricamente non causerebbe danni ossidativi.D'altra parte, come mostrato nelle Figg.2 e 4, il MIR-FEL ha avuto effetti battericidi su E. coli, ma non ha causato cambiamenti morfologici nei batteri.Questi risultati suggeriscono che l'irradiazione MIR-FEL può ridurre l'attività batterica inibendo la sintesi di aminoacidi attraverso i suoi effetti sui legami intermolecolari all'interno degli organelli batterici.Sebbene vari tipi di irradiazione luminosa, compresa l'irradiazione laser, possano causare termotossicità, nel presente studio la variazione di temperatura indotta nel terreno di coltura durante la procedura di irradiazione era compresa tra ± 0,12 °C (Fig. 5) e gli effetti battericidi di queste temperature le modifiche possono essere ignorate.Questa scoperta suggerisce fortemente che gli effetti battericidi dei MIR-FEL derivano dai fotoni IR piuttosto che dall'aumento della temperatura.È stato riportato che l'induzione dell'espressione proteica da shock termico dopo uno spostamento di temperatura (da 30 a 42 °C) è necessaria per migliorare la resistenza all'uccisione termica42.Sebbene l'analisi dello shock termico di E. coli non sia stata eseguita dopo l'irradiazione in questo studio, è stato osservato solo un piccolo spostamento di temperatura dopo l'irradiazione MIR-FEL ed è improbabile che l'irradiazione laser aumenti la resistenza all'uccisione termica dei microrganismi bersaglio;pertanto, gli effetti negativi dell'esecuzione di aPDT più volte possono essere insignificanti.Nella recente ricerca parodontale, gli agenti farmacologici che agiscono sulle risposte immunitarie batteriche e dell'ospite sono stati selezionati come trattamenti adiuvanti.Tuttavia, nessuno di questi agenti antimicrobici si è affermato come trattamento gold standard per la malattia parodontale43.Precedenti studi hanno riportato che i batteri parodontali sottogengivali hanno mostrato resistenza in vitro a concentrazioni terapeutiche di antibiotici, come amoxicillina, clindamicina e doxiciclina, che sono comunemente usati per il trattamento della malattia parodontale44.Pertanto, poiché potrebbe non essere possibile trattare efficacemente la malattia parodontale eradicando solo i batteri Gram-negativi, sono necessari ulteriori studi sull'aPDT.Tuttavia, prima che il MIR-FEL possa essere applicato al trattamento della malattia parodontale, sarà necessario studiare gli effetti del MIR-FEL sul biofilm e sul Porphyromonas gingivalis, che sono considerati i fattori più importanti nel trattamento della malattia parodontale.Il laser Nd:YAG nel vicino infrarosso (frequenza centrale: 1,064 µm) ha una profondità di penetrazione di 1–5 mm.La profondità di penetrazione del laser Er:YAG (frequenza centrale: 2,94 µm), che ha una profondità di penetrazione inferiore sia rispetto al laser Nd:YAG che al MIR-FEL, è di 1 µm15.Un bersaglio tipico per aPDT in odontoiatria è P. gingivalis e la dimensione di questo microrganismo è di circa 1 µm45.Pertanto, l'eradicazione di P. gingivalis mediante irradiazione MIR-FEL è altamente fattibile e può avere applicazioni cliniche.D'altra parte, nonostante il fatto che aPDT utilizzando MIR-FEL mostri attività battericida contro E. coli a specifiche lunghezze d'onda, ci sono ancora grossi problemi pratici, come i suoi effetti sulle cellule normali (sicurezza) quando vengono irradiate in vivo e la progettazione dei dispositivi di irradiazione associati, da risolvere prima che possano essere utilizzati in ambito clinico.aPDT potrebbe svolgere un ruolo nel trattamento della malattia parodontale come terapia adiuvante e la sua combinazione con altre terapie parodontali può contribuire a un significativo successo clinico27,28.Ad esempio, l'aPDT che utilizza la luce blu è stata utilizzata per eccitare le porfirine intracellulari endogene, come quelle trovate in Propionibacterium acnes, Helicobacter pylori e Staphylococcus aureus46,47,48.Pertanto, l'aPDT di MIR-FEL, che non richiede che il bersaglio di sterilizzazione sia colorato con coloranti, può essere applicabile come semplice aPDT perché, a differenza dell'aPDT convenzionale, ci si può aspettare che produca effetti antibatterici basati sulla sola irradiazione luminosa.In conclusione, i risultati degli attuali esperimenti MIR-FEL suggeriscono che tali laser possono diventare la pietra angolare di un nuovo aPDT che induce la scissione intermolecolare attraverso l'irradiazione a una specifica lunghezza d'onda.Inoltre, l'aPDT può essere eseguito per infezioni ripetute e c'è poca possibilità di indurre resistenza batterica, il che non accade quando i farmaci antimicrobici vengono usati ripetutamente.Queste possibilità suggeriscono che MIR-FEL potrebbe essere utilizzato in un nuovo tipo di aPDT in futuro.Al momento, non ci sono molti rapporti sugli effetti battericidi dell'irradiazione MIR-FEL, sebbene sia molto interessante che l'irradiazione MIR-FEL a lunghezze d'onda specifiche eserciti effetti battericidi contro E. coli.È necessario studiare gli effetti battericidi dell'irradiazione MIR-FEL e il meccanismo sottostante.Tuttavia, la dimensione di tali dispositivi è il problema più serio che limita l'applicazione clinica dei MIR-FEL.I MIR-FEL sono costituiti da un cannone elettronico a radiofrequenza per generare il fascio di elettroni, un tubo acceleratore per accelerare il fascio di elettroni, un ondulatore per generare luce serpeggiando il fascio di elettroni e un risonatore ottico per amplificare e far oscillare la luce.In particolare, il solo tubo di accelerazione è lungo 3 m5, rendendo difficile il posizionamento in una clinica al solo scopo di sterilizzazione.Un ulteriore miglioramento del sistema aiuterebbe la sua applicazione clinica.I set di dati generati durante e/o analizzati durante lo studio in corso sono disponibili presso l'autore corrispondente su ragionevole richiesta.Miyamoto, Y. et al.Dissociazione di fotoni multipli a infrarossi selettivi 13C del β-propiolattone mediante un laser a elettroni liberi.Nucl.Strumento.Metodi Fis.Ris.Setta.B 269, 180–184 (2011).Articolo ADS CAS Google ScholarPupezza, I. et al.Spettroscopia infrarossa risolta in campo di sistemi biologici.Natura 577, 52–59 (2020).Articolo ADS CAS PubMed Google ScholarFellgett, P. 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