Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth / Fotoemissores de luz azul e vermelha como abordagem para inibir o crescimento de Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa

The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm2, 13.19 mW/cm2 and 603.44 J/cm2, 27.93 mW/cm2 respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha (470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azul e vermelha foram 284,90 J/cm2, 13,19 mW/cm2 e 603,44 J/cm2, 27,93 mW/cm2, respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após 24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth / Fotoemissores de luz azul e vermelha como abordagem para inibir o crescimento de Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa

The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm², 13.19 mW/cm² and 603.44 J/cm², 27.93 mW/cm² respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha(470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azule vermelha foram 284,90 J/cm², 13,19 mW/cm² e 603,44 J/cm², 27,93 mW/cm², respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Blue and red light photoemitters as approach to inhibit Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth

Abstract The ability of pathogenic bacteria acquire resistance to the existing antibiotics has long been considered a dangerous health risk threat. Currently, the use of visible light has been considered a new approach to treat bacterial infections as an alternative to antibiotics. Herein, we investigated the antimicrobial effect of two range of visible light, blue and red, on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, two pathogenic bacterial commonly found in healthcare settings-acquired infections and responsible for high rate of morbidity and mortality. Bacterial cultures were exposed to blue or red light (470 nm and 660 nm) provided by light-emitting diodes - LED. The fluencies and irradiance used for blue and red light were 284.90 J/cm2, 13.19 mW/cm2 and 603.44 J/cm2, 27.93 mW/cm2 respectively. Different experimental approaches were used to determine the optimal conditions of light application. Only exposure to blue light for 6 hours was able to inhibit about 75% in vitro growth of both bacterial species after 24 hours. The surviving exposed bacteria formed colonies significantly smaller than controls, however, these bacteria were able to resume growth after 48 hours. Blue light was able to inhibit bacterial growth upon inoculation in both saline solution and BHI culture medium. We can conclude that blue light, but not red light, is capable of temporarily retarding the growth of gram negative and gram positive bacteria.

Resumo A capacidade das bactérias patogênicas adquirirem resistência aos antibióticos existentes há muito tempo é considerada uma ameaça perigosa à saúde. Atualmente, o uso da luz visível tem sido considerado uma nova abordagem no tratamento de infecções bacterianas como alternativa aos antibióticos. Neste trabalho, investigamos o efeito antimicrobiano de duas faixas de luz visível, azul e vermelha, em Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, duas bactérias patogênicas comumente encontradas em infecções adquiridas em instituições de saúde e responsáveis por alta taxa de morbimortalidade. As culturas bacterianas foram expostas à luz azul ou vermelha (470 nm e 660 nm) fornecida por diodos emissores de luz - LED. As fluências e irradiâncias utilizadas para luz azul e vermelha foram 284,90 J/cm2, 13,19 mW/cm2 e 603,44 J/cm2, 27,93 mW/cm2, respectivamente. Várias abordagens experimentais foram utilizadas para determinar as condições ótimas de aplicação da luz. Apenas a exposição à luz azul por 6 horas foi capaz de inibir cerca de 75% o crescimento in vitro de ambas as espécies bacterianas após 24 horas. As bactérias expostas sobreviventes formaram colônias com um tamanho significativamente menor do que os controles, contudo, essas bactérias conseguiram retomar o crescimento normal após 48 horas. A luz azul foi capaz de inibir o crescimento das bactérias após sua inoculação em solução salina ou no meio de cultura rico em nutrientes BHI. Podemos concluir que a luz azul mas não a luz vermelha é capaz de retardar temporariamente o crescimento de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.

Staphylococcus aureus growth delay after exposure to low fluencies of blue light (470 nm) / Atraso no crescimento de Staphylococcus aureus após exposição à baixas fluências de luz azul (470 nm)

Antibiotic resistance is one of the greatest challenges to treat bacterial infections worldwide, leading to increase in medical expenses, prolonged hospital stay and increased mortality. The use of blue light has been suggested as an innovative alternative to overcome this problem. In this study we analyzed the antibacterial effect of blue light using low emission parameters on Staphylococcus aureus cultures. In vitro bacterial cultures were used in two experimental approaches. The first approach included single or fractionated blue light application provided by LED emitters (470 nm), with the following fluencies: 16.29, 27.16 and 54.32 J/cm2. For the second approach a power LED (470 nm) was used to deliver 54.32 J/cm2 fractionated in 3 applications. Our results demonstrated that bacterial cultures exposed to fractionated blue light radiation exhibited significantly smaller sizes colonies than the control group after 24 h incubation, however the affected bacteria were able to adapt and continue to proliferate after prolonged incubation time. We could conclude that the hypothetical clinical use of low fluencies of blue light as an antibacterial treatment is risky, since its action is not definitive and proves to be ineffective at least for the strain used in this study.

A resistência a antibióticos é um dos maiores desafios para o tratamento de infecções bacterianas em todo o mundo, levando ao aumento de despesas médicas, prolongamento da internação hospitalar e aumento da mortalidade. O uso da luz azul tem sido sugerido como uma alternativa inovadora para superar esse problema. Neste estudo, analisamos o efeito antibacteriano da luz azul usando parâmetros de baixa emissão em culturas de Staphylococcus aureus. Culturas bacterianas foram usadas em duas abordagens experimentais in vitro. A primeira abordagem incluiu o uso da aplicação única ou fracionada de luz azul fornecida por emissores de LED (470 nm), com as seguintes fluências: 16,29, 27,16 e 54,32 J/cm2. Para a segunda abordagem, um LED de potência (470 nm) foi usado para fornecer 54,32 J/cm2 fracionado em 3 aplicações. Nossos resultados demonstraram que as culturas bacterianas expostas à radiação de luz azul fracionada exibiram colônias de tamanhos significativamente menores do que o grupo controle após 24 h de incubação, no entanto, as bactérias afetadas foram capazes de se adaptar e continuar a proliferar após um tempo prolongado de incubação. Podemos concluir que o uso clínico hipotético de baixas fluências de luz azul como tratamento antibacteriano é arriscado, pois sua ação não é definitiva e mostra-se ineficaz, pelo menos para a cepa utilizada neste estudo.

Staphylococcus aureus growth delay after exposure to low fluencies of blue light (470 nm)

Abstract Antibiotic resistance is one of the greatest challenges to treat bacterial infections worldwide, leading to increase in medical expenses, prolonged hospital stay and increased mortality. The use of blue light has been suggested as an innovative alternative to overcome this problem. In this study we analyzed the antibacterial effect of blue light using low emission parameters on Staphylococcus aureus cultures. In vitro bacterial cultures were used in two experimental approaches. The first approach included single or fractionated blue light application provided by LED emitters (470 nm), with the following fluencies: 16.29, 27.16 and 54.32 J/cm2. For the second approach a power LED (470 nm) was used to deliver 54.32 J/cm2 fractionated in 3 applications. Our results demonstrated that bacterial cultures exposed to fractionated blue light radiation exhibited significantly smaller sizes colonies than the control group after 24 h incubation, however the affected bacteria were able to adapt and continue to proliferate after prolonged incubation time. We could conclude that the hypothetical clinical use of low fluencies of blue light as an antibacterial treatment is risky, since its action is not definitive and proves to be ineffective at least for the strain used in this study.

Resumo A resistência a antibióticos é um dos maiores desafios para o tratamento de infecções bacterianas em todo o mundo, levando ao aumento de despesas médicas, prolongamento da internação hospitalar e aumento da mortalidade. O uso da luz azul tem sido sugerido como uma alternativa inovadora para superar esse problema. Neste estudo, analisamos o efeito antibacteriano da luz azul usando parâmetros de baixa emissão em culturas de Staphylococcus aureus. Culturas bacterianas foram usadas em duas abordagens experimentais in vitro. A primeira abordagem incluiu o uso da aplicação única ou fracionada de luz azul fornecida por emissores de LED (470 nm), com as seguintes fluências: 16,29, 27,16 e 54,32 J/cm2. Para a segunda abordagem, um LED de potência (470 nm) foi usado para fornecer 54,32 J/cm2 fracionado em 3 aplicações. Nossos resultados demonstraram que as culturas bacterianas expostas à radiação de luz azul fracionada exibiram colônias de tamanhos significativamente menores do que o grupo controle após 24 h de incubação, no entanto, as bactérias afetadas foram capazes de se adaptar e continuar a proliferar após um tempo prolongado de incubação. Podemos concluir que o uso clínico hipotético de baixas fluências de luz azul como tratamento antibacteriano é arriscado, pois sua ação não é definitiva e mostra-se ineficaz, pelo menos para a cepa utilizada neste estudo.