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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22588 (2022) Citer cet article

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Il existe une forte demande pour le développement et la démonstration de nouvelles technologies de désinfection pour la protection contre divers virus et bactéries pathogènes. Dans ce contexte, l'irradiation ultraviolette (UV) offre une méthode efficace et pratique pour l'inactivation des micro-organismes pathogènes. L'évaluation quantitative de l'efficacité de la stérilisation UV repose sur la simple loi de réciprocité temps-dose proposée par Bunsen-Roscoe. Cependant, les constantes de vitesse d'inactivation rapportées dans la littérature varient considérablement, même à la même dose et longueur d'onde d'irradiation. Ainsi, il est probable que le mécanisme physique de l'inactivation des UV ne puisse pas être décrit par la simple loi de réciprocité dose-temps mais nécessite un processus d'inactivation secondaire, qui doit être identifié pour clarifier la base scientifique. Dans cet article, nous avons mené une expérience d'inactivation UV avec Escherichia coli à la même dose mais avec des irradiances et des durées d'irradiation différentes, faisant varier l'irradiance de deux à trois ordres de grandeur. Nous avons montré que l'efficacité de l'inactivation obtenue par irradiation par diode électroluminescente UV diffère significativement d'un ordre de grandeur à la même dose mais à des irradiances différentes à une longueur d'onde fixe. Pour expliquer cela, nous avons construit un modèle stochastique introduisant un deuxième taux d'inactivation, tel que celui dû aux espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui contribuent aux dommages à l'ADN et/ou aux protéines, ainsi que le taux d'inactivation UV basé sur la fluence. En résolvant les équations différentielles basées sur ce modèle, l'efficacité de l'inactivation en fonction de l'éclairement et de la durée d'irradiation dans les mêmes conditions de dose UV a été clairement élucidée. Le modèle proposé montre clairement qu'au moins deux taux d'inactivation sont impliqués dans l'inactivation UV, où le taux d'inactivation UV généralement utilisé ne dépend pas de l'irradiance, mais le taux d'inactivation dû aux ROS dépend de l'irradiance. Nous concluons que les résultats d'inactivation UV obtenus à ce jour étaient simplement ajustés par un taux d'inactivation qui superposait ces deux taux d'inactivation. L'efficacité de l'irradiation UV à long terme à un faible éclairement mais à la même dose fournit des informations utiles pour les futures technologies de désinfection telles que la désinfection de grands espaces, par exemple, les chambres d'hôpital utilisant la lumière UV, car elle peut réduire la dose de rayonnement et son risque au corps humain.

Il existe une forte demande pour développer et démontrer des technologies de désinfection efficaces pour se protéger contre divers virus et bactéries pathogènes. Dans cette situation, la stérilisation par irradiation ultraviolette (UV) suscite un intérêt particulier car l'irradiation UV offre une méthode efficace et pratique pour l'inactivation des micro-organismes pathogènes, y compris les coronavirus1,2,3,4,5.

Le principe de la stérilisation repose sur la loi de réciprocité dose-temps proposée par Bunsen-Roscoe6, Log(N/N0) = − Γ × D, où Γ (cm2/mJ) est la constante de vitesse d'inactivation en fonction de la longueur d'onde, D = τ × P, D (mJ/cm2) est la dose UV, P (mW/cm2) est l'irradiance UV et τ (s) est la durée d'irradiation (ci-après, nous utilisons D comme dose UV, P comme irradiance UV et τ comme durée d'irradiation.). Cette loi de réciprocité a été appliquée à de nombreuses catégories différentes de processus de photoréaction, telles que la photopolymérisation, la photoconductance et la photodégradation, ainsi que la stérilisation UV7. La loi de réciprocité suppose que la vitesse du processus de réaction photochimique est proportionnelle à l'éclairement lumineux (processus stochastique linéaire) de sorte que la quantité du processus ne dépend que du D. Bien que cela soit vrai pour la plupart des processus de réaction photochimique primaire à des irradiances lumineuses qui n'induisent pas d'effets non linéaires, il existe de nombreuses réactions qui n'obéissent pas à la loi de réciprocité sur une gamme significative de conditions de réaction, telles que les polymérisations radicalaires8. De plus, les constantes de vitesse d'inactivation de nombreuses bactéries et virus par irradiation UV rapportées dans la littérature varient considérablement, même pour les études dans lesquelles la même longueur d'onde d'irradiation et les mêmes types et souches de bactéries et de virus ont été utilisés9,10,11. Cette large gamme de valeurs rapportées semble suggérer que le mécanisme physique de l'inactivation UV ne peut pas être décrit par la simple loi de réciprocité temps-dose ; au lieu de cela, un processus d'inactivation secondaire doit être identifié pour clarifier la base scientifique7.

Dans cet article, nous proposons un modèle stochastique pour expliquer les différentes constantes de vitesse d'inactivation pour le même D. Pour valider le modèle stochastique proposé ici, nous avons mené une expérience d'inactivation UV au même D mais différents Ps et τs à une longueur d'onde fixe, variant le P de deux à trois ordres de grandeur. Ici, nous avons utilisé Escherichia coli (E. coli) comme échantillon d'inactivation car cette bactérie est l'un des échantillons standard utilisés à ce jour dans les expériences d'inactivation UV12,13,14,15,16,17,18,19. Les résultats obtenus ici montrent qu'à 265 nm, l'efficacité de l'inactivation est plus importante pour des τs plus longs avec un P plus faible au même D. Cependant, cette tendance était moins prononcée à 280 nm, et nous n'avons pas observé une différence aussi significative à la longueur d'onde d'irradiation de 308 nm.

Pour expliquer l'efficacité de l'inactivation en fonction de P et τ dans les mêmes conditions D, nous avons obtenu deux ensembles d'équations différentielles stochastiques dans lesquelles un taux d'inactivation [tel que celui dû aux espèces réactives de l'oxygène (ROS)] qui contribue à l'ADN et /ou des dommages aux protéines ont été introduits avec le taux d'inactivation UV conventionnel. En résolvant numériquement les équations différentielles basées sur ce modèle, l'efficacité de l'inactivation en fonction des P et τ pour un même D peut être clairement expliquée. Le modèle proposé montre clairement qu'au moins deux taux d'inactivation sont impliqués dans l'inactivation UV, où le taux d'inactivation UV généralement utilisé ne dépend pas du P, mais l'autre taux le fait. Notre conclusion suggère que les résultats d'inactivation UV obtenus à ce jour étaient simplement ajustés par un taux d'inactivation qui superposait ces deux taux d'inactivation.

Une culture pure de la souche O1 d'E. coli a été incubée dans un bouillon nutritif (E-MC63; EIKEN Chemical Co., Japon) à 37 ° C pendant 20 h. Une concentration de 109 à 1011 unités formant colonies (UFC)/mL a été obtenue et utilisée pour les expériences. La culture pure d'E. coli en phase stationnaire a été prélevée et diluée avec une solution saline normale (9 g de NaCl dissous dans 1 L d'eau purifiée) à 103 à 105 unités formant colonies (UFC)/mL. Pour effectuer les expériences d'inactivation à l'aide de LED UV, 600 μL de la solution dispersée ont été prélevés et injectés dans un microtube. Après les expériences d'inactivation, 100 µL de cellules bactériennes ont été prélevés et dispersés sur des plaques de gélose. Les colonies ont été comptées après 24h d'incubation à 37°C. Le nombre d'UFC/mL dans la suspension témoin (sans irradiation UV dans le bain à ultrasons) a été ajusté de manière à ce que le nombre d'UFC dans une plaque après irradiation UV soit de l'ordre de 102. Pour compter les UFC dans l'intervalle de 101 à 104 , nous avons pris une image numérique de la plaque et nous avons utilisé le logiciel Processing (https://processing.org/) pour le calcul des UFC.

La figure 1a montre la configuration d'irradiation pour le système d'inactivation. Des expériences d'exposition aux UV ont été menées à l'aide de LED UV de 265, 280 ou 308 nm (265 nm : 265-FL-01-G01, 280 nm : 280-FL-01-G01 et 308 nm : 308-FL-01-G01 , DOWA ELECTRONICS MATERIALS CO., LTD., Japon). Les spectres UV des longueurs d'onde UV-LED utilisées dans cette condition (265 nm, 280 nm et 308 nm) ont été mesurés à l'aide d'un spectromètre à travers une fibre optique (BIM-6002A, Brolight Technology Corporation, Hangzhou, Chine). Comme le montre la figure 1b, les LED UV de 265 nm, 280 nm et 308 nm présentaient une émission de longueur d'onde maximale à 266,5 nm, 280,6 nm et 308,8 nm, respectivement, avec une pleine largeur à mi-largeur maximale de 11,1 nm, 11,5 nm et 12,0 nm. Pour les expériences d'inactivation UV, l'irradiance UV a été modifiée par la combinaison de filtres UV-NIR à densité neutre (ND) (#88-369, Edmund Optics Japan Ltd., Tokyo, Japon) dont la densité optique (DO) a varié de 0,3 à 3,5. Nous notons ici que nous n'avons pas modifié de manière significative la tension appliquée aux LED UV pour obtenir le même Ps, mais que nous les avons utilisées autour de leurs tensions nominales pour éviter les décalages de crête spectraux causés par la modification de la tension appliquée. De plus, la transmission des filtres UV-NIR ND change significativement entre 200 et 300 nm. Par conséquent, pour les expériences d'exposition aux UV, différentes amplitudes de P ont été utilisées, comme indiqué dans le tableau 1.

Configuration optique du système d'inactivation UV et spectre d'émission des UV-LED. (a) Configuration optique du système d'inactivation UV-LED. ( b ) Spectres d'émission de 265 nm, 280 nm et 308 nm UV-LED. Ces LED présentaient des émissions de longueur d'onde maximales à 266,5 nm, 280,6 nm et 308,8 nm, respectivement, avec une pleine largeur à mi-largeur maximale de 11,1 nm, 11,5 nm et 12,0 nm. ( c ) Photographie d'un échantillon bactérien E. coli irradié par la LED UV dans un bain à ultrasons. Un échantillon bactérien E. coli sans irradiation UV a également été placé dans le bain à ultrasons comme échantillon témoin pour tenir compte de l'inactivation causée par les vibrations ultrasonores.

Ensuite, après transmission à travers des filtres ND, le rayonnement UV a été collimaté à l'aide d'une lentille convexe avec une distance focale de 80 mm et a été guidé vers un microtube en polypropylène (2-8007-02, AS ONE Corporation, Osaka, Japon) qui contenait une suspension d'E. coli (600 μL). Le diamètre du faisceau obtenu était d'environ 20 mm de diamètre et le diamètre du microtube était de 9 mm; par conséquent, toute la région de la suspension a été irradiée par un rayonnement UV. Le P du rayonnement UV auquel les bactéries ont été soumises a été mesuré à chaque fois en plaçant une photodiode Si étendue aux UV avec une ouverture de 9,5 mm (S120VC, Thorlabs Inc., New Jersey, USA) sur la surface du microtube. Sur la base de cette valeur mesurée, le τ a été déterminé. Les combinaisons de P et τ à chaque longueur d'onde d'irradiation sont répertoriées dans le tableau 1.

La suspension dans le tube a été diffusée de manière homogène en utilisant un bain à ultrasons (MCS-2, AS ONE Corporation, Osaka, Japon) avec une fréquence de 40 kHz et une puissance de sortie de 55 W. La température du bain à ultrasons a été maintenue à 23 °C en utilisant un échangeur de chaleur, qui a inhibé l'augmentation de température provoquée par 60 min de fonctionnement par ultrasons. La température du microtube aurait augmenté à environ 50 ° C tout au long des 60 min de fonctionnement ultrasonique (non dû à l'irradiation UV) sans l'échangeur de chaleur. La suspension témoin, qui n'a pas été soumise à une irradiation UV, a également été placée dans le bain à ultrasons à chaque mesure pour distinguer et exclure précisément l'inactivation causée par les ultrasons de celle causée par l'irradiation UV, comme le montre la Fig. 1c. Nous notons ici que la réduction de CFU causée par 60 min d'ultrasonication était inférieure à 10% de la CFU de l'échantillon de contrôle initial20,21,22.

Le log inactivation a été calculé comme Log (N/N0) avec base 10, où N est le nombre de CFU après irradiation UV dans le bain à ultrasons, et N0 est le nombre de CFU sans irradiation UV dans le bain à ultrasons. Cette procédure a été effectuée dans chaque expérience. Toutes les expériences ont été réalisées au moins trois fois indépendamment. Toutes les données ont été exprimées en moyenne ± écart-type. Les analyses statistiques des données ont été réalisées à l'aide d'un test t de Student apparié. Les valeurs p < 0,05 ont été considérées comme statistiquement significatives.

Les taux d'inactivation [Log(N/N0)] au même D mais différents Ps et τs sont tracés en fonction de τ (de 0 à 1000 s) par des ronds rouges (10 mJ/cm2) et des ronds bleus (5 mJ/ cm2) comme le montre la Fig. 2a, b, c (a : 265 nm, b : 280 nm, c : 308 nm). Ici, les valeurs choisies de P et τ sont listées dans le tableau 1 [(a) 265 nm ; 5 mJ/cm2, (b) 265 nm; 10 mJ/cm2, (c) 280 nm; 5 mJ/cm2, (d) 280 nm; 10 mJ/cm2, (e) 308 nm; 5 mJ/cm2 et (f) 308 nm; 10 mJ/cm2].

Tracés expérimentaux du rapport d'inactivation [Log(N/N0)] pour différentes durées d'irradiation (et différentes irradiances) à des doses de 10 mJ/cm2 (cercles rouges) et 5 mJ/cm2 (cercles bleus) et des longueurs d'onde d'irradiation de (a) 265 nm, (b) 280 nm et (c) 308 nm. La ligne rouge ou bleue représente le taux d'inactivation théoriquement ajusté en fonction de la durée d'irradiation à dose constante (rouge : 10 mJ/cm2, bleu : 5 mJ/cm2) mais dans des conditions d'éclairement différentes. (d) Détermination de Γ1 par la pente initiale de la courbe pour des résultats à 265 nm et 10 mJ/cm2, où la courbe verte est décrite par Γ1 = 2 × 10−4 cm3/s, la courbe rouge est décrite par Γ1 = 2 × 10−3 cm3/s, et la courbe bleue est décrite par Γ1 = 2 × 10−2 cm3/s. (e) Détermination de Γ2 par la pente de queue de la courbe pour les résultats à 265 nm et 10 mJ/cm2, où la courbe verte est décrite par Γ2 = 0,07 cm2/mJ, la courbe rouge est décrite par Γ2 = 0,7 cm2/mJ, et la courbe bleue est décrite par Γ2 = 7,0 cm2/mJ. (f) Détermination de Γ4 par la hauteur de queue de la courbe pour des résultats de 265 nm et 10 mJ/cm2, où la courbe verte est décrite par Γ4 = 2,8 cm3/s, la courbe rouge est décrite par Γ4 = 28 cm3/s ( les cercles rouges sont des résultats expérimentaux), et la courbe bleue est décrite par Γ4 = 280 cm3/s.

Pour une irradiation à 265 nm et D = 10 mJ/cm2 [cercles rouges sur la Fig. 2a], la réduction du P de deux à trois ordres de grandeur (On compare ici les ratios obtenus pour τ≒0 s et τ≒1000 s. ) provoque la réduction significative du ratio d'environ un ordre de grandeur, ce qui suggère que l'efficacité de l'inactivation était environ 10 fois supérieure (p-value < 0,05) pour des τs plus longs et un P plus faible. En abaissant le D de 10 mJ/ cm2 à 5 mJ/cm2, comme indiqué dans les cercles bleus de la figure 2a, des résultats similaires ont été obtenus. Cependant, la différence dans les rapports à différents P était moins prononcée et l'efficacité de l'inactivation était réduite à environ 7 fois (valeur de p < 0,05).

Au même jour, des résultats similaires ont été obtenus avec une irradiation à 280 nm, comme indiqué sur la figure 2(b) (cercles rouges : 10 mJ/cm2 et cercles bleus : 5 mJ/cm2). La différence dans les rapports à différents Ps était moins prononcée. Par exemple, l'efficacité de D = 10 mJ/cm2 était environ 7 fois supérieure (valeur p < 0,05) et celle de D = 5 mJ/cm2 était environ 5 fois supérieure (valeur p < 0,05) pour des τ (τ ≒1000 s) et P inférieur par rapport à τ plus court (τ ≒0 s) et P supérieur.

Cependant, à la longueur d'onde d'irradiation de 308 nm, nous n'avons pas pu observer de réduction significative des rapports en modifiant le P dans les mêmes conditions D, comme le montre la figure 2c. Par exemple, l'efficacité de D = 10 mJ/cm2 (cercles rouges) était environ 1,3 fois supérieure (valeur p = 0,19) et celle de D = 5 mJ/cm2 (cercles bleus) était environ 1,2 fois supérieure (valeur p = 0,23) pour τ plus long (τ ≒1000 s) et P inférieur par rapport à τ plus court (τ≒0 s) et P supérieur. Cependant, les valeurs de p montrent qu'il n'y a pas de différence statistique dans le rapport entre τs plus long et plus court .

L'UFC initiale a été variée entre 102 et 104 pour examiner si les rapports de réduction dépendaient du nombre d'UFC initiales. Cependant, comme cela a été observé de manière similaire par Hamamoto et al.23, nous n'avons pas pu observer de changement significatif des rapports de réduction.

Les théories de cible avec des modèles à un ou plusieurs coups sont généralement utilisées pour l'analyse de l'inactivation UV24,25,26, et la loi de Bunsen-Roscoe6 est le principe de base pour l'analyse de l'inactivation UV. Cependant, la grande différence dans l'efficacité de l'inactivation au même D mais différents Ps à une longueur d'onde fixe ne peut pas être expliquée par ces théories. D'autre part, il est généralement connu que le rayonnement UV génère des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et que les ROS endommagent l'ADN, les membranes et les cellules27,28. Des résultats récents suggèrent que les ROS jouent un rôle important dans l'inactivation des UV et que pour un D donné, l'inactivation des UV est plus efficace pour un P plus faible et un τs plus long27,28.

Ici, nous supposons que les rayonnements ROS et UV causent des dommages à l'ADN. La figure 3 montre le modèle quantitatif qui décrit les processus et leurs taux de dommages à l'ADN : (i) Γ0 (cm2/mJ) : le taux auquel le rayonnement UV cause directement des dommages à l'ADN par la formation de dimères de thymine29,30,31,32, 33; (ii) Γ1 (cm3/s) : la vitesse à laquelle les radicaux ROS causent des dommages à l'ADN ; (iii) Γ2 (cm2/mJ) : le taux de génération de radicaux ROS chez les bactéries par le rayonnement UV ; (iv) Γ3 (1/s) : la durée de vie des radicaux ROS 34,35,36,37 ; et (v) Γ4 (cm3/s) : le taux de destruction mutuelle des radicaux ROS. Dans ce cas, le taux de réduction du nombre de bactéries N(t) (1/cm3) et le taux de génération de radicaux ROS R(t) (1/cm3) en fonction du temps (0≤t≤τ) peuvent être exprimés par les équations différentielles stochastiques suivantes :

où P est l'éclairement énergétique (mW/cm2). En résolvant ces deux équations différentielles, N(t) et R(t) peuvent être décrits par la variable t avec le P comme paramètre. En considérant la condition D constante telle que τ × P = D (mJ/cm2) = constante pour la solution des équations ci-dessus. (1) et (2), on peut décrire l'efficacité de l'inactivation au même D mais à des Ps différents.

Modèle quantitatif décrivant les processus de dégradation de l'ADN. Le rayonnement UV provoque directement des dommages à l'ADN par la formation de dimères de thymine ou la génération de radicaux ROS (cercles rouges) chez les bactéries par le rayonnement UV, ce qui endommage l'ADN. Les taux d'endommagement de l'ADN sont décrits comme suit : Γ0 (cm2/mJ) : le rayonnement UV endommage directement l'ADN par la formation de dimères de thymine, Γ1 (cm3/s) : les radicaux ROS endommagent l'ADN, Γ2 (cm2/mJ) : ROS radicaux sont générés au niveau de la bactérie par rayonnement UV, Γ3 (s-1) : durée de vie des radicaux ROS, et Γ4 (cm3/s) : destruction mutuelle des radicaux ROS.

Ici, nous décrivons quantitativement la procédure de détermination de chaque taux sur la base du résultat de l'irradiation de 10 mJ/cm2-D et 265 nm illustrée à la Fig. 2a à titre d'exemple représentatif. Nous intégrons l'éq. (1) comme suit :

En considérant l'Eq. (3), dans la limite de τ→0 avec τ × P = D (mJ/cm2) où D est constant, Γ0 (cm2/mJ) peut être déterminé par la valeur de l'ordonnée à l'origine Log (N/N0). Nous avons obtenu Γ0 = 0,22 (cm2/mJ). Ici, on note que cette courbe théorique ne part pas de (0, 0) mais part de (0, − Γ0D/2.3) car P est décrit comme P = D/τ [voir Eq. (3)]. Ainsi, la diminution du D conduit à une plus grande valeur de l'ordonnée à l'origine. Cette tendance est en accord avec les valeurs de l'interception observées expérimentalement, comme le montre la figure 2a.

D'autres paramètres, tels que Γ1, Γ2 et Γ4, peuvent être déterminés par les caractéristiques de la courbe, comme illustré à la Fig. 2d – f. Par exemple, la valeur de Γ1 se reflète dans la pente initiale de la courbe, comme le montre la Fig. 2d, où la courbe verte est décrite par Γ1 = 2 × 10−4 (cm3/s), la courbe rouge est décrite par Γ1 = 2 × 10−3 (cm3/s) (les cercles rouges sont des résultats expérimentaux), et la courbe bleue est décrite par Γ1 = 2 × 10−2 (cm3/s) ; on choisit donc Γ1 = 2 × 10−3 (cm3/s). Ensuite, la valeur de Γ2 est déterminée par la pente de queue de la courbe, comme illustré à la Fig. 2e, où la courbe verte est décrite par Γ2 = 0,07 (cm2/mJ), la courbe rouge est décrite par Γ2 = 0,7 (cm2 /mJ) (les cercles rouges sont des résultats expérimentaux), et la courbe bleue est décrite par Γ2 = 7,0 (cm2/mJ) ; et nous choisissons Γ2 = 0,7 (cm2/mJ). Le paramètre Γ4 est déterminé en ajustant la hauteur de queue de la courbe, comme le montre la Fig. 2f, où la courbe verte est décrite par Γ4 = 2,8 (cm3/s), la courbe rouge est décrite par Γ4 = 28 (cm3/s ) (les cercles rouges sont des résultats expérimentaux), et la courbe bleue est décrite par Γ4 = 280 (cm3/s) ; et on choisit Γ4 = 28 (cm3/s).

La durée de vie des ROS est corrélée avec Γ3 et Γ4, qui ne dépendent pas de la longueur d'onde d'irradiation. Après la détermination de Γ4, le paramètre Γ3 est déterminé comme étant Γ3 = 1 (1/s). La durée de vie déterminée pour Γ3 est probablement une valeur raisonnable car elle correspond bien aux valeurs rapportées précédemment34,35. Notamment, en utilisant ces paramètres de Γ0 à Γ4, qui sont déterminés à partir des résultats de 265 nm et 10 mJ/cm2, on peut tracer des courbes théoriques de 265 nm pour différentes conditions de dose. La courbe bleue illustrée à la Fig. 2a a été tracée pour 265 nm et D = 5 mJ/cm2 en utilisant le même Γ0 à Γ4.

Les figures 2a, b, c montrent les tracés expérimentaux (cercles pleins) et les courbes ajustées théoriquement (courbes pleines) obtenues par la procédure d'ajustement ci-dessus pour des longueurs d'onde d'irradiation de 265 nm [Fig. 2a], 280 nm [Fig. 2b] et 308 nm [Fig. 2c], où les cercles et les courbes rouges représentent un D de 10 mJ/cm2, et les cercles et les courbes bleus représentent un D de 5 mJ/cm2, respectivement. Les valeurs de τs pour s'adapter aux courbes pour chaque longueur d'onde d'irradiation sont indiquées dans le tableau 2. Les courbes théoriques expliquent bien le comportement d'inactivation en fonction de τ sous différentes longueurs d'onde d'irradiation et conditions D. Bien que l'hypothèse selon laquelle les ROS sont impliquées dans les dommages à l'ADN27,28 soit un problème à résoudre à l'avenir, nous considérons que le modèle stochastique présenté ici explique bien non seulement les résultats actuels, mais également la large gamme de constantes de taux d'inactivation rapportées précédemment12, 13,14,15,16,17,18,19.

Il est intéressant de montrer la différence dans la quantité de ROS générée par l'irradiation UV lorsque le D est constant mais que le P est différent. La figure 4a montre le comportement temporel théorique de R(t) obtenu à 0,01 mW/cm2 avec 1000 s (courbe rouge) ou 10 mW/cm2 avec 1 s (courbe bleue montrée en médaillon) à la longueur d'onde d'irradiation de 265 nm. Le comportement temporel des deux R(t) montre des caractéristiques de courbe similaires. Un point notable est la différence de la valeur de crête ; bien que le P varie d'un facteur 1000, la valeur crête obtenue ne varie que d'un facteur 60, comme 150 à 10 mW/cm2 et 2,5 à 0,01 mW/cm2. Cette différence provient du terme non linéaire Γ4R(t)R(t), qui implique que l'état ROS à haute densité est instable et qu'il se produit une destruction mutuelle des ROS38. La différence dans la valeur maximale conduit à la différence dans la quantité totale de ROS au même D. La figure 4b montre la quantité totale de ROS en fonction de τ au même D (265 nm, 10 mJ/cm2). En raison de la longue durée de vie des ROS (Γ3) et du terme non linéaire (Γ4), un éclairement plus faible avec une durée plus longue génère une plus grande quantité de ROS. Nous considérons que cette différence de quantité de ROS en fonction de τ est le mécanisme physique et chimique qui explique la grande différence d'efficacité de l'inactivation au même D.

(a) Comportement temporel de R(t) obtenu à 0,01 mW/cm2 avec 1000 s (courbe rouge) ou 10 mW/cm2 avec 1 s (courbe bleue en médaillon) à la longueur d'onde d'irradiation de 265 nm. (b) Quantité totale de ROS en fonction de la durée d'irradiation à la même dose (265 nm, 10 mJ/cm2).

Nous n'avons pas pu observer de changement significatif d'efficacité par rapport au P à la longueur d'onde d'irradiation de 308 nm. Ce résultat est similaire aux résultats observés par Oguma et al.16 mais est contraire aux conclusions de Pousty et al.27. La raison de ceci n'est pas clairement comprise ; cependant, nous considérons que cette différence d'efficacité provient de la différence de souche : là où nous avons utilisé une simple souche O1, Oguma et al. ont utilisé la souche K12 IFO 330116, et Pousty et al. ont utilisé la souche MG166527. Pour clarifier cette question, d'autres souches de bactéries E. coli sont actuellement à l'étude. Le fait que nous n'ayons pas pu observer une réduction significative de l'efficacité à la longueur d'onde d'irradiation de 308 nm est susceptible de suggérer que le mécanisme de génération de ROS par la lumière UV est en corrélation avec le spectre d'absorption de l'ADN19,39,40 et/ou des protéines41,42, 43,44,45,46 espèces.

La tendance dans le comportement du P et l'efficacité obtenue dans ce travail semble être cohérente avec les études précédentes9,13,47,48,49. Pour un P plus petit, une constante de vitesse d'inactivation plus élevée a été rapportée. Par exemple, à une longueur d'onde d'irradiation de 265 nm, pour la souche E. coli K12 29425, le taux de réduction rapporté est Log (N/N0) = − 1,5 pour 5 mJ/cm2 et − 2,5 pour 10 mJ/cm2 dans le plus petit P région (0,030–0,060 mW/cm2)47 ; cependant, dans la plus grande région P (0,19–0,55 mW/cm2), le taux de réduction diminue lorsque Log (N/N0) = − 1 pour 5 mJ/cm2 et − 2 pour 10 mJ/cm248. Une tendance très similaire a été signalée pour E. coli CGMCC 1.3373, et le taux de réduction signalé est Log (N/N0) = − 1,5 pour 5 mJ/cm2 et − 4,5 pour 10 mJ/cm2 dans la plus petite région P (0,05 mW/ cm2)13 ; cependant, dans la plus grande région P (0,384 mW/cm2), le taux de réduction diminue lorsque Log (N/N0) = − 1 pour 5 mJ/cm2 et − 3 pour 10 mJ/cm249.

Notons ici que les processus de naissance et de mort d'E. coli n'ont pas été pris en compte dans cette analyse, car les essais d'inactivation ont été réalisés en phase stationnaire [E. coli dans une solution saline normale (0,9% NaCl)]. Cependant, lorsque nous effectuons les tests d'inactivation UV sous une phase bien nourrie (phase logarithmique), nous devons considérer le temps de duplication, car E. coli à l'état bien nourri se divise toutes les 20 min50. Dans ce cas, il est nécessaire d'introduire les processus de naissance et de mort qui montrent cet effet de prolifération dans ce modèle stochastique.

Dans cet article, nous avons clarifié la différence significative dans l'efficacité de l'inactivation d'E. coli sous le même D mais différents Ps et τs à une longueur d'onde fixe. Bien que la production de dimères de thymine et la production de ROS n'aient pas été confirmées expérimentalement, nous pensons qu'au cours du processus d'inactivation UV, en plus de la formation de dimères de thymine dans l'ADN, un autre facteur, tel que les ROS, a joué un rôle important dans l'inactivation des bactéries. L'efficacité de l'inactivation par les ROS dépend du P, tandis que la formation de dimères de thymine dépend du D. Pour prouver que les ROS jouent un rôle dans l'inactivation, il est nécessaire de quantifier et de mesurer la quantité de ROS par irradiation UV.

Diverses valeurs de la constante de vitesse d'inactivation pour l'inactivation UV d'une bactérie et/ou d'un virus ont été rapportées, même lorsque la même source lumineuse et la même longueur d'onde d'irradiation sont utilisées9,10,11. Une des raisons de cet écart pourrait être la différence entre les souches et leurs environnements de bactéries. Cependant, selon les résultats expérimentaux et théoriques obtenus ici, il est probable que les constantes de vitesse d'inactivation aux UV rapportées jusqu'à présent soient composées de valeurs mixtes de deux processus d'inactivation qui dépendent de l'amplitude de P. Par conséquent, les constantes de vitesse d'inactivation rapportées dans le la littérature varie considérablement, même lorsque la même longueur d'onde d'irradiation ainsi que les mêmes types et souches de bactéries et de virus ont été utilisés. Pour valider l'applicabilité du modèle obtenu ici à un ensemble plus large d'agents pathogènes, des expériences d'inactivation combinant une irradiation à court terme avec un P élevé sont nécessaires pour déterminer les constantes de vitesse d'inactivation UV réelles.

La quantité de rayonnement UV à laquelle le corps humain peut être soumis est limitée par une valeur limite de seuil (TLV) pour chaque longueur d'onde basée sur le livret de l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH)-TLV51. Les résultats de la présente étude montrent que pour un même D, l'inactivation à un P plus faible et un τ plus long est plus efficace que l'inactivation à un P plus élevé et un τ plus court. L'efficacité d'une irradiation UV prolongée à un P inférieur peut réduire le D et le risque pour le corps humain. Ainsi, nous considérons que ces informations sont utiles pour la future stérilisation de grands espaces tels que les chambres d'hôpital à l'aide de la lumière UV. Pour obtenir de telles technologies d'éclairage à effets germicides, il est nécessaire d'étudier l'effet du P dans les mêmes conditions D sur divers types de bactéries et de virus pathogènes.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés dans la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs tiennent à remercier Yuji Kohmura, Haruka Hattori et Ton Mu pour leur aide dans les expériences d'inactivation UV. Les auteurs tiennent également à remercier le Dr Masanori Isaka et le Dr Hideyuki Matsui pour des informations sur les techniques de manipulation bactérienne. Ce travail a été soutenu par une subvention pour la recherche à l'Université de la ville de Nagoya (numéro de subvention 2121102).

École supérieure des sciences médicales, Université de la ville de Nagoya, Nagoya, 467-8601, Japon

Takahiro Matsumoto, Ichiro Tatsuno et Tadao Hasegawa

École supérieure de design et d'architecture, Nagoya City University, Nagoya, 464-0083, Japon

Takahiro Matsumoto et Yukiya Yoshida

Département de physique, Faculté des sciences, Université de Shizuoka, Shizuoka, 422-8529, Japon

Makoto Tomita

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TM est le premier auteur. IT, YY, MT et TH ont contribué à la conception du système d'inactivation UV-LED ; YY, IT et TM ont réalisé les expériences d'inactivation UV-LED d'E. coli ; et TH a fourni un soutien technique et une expertise bactérienne pour les techniques de croissance bactérienne. TMMT et YY ont construit et analysé le modèle quantitatif qui décrit la différence d'efficacité d'inactivation par rapport à l'irradiance à la même dose. Tous les auteurs ont lu et approuvé ce manuscrit soumis.

Correspondance à Takahiro Matsumoto.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Matsumoto, T., Tatsuno, I., Yoshida, Y. et al. Mécanisme de réciprocité dose-temps pour l'inactivation d'Escherichia coli expliqué par un processus stochastique avec deux effets d'inactivation. Sci Rep 12, 22588 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26783-x

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Reçu : 05 juin 2022

Accepté : 20 décembre 2022

Publié: 30 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26783-x

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