8/8/2019 Micro Amperage

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V o l . 3 3 , N o . 4N T I M I C R O B I A L AGENTS AND C H E M O T H E R A P Y , A p r . 1 9 8 9 , p . 4 4 2 4 4 70 0 6 6 - 4 8 0 4 / 8 9 / 0 4 0 4 4 2 - 0 6 $ 0 2 . 0 0 / 0C o p y r i g h t C 1 9 8 9 , A m e r i c a n S o c i e t y f o r M i c r o b i o l o g y

E f f e c t s o f M i c r o a m p e r a g e , M e d i u m , a n d B a c t e r i a l C o n c e n t r a t i o non I o n t o p h o r e t i c K i l l i n g o f B a c t e r i a i n F l u i d

C . P . D A V I S , ' Z* S . WEINBERG,3 M. D . A ND ERSON,' G . M. RAO,3 AND M. M. WARREN4D e p a r t m e n t s o f M i c r o b i o l o g y , ' I n t e r n a l M e d i c i n e , 2 a n d S u r g e r y ( D i v i s i o n o f U r o l o g y ) , 4 U n i v e r s i t y o f T e x a s M e d i c a l B r a n c h ,G a l v e s t o n , T e x a s 7 7 5 5 0 , a n d A d v a n c e d C l i n i c a l P r o d u c t s , H o u s t o n , T e x a s 7 7 2 5 8 3

R e c e i v e d 1 2 S e p t e m b e r 1 9 8 8 / A c c e p t e d 1 7 J a n u a r y 1 9 8 9P r e v e n t i o n o f n o s o c o m i a l urinary t r a c t i n f e c t i o n s b y i o n t o p h o r e s i s i s a d d r e s s e d . A n i o n t o p h o r e t i c g e n e r a t o r

wa s u s e d t o p r o v i d e microamperage ( 1 0 t o 4 0 0 I L A ) t o v i a l s c o n t a i n i n g e i t h e r s y n t h e t i c u r i n e or s u p p l e m e n t e ds y n t h e t i c u r i n e . B a c t e r i a were a d d e d t o v i a l s , a n d p a r a m e t e r s o f g r o w t h , b a c t e r i a l k i l l i n g , a n d m u l t i p l ee l e c t r o d e m a t e r i a l s were e x a m i n e d . E s c h e r i c h i a c o l i a n d P r o t e u s s p e c i e s were b o t h i n h i b i t e d a n d k i l l e d a tv a r i o u s m i c r o a m p e r a g e s a n d w i t h s e v e r a l e l e c t r o d e t y p e s , t h e m o s t e f f i c i e n t b e i n g g o l d - g o l d as t h e a n o d e -c a t h o de c o m b i n a t i on . K l e b s i e U a p n e u m o n i a e i n s u p p l e m e n t e d s y n t h e t i c u r i n e was l e a s t i n h i b i t e d i n g r o w t h , a n dh i g h e r m i c r o a m p e r a g e ( 2 0 0 t o 4 0 0 p A ) wa s m o s t e f f e c t i v e i n k i l l i n g t h e b a c t e r i a . B a c t e r i a l g r o w t h r e d u c t i o na n d k i l l i n g were d i r e c t l y r e l a t e d t o i n c r e a s i n g m i c r o a m p e r a g e a n d were i n v e r s e l y r e l a t e d t o b a c t e r i a lc o n c e n t r a t i o n .P r e v e n t i o n o f n o s o c o m i a l u r i n a r y t r a c t i n f e c t i o n s ( U T I )h a s l o n g b e e n a g o a l o f c l i n i c i a n s . U r i n a r y c a t h e t e r s a r e t h el e a d i n g c a u s e o f n o s o c o m i a l U T I , a n d UTI i s t h e m o s tcommon p r e d i s p o s i n g f a c t o r f o r c a s e s o f f a t a l g r a m - n e g a t i v es e p s i s t h a t o r i g i n a t e i n h o s p i t a l s ( 5 , 7 ) . C o n s e q u e n t l y , p r e -v e n t i o n o f UTI r e l a t e d t o u r i n a r y c a t h e t e r s c o u l d l e a d t o as u b s t a n t i a l r e d u c t i o n i n m o r b i d i t y a n d m o r t a l i t y f r o m n o s o -c o m i a l g r a m - n e g a t i v e s e p s i s . S u c h p r e v e n t i o n c o u l d a l s od e c r e a s e m o r b i d i t y a n d m o r t a l i t y i n g e r i a t r i c p a t i e n t s , b e -c a u s e t h o s e who r e q u i r e c a t h e t e r i z a t i o n c a n h a v e a h i g hi n c i d e n c e o f b a c t e r i u r i a ( 9 , 1 5 ) .A d v a n c e m e n t s h a v e b e e n m a d e i n c a t h e t e r d e s i g n t oi n c l u d e a c o m p l e t e l y c l o s e d d r a i n a g e s y s t e m . Some h a v es u g g e s t e d t h a t s i l v e r o x i d e , c o a t e d o n t o c a t h e t e r s , may

p r o t e c t p a t i e n t s f r o m c a t h e t e r - a s s o c i a t e d b a c t e r i u r i a ( 1 4 ) . I na p r e v i o u s s t u d y , we e x a m i n e d i o n t o p h o r e s i s a s a m e t h o d t og e n e r a t e i o n s t h a t w o u l d k i l l b a c t e r i a b o t h i n s t a t i c f l u i d a n di n a m o d e l c a t h e t e r s y s t e m ( 4 ) . I n t h e s t u d y r e p o r t e d h e r e ,we f u r t h e r d e f i n e p a r a m e t e r s t h a t i n f l u e n c e b a c t e r i a l k i l l i n ga n d s u r v i v a l d u r i n g i o n t o p h o r e s i s i n a n a r t i f i c i a l u r i n e .M A T ERI AL S A N D METHODS

C o n s t a n t c u r r e n t - c o n s t a n t v o l t a g e g e n e r a t o r . A m i c r o a m -p e r a g e g e n e r a t o r was b u i l t i n t h e M e d i c a l E l e c t r o n i c s D i v i -s i o n a t t h e U n i v e r s i t y o f T e x a s M ed i c a l B r a n c h b y D . A r n e t t( 4 ) . T h e i n s t r u m e n t p r o v i d e d c o n s t a n t c u r r e n t ( 1 t o 4 5 0 p u A )o r c o n s t a n t v o l t a g e ( 0 . 0 1 t o 1 2 . 5 0 V ) t o 1 0 i n d e p e n d e n t l yc o n t r o l l e d c h a n n e l s . ( A w i r i n g d i a g r a m i s a v a i l a b l e u p o nr e q u e s t . ) V e n t e d , s t o p p e r e d v i a l s w e r e a t t a c h e d b y m e t a lc o n n e c t o r s t o t h e m i c r o a m p e r a g e g e n e r a t o r . A d i a g r a m o fo u r s y s t e m h a s b e e n p u b l i s h e d e l s e w h e r e ( 4 ) . W i r e s ( g o l d ,s i l v e r , c o p p e r , n i c k e l , p l a t i n u m , o r g o l d - p a l l a d i u m [ 6 0 : 4 0a l l o y ] ) , a l l a p p r o x i m a t e l y 0 . 2 mm i n d i a m e t e r , w e r e a t t a c h e dt o t h e b a s e o f t h e m e t a l c o n n e c t o r s s o t h a t 2 cm o f e a c h w i r eo r r o d w a s c o v e r e d b y 1 0 m l o f s y n t h e t i c u r i n e . V a r i a t i o n s i nm i c r o a m p e r a g e w e r e s m a l l ( a v e r a g e v a r i a t i o n , + 2 I L A ) i ne a c h c h a n n e l when t h e g e n e r a t o r w a s s e t t o m a i n t a i n c o n -s t a n t m i c r o a m p e r a g e ( 1 0 , 5 0 , 2 0 0 , o r 4 0 0 , u A p e r c h a n n e l ) .B a c t e r i a a n d m e d i a . T h e f o l l o w i n g b a c t e r i a w e r e u s e d :E s c h e r i c h i a c o l i ( c l i n i c a l i s o l a t e ; i d e n t i f i e d b y t h e C l i n i c a l

* C o r r e s p o n d i n g a u t h o r .

L a b o r a t o r i e s , U n i v e r s i t y o f T e x a s M e di c a l B r a n c h ) , P r o t e u sm i r a b i l i s , a n d K l e b s i e l l a p n e u m o n i a e ( t h e l a t t e r t w o o r g a n -i s m s w e r e d o n a t e d b y J o h n n y P e t e r s o n ) . T h e s e b a c t e r i aw e r e c h o s e n b e c a u s e g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a a r e r e s p o n s i b l ef o r 8 0 t o 90% o f a l l U T I , w i t h E . c o l i b e i n g r e s p o n s i b l e f o rm o r e i n f e c t i o n s t h a n a l l o t h e r g e n e r a c o m b i n e d ( 7 ) . F r o z e n( - 7 0 C ) s t o c k s w e r e i n o c u l a t e d i n t o b r a i n h e a r t i n f u s i o nb r o t h ( D i f c o L a b o r a t o r i e s , D e t r o i t , M i c h . ) a n d i n c u b a t e d a t3 7 C f o r 2 4 h b e f o r e b e i n g u s e d . B a c t e r i a w e r e w a s h e d t h r e et i m e s b y c e n t r i f u g a t i o n i n c o l d f i l t e r - s t e r i l i z e d s y n t h e t i cu r i n e ( 6 ) . B a c t e r i a l c o n c e n t r a t i o n s w e r e d e t e r m i n e d w i t h aP e t r o f f - H a u s s e r c o u n t i n g c h a m b e r a n d d i l u t e d w i t h s t e r i l es y n t h e t i c u r i n e t o o b t a i n t h e d e s i r e d c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e -r i a ( 2 x 1 0 2 o r 2 x 1 0 4 / 1 0 m l , d e p e n d i n g o n t h e e x p e r i m e n t ) .V i a b l e c o u n t s w e r e m a d e b y d i l u t i n g 0 . 1 - m l s a m p l e s i ns t e r i l e s y n t h e t i c u r i n e a n d p l a t i n g o n t o b r a i n h e a r t i n f u s i o na g a r p l a t e s . B e c a u s e K . p n e u m o n i a e g r e w p o o r l y i n s y n -t h e t i c u r i n e , T r y p t i c a s e s o y b r o t h ( T S B ; BBL M i c r o b i o l o g yS y s t e m s , C o c k e y s v i l l e , M d . ) was a d d e d t o s y n t h e t i c u r i n e a sp r e v i o u s l y d e s c r i b e d ( 6 ) . S t a n d a r d g r o w t h c u r v e s f o r t h et h r e e g e n e r a o f b a c t e r i a ( w i t h o u t a p p l y i n g c u r r e n t ) w e r ed e t e r m i n e d . P r e l i m i n a r y r e s u l t s s h o w e d n o d i f f e r e n c e i ng r o w t h , e i t h e r w i t h o r w i t h o u t m e t a l w i r e s i n t h e v i a l s .M o d e l c a t h e t e r s y s t e m f o r s t a t i c f l u i d . B a c t e r i a l i n o c u l aw e r e a d d e d t o g l a s s v i a l s c o n t a i n i n g 1 0 m l o f s y n t h e t i c u r i n e( 5 % T SB w a s a dd e d t o s y n t h e t i c u r i n e f o r K . p n e u m o n i a eo n l y ) t o g i v e t h e d e s i r e d c o n c e n t r a t i o n ( 2 x 1 0 2 o r 2 x 1 0 4c e l l s p e r 1 0 m l ) . T h e v e n t e d r u b b e r s t o p p e r c o n t a i n i n g t h ed e s i r e d e l e c t r o d e c o m b i n a t i o n was t h e n p l a c e d i n t o t h eb a c t e r i a l s u s p e n s i o n . C o n s t a n t c u r r e n t was a p p l i e d a n dm o n i t o r e d f o r a n y c h a n g e s . S a m p l e s ( 0 . 1 m l ) w e r e w i t h -d r a w n f r o m e a c h v i a l a t d e s i g n a t e d i n t e r v a l s ( 4 a n d 8 h a n d1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , a n d 7 d a y s ) . T h e s e s a m p l e s w e r e s e r i a l l yd i l u t e d i n s t e r i l e s y n t h e t i c u r i n e , p l a t e d o n t o b r a i n h e a r ti n f u s i o n a g a r ( E . c o l i a n d K . p n e u m o n i a e ) o r M a c C o n k e ya g a r ( P . m i r a b i l i s ) , a n d i n c u b a t e d a t 3 7 C f o r 2 4 h t od e t e r m i n e t h e CFU. I n t h e g o l d - g o l d e l e c t r o d e r e i n o c u l a t i o na s s a y , o n e c h a n n e l was m a i n t a i n e d a t 5 0 , u A a n d o n e wasm a i n t a i n e d a t 4 0 0 p . A , a n d t h e v i a l s w e r e r e i n o c u l a t e d e v e r yo t h e r d a y w i t h t h e d e s i r e d c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a . C o n -t r o l s c o n s i s t e d o f b a c t e r i a l s u s p e n s i o n s i n c o n t a c t w i t h t h e

4 4 2

8/8/2019 Micro Amperage

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IONTOPHORETIC KILLING OF BAC T ERIA 4 4 3

E i o 6U .

1 0 4 - P r o t e u slo3 ~ ~ ~ ~ K l e b s i e l l a

- K t e b . / n o T S B1 0 2

0 1 0 20 30 40 50 6 0 70 80

T I M E ( h r s )F I G . 1 . L o g a r i t h m i c g r o w t h o f E . c o l i , P . m i r a b i l i s , a n d K . p n e u m o n i a e i n s y n t h e t i c u r i n e . A l l o r g a n i s m s w e r e c u l t i v a t e d i n s t a t i c v i a l sc o n t a i n i n g s y n t h e t i c u r i n e , e x c e p t f o r K . p n e u m o n i a e , w h i c h was g r o w n b o t h i n s y n t h e t i c u r i n e w i t h n o T SB a n d i n s y n t h e t i c u r i n e c o n t a i n i n gT S B .

d e s i r e d e l e c t r o d e c o m b i n a t i o n w i t h o u t a p p l i c a t i o n o f c o n -s t a n t c u r r e n t .RESULTS

G r o w t h o f b a c t e r i a i n a r t i f i c i a l u r i n e . A l l t h r e e o r g a n i s m su s e d i n t h i s s t u d y g r e w i n a r t i f i c i a l u r i n e ( F i g . 1 ) . H o w e v e r ,K . p n e u m o n i a e g r e w a t a v e r y l o w r a t e a n d r e a c h e d a l o wt o t a l - p o p u l a t i o n l e v e l . C o n s e q u e n t l y , T S B - e n r i c h e d a r t i f i c i a lu r i n e w a s u s e d , a n d K . p n e u m o n i a e t h e n g r e w v e r y w e l l( F i g . 1 ) . I n t h e r e m a i n d e r o f t h e e x p e r i m e n t s , d e s c r i b e db e l o w , t h e b a s i c a r t i f i c i a l u r i n e w a s u s e d a s a g r o w t h mediumf o r E . c o l i a n d P . m i r a b i l i s , b u t f o r K . p n e u m o n i a e o n l ye n r i c h e d a r t i f i c i a l u r i n e w a s u s e d .P r e v e n t i o n o f b a c t e r i a l g r o w t h w i t h i o n t o p h o r e s i s . G o l di o n t o p h o r e s i s w a s e f f e c t i v e a t p r e v e n t i n g g r o w t h o f E . c o l i ,P . m i r a b i l i s , a n d K . p n e u m o n i a e a t t h e i n o c u l u m s i z e o f 2 x1 0 2 c e l l s p e r 1 0 m l . I n g e n e r a l , i o n t o p h o r e s i s a t 1 0 , 5 0 , 2 0 0 ,a n d 4 0 0 [ L A k i l l e d t h e b a c t e r i a l i n o c u l a w i t h i n 2 d a y s .U s u a l l y , t h e o r g a n i s m s w e r e u nd e t ec t ab l e w i t h i n 4 h ( F i g . 2 aa n d b ) , e x c e p t f o r K . p n e u m o n i a e , f o r w h i c h s u r v i v o r s w e r ed e t e c t e d a f t e r 1 t o 2 d a y s ( F i g . 2 c ) . I n v e s t i g a t i o n s o f b a c t e r i ai n o c u l a t e d a t 2 x 1 0 2 / 1 0 m l d i d n o t c o n t i n u e a f t e r 2 d a y s , a sp i l o t s t u d i e s s h o w e d t h a t n o s u r v i v o r s w e r e c u l t u r e d a tp e r i o d s g r e a t e r t h a n 2 d a y s .B a c t e r i a i n t h e d e n s e r i n o c u l u m ( 2 x 1 0 4 / 1 0 m l ) s u r v i v e db e t t e r t h a n b a c t e r i a i n t h e l e s s - d e n s e i n o c u l u m . H o w e v e r , i ft h e m i c r o a m p e r a g e w a s k e p t a t 2 0 0 t o 4 0 0 [ L A , b a c t e r i a lg r o w t h w a s r e d uc ed , s l o w e d, o r e l i m i n a t e d . A l t h o u g hg r o w t h o f E . c o l i a n d P . m i r a b i l i s w a s f r e q u e n t l y e l i m i n a t e db y 2 0 0 t o 4 0 0 p A , o n l y 4 0 0 V a A k i l l e d K . p n e u m o n i a e ( F i g . 2 ) .R e i n o c u l a t i o n o f b a c t e r i a i n t o v i a l s u n d e r g o i n g g o l d i o n -t o p h o r e s i s s h o w e d a g a i n t h a t 4 0 0 p . A w a s s o m e w h a t m o r e. e f f e c t i v e t h a n 5 0 i s A a t r e d u c i n g o r e l i m i n a t i n g t h e o r g a n i s m sa t e i t h e r i n o c u l u m s i z e ( F i g . 3 ) . K . p n e u m o n i a e w a s e l i m i -n a t e d m o r e r a p i d l y i n t h i s s e r i e s o f e x p e r i m e n t s t h a n i n t h ep r e v i o u s s e r i e s .P r e v e n t i o n o f b a c t e r i a l g r o w t h w i t h m u l t i p l e - e l e c t r o d e i o n -t o p h o r e s i s . O t h e r e l e c t r o d e s w e r e c o m b i n e d w i t h g o l d t o

d e t e r m i n e w h e t h e r t h e y a l s o w e r e c a p a b l e o f r e d u c i n g o re l i m i n a t i n g b a c t e r i a l g r o w t h . S e v e r a l e l e c t r o d e c o m b i n a t i o n sw i t h g o l d a s a c o m p o n e n t o f t h e a n o d e o r c a t h o d e w e r ee f f e c t i v e i n e l i m i n a t i n g g r o w t h o f E . c o l i a n d P . m i r a b i l i s( F i g . 4 a a n d b ) . T h e m o s t e f f e c t i v e e l e c t r o d e s w e r e c ar b on -g o l d , p l a t i n u m - g o l d , a n d a g o l d - p a l l a d i u m a l l o y . A l t h o u g ht h e s e e l e c t r o d e s w e r e e f f e c t i v e i n i t i a l l y i n s l o w i n g K . p n e u -m o n i a e g r o w t h , t h e e f f e c t was n o t s u s t a i n e d ( F i g . 4 c ) . Byd a y 4 , e i t h e r t h e e l e c t r o d e s h a d b r o k e n ( b y d a y 2 ) o r t h e yw e r e n o l o n g e r a b l e t o s u p p r e s s o r e l i m i n a t e K . p n e u m o n i a eg r o w t h ( F i g . 4 c ) . O f t h e e l e c t r o d e c o m b i n a t i o n s s i l v e r - g o l d ,n i c k e l - g o l d , a n d c o p p e r - g o l d , o n l y t h e a n o d e s ( s i l v e r , n i c k e l ,a n d c o p p e r ) b r o k e .

DISCUSSIONT h e s t u d y c o n f i r m s a n d e x t e n d s o u r p r e v i o u s w o r k a n d t h ew o r k o f o t h e r s s h o w i n g t h a t b a c t e r i a l p o p u l a t i o n s o f d i f -f e r e n t g e n e r a c a n b e r e d u c e d o r e l i m i n a t e d b y i o n t o p h o r e s i s( 1 , 3 , 4 , 1 6 , 1 7 ) . O u r e a r l i e r s t u d y ( 4 ) u t i l i z e d a w o r s t - c a s es i t u a t i o n w h i c h a l l o w e d o p t i m a l g r o w t h c o n d i t i o n s f o r t h eb a c t e r i a . H o w e v e r , i n t h i s s t u d y , s y n t h e t i c u r i n e p r o v i d e dl e s s t h a n o p t i m a l c o n d i t i o n s f o r t h e g r o w t h o f b a c t e r i a .S y n t h e t i c u r i n e was c h o s e n b e c a u s e i t more c l o s e l y m i m i c st h e g r o w t h c o n d i t i o n s f o u n d i n human u r i n e t h a n d o m i c r o -b i o l o g i c g r o w t h m e d i a . S y n t h e t i c u r i n e c a n b e c o n s i s t e n t l y

s y n t h e s i z e d w i t h t h e same c o m p o u n d s a n d a v o i d s t h e v a r i -a t i o n i n c o n s t i t u e n t s t y p i c a l o f human u r i n e ( 6 ) . H o w e v e r , K .p n e u m o n i a e g r e w v e r y p o o r l y u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , a n d ,a s h a s b e e n d o n e b y o t h e r s ( 6 ) , T SB was a d d e d t o t h es y n t h e t i c u r i n e ( F i g . 1 ) . G r o w t h o f K . p n e u m o n i a e a n d t h eo t h e r g e n e r a s h o u l d b e r e l a t e d t o t h e r e s u l t s g i v e n i n F i g . 1b e c a u s e e v e n t h o s e e l e c t r o d e s t h a t we d e s c r i b e a s b e i n g l e s se f f e c t i v e t h a n g o l d - g o l d e l e c t r o d e s i n s u p p r e s s i n g o r e l i m -i n a t i n g b a c t e r i a l g r o w t h w e r e s t i l l a b l e t o s i g n i f i c a n t l y s u p -p r e s s g r o w t h . F o r e x a m p l e , F i g . 4 c s h o w s t h a t K . pneumo-n i a e g r o w t h i s o n l y a p p r o x i m a t e l y 1 0 3 t o 1 0 5 C F U / m l b y d a y3 , w h i l e F i g . 1 s h o w s t h a t n o r m a l g r o w t h w o u l d b e a p p r o x -i m a t e l y 1 0 8 C F U / m l , a h i g h l y s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e .

V O L . 3 3 , 1 9 8 9

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3/6

4 4 4 DA VIS E T AL. A N T I M I C R O B . AGENTS C H E M O T H E R .

1 7 5 0 0

_ 1 5 0 0 0E

M. 125W0tacos,

T I M E2 s 0 0 0 B

i

0

ml

AO 1 tA C x 2 0 0 vAB = M O A D400 FAO 2 x 0 o 4* 2 x l 0 2

I O h r | 4 1 w |T r T I d | 2d | 3d | 4d T S SdI7dT PA

00

1 0

Ohr 4 h r h r I d 2 d 3 d 4 d S d C d 7T I M E

F I G . 2 . E f f e c t o f g o l d e l e c t r o d e s o n E . c o l i ( A ) , P . m i r a b i l i s ( B ) , a n d K . p n e u m o n i a e ( C ) . I n o c u l a were p l a c e d i n t o 1 0 - m l v i a l s a t 0 h , a n dm e a s u r e m e n t s o f CF U w e r e m a d e a t t h e i n d i c a t e d i n t e r v a l s . F o r K . p n e u m o n i a e ( C ) , t h e CF U p e r m i l l i l i t e r r e p r e s e n t l o g a r i t h m i c g r o w t h .

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4/6

KILLING OF BACTERIA 4 4 5

i o ILIamLa m

A C A C A c*m C A C A C|A C j AS C jA8 C A B C0h31 w 5 1 d 2d 3 d d4dd |d l i dT I M E

t w o f f t . n o c u l a t iA x E. co Nt a ~ : . .BXlilamoO b t 4 1 w |k I | d 3 d ' 3 d d d 4 d 3 d G ' 7 d

20 . C.. .wwwt B

IL~~~~~~~~~~~~TM

F I G . 3 . G r o w t h o f b a c t e r i a r e i n o c u l a t e d i n t o v i a l s u n d e r g o i n g g o l d i o n t o p h o r e s i s a t 5 0 , u A ( A ) a n d 4 0 0 , u A ( B ) . I n o c u l a w e r e p l a c e d i n t o1 0 - m l v i a l s a t 0 h , a n d m e a su r e m en t s o f CFU w e r e m a d e a t t h e i n d i c a t e d i n t e r v a l s . A s t e r i s k s i n d i c a t e d a y s o n w h i c h v i a l s w e r e r e i n o c u l a t e dw i t h o r g a n i s m s , a n d t h e CF U f o r t h o s e d a y s r e p r e s e n t i n o c u l a p l a c e d i n t o 1 0 - m l v i a l s .T h i s w o r k s u g g e s t s t h a t e v e n v e r y l o w m i c r o a m p e r a g e c a nb e e f f e c t i v e i n r e d u c i n g o r e l i m i n a t i n g b a c t e r i a l g r o w t h . T h i se f f e c t i s s t r o n g l y d e p en d en t o n a t l e a s t t w o p a r a m e t e r s . I f t h ei n o c u l u m s i z e i s a b o v e a p p r o x i m a t e l y 2 x 1 0 4 / 1 0 m l , 1 0 t o 5 0, u A g e n e r a l l y w i l l n o t c o n t r o l t h e p o p u l a t i o n r e g a r d l e s s o fe l e c t r o d e c o m p o s i t i o n ; c o n s e q u e n t l y , o n e p a r a m e t e r i s i n o c -u l u m s i z e . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o f o u rp r e v i o u s w o r k ( 4 ) . A l t h o u g h we d o n o t c l a i m t o knowe x a c t l y how many m i c r o a m p e r e s w i l l k i l l a g i v e n b a c t e r i a l

p o p u l a t i o n , we d o k n o w t h a t t h e t r e n d o f i n c r e a s i n g m i c r o -a m p e r a g e c a n r e d u c e o r e l i m i n a t e d e n s e r b a c t e r i a l i n o c u l a .I o n t o p h o r e s i s o f m e t a l s o r t h e i r s a l t s may b e r e l a t e d t oi n t e r f e r e n c e w i t h DNA r e p l i c a t i o n o r a l t e r a t i o n o f p r o t e i n sa s s o c i a t e d w i t h c e l l m e m b r a n e s , a s s u g g e s t e d b y p r e v i o u si n v e s t i g a t o r s ( 1 2 , 1 3 ) , b u t t h i s r e m a i n s t o b e d e t e r m i n e d . T h es e c o n d p a r a m e t e r t h a t a f f e c t s b a c t e r i a l k i l l i n g i s t h e r a t e o fb a c t e r i a l g r ow t h . T h i s i s s h o w n b y t h e r e l a t i v e i n c r e a s e i nt h e r a t e o f g r o w t h o f K . p n e u m o n i a e i n T S B - e n r i c h e da r t i f i c i a l u r i n e . We s p e c u l a t e t h a t o t h e r p a r a m e t e r s ( e . g . ,g r o w t h m e d i u m c o m p o s i t i o n o r i n n a t e g e n e t i c r e s i s t a n c e t oi o n s ) p l a y a r o l e i n b a c t e r i a l k i l l i n g . O t h e r i n v e s t i g a t o r s h a v ep r o v i d e d s o m e e v i d e n c e t h a t e l e c t r i c a l t r e a t m e n t may i n h i b i t

o r t e r m i n a t e b a c t e r i a l g r o w t h b y g e n e r a t i n g m e t a l l i c s a l t s o rc h l o r i d e - c o n t a i n i n g s a l t s ( 2 , 1 0 , 1 1 ) . I n o u r s y s t e m a n d i no t h e r s , m u l t i p l e t y p e s o f b a c t e r i a l i n h i b i t i o n may o c c u rs i m u l t a n e o u s l y . Lower m i c r o a m p e r a g e ( < 4 0 0 , i A ) may n o tg e n e r a t e e n o u g h i o n s o r s a l t s t o o v e r c o m e b a c t e r i a l g r o w t h .I n c l u d e d i n t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n w a s a n a t t e m p t t od e t e r m i n e w h e t h e r o t h e r e l e c t r o d e s c o u l d f u n c t i o n a s w e l l a so r b e t t e r t h a n g o l d . I n g e n e r a l , g o l d w i r e made t h e b e s te l e c t r o d e p a i r s , a s i t h a d e x c e l l e n t k i l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n dg a v e a r e l a t i v e l y l o n g e l e c t r o d e l i f e . T h i s s t u d y i n c l u d e dt r i a l s o f o t h e r e l e c t r o d e s t h a t w e r e a p p a r e n t l y n o t w e l l s u i t e df o r i o n t o p h o r e s i s b e c a u s e t h e y b r o k e e a r l y i n t h e e x p e r i m e n -t a l p r o c e d u r e s ( c o p p e r a n d n i c k e l ) . A n o t h e r e l e c t r o d e , s i l -v e r , d i d f a i r l y w e l l when i t w a s u t i l i z e d a s t h e a n o d e . E a r l yb r e a k a g e o f e l e c t r o d e s i n t h e s o l u t i o n s i s p r o b a b l y r e l a t e d t or a p i d o x i d a t i o n , a s t h e u s u a l p l a c e f o r e l e c t r o d e b r e a k a g ew a s a t t h e j u n c t i o n o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n ( s y n t h e t i c u r i n e )a n d m et a l w i t h t h e a t m o s p h e r e . We a r e i n v e s t i g a t i n g e l e c -t r o d e l i f e s p a n i n r e l a t i o n t o v a r i a b l e v o l t a g e a n d m i c r o a m -p e r a g e ( G . M. R a o , S . W e i n b e r g , C . P . D a v i s , M. D .A n d e r s o n , a n d M. M. W a r r e n , u np u b l i s h ed r e s u l t s ) ; p r e l i m -i n a r y r e s u l t s s h o w t h a t d e c r e a s i n g m i c r o a m p e r a g e i n c r e a s e s

IONTOPHORETICO L . 3 3 , 1 9 8 9

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5/6

A N T I M I C R O B . A G E N T S CHEMOTHER.2 5 0 0 0

2 2 5 0 0 -

2 0 0 0 0

EIL

1 7 5 0 0

1 5 0 0 0

1 2 5 0 0

1 0 0 0 0

7 5 0 0

5 0 0 0

2 5 0 0

EI LC .

l

A A N O D E / C A T H O D E :* = A / A uO - N I / A u

- = C u / A u1 3 x C / A u

o 3 P / A u0 = A u - P d V A u

I h 1 I S I h r 1 4 h r I 8 h r T I d |2 d 1 3 d|4 d 1 5 d 1 | 6 d 7d

T I M E

T I M E

i

T I M EF I G . 4 . E f f e c t o f m i x e d e l e c t r o d e s o n E . c o l i ( A ) , P . m i r a b i l i s ( B ) , a n d K . p n e u m o n i a e ( C ) . I n o c u l a w e r e p l a c e d i n t o 1 0 - m l v i a l s a t 0 h ,a n d m e a s u r e m e n t s o f CF U w e r e made a t t h e i n d i c a t e d i n t e r v a l s . F o r K . p n e u m o n i a e ( C ) t h e CF U p e r m i l l i l i t e r r e p r e se n t l o g ar i t h m ic g r o w t h .T h e e l e c t r o d e c o m b i n a t i o n s A g - A u , N i - A u , a n d Cu-Au b r o k e i n s o l u t i o n s a f t e r d a y s 1 t o 2 ; c o n s e q u e n t l y , t h e s e e l e c t r o d e s w e r e n o t e v a l ua t e da f t e r d a y 1 .

a . j j . m :m p zzz 10 ,I _ , ' W 0 4 A V A NVI-

IIIIIII

IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

4 4 6 DA VIS E T A L .

8/8/2019 Micro Amperage

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IONTOPHORETIC KILLING OF BA C TE RIA 4 4 7e l e c t r o d e l i f e s p a n . None o f t h e m i x e d e l e c t r o d e s d i d a s w e l la s g o l d - g o l d , h o w e v e r , i n s l o w i n g g r o w t h o f o r k i l l i n g K .p n e u m o n i a e . T h e r e a s o n f o r t h i s i s n o t c l e a r , a l t h o u g h wes u s p e c t t h a t t h e s y n t h e t i c u r i n e o r t h e p r o du c t s g e n e r a t e dw i t h a d d e d T SB b r o t h a l l o w e d s uc h r a p i d g r o w t h t h a t t h ee l e c t r o d e s c o u l d n o t o v e r c o m e t h e o r g a n i s m s . I n a d d i t i o n ,2 0 0 ,A w a s u s e d ; p e r h a p s a h i g h e r a m p e r a g e w o u l d h a v ep r o d u c e d a b e t t e r r e d u c t i o n o f g r o w t h .We b e l i e v e t h a t t h i s w o r k i s i m p o r t a n t b e c a u s e i t p r o v i d e se v i d e n c e t h a t b a c t e r i a c a n b e e l i m i n a t e d u n d e r c o n d i t i o n ss i m i l a r t o t h o s e f o u n d i n c a t h e t e r i z e d p a t i e n t s . O u r d e s i g nw o u l d h a v e t h e m o s t i n f l u e n c e o n b a c t e r i a i n t h e b l a d d e rl u m e n b u t c o u l d b e e f f e c t i v e a g a i n s t b a c t e r i a e n t e r i n g t h eb l a d d e r l u m e n i n r e l a t i v e l y l o w n u m b e r s f r o m e i t h e r t h ec a t h e t e r l u m e n o r t h e c a t h e t e r e x t e r i o r . A s d i s c u s s e d r e -c e n t l y b y K u n i n ( 8 ) , i n v e s t i g a t i o n o f w a y s t o p r e v e n t t h es ei n f e c t i o n s h a s b e e n l i m i t e d . We a r e i n v e s t i g a t i n g t h e m e c h -a n i s m ( s ) o f i o n t o p h o r e t i c k i l l i n g o f b a c t e r i a a n d b a c t e r i a lp o t e n t i a l f o r d e v e l o p i n g r e s i s t a n c e t o s u c h k i l l i n g . I n a d d i -t i o n , we p l a n t o s y n t h e s i z e c a t h e t e r s t h a t c a n b e u s e d i ne x p e r i m e n t a l t r i a l s w i t h l a r g e a n i m a l s . T h e p o t e n t i a l r i s k s o fu s i n g s u c h c a t h e t e r s i n h u m a n s a r e n o t k n o w n , b u t r i s k s t ot h e b l a d d e r e p i t h e l i u m a n d t o c a t h e t e r d r a i n a g e b y o b s t r u c -t i o n s e e m l o w . H o w e v e r , i n d i v i d u a l s who h a v e b e e n s e n s i -t i z e d t o g o l d o r g o l d c o m p o u n d s w o u l d p r o b a b l y h a v e a ni n c r e a s e d r i s k f o r a l l e r g i c r e a c t i o n s . N e v e r t h e l e s s , o u r d a t ah e l p p r o v i d e a b a s i s f o r t h e d e si g n o f a c a t h e t e r t h a t mayr e d u c e o r e l i m i n a t e m o r b i d i t y a n d m o r t a l i t y d u e t o c a t h e t e r -r e l a t e d n o s o c o m i a l U T I .

A C K N O W L E D G M E N T ST h i s w o r k w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y P u b l i c H e a l t h S e r v i c e g r a n t1 - K Y 3 - A - 1 2 4 8 5 0 - 0 1 f r o m t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e s o f H e al t h ; A d -v a n c e d C l i n i c a l P r o d u c t s ; a n d t h e U n i v e r s i t y o f T e x a s M e d i c a lB r a n c h , G a l v e s t o n .

LITERATURE CITED1 . B e c k e r , R . O . , a n d J . A . S p ad a r o . 1 9 7 8 . T r e a t m e n t o f o r t h o -

p a e d i c i n f e c t i o n s w i t h e l e c t r i c a l l y g e n e r a t e d s i l v e r i o n s . J . B o n eJ t . S u r g . 6 0 : 8 7 1 - 8 8 1 .2 . B e r g e r , T . J . , J . A . S p a d a r o , R . B i e r m a n , S . E . C h a p i n , a n dR . 0 . B e c k e r . 1 9 7 6 . A n t i f u n g a l p r o p e r t i e s o f e l e c t r i c a l l y g e n e r -

a t e d m e t a l l i c i o n s . A n t i m i c r o b . A g e n t s C h e m o t h e r . 1 0 : 8 5 6 - 8 6 0 .3 . B e r g e r , T . J . , J . A . S p a d a r o , S . E . C h a p i n , a n d R . 0 . B e c k e r .1 9 7 6 . E l e c t r i c a l l y g e n e r a t e d s i l v e r i o n s : q u a n t i t a t i v e e f f e c t s o nb a c t e r i a l a n d m a m m a l i a n c e l l s . A n t i m i c r o b . A g e n t s C h e m o t h e r .9 : 3 5 7 - 3 5 8 .4 . D a v i s , C . P . , D . A r n e t t , a n d M. M. W a r r e n . 1 9 8 2 . l o n t o p h o r e t i ck i l l i n g o f E s c h e r i c h i a c o l i i n s t a t i c f l u i d a n d i n a m o d e l c a t h e t e rs y s t e m . J . C l i n . M i c r o b i o l . 1 5 : 8 9 1 - 8 9 4 .

5 . D i x o n , R . E . 1 9 7 8 . E f f e c t o f i n f e c t i o n s o n h o s p i t a l c a r e . A n n .I n t e r n . M e d . 8 9 : 7 4 9 - 7 5 3 .6 . G r i f f i t h , D . D . , D . M. M u s h e r , a n d C . I t e i n . 1 9 7 6 . U r e a s e , t h ep r i m a r y c a us e o f i n f e c t i o n - i n d u c e d u r i n a r y s t o n e s . I n v e s t . U r o l .1 3 : 3 4 6 - 3 5 0 .7 . K u n i n , C . M. 1 9 8 7 . D e t e c t i o n , p r e v e n t i o n a n d m a n a g e m e n t o fu r i n a r y t r a c t i n f e c t i o n s , 4 t h e d . , p . 2 4 5 - 2 9 7 . L e a & F e b i g e r ,P h i l a d e l p h i a .8 . K u n i n , C . M. 1 9 8 8 . C a n we b u i l d a b e t t e r u r i n a r y c a t h e t e r ? N .E n g l . J . M e d . 3 1 9 : 3 6 5 - 3 6 6 .9 . N o r d e n s t a m , G . R . , C . A . B r a n d b e r g , A . S . O d e n , C . M.S v a n b o r g - E d e n , a n d A . S v a n b e r g . 1 9 8 6 . B a c t e r i u r i a a n d m o r t a l -i t y i n a n e l d e r l y p o p u l a t i o n . N . E n g l . J . M e d . 3 1 4 : 1 1 5 2 - 1 1 5 6 .1 0 . P a r e i l l e u x , A . , a n d N . S i c a r d . 1 9 7 0 . L e t h a l e f f e c t s o f e l e c t r i c a lc u r r e n t o n E s c h e r i c h i a c o l i . A p p l . M i c r o b i o l . 1 9 : 4 2 1 - 4 2 4 .1 1 . R o s e n b e r g , B . , L . Va n C a m p , a n d T . K r i g a s . 1 9 6 5 . I n h i b i t i o n o fc e l l d i v i s i o n i n E s c h e r i c h i a c o l i b y e l e c t r o l y s i s p r o d u c t s f r o m ap l a t i n u m e l e c t r o d e . N a t u r e ( L o n d o n ) 2 0 5 : 6 9 8 - 6 9 9 .1 2 . R o s e n b e r g , H . S . , a n d S . R o s e n k r a n z . 1 9 7 2 . S i l v e r s u l f a d i a z i n e :i n t e r a c t i o n w i t h i s o l a t e d d e o x y r i b o n u c l e i c a c i d . A n t i m i c r o b .A g e n t s C h e m o t h e r . 2 : 3 7 3 - 3 8 3 .1 3 . R o s e n k r a n z , H . S . , a n d H . S . C a r r . 1 9 7 2 . S i l v e r s u l f a d i a z i n e :e f f e c t o n t h e g r o w t h a n d m e t a b o l i sm o f b a c t e r i a . A n t i m i c r o b .A g e n t s C h e m o t h e r . 2 : 3 6 7 - 3 7 2 .1 4 . S c h a e f f e r , A . J . , K . 0 . S t o r y , a n d S . M. J o h n s o n . 1 9 8 8 . E f f e c t o fs i l v e r o x i d e / t r i c h l o r o i s o c y a n u r i c a c i d a n t i m i c r o b i a l u r i n a r yd r a i n a g e s y s t e m o n c a t h e t e r - a s s o c i a t e d b a c t e r i u r i a . J . U r o l .1 3 9 : 6 9 - 7 3 .1 5 . S e t i a , U . , I . S e r v e n t i , a n d P . L o r e n z . 1 9 8 4 . B a c t e r e m i a i n al o n g - t e r m c a r e f a c i l i t y . A r c h . I n t e r n . M e d . 1 4 4 : 1 6 3 3 - 1 6 3 5 .1 6 . S p a d a r o , J . A . , a n d R . 0 . B e c k e r . 1 9 7 6 . Some s p e c i f i c c e l l u l a re f f e c t s o f e l e c t r i c a l l y i n j e c t e d s i l v e r a n d g o l d i o n s . B i o e l e c t r o -c h e m . B i o e n g . 3 : 4 9 - 5 7 .

1 7 . S p a d a r o , J . A . , T . J . B e r g e r , S . D . B a r r a n c o , S . E . C h a p i n , a n dR . 0 . B e c k e r . 1 9 7 4 . A n t i b a c t e r i a l e f f e c t s o f s i l v e r e l e c t r o d e sw i t h w e a k d i r e c t c u r r e n t . A n t i m i c r o b . A g e n t s C h e m o t h e r . 6 :6 3 7 - 6 4 2 .

V O L . 3 3 , 1 9 8 9