Kawano A, Yamasaki R, Sakakura T, Takatsuji Y, Haruyama T, Yoshioka Y, Ariyoshi W.
Front Cell Infect Microbiol. 2020 Sep 18;10:496.
doi: 10.3389/fcimb.2020.00496. PMID: 33042869; PMCID: PMC7530241.
一般的に使用されている滅菌技術には、オートクレーブ処理、紫外線（UV）照射処理、酸化エチレンガス（EOG）暴露、放射線滅菌などがある。これらの技術は現在、医療器具や食品の滅菌に用いられている。しかし、それぞれの方法には限界がある。例えば、オートクレーブ処理は時間がかかり、すべての材料に使用することはできない。紫外線照射では、紫外線が当たっていない部分の殺菌が難しい。EOG法では処理後に残留ガスの影響が見られ、放射線滅菌はコストとエネルギーがかかる。このように、対象物のすべての部分にアクセスでき、毒性がなく、有害な廃棄物を出さず、低コストでエネルギー消費の少ない迅速な殺菌方法が求められている。
細菌は “パーシスター “を形成することで、薬剤や飢餓などの様々な外的ストレスに対して耐性を持つ。パーシスターは、1942年にHobbyらによって発見された。彼らは、野生型の黄色ブドウ球菌の1％がペニシリン処理後も生存していることを発見した。これらの細胞はBigger（1944）によって「パーシスター」と名付けられた。パーシスターは広く存在し、その表現型は、グラム陰性菌とグラム陽性菌の両方の多くの種類、例えば、大腸菌、Enterococcus faecalis、黄色ブドウ球菌、Salmonella enterica serovar Typhimuriumなどが挙げられる。さらに、パーシスターは、非ストレス環境では細胞集団の0.001%未満を占めるが、定常期やバイオフィルムでは1%にも達することがある。パーシスターは、抗生物質処理などのストレスに対する耐性が高いため、完全に排除することは困難である。パーシスターは外部環境の変化に応じて再増殖し、重篤な感染症を引き起こす可能性があるため、医療や食品製造の分野では依然として問題となっている。最近では、パーシスターを殺す新しい薬の研究が報告されている。例えば、2種類の合成レチノイド（CD437およびCD1530）がメチシリン耐性黄色ブドウ球菌株に対して抗パーシスター活性を示したことが報告されている。マイトマイシンCおよびシスプラチンもパーシスターを殺すことができるが、これらの薬剤は臨床治療には承認されていない。効果的な殺菌を行い、パーシスターを除去するためには、新しい殺菌技術が必要である。
我々は、水と空気（O2）から高濃度の活性酸素種（ROS）を連続的に生成し、これを対象物に照射するラジカルベーパーリアクター（RVR）を開発した。このプロセスは常温常圧で行われ、生成された活性酸素は反応後に触媒によって無害化されるため、排出されるのは水と酸素のみである。そのため、RVRは環境への影響が少ない。RVRのROSは、材料表面の機能化や表面洗浄など、さまざまな用途に利用できる。活性酸素は強い酸化活性を持つため、殺菌に適している。RVRによる活性酸素の殺菌効果については、以前、大腸菌（グラム陰性）および枯草菌（グラム陽性）の指数細胞に対して、活性酸素がオゾンよりも強い殺菌効果を持つことを実証した研究が報告されている。本研究では、RVRを用いてパーシスターを効果的に除菌することができた。我々の前回の報告と同様に、多くの研究がROSを用いた殺菌について述べている。しかし、外部からROSを用いてパーシスターの除菌を評価した研究はない。RVRは、UVモードやO2プラズマモードなど様々なモードで使用することができる。我々は、RVRの様々なモードを調査し、どの種類の活性酸素がパーシスターの死滅に有効であるか、またこれらの効果のメカニズムを評価することを目的とした。
UVを照射するとパーシスターを死滅させることができ、UV遮蔽下では細菌の生存率が顕著に上昇する。紫外線は活性酸素の生成を誘導し、活性酸素は遮蔽された領域に向かって移動することで細菌を死滅させる。電子スピン共鳴法による分析では、一重項酸素は生成されないものの、ヒドロキシラジカルが紫外線照射によって生成されることが確認できた。これらの結果から、活性酸素は、指数細胞の殺菌に比べて、より効果的にパーシスターを殺菌することが明らかになった。これらの活性酸素は、細菌の細胞壁を傷つけるのではなく、細胞内に侵入し、その後、細胞を死滅させる。さらに、パーシスターの殺菌効果は、紫外線照射中に酸素プラズマにさらすことで高まった。蒸気の状態では、ヒドロキシラジカルのレベルを下がることで、パーシスターの殺菌効果が低下した。また、プランクトン細胞よりも抵抗性の高いバイオフィルム中の細菌に対する活性酸素の効果も検証した。UVだけではバイオフィルムの細菌を完全に殺菌することはできなかったが、UVと活性酸素を併用することで完全な殺菌が達成された。この結果から、パーシスターは、抗生物質や飢餓ストレスの影響には強く抵抗するが、活性酸素への暴露にはあまり耐えられないことがわかった。活性酸素は細胞膜には影響を与えず、細胞膜を透過して内部に作用し、パーシスター細胞を死滅させることが示された。特に、ヒドロキシラジカルがパーシスター細胞を死滅させる有効な殺菌剤であることを明らかにした。
コメント