First Pan-American/Iberian Meeting on Acoustics, Cancun

Can Shock Waves Kill Bacteria?

Achim M. Loske - loske@fata.unam.mx
Ulises M. Alvarez, Eduardo Castaño-Tostado and Fernando E. Prieto
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, UNAM. A.P. 1-1010
Querétaro, 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 presión extremadamente rápidos. A pesar de que tienen propiedades diferentes a las de las ondas sonoraso ultrasónicas, obedecen leyes físicas similares. Como sucedecon el sonido, no es posible ver una onda de choque; sin embargo, si podemosescucharlas y sentirlas. Cuando un avión supera la velocidad delsonido, genera una onda de choque que percibimos como el sonido de una explosión.La generación de ondas de choque no se presenta exlusivamente cuandoun avión supera la velocidad del sonido. Las explosiones, los rayos o incluso una descarga eléctrica producida bajo el agua tambiénpueden generar ondas de  choque.

Las ondas de choque se utilizan desde 1980 para destruir cálculos renales sin cirugía, una técnica que recibe el nombre de “litotripsia extracorporal”. A la fecha, se han aplicado más de 5 millones detratamientos exitosos en todo el mundo. Esta técnica tambiénpuede aplicarse en el tratamiento de cálculos del páncreas y de las glándulas salivales. Análisis clínicos realizadosa pacientes que tenían cálculos infectados y que fueron sometidosa tratamientos de litotripsia extracorporal, proporcionaron informaciónque sugería que las ondas de choque podrían tener tambiénun 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 científicos han confirmado nuestras observacionescon bacterias diferentes.

La inactivación de bacterias por ondas de choque tiene muchas aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podrían utilizarse en el tratamiento deinfecciones díficiles de tratar, como la osteomielitis crónica(infección recurrente de los huesos). Las ondas de choque podríantambién utilizarse como un método no-térmico de preservación en alimentos líquidos, como jugos de frutas; sin embargo, antes de pensar en el desarrollo de una apliación tecnológica, es necesario saber cómo es que las ondas de choque matan a las bacterias. Esteconocimiento podría, algún día, extenderse a otrasáreas como, por ejemplo, el tratamiento de cáncer y la terapiagénica.

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. Además del pulso de presión, haymás factores involucrados en la inactivación de las bacterias.Cuando una onda de choque pasa a través de las suspensiones bacterianas, genera una gran cantidad de pequeñas burbujas. Estas burbujas se expanden y colapsan en un tiempo muy corto (millonésimas de segundo), creandomicrocorrientes de agua a muy alta velocidad (hasta 400 m/s) capaces inclusode perforar metal. Este fenómeno, conocido como cavitación,contribuye a la inactivación de las bacterias. Otro fenómenoque contribuye a matar bacterias, es la luz que se produce con la descargaeléctrica que genera la onda de choque. La eficiencia de las ondasde choque como antibactericida también dependió del tipo debacteria. Nuestros estudios continuarán, porque una mejor comprensión de la interacción de las ondas de choque con células bacterianas puede conducirnos a aplicaciones médicas y tecnológicas muy útiles.