Asepsis erreichen – Auswahl eines Sterilisationsverfahrens.

Die Sterilisation von Mikroorganismen und biologischem Material ist eine Grundvoraussetzung für die experimentelle und umwelttechnische Kontrolle in Laboren zahlreicher Fachbereiche. 

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

Der ideale Sterilisationsprozess muss schnell und effektiv wirken und Mikroorganismen sowie unerwünschtes biologisches Material wie Prionen inaktivieren. Er 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 zudem 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, was auch eine konsistente Überwachung ermöglicht [1] [2]. 

Die Erfüllung all dieser Bedingungen ist jedoch häufig nicht praktikabel. Folglich ist die Berücksichtigung vieler dieser Faktoren oft ein nachrangiges Anliegen, das von der jeweiligen Situation und Notwendigkeit abhängt, wobei das primäre Ziel darin besteht, die Asepsis in einem funktionsfähigen Endprodukt zu erreichen. Im Folgenden folgt eine Bewertung der gängigen Sterilisationsmethoden sowie ihrer Vor- und Nachteile.

Sterile Filtration

Wenn ein flüssiges Material sterilisiert werden soll, ist die Filtration eine Option, die in Betracht gezogen werden kann. Eine Flüssigkeit oder ein Gas kann durch eine sterilisierende Filtermembran geleitet werden, die eine mechanische Barriere für alle Partikel bildet, deren Durchmesser größer ist als die Poren der Membran. Mikroorganismen, die größer als die Poren sind, werden hinter dem Filter zurückgehalten, wodurch sichergestellt wird, dass sie nicht in das Filtrat gelangen können. 

Hitze, Strahlung und chemische Sterilisationsmittel wirken, indem sie die physikalischen Strukturen von Molekülen und Organellen innerhalb von Mikroorganismen verändern – ein Prozess, der auch die strukturellen Komponenten 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 deaktiviert die Filtration mikrobiologische Einheiten nicht. Daher sind andere 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 hat etwa 40 % der Durchflussrate eines Filters mit einer Porengröße von 0,2 μm.

Strahlung

Als Sterilisationsmittel kann Strahlung verschiedene Formen annehmen. Nehmen wir zum Beispiel ionisierende Strahlungssterilisatoren, darunter Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Elektronenstrahlen. Diese Technologien sterilisieren, indem sie Partikel im zu sterilisierenden Bereich elektromagnetisch anregen, wodurch diese freie Radikale freisetzen. Diese Radikale verbinden sich mit den Doppelbindungen in Biomolekülen (wie DNA, RNA und Enzymen), verändern deren Form, unterbinden deren Funktion und führen zur Unwirksamkeit der Mikroorganismen, die sie enthalten. Nicht-ionisierende Strahlungssterilisatoren wirken, indem sie die Bildung neuer Bindungen – Pyrimidindimere – zwischen den Nukleobasen in der DNA bewirken, 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 eine Möglichkeit der Prion-Denaturierung durch Gammastrahlung aufzeigen [9]. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Durchdringungsfähigkeit und die Behandlungszeiten von Strahlensterilisationsmitteln erheblich variieren.  Ultraviolettes Licht (UV) kann nur transparente Materialien durchdringen, was es zu einem geeigneten Sterilisationsmittel für Luft und gereinigtes Umkehrosmosewasser macht, bei undurchsichtigen Substanzen ist es jedoch auf eine Oberflächensterilisation beschränkt. Die Behandlungszeit von UV-Licht kann zudem mehrere Stunden betragen, wie dies auch bei Röntgenstrahlen und Gammastrahlen der Fall ist. Die beiden letztgenannten Methoden bringen jedoch ihre eigenen Vorteile mit sich. 

Gamma- und Röntgenstrahlen sind hochgradig durchdringend, was bedeutet, dass sie zur Sterilisation von Gegenständen verwendet werden können, die sich in ansonsten undurchlässigen Behältern befinden. Der Clou der Elektronenstrahlsterilisation ist die nahezu sofortige Sterilisation. Oft wird sie aufgrund der geringen Durchdringungsfähigkeit der Elektronenpartikel als Oberflächensterilisationsmittel eingesetzt – bei ausreichender Energie kann sie jedoch auch tief in die Materie eindringen.

Die Betriebskosten für Röntgen-, Elektronenstrahl- und UV-Sterilisation können relativ niedrig sein, da alle drei Verfahren einen effizienten Stromverbrauch aufweisen. Röntgen-, Elektronenstrahl- und Gamma-Sterilisationsgeräte sind jedoch mit hohen Anschaffungskosten verbunden [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 sollte jedoch beachtet werden, dass zwar das Bedienpersonal stets vor den schädlichen Auswirkungen aller Strahlungssterilisatoren 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 zerstören. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie oft schädlich für den Menschen, wenn nicht sogar tödlich. Das am häufigsten verwendete 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 die Alkylierung von Proteinen, DNA und RNA, wodurch Mikroorganismen unlebensfähig werden [7]. Dieser Prozess erfolgt aufgrund der hohen Reaktivität der Verbindung; eine Eigenschaft, die zu logistischen Komplikationen führt. Aufgrund der Kombination aus Toxizität und Entflammbarkeit wird empfohlen, Ethylenoxid in einem separaten Lagerraum aufzubewahren – mit einer 100 m breiten Sicherheitszone für den Fall eines Lecks [12]. 

Wie die meisten chemischen Sterilisationsmittel ist Ethylenoxid gegen Prionen unwirksam und kann Rückstände auf sterilisierten Oberflächen hinterlassen. Die Sterilisationszeit ist zudem lang – zwischen 2 und 5 Stunden – und die Verarbeitungszeit sogar noch länger; oft über 14 Stunden aufgrund der Dampfentfernung nach der Sterilisation. Dennoch ist es hochgradig durchdringend, wirkt bei niedrigen Temperaturen (zwischen 29–65 °C) und reagiert nicht mit den meisten Kunststoffen.  

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 verwendete Wasserstoffperoxid ist eine giftige, explosive Substanz.

Wärme

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

Die Hitzesterilisation wirkt zunächst auf die Außenflächen des zu sterilisierenden Objekts 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 sie ebenfalls 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 Umgebungstemperatur von 160 °C bis 170 °C erzeugt und zwei bis vier Stunden lang aufrechterhalten. Diese Kombination aus Zeit und Temperatur bedeutet, dass die Sterilisation von hitzeempfindlichem Material wie Kunststoffen mit dieser Methode ohne Materialverschleiß nicht durchführbar ist [16]. Klingen wurden traditionell mit Trockenhitze sterilisiert, da Bedenken bestehen, dass Dampf sie stumpf machen könnte. Studien haben jedoch gezeigt, dass mit Dampf sterilisierte Klingen aus Edelstahl nur eine vernachlässigbare Abstumpfung aufweisen [17].

Die Dampfsterilisation ist ein schnellerer und weniger wärmeintensiver Prozess als die Trockenhitze-Sterilisation. Dampf überträgt Wärmeenergie effektiver als Heißluft, was bedeutet, dass 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 Hitze von 134 °C oder weniger standhalten können, lassen sich mit Dampf sterilisieren, müssen jedoch einer Kombination aus Temperatur, Feuchtigkeit und Druck standhalten können. Für solche Gegenstände stellt die Dampfsterilisation eine hochwirksame und tiefgreifende Form der Sterilisation dar.

Zusammenfassung

Die endgültige Entscheidung für eine Sterilisationsmethode ist nicht einfach. Es ist jedoch möglich, sich in der Komplexität zurechtzufinden und die richtige Option zu finden, indem man sich vor allem auf die betreffenden Gegenstände und deren erforderliche Beschaffenheit nach der Sterilisation konzentriert.

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

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

Die chemische Sterilisation ist zwar mit Toxizität, Rückständen und logistischen Problemen sowie laufenden Verbrauchskosten behaftet, spielt jedoch eine Rolle, wenn das zu sterilisierende Objekt mit anderen Sterilisationstechniken nicht kompatibel ist – beispielsweise bei einem hitze- und strahlungsempfindlichen festen Material.

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 auch für Abfallstoffe, bei denen der Zustand nach der Sterilisation keine Rolle spielt. Daher bleibt ein Autoklav für fast alle Labore unverzichtbar, während dampfbeheizte Abwasserdekontaminationssysteme (EDS) eine hervorragende Option für diejenigen darstellen, die biologisch aktive flüssige Abfälle entsorgen müssen. Kontaktieren Sie Astell Scientific über 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, etwaige Materialresistenzen zu überwinden, die im Zielmaterial auftreten können. Natürlich wird die Kosteneffizienz in den meisten Organisationen ein entscheidender Faktor sein.

Literaturverzeichnis

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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). „Neuartige anaerobe Ultramikrobakterien der Verrucomicrobiales-Linie, isoliert durch 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 durch 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.

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

12. National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem-Zusammenfassung für 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 Medizinprodukten. In Sterilisation von Biomaterialien und Medizinprodukten (S. 20–55). Woodhead Publishing.

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

16. Vinny R. Sastri (2014). Materialanforderungen für Kunststoffe in Medizinprodukten, in: Kunststoffe in Medizinprodukten (2. Auflage).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L., & Taloumis, L. J. (2002). Einfluss der Dampf- gegenüber der 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.