Asepsis erreichen – Auswahl eines Sterilisationsverfahrens.

Die Sterilisation von Mikroorganismen und biologischem Material ist eine Grundvoraussetzung sowohl für die experimentelle als auch für die umwelttechnische Kontrolle in Laboren zahlreicher Fachrichtungen. 

Ob es darum geht, aseptische Bedingungen in einer Kulturplatte zu gewährleisten oder einen Bereich mit biologischer Eindämmung aufrechtzuerhalten – das Ziel der Sterilisation ist stets die Beseitigung unerwünschter biologischer Erreger. Dieses Ziel lässt sich durch eine Vielzahl von Verfahren erreichen, von denen jedes seine eigenen Vor- und Nachteile aufweist.

Das ideale Sterilisationsverfahren muss schnell und effektiv wirken und Mikroorganismen sowie unerwünschtes biologisches Material wie Prionen inaktivieren. Es sollte zudem eine minimale Toxizität, geringe Gesundheitsrisiken für das Bedienpersonal und minimale Veränderungen an den sterilisierten Gegenständen gewährleisten und gleichzeitig maximale Anpassungsfähigkeit bieten – unter Berücksichtigung unterschiedlicher Materialien. Das Verfahren sollte außerdem in der Lage sein, jeglichen physikalischen Widerstand gegen die Sterilisation zu überwinden, den die zu sterilisierenden Materialien aufweisen. All dies sollte idealerweise auf kosteneffiziente Weise erreicht werden, wobei eine lückenlose Überwachung gewährleistet ist [1] [2]. 

Die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Kriterien ist in der Praxis häufig nicht realisierbar. Daher müssen die relevanten Faktoren je nach Anwendung und Notwendigkeit priorisiert werden, wobei das primäre Ziel stets die Gewährleistung der Asepsis im Endprodukt ist. Im Folgenden werden die gängigen Sterilisationsmethoden sowie ihre Vor- und Nachteile bewertet.

Sterile Filtration

Bei der Sterilfiltration wird eine Flüssigkeit oder ein Gas durch eine sterilisierende Filtermembran geleitet, die eine mechanische Barriere für alle Partikel bildet, deren Durchmesser größer ist als die Poren der Membran. Mikroorganismen, die größer sind als die Poren, werden hinter dem Filter zurückgehalten, sodass sie nicht in das Filtrat gelangen. 

Im Gegensatz dazu verändern Wärme, Strahlung und chemische Sterilisationsmittel die physikalischen Strukturen von Molekülen und Organellen innerhalb von Mikroorganismen – ein Prozess, der auch die strukturellen Bestandteile empfindlicherer Substanzen verändern kann. Die Filtration hat keine derartigen Auswirkungen, sondern entfernt lediglich Partikel ab einer bestimmten Größe. Daher stellt die Filtration eine sinnvolle Wahl für instabilere und reaktivere Flüssigkeiten dar.

Im Gegensatz zu anderen Sterilisationsmethoden inaktiviert die Filtration die mikrobiologischen Einheiten nicht. Daher sind ergänzende Sterilisationsverfahren – häufig Hitze oder Strahlung – erforderlich, um den Filter und die Rückstände nach der Aufbereitung zu sterilisieren.

Besondere Aufmerksamkeit muss auch der Porengröße des Filters gewidmet werden. Häufig wird eine Porengröße von 0.2 μm verwendet – und da das kleinste Mykoplasma etwa 0.3 μm misst –, reicht dies aus, um die meisten Bakterien herauszufiltern. Ultramikrobakterien können jedoch weniger als 0.1 μm messen [3] [4] [5], während Viren und Prionen oft noch kleiner sind. Eine Verringerung der Porengröße auf 0.001 μm stellt sicher, dass weniger mikrobiologische Einheiten in das Filtrat gelangen können, obwohl dies für die zu filternden Flüssigkeiten zunehmend unpraktikabel wird. Eine Verringerung der Porengröße verlängert zudem die Verarbeitungszeit – ein Filter mit einer Porengröße von 0.1 μm erreicht etwa 40 % der Durchflussrate eines Filters mit einer Porengröße von 0.2 μm.

Strahlung

Als Sterilisationsmittel tritt Strahlung in verschiedenen Formen auf. Bei der ionisierenden Strahlung, zu der Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Elektronenstrahlen zählen, erfolgt die Sterilisation durch die elektromagnetische Anregung von Partikeln im zu sterilisierenden Bereich, wodurch diese freie Radikale freisetzen. Diese Radikale verbinden sich mit den Doppelbindungen in Biomolekülen (wie DNA, RNA und Enzymen), verändern deren Struktur, unterbinden deren Funktion und führen zur Unwirksamkeit der Mikroorganismen, die diese enthalten. Nichtionisierende Strahlungssterilisatoren bewirken die Bildung neuer Bindungen – Pyrimidin-Dimere – zwischen den Nukleobasen in der DNA, was – wie bei ionisierender Strahlung – die Struktur des Makromoleküls verändert und dessen Funktion unterbindet. 

Aufgrund ihrer Wirkungsweise können Strahlensterilisatoren organische Chemikalien wie Kunststoffe [6] [7] und biologisches Material abbauen. Leider erstrecken sich ihre abbauenden Wirkungen nicht auf Prionen, die weitgehend zu stabil sind, um von Strahlensterilisatoren beeinflusst zu werden. [8] Es ist jedoch anzumerken, dass einige Studien die Möglichkeit einer Prion-Denaturierung durch Gammastrahlung aufzeigen [9]. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Durchdringungsfähigkeit und die Behandlungszeiten von Strahlensterilisationsmitteln erheblich variieren.  Ultraviolettes Licht (UV) durchdringt nur transparente Materialien und eignet sich daher zur Sterilisation von Luft und gereinigtem Umkehrosmosewasser; bei undurchsichtigen Substanzen ist es auf die Oberflächensterilisation beschränkt. Die Expositionszeiten bei UV-Strahlung können mehrere Stunden betragen, was auch für Röntgen- und Gammastrahlen gilt. Beide letztgenannten Methoden bieten jedoch spezifische Vorteile. 

Gammastrahlen und Röntgenstrahlen sind sehr durchdringend und ermöglichen die Sterilisation von Gegenständen in ansonsten undurchlässigen Behältern. Der wesentliche Vorteil der Elektronenstrahlsterilisation liegt in der nahezu sofortigen Sterilisation. Aufgrund der begrenzten Durchdringungsfähigkeit der Elektronenpartikel wird diese Methode häufig zur Oberflächensterilisation eingesetzt – bei ausreichender Energie kann sie jedoch ebenfalls tief in die Materie eindringen.

Die Betriebskosten für Röntgen-, Elektronen- und UV-Anlagen können relativ gering sein, da alle drei Verfahren effizient Strom nutzen. Die Anschaffungskosten für Röntgen-, Elektronenstrahl- und Gamma-Anlagen sind hoch [10]. Bei der Gammastrahlensterilisation fallen laufende Kosten für den Austausch der Strahlungsquelle an, bei der es sich üblicherweise um das Isotop Kobalt-60 handelt. Es ist jedoch zu beachten, dass zwar das Bedienpersonal stets vor den schädlichen Auswirkungen aller Strahlensterilisationsverfahren geschützt sein sollte, die physische Anwesenheit von radioaktivem Material in Gammastrahlensterilisatoren jedoch zusätzliche Vorsichtsmassnahmen bei der Wartung des Geräts erfordert.    

Chemische

Chemische Sterilisationsmittel umfassen eine breite Palette von Flüssigkeiten und Gasen mit einem gemeinsamen Merkmal – ihrer Fähigkeit, mikrobielles Leben zu vernichten. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie für den Menschen oft schädlich, wenn nicht gar tödlich. Das am häufigsten eingesetzte chemische Sterilisationsmittel – Ethylenoxid – kann kurzfristig Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Atemnot, Reizungen der Atemwege, Lungenschäden und Zyanose verursachen, während eine langfristige Exposition mit dem Auftreten von Krebs, mutagenen Veränderungen, Neurotoxizität und Sensibilisierung in Verbindung gebracht wird [11]. 

Ethylenoxidgas sterilisiert durch Alkylierung von Proteinen, DNA und RNA, wodurch Mikroorganismen inaktiviert werden [7]. Dieser Prozess beruht auf der hohen Reaktivität der Verbindung, die zugleich logistische Einschränkungen verursacht. Aufgrund der Kombination aus Toxizität und Entflammbarkeit wird empfohlen, Ethylenoxid in einem separaten Lagerraum aufzubewahren – mit einer Isolationszone von 100 m Radius für den Fall eines Lecks [12]. 

Wie die meisten chemischen Sterilisationsmittel ist Ethylenoxid gegenüber Prionen unwirksam und kann Rückstände auf sterilisierten Oberflächen hinterlassen. Die Sterilisationsdauer beträgt 2–5 Stunden; die Gesamtbearbeitungszeit liegt aufgrund der erforderlichen Dampfentfernung häufig bei über 14 Stunden. Dennoch verfügt es über eine hohe Durchdringungskraft, wirkt bei niedrigen Temperaturen (zwischen 29 und 65 °C) und reagiert mit den meisten Kunststoffen nicht.  

Eine weitere interessante Entwicklung in diesem Bereich ist die Gasplasma-Sterilisation. Wasserstoffperoxid-Gasplasma entsteht durch die Anregung von Wasserstoffperoxid-Dampf mittels eines elektrischen Feldes, wodurch freie Radikale freigesetzt werden, die biologische Materialien denaturieren – ähnlich wie beim Verfahren mit ionisierender Strahlung. Wasserstoffperoxid-Gasplasma hat sich als wirksam gegen Prionen erwiesen, wirkt bei niedrigen Temperaturen (37–44 °C) und hat eine Zykluszeit von weniger als 75 Minuten [13]. Allerdings weist das Verfahren eine geringe Durchdringungsfähigkeit auf, und das dabei verwendete Wasserstoffperoxid ist eine giftige, explosive Substanz.

Wärme

Die Hitzesterilisation ist die älteste und einfachste Form der Sterilisation und erfolgt in zwei Varianten – trocken und mit Dampf. Zu den wesentlichen Vorteilen der Hitzesterilisation gehört ihre Fähigkeit, sämtliches biologisches Material (einschließlich Prionen) zu zerstören, ohne dabei Verunreinigungen oder Rückstände zu hinterlassen [14]. Ein weiterer Vorteil sind die geringen Kosten, insbesondere hinsichtlich der Verbrauchsmaterialien: Es werden höchstens Strom und Wasser benötigt. Die mit der Hitzesterilisation verbundenen Gefahren sind ebenfalls gering, obwohl die Gefahr von Verbrennungen beim Berühren heisser, sterilisierter Gegenstände besteht. 

Die Hitzesterilisation wirkt zunächst auf die Außenflächen des zu sterilisierenden Objekts ein und breitet sich dann nach innen aus, bis das gesamte Material sterilisiert ist. Durch die Hitze werden die in Mikroorganismen und biologischem Material vorkommenden Proteine denaturiert, und da Prionen Proteine sind, werden auch sie durch die Hitzesterilisation beeinträchtigt. Der Denaturierungsprozess verändert Wasserstoff- und Disulfidbrücken sowie Salzbrücken und verändert die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur der Proteine, wodurch diese für biologische Prozesse unwirksam werden [15].

Bei der Trockenhitzesterilisation wird eine Umgebung mit einer Temperatur von 160 °C bis 170 °C erzeugt und diese während zwei bis vier Stunden aufrechterhalten. Aufgrund dieser Kombination aus Zeit und Temperatur ist die Sterilisation von wärmeempfindlichem Material wie Kunststoffen mit dieser Methode ohne Materialzerfall nicht durchführbar [16]. Klingen wurden traditionell mit Trockenhitze sterilisiert, da Bedenken bestehen, dass Dampf sie stumpf machen könnte. Studien belegen jedoch, dass mit Dampf sterilisierte Klingen aus Edelstahl nur eine vernachlässigbare Abstumpfung aufweisen [17].

Die Dampfsterilisation ist ein schnelleres und weniger wärmeintensives Verfahren als die Sterilisation mit trockener Hitze. Dampf überträgt Wärmeenergie effektiver als heisse Luft, sodass für die Sterilisation eine niedrigere Temperatur (121 °C – 134 °C) und eine kürzere Zeit (3 bis 15 Minuten) ausreichen. Der Siedepunkt von Wasser bei Atmosphärendruck beträgt 100 °C, was für den Sterilisationsprozess eine zu niedrige Temperatur ist. Daher muss Dampf in einer Druckatmosphäre erzeugt werden, wodurch der Siedepunkt des Wassers auf die erforderliche Temperatur angehoben wird. 

Gegenstände, die einer Temperatur von 134 °C oder weniger standhalten, können im Dampf sterilisiert werden; sie müssen jedoch die kombinierte Belastung von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck aushalten. Für solche Gegenstände stellt die Dampfsterilisation eine äußerst wirksame und tiefgreifende Sterilisationsmethode dar.

Zusammenfassung

Die endgültige Entscheidung bezüglich der Sterilisation ist nicht einfach. Es ist jedoch möglich, sich in der Komplexität zurechtzufinden und die richtige Option zu finden, indem man den Fokus konsequent auf die betreffenden Gegenstände und deren erforderliche Beschaffenheit nach der Sterilisation richtet.

Die Filtration stellt eine geeignete Option für die Sterilisation einer begrenzten Anzahl von Flüssigkeiten dar – insbesondere solcher, die gegenüber Hitze, Strahlung und chemischer Sterilisation empfindlich sind. Entscheidungen müssen jedoch in dem Bewusstsein getroffen werden, dass diese Methode auf andere Sterilisationsverfahren angewiesen ist, um Mikroorganismen durch ihren Mechanismus zu inaktivieren.

Da Strahlung verschiedene Varianten mit unterschiedlicher Durchdringungskraft umfasst, ist sie eine gute Option, wenn Materialien wärmeempfindlich sind und ihren schädlichen Auswirkungen standhalten können. Die Einrichtung ist jedoch kostspielig, und die Wirtschaftlichkeit hängt vom Umfang des Einsatzes ab.

Die chemische Sterilisation geht zwar mit Toxizität, Rückständen, logistischen Herausforderungen und laufenden Kosten für Verbrauchsmaterialien einher, spielt jedoch eine wichtige Rolle, wenn das zu sterilisierende Objekt mit anderen Sterilisationsverfahren nicht kompatibel ist – beispielsweise bei hitze- und strahlungsempfindlichen festen Materialien.

Für Objekte, die nicht hitze-, feuchtigkeits- und – bis zu einem gewissen Grad – druckempfindlich sind, erweist sich die Dampfsterilisation oft als die beste Wahl; sie bietet Kosteneffizienz, Wirksamkeit und Schnelligkeit. Dies gilt ebenso für Abfallstoffe, bei denen der Zustand nach der Sterilisation keine Rolle spielt. Daher bleibt ein Autoklav für nahezu alle Labore ein unverzichtbares Gerät, während dampfbeheizte Abwasserdekontaminationssysteme (EDS) eine bewährte Option für die Entsorgung biologisch aktiver flüssiger Abfälle darstellen. Kontaktieren Sie Astell Scientific unter Info@Astell.com, wenn Sie weitere Informationen zur dampfbasierten Hitzesterilisation benötigen.  

Durch die Analyse des zu sterilisierenden Materials lässt sich eine Sterilisationstechnik ermitteln, die dem Idealmodell am besten entspricht. Eine Kombination aus Geschwindigkeit, Wirksamkeit, Materialverträglichkeit, Ungiftigkeit, Anpassungsfähigkeit und Überwachbarkeit kann für die jeweilige Situation bewertet werden, ebenso wie die Fähigkeit, allfällige Materialresistenzen zu überwinden, die im Zielmaterial auftreten können. Selbstverständlich wird die Kosteneffizienz in den meisten Organisationen ein entscheidender Faktor sein.

Literaturverzeichnis

1. Schneider, P. (1994). Alternativen zur Niedertemperatursterilisation in den 1990er Jahren. Tappi Journal; (Vereinigte Staaten), 77(1).

2. Rutala, William A., und David J. Weber. «Klinische Wirksamkeit von Niedertemperatur-Sterilisationstechnologien.» Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798–804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (Juni 2003). Encyclopedia of Life Sciences. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Abgerufen am 26. September 2017.

4. Duda, V.; Suzina, N.; Polivtseva, V.; Boronin, A. (2012). «Ultramikrobakterien: Entstehung des Konzepts und Beitrag der Ultramikrobakterien zur Biologie». Microbiology. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (April 1997). „Neue anaerobe Ultramikrobakterien der Verrucomicrobiales-Linie, isoliert mittels Verdünnungskultur aus anoxischem Reisfeldboden“. Angewandte und Umweltmikrobiologie. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. Risiken der Sterilisation mittels Gammastrahlung: Die Kehrseite der Medaille. Int J Med Sci. 2018;15(3):274–279. Veröffentlicht am 18. Januar 2018. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q., Sun, Wendell & Connor, J. (2011). Sterilisation von Biomaterialien synthetischen und biologischen Ursprungs. Comprehensive Biomaterials. 4. 127–144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J. & Society for Healthcare Epidemiology of America. (2010). Leitlinie zur Desinfektion und Sterilisation von mit Prionen kontaminierten medizinischen Instrumenten. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107–17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G. & Darbord, J. C. (2007). Inaktivierung der Prioneninfektiosität durch ionisierende Strahlung. Radiation Physics and Chemistry, 76(11–12), 1760–1762.

10. Simmons, A. (2012). Zukünftige Trends bei der Sterilisation von Biomaterialien und medizinischen Geräten. In: Sterilisation von Biomaterialien und medizinischen Geräten (S. 310–320). Woodhead Publishing.

11. Arbeitsdepartement der Vereinigten Staaten, 2020. Ethylenoxid. [online] Behörde für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz. Verfügbar unter: [Abgerufen am 25. September 2020].

12. National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem-Zusammenfassung zur Verbindung CID 6354, Ethylenoxid. Abgerufen am 23. September 2020 von https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide. )

13. Cdc.gov (2020) Wasserstoffperoxid-Gasplasma | Richtlinien zur Desinfektion und Sterilisation | Richtlinienbibliothek | Infektionskontrolle. Abgerufen am 27. September 2020 von https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html. 

14. Rogers, W. J. (2012). Dampf- und Trockenhitzesterilisation von Biomaterialien und medizinischen Produkten. In: Sterilisation von Biomaterialien und medizinischen Produkten (S. 20–55). Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN | Wärmebehandlung von Lebensmittelproteinen.

16. Vinny R. Sastri (2014). Materialanforderungen an Kunststoffe für Medizinprodukte, in: «Plastics in Medical Devices» (2. Auflage).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L. & Taloumis, L. J. (2002). Einfluss der Sterilisation mit Dampf im Vergleich zur Trockenhitzesterilisation auf den Verschleiß von kieferorthopädischen Ligaturschneidezangen. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 121(5), 467–471.

Erstveröffentlichung in «Labmate UK & Ireland», Band 45, Ausgabe 7.