Can Shock Waves Kill Bacteria?

Achim M. Loske - loske@fata.unam.mx
Ulises M. Alvarez, Eduardo Castao-Tostado and Fernando E. Prieto
Centro de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada, UNAM. A.P. 1-1010
Quertaro, Qro., 76000

Popular version of paper: 3aBB5
Presented: Wednesday morning, December 4, 2002
First Pan-American/Iberian Meeting on Acoustics, Cancun, Mexico

Shock waves are high energy, extremely fast, pressure pulses. Even if shock waves have different properties than sound or ultrasound, they obey similar physical laws. As with sound, it is not possible to see shock waves; however, we can hear and feel them. Whenever a plane breaks the sound barrier, it generates a shock wave, which we perceive as a sound similar to that of an explosion. Other phenomena may generate such pulses as well; explosions, thunderstorms or underwater electric discharges can all produce shock waves.

Since 1980, underwater shock waves have been used in medicine to comminute (break into pieces) renal calculi without surgery. The technique is called extracorporeal shock wave lithotripsy. Over 5 million treatments have been performed successfully worldwide. Gallbladder concrements and stones of the salivary glands are also treated using extracorporeally generated shock waves. For medical applications, these waves are produced by focusing pressure pulses, which originate outside of the body. Shock waves are generated in water and coupled into the body through a latex membrane.

Clinical analysis on shock wave-treated patients with infected urinary stones suggested that shock waves might have a bactericidal effect. These observations led us to the idea of testing shock waves to kill non-pathogenic bacteria. Although we are not the first researchers to test the effect of these pressure pulses on bacteria, we are among the first to show that shock waves actually can kill bacteria. Subsequent experiments by other research groups have confirmed this effect on a pathogenic bacterium.

Bacteria inactivation by underwater shock waves could have many interesting applications. An example is the treatment of persistent and otherwise difficult to treat infections, such as chronic osteomyelitis (persistent and recurrent bone infection). Shock waves could also be used as a novel non-thermal preservation method for liquid foods, such as fruit juices. Before industrial application, however, it will be necessary to understand more about how shock waves actually kill bacteria. Eventually, this knowledge could be extended to other areas, including cancer treatment and gene therapy.

By testing the effect of shock waves on three dangerous pathogenic bacteria, which are responsible for almost 50% of all food borne diseases in the U.S. (E. coli O157:H7, Listeria and Salmonella), we were able to show that the bactericidal effect depends on complex mechanisms and not only on the pressure of the wave. During passage of shock waves through the suspension containing bacteria, very small bubbles are created. These bubbles expand and collapse after a very short time, creating small, high-speed (up to 400 m/s) jets of fluid, which are capable of damaging even metals. Another bacteria-killing effect was seen to be the intense light produced as the shock wave is generated by an underwater electric discharge. Furthermore, the efficiency of this method was also seen to depend on the species. Understanding shock wave interaction with bacteria could lead us to very interesting medical and technological applications.

Se pueden eliminar bacterias con ondas de choque?

Las ondas de choque son pulsos de presin extremadamente rpidos. A pesar de que tienen propiedades diferentes a las de las ondas sonoraso ultrasnicas, obedecen leyes fsicas similares. Como sucedecon el sonido, no es posible ver una onda de choque; sin embargo, si podemosescucharlas y sentirlas. Cuando un avin supera la velocidad delsonido, genera una onda de choque que percibimos como el sonido de una explosin.La generacin de ondas de choque no se presenta exlusivamente cuandoun avin supera la velocidad del sonido. Las explosiones, los rayos o incluso una descarga elctrica producida bajo el agua tambinpueden generar ondas de  choque.

Las ondas de choque se utilizan desde 1980 para destruir clculos renales sin ciruga, una tcnica que recibe el nombre de litotripsia extracorporal. A la fecha, se han aplicado ms de 5 millones detratamientos exitosos en todo el mundo. Esta tcnica tambinpuede aplicarse en el tratamiento de clculos del pncreas y de las glndulas salivales. Anlisis clnicos realizadosa pacientes que tenan clculos infectados y que fueron sometidosa tratamientos de litotripsia extracorporal, proporcionaron informacinque sugera que las ondas de choque podran tener tambinun efecto bactericida. Estas observaciones nos dieron la pauta para estudiarel efecto bactericida de las ondas de choque. Sin ser los primeros en evaluarlo,fuimos de los primeros en demostrar que las ondas de choque pueden matara una bacteria. Otros cientficos han confirmado nuestras observacionescon bacterias diferentes.

La inactivacin de bacterias por ondas de choque tiene muchas aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podran utilizarse en el tratamiento deinfecciones dficiles de tratar, como la osteomielitis crnica(infeccin recurrente de los huesos). Las ondas de choque podrantambin utilizarse como un mtodo no-trmico de preservacin en alimentos lquidos, como jugos de frutas; sin embargo, antes de pensar en el desarrollo de una apliacin tecnolgica, es necesario saber cmo es que las ondas de choque matan a las bacterias. Esteconocimiento podra, algn da, extenderse a otrasreas como, por ejemplo, el tratamiento de cncer y la terapiagnica.

Cuando estudiamos el efecto de las ondas de choque en tres peligrosas bacterias (E. coli O157:H7, Listeria y Salmonella), responsablesde casi el 50% de las enfermedades transmitidas por alimentos en los E.U.A.,pudimos observar que el efecto bactericida de las ondas de choque tieneun mecanismo muy complejo. Adems del pulso de presin, hayms factores involucrados en la inactivacin de las bacterias.Cuando una onda de choque pasa a travs de las suspensiones bacterianas, genera una gran cantidad de pequeas burbujas. Estas burbujas se expanden y colapsan en un tiempo muy corto (millonsimas de segundo), creandomicrocorrientes de agua a muy alta velocidad (hasta 400 m/s) capaces inclusode perforar metal. Este fenmeno, conocido como cavitacin,contribuye a la inactivacin de las bacterias. Otro fenmenoque contribuye a matar bacterias, es la luz que se produce con la descargaelctrica que genera la onda de choque. La eficiencia de las ondasde choque como antibactericida tambin dependi del tipo debacteria. Nuestros estudios continuarn, porque una mejor comprensin de la interaccin de las ondas de choque con clulas bacterianas puede conducirnos a aplicaciones mdicas y tecnolgicas muy tiles.