超音波による細菌バイオフィルム形成の制御：オートインデューサー-2の役割と音響ストリーミングの有限要素解析

Regulation of Bacterial Biofilm Formation by Ultrasound: Role of Autoinducer-2 and Finite-Element Analysis of Acoustic Streaming.

抄録

目的:

クオラムセンシング（QS）によって制御される細菌バイオフィルムの形成は、体内留置型医療器具の感染に寄与する重要な因子である。オートインデューサー-2（AI-2）は、QSのシグナル分子として、細菌のシグナル伝達を媒介し、細菌の生物学的挙動を制御する上で重要な役割を果たしている。本研究では、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）と大腸菌（Escherichia coli）の混合菌体におけるバイオフィルム形成に対する、周波数を変化させた超音波振動の影響について検討した。

OBJECTIVE: The formation of bacterial biofilm regulated by quorum sensing (QS) is a critical factor that contributes to infections of indwelling medical devices. Autoinducer-2 (AI-2), as a signal molecule in QS, plays a crucial role in mediating bacterial signaling and regulating their biological behavior. This study investigated the impact of ultrasonic vibration at varying frequencies on biofilm formation in a mixture of Staphylococcus aureus and Escherichia coli.

方法:

異なる周波数（20、100、200kHz）で超音波を励起することにより、混合菌の入ったシャーレの底にある材料表面に100nmの振幅の振動を発生させた。培養中の各時点における混合菌液中のAI-2と細菌の含有量、および材料表面のバイオバーデンを測定した。さらに、超音波振動下での音響流の有限要素解析により、AI-2含有量、細菌濃度および分布の関係を評価した。

METHODS: By exciting ultrasound at different frequencies (20, 100 and 200 kHz), a vibration with an amplitude of 100 nm was generated on the material surface located at the bottom of the petri dish containing mixed bacteria. We measured the content of AI-2 and bacteria in the mixed bacterial solution and bioburden on material surfaces at different time points during culture. In addition, the relationships among AI-2 content, bacterial concentration and distribution were assessed through finite-element analysis of acoustic streaming under ultrasonic vibration.

結果:

AI-2濃度勾配は、異なる周波数の超音波振動による材料表面および混合菌液中の音響ストリーミングパターンの多様性に影響され、それによってバイオフィルム形成が制御される。実験の結果、超音波周波数100 kHz、出力46.1 mW/cm、振幅100 nmの条件下で、AI-2に対する最適な抑制効果と最小の細菌付着度が達成された。

RESULTS: The AI-2 gradient is influenced by the diversity of acoustic streaming patterns on the material surface and in the mixed bacterial solution caused by ultrasonic vibration at different frequencies, thereby regulating biofilm formation. The experimental results showed that the optimal inhibition effect on AI-2 and minimal bacterial adhesion degree was achieved when applying an ultrasonic frequency of 100 kHz with a power intensity of 46.1 mW/cm under an amplitude of 100 nm.

結論:

超音波は細菌のQSシステムに影響を与え、細菌の生物学的挙動に変化をもたらす可能性がある。細菌の種類によって、異なる周波数に対する走化性の程度は異なる。

CONCLUSION: Ultrasound can affect the QS system of bacteria, leading to alterations in their biological behavior. Different species of bacteria exhibit varying degrees of chemotaxis toward different frequencies.