Przeciwbakteryjne działanie pola elektromagnetycznego

Maciej I. DĄBROWSKI1, Wanda STANKIEWICZ1, Aleksander GIETKA1, Jolanta BIAŁKOWSKA2,
Jaromir SOBIECH1, Marek P. DĄBROWSKI1
Zakład Ochrony Mikrofalowej, Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii im. gen. Karola Kaczkowskiego (1),
Klinika Chorób Zakaźnych, Uniwersytet Medyczny w Łodzi (2)
Przeciwbakteryjne działanie pola elektromagnetycznego
Streszczenie. Opracowanie nowych metod zwalczania infekcji bakteryjnych nabiera coraz większego znaczenia, w obliczu ekspansji szczepów
antybiotykoopornych i produkujących biofilm. Niniejsza praca omawia znaczenie pola elektromagnetycznego (PEM) jako czynnika hamującego
wzrost bakterii patogennych, jak również przedstawia wstępne wyniki badań własnych w tym zakresie.
Abstract. The elaboration of new methods for controlling bacterial infections becomes increasingly important, in view of expansion of resistant and
biofilm-producing strains. This paper describes the meaning of electromagnetic field as the factor influencing bacterial growth, also reviewing the
preliminary results of own experiments. (Anti-bacterial effect of the electromagnetic field).
Słowa kluczowe: pole elektromagnetyczne, zahamowanie wzrostu drobnoustrojów, efekt bioelektryczny, biofilm.
Keywords: electromagnetic field, bacterial growth inhibition, bioelectric effect, biofilm.
Wstęp
Narastające zjawisko oporności drobnoustrojów na
powszechnie stosowane antybiotyki, środki antyseptyczne i
dezynfekcyjne skłania badaczy do podejmowania
intensywnych prób wypracowania nowych strategii,
mających na celu profilaktykę i skuteczną terapię zakażeń
bakteryjnych.
Dotyczy
to
zwłaszcza
szczepów
wielolekoopornych i wywoływanych przez nie zakażeń
wewnątrzszpitalnych, w których przebiegu dochodzi często
do zjawiska wytwarzania biofilmu bakteryjnego [1]. Coraz
więcej mówi się również o negatywnym wpływie
nadużywania antybiotyków w odniesieniu do homeostazy
pacjenta, co ma swoje szczególne znaczenie u dzieci, w
okresie kształtowania się systemów i mechanizmów
odporności ustroju. Towarzyszyć temu może upośledzenie
protroficznej funkcji układu immunologicznego, mediowanej
wspólnie z układem nerwowym i wewnętrznego wydzielania
(the immuno-neuroendocrine network), co w konsekwencji
prowadzi do zaburzenia procesu regeneracji tkanek [2].
Dlatego też coraz większym zainteresowaniem cieszy się
możliwość wykorzystania wpływu czynników fizycznych,
takich jak pole elektromagnetyczne (PEM), na wzrost
drobnoustrojów.
Wpływ
sztucznie
aplikowanego
pola
elektromagnetycznego na wzrost i charakterystykę
bakterii in vitro
Ze względu na zastosowane parametry, dotychczasowe
eksperymenty elektromagnetyczne przeprowadzane z
udziałem bakterii można podzielić na 2 podstawowe grupy
[3]: Pola z przewagą oddziaływania magnetycznego (stałe,
wolno zmieniające się lub pulsacyjne pola wytwarzane przy
pomocy cewki indukcyjnej), oraz pola z przewagą
oddziaływania elektrycznego, z wykorzystaniem prądu
stałego bądź zmiennego. Najbardziej interesującym nas
zjawiskiem tego rodzaju jest aplikacja stałego pola
elektrycznego w skojarzeniu z antybiotykami, prowadząca
do powstania tzw. efektu bioelektrycznego.
Wielu autorów obserwowało zahamowanie wzrostu
różnych gatunków bakterii pod wpływem stałego pola
magnetycznego [4,5,6,7]. Zależny od wartości indukcji
magnetycznej pola (Bm: 0,5 – 8 mT) spadek dynamiki
wzrostu i całkowitej liczby bakterii dotyczył Streptococcus
mutans i Staphylococcus aureus, hodowanych w
warunkach beztlenowych. Z kolei ekspozycja Pseudomonas
aeruginosa i Serratia marcescens na działanie pola stałego
prowadziła do zahamowania wzrostu z maksymalnym
nasileniem wynoszącym
86,5%.
Zarówno stałe, jak i
zmienne pole magnetyczne niskiej częstotliwości (4 Hz)
182
hamowało wzrost mutanta K-12 Escherichia coli
sprowadzając przeżywalność do poziomu 20% . Bakterie
traciły możliwość podziału i wzrostu w formie filamentów,
jak również nie wykazywały zdolności formowania kolonii na
podłożach stałych. Jako możliwy mechanizm opisanych
wyżej zjawisk hamujących autorzy wskazywali indukowanie
przez pole magnetyczne zmian w metabolizmie
bakteryjnym – w tym aktywności enzymów jak peroksydaza
glutationowa (odpowiedź na stres oksydoredukcyjny), oraz
alteracje materiału genetycznego w postaci obniżenia
poziomu 8-hydrksyguaniny w ekstrahowanych próbkach
DNA.
Alternatywnym
podejściem
było
zastosowanie
zmiennych pól elektromagnetycznych niskich lub bardzo
niskich częstotliwości (ELFMF – extremly low frequency
magnetic fields) z najwyraźniej zaznaczonym wpływem przy
50 Hz i wartości indukcji magnetycznej Bm do 10 mT [8,9].
Inhibicyjne działanie pól o wskazanych parametrach
wykazano
wobec
Escherichia
coli,
Leclercia
adecarboxylata, Staphylococus aureus, P. denitrificans, S.
paucimobilis, oraz R. erythropolis. Efekt hamujący zawierał
się w przedziale 35 – 50%. Pałeczki (np. E.coli) są bardziej
podatne na ten wpływ od bakterii występujących w postaci
sferycznej (S.aureus). Oddziaływanie pola elektromagnetycznego o niskiej częstotliwości (50 Hz, Bm= 1 mT)
sprawdzano również w odniesieniu do biofilmu bakteryjnego
formowanego przez hodowle H.Pylori [10]. Stwierdzono
obniżenie żywotności kultur, zmiany w morfologii na korzyść
form spiralnych w odniesieniu do kontroli (58,41% vs
33,14%), zmniejszenie masy biofilmu oraz zmniejszenie
zdolności adhezyjnych bakterii. Tu również zmiany w
fizjologii komórki bakteryjnej mogą dotyczyć aktywności
enzymów, mutacji i upośledzenia transkrypcji DNA, a
dodatkowo zaburzeń przepuszczalności kanałów jonowych
w błonie komórkowej, powstawania wolnych rodników i
uruchomienia produkcji białek stresowych.
Efekt bioelektryczny
Wiele prac eksperymentalnych wykorzystujących
relatywnie słabe stałe pola elektryczne koncentrowało się
na zjawisku tzw. efektu bioelektrycznego [11,12,13,14].
Polega ono na nasilonej redukcji wzrostu bakterii
tworzących biofilm, poddanych jednoczesnemu działaniu
pola elektrycznego i antybiotyków. Ten synergiczny efekt
pozwala na wielokrotne obniżenie efektywnych dawek
antybiotyków stosowanych w terapii przewlekłych i trudno
gojących się zakażeń. Zjawisko to potwierdzono
zwiększając skuteczność działania: tobramycyny w
odniesieniu do Pseudomonas aeruginosa , Klebsiella
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 12/2010
pneumoniae , Staphylococcus epidermidis; gentamycyny
wobec S. gordonii; cyklohexamidu wobec Candida albicans.
Najnowsze prace wskazują na możliwość następującego w
wyniku elektrolizy podwyższenia stężenia tlenu w
środowisku biofilmu, prowadzącego do wzmożenia
metabolizmu komórek bakteryjnych, co czyni je bardziej
wrażliwymi na działanie antybiotyków.
„Nowy” efekt bioelektryczny, mediowany przez zmienne
pola elektryczne, pozwala na uzyskanie zależnego od
częstotliwości i natężenia pola (optimum przy 10MHz, 3,1 –
4,5 V/cm) 80% zahamowania wzrostu Staphylococcus
aureus i Pseudomonas aeruginosa w podłożach płynnych
[15]. Wykazano również skuteczność 4-krotnie niższej
dawki chloramfenikolu dla 95-procentowego zahamowaniu
wzrostu S.aureus. Powstające w wyniku takiej ekspozycji
niehomogenne mikropola elektryczne, kumulujące się w
„mostku” cytoplazmatycznym pomiędzy dzielącymi się
komórkami bakteryjnymi, mogą prowadzić do zaburzenia
procesu rozdzielania się komórek potomnych. Dochodzić
może również do zmiany konformacji przestrzennej
enzymów (głównie błonowych), wynikającej z wpływu pola
elektrycznego na rozkład ładunków cząsteczkowych.
Wykazano też addytywny wpływ pulsacyjnego pola
elektromagnetycznego (PEMF, 0,07 V/m) na 50%
zahamowanie formowania biofilmów Staphylococcus
epidermidis przez gentamycynę [16]. Działania takiego nie
wywierała
natomiast
wankomycyna.
Pierwszy
ze
wspomnianych antybiotyków jest elektrycznie naładowany
dodatnio i wiąże się z anionowymi receptorami bakteryjnej
błony komórkowej. Tak więc PEMF może zmieniać ładunek
elektryczny biofilmu, prowadząc do wzmożonego wiązania
gentamycyny, co nie ma większego wpływu na neutralną
pod względem ładunku elektrycznego wankomycynę.
Niewykluczone jest również indukowane elektrycznie
wzmożenie aktywnego transportu gentamycyny przez błonę
komórkową bakterii. W innych badaniach wskazywano
także na możliwość fizycznego oddziaływania pola na
obdarzone ładunkiem elektrycznym i spolaryzowane
cząsteczki polisacharydu tworzące biofilm. Prowadziłoby to
do rozluźnienia jego struktury ułatwiając penetrację
antybiotyków [17].
Badania własne
Celem naszych własnych badań jest:
- zdefiniowanie najbardziej efektywnych parametrów
ekspozycji kultur bakteryjnych na pole elektryczne i
magnetyczne w celu zahamowania ich wzrostu;
- zbadanie wpływu tych pól na dynamikę wzrostu,
żywotność oraz aktywność enzymatyczną gatunków:
Escherichia coli, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus,
Pseudomonas aeruginosa.
Metody:
- szczepy referencyjne hodowane na podłożach stałych
(agar krwawy)
- aplikator pola elektrycznego: cewka Helmholza
- aplikator pola magnetycznego: symetryczna linia paskowa
- test wzrostowy: zliczanie jednostek koloniotwórczych
(CFU) 24 godziny po zakończeniu ekspozycji
- oznaczanie żywotności i aktywności enzymatycznej
(niespecyficzne esterazy, proteazy i lipazy): test
spektrofluorometryczny z wykorzystaniem dwuoctanu
fluoresceiny.
Wstępne wyniki
Wstępne rezultaty naszych eksperymentów wskazują na
istnienie gatunkowo-zależnego hamującego wpływu obu
rodzajów pól na wzrost i żywotność wybranych szczepów
bakterii, z wyjątkiem oddziaływania pola elektrycznego na
Escherichia coli, gdzie stwierdzono stymulację wzrostu i
nieznaczną zwyżkę żywotności. Badania te są w toku w
celu uzupełnienia brakujących danych.
Tabela 1. Wpływ pola elektrycznego i magnetycznego na wzrost i
żywotność wybranych gatunków bakteryjnych.
Rodzaj pola
Elektryczne
Magnetyczne
Metoda pomiaru
CFU*
FDA**
FDA
Escherichia coli
232%
104%
43%
Bacillus subtilis
bd***
77%
37%
Streptococcus aureus
51%
bd
bd
Pseudomonas
7%
bd
bd
aeruginosa
*- CFU – jednostki koloniotwórcze (colony forming units)
**- FDA – dwuoctan fluoresceiny (fluoresceine diacetate)
***- bd – brak danych
Parametry ekspozycji w polu elektrycznym: 200 V/m, 25 MHz, 2,5 h
Parametry ekspozycji w polu magnetycznym: 5 mT, 50 Hz, 1 h
Wyniki są przedstawione jako procentowe porównanie hodowli
eksponowanych do nieeksponowanych kultur kontrolnych (wartości
średnie z trzech powtórzeń).
Podsumowanie
Przedstawiony powyżej stan wiedzy dotyczący wpływu
pola elektromagnetycznego na hamowanie wzrostu różnych
rodzajów bakterii wskazuje na istnienie potencjalnych
możliwości jego praktycznego wykorzystania w medycynie.
Na obecnym poziomie zaawansowania technologicznego,
opracowanie metod specyficznej ingerencji w wybrane
układy biologiczne, takie jak system komunikacji bakteryjnej
(wykorzystującej sygnał elektromagnetyczny jako jeden z
nośników informacji) czy proces tworzenia biofilmu –
wydaje się być wkrótce możliwe do osiągnięcia. Stwarza to
nadzieję na znalezienie środków działających z jednej
strony bakteriobójczo lub bakteriostatycznie, a z drugiej nie
tylko nie upośledzających, ale wręcz promujących procesy
wzrostu komórek i regeneracji uszkodzonych tkanek
organizmów wyższych. W chwili obecnej mamy do
czynienia
z
niewątpliwą
dysproporcją
pomiędzy
nagromadzoną
ilością
danych
dotyczących
eksperymentalnych aplikacji PEM na hodowle bakteryjne in
vitro, a próbami ich praktycznego zastosowania w klinice.
Pomimo to - a może tym bardziej - w najbliższej
perspektywie rysuje się szansa i konieczność opracowania
wystandaryzowanych procedur medycznych, służących
zapobieganiu i leczeniu zakażeń bakteryjnych, tam gdzie
dotychczas stosowane metody wymagają zastąpienia lub
wsparcia.
LITERATURA
[1] Różalska B., Walencka E., Sadowska B., Wykrywanie biofilmów
stanowiących problemy medyczne i perspektywy ich
eradykacji, Zakażenia, (2010) nr 1, 13-20
[2] Dąbrowski M.P. i wsp., Clinical and immunological effect of
magnetostimulation in children with recurrent infection of
respiratory tract , Przegląd Elektrotechniczny, (2008), nr 12,
155-6
[3] Hunt R.W., Elektromagnetic Biostymulation of Living Cultures
for Biotechnology , Biofuel and Bioenergy Applications, Int J
Molec Sci, (2009), nr 10, 4515-58
[4] Kohno M. i wsp., Effect of static magnetic fields on bacteria:
Streptococcus
mutans,
Staphylococcus
aureus,
and
Escherichia coli , Pathophysiology, 7 (2000), nr 2, 143-48
[5] Benson D.E. i wsp., Magnetic field enhancement of antibiotic
activity in biofilm forming Pseudomonas aeruginosa, ASAIO J,
40 (1994), nr 3, 371-6
[6] Piatti E. i wsp., Antibacterial effect of a magnetic field on
Serratia marcescens and related virulence to Hordeum vulgare
and Rubus fruticosus callus cell , Comp Biochem Physiol B
Biochem Mol Biol, 132 (2002), nr 2, 359-65
[7] Stepanian R.S. i wsp., The effect of magnetic fields on the
growth and division of the lon mutant of Escherichia coli K-12 ,
Radiats Biol Radioecol, 40 (2000), nr 3, 319-22
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 12/2010
183
[8] Strasak L., Vetterl V., Fojt L., Effect of 500 Hz magnetic fields on
the viability of different bacterial strains, Electromagnetic
Biology and Medicine, 24 (2005), nr 3, 293-300
[9] Fojt L. i wsp., Comparison of the low-frequency magnetic field
effects on bacteria Escherichia coli, Leclercia adecarboxylata
and Staphylococcus aureus, Bioelectrochemistry, 63 (2004),
337-341
[10] Di Campli E i wsp., Effects of Extremely Low-Frequency
Electromagnetic Fields on Helicobacter pylori Biofilm ,
Bioelectromagnetics, 27 (2006), nr 3, 226-32
[11] Khoury A.E. i wsp., Prevention and control of bacterial
infections associated with medical devices , Asajo J, 38 (1992),
172-8
[12] Costerton J.W. i wsp., Mechanism of electrical enhancement of
efficacy of antibiotics in killing biofilm bacteria , Antimicrob
Agents Chemother, 38 (1994), 2803-9
[13] Wellman N., Fortun S.M., McLeod B.R., Bacterial biofilms and
the bioelectric effect, Antimicrobial Agents and Chemother, 40
(1996), 2012-14
[14] Stewart P.S. i wsp., Electrolytic generation of oxygen partially
explains electical enhancement of tobramycin efficacy againts
Pseudomonas aeruginosa biofilm, Antimicrob Agents
Chemother, 43 (1999), 292-6
[15] Giladi M. i wsp., Microbial Growth Inhibition by Alternating
Electric Fields, Antimicrobial Agents and Chemother, 52
(2008), nr 10, 3517-22
[16] Pickering S.A.W., Bayston R., Scammell B.E., Elektromagnetic
augmentation of antibiotic efficacy in infection of ortopaedic
implants , J Bone Joint Surg [Br], 85-B (2003), 588-93
184
[17] Caubet R. i wsp., A radio frequency electric current enhances
antibiotic efficacy againts bacterial biofilms, Antimicrob Agents
Chemother, 48 (2004), 4662-4664
_______________
Autorzy: lek. wet. Maciej Dąbrowski, Zakład Ochrony Mikrofalowej,
Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii im. gen. Karola
Kaczkowskiego, ul. Kozielska 4, 01-163 Warszawa, E-mail:
[email protected]; doc. dr hab. med. Wanda
Stankiewicz, kierownik Zakładu Ochrony Mikrofalowej, Wojskowy
Instytut Higieny i Epidemiologii im. gen. Karola Kaczkowskiego, ul.
Kozielska
4,
01-163
Warszawa,
E-mail:
[email protected]; mgr inż. Aleksander Gietka,
Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii im. gen. Karola
Kaczkowskiego, Zakład Ochrony Mikrofalowej, ul. Kozielska 4, 01163 Warszawa, E-mail: [email protected]; dr n. med. Jolanta
Białkowska, Klinika Chorób Zakaźnych UM w Łodzi, ul.
Kniaziewicza 1/5, 91-347 Łódź (kier. Kliniki dr hab. med. Maciej
Jabłkowski), E-mail: [email protected]; dr inż. Jaromir
Sobiech, Zakład Ochrony Mikrofalowej, Wojskowy Instytut Higieny i
Epidemiologii im. gen. Karola Kaczkowskiego, ul. Kozielska 4, 01163 Warszawa, E-mail: [email protected]; prof. dr hab.
med. Marek P. Dąbrowski, Zakład Ochrony Mikrofalowej,
Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii im. gen. Karola
Kaczkowskiego, ul. Kozielska 4, 01-163 Warszawa, E-mail:
[email protected].
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 12/2010