Cómo lograr la asepsia: selección de un procedimiento de esterilización.

La esterilización de la vida microbiana y el material biológico es un requisito previo tanto para el control experimental como para el control ambiental en laboratorios de una gran variedad de disciplinas. 

Ya sea para garantizar condiciones asépticas en una placa de cultivo o para mantener un área de biocontención, el objetivo de la esterilización es siempre la erradicación de agentes biológicos no deseados. Este objetivo puede alcanzarse mediante diversos procedimientos, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.

El proceso de esterilización ideal debe funcionar de manera rápida y eficaz, inactivando los microorganismos y el material biológico no deseado, como los priones. También debe garantizar una toxicidad mínima, riesgos mínimos para la salud de los operadores y alteraciones mínimas en los objetos esterilizados, al tiempo que ofrece la máxima adaptabilidad para dar cabida a diferentes materiales. El procedimiento también debe ser capaz de superar cualquier resistencia física a la esterilización que presenten los materiales a esterilizar. Lo ideal es que todo esto se logre de manera rentable, lo que también permite un monitoreo constante [1] [2]. 

Sin embargo, cumplir con todas estas condiciones suele resultar poco práctico. En consecuencia, la incorporación de muchos de estos factores suele ser una consideración secundaria, dependiendo de la situación y la necesidad, siendo el objetivo principal lograr la asepsia en un producto final funcional. A continuación se presenta una evaluación de los métodos de esterilización comúnmente disponibles, así como sus ventajas y desventajas.

Filtración estéril

Si se debe esterilizar un material fluido, la filtración constituye una opción a considerar. Se puede hacer pasar un líquido o un gas a través de una membrana filtrante esterilizante, la cual forma una barrera mecánica contra todas las partículas de diámetro mayor que los poros de la membrana. Los microorganismos más grandes que los poros quedan atrapados detrás del filtro, lo que garantiza que no puedan ingresar al filtrado. 

El calor, la radiación y los esterilizantes químicos actúan alterando las estructuras físicas de las moléculas y los orgánulos dentro de los microorganismos —un proceso que también puede alterar los componentes estructurales de sustancias más sensibles—. La filtración no produce tales efectos, sino que únicamente elimina las partículas que superan un tamaño determinado. Por ello, la filtración constituye una opción plausible para fluidos más inestables y reactivos.

A diferencia de otros métodos de esterilización, la filtración no inactiva los microorganismos. Por ello, se requieren otros procedimientos de esterilización —a menudo calor o radiación— para esterilizar el filtro y los residuos después del procesamiento.

También se debe prestar especial atención al tamaño de los poros del filtro. Con frecuencia, se utiliza un tamaño de poro de 0,2 μm —y dado que el micoplasma más pequeño mide alrededor de 0,3 μm—, lo cual es suficiente para filtrar la mayoría de las bacterias. Sin embargo, las ultramicobacterias pueden medir menos de 0,1 μm [3] [4] [5], mientras que los virus y los priones suelen ser aún más pequeños. Reducir el tamaño de los poros a 0,001 μm garantiza que menos entidades microbiológicas puedan ingresar al filtrado, aunque esto se vuelve cada vez más restrictivo para los fluidos que se pueden filtrar. Una disminución en el tamaño de los poros también aumenta el tiempo de procesamiento: un filtro con poros de 0,1 μm tendrá aproximadamente el 40 % del caudal de un filtro con poros de 0,2 μm.

Radiación

Como método de esterilización, la radiación adopta múltiples formas. Tomemos, por ejemplo, los esterilizantes por radiación ionizante, que incluyen rayos X, rayos gamma y haces de electrones. Estas tecnologías esterilizan mediante la excitación electromagnética de las partículas en el área que se está esterilizando, lo que provoca que liberen radicales libres. Estos radicales se combinan con los dobles enlaces de las biomoléculas (como el ADN, el ARN y las enzimas), alterando su estructura, inhibiendo su función y provocando la inactivación de los microorganismos que las contienen. Los esterilizantes por radiación no ionizante actúan provocando la formación de nuevos enlaces —dímeros de pirimidina— entre las bases nucleicas del ADN, lo cual —al igual que con la radiación ionizante— altera la estructura de la macromolécula e impide su funcionamiento. 

Debido a su mecanismo de acción, los esterilizantes por radiación pueden degradar sustancias químicas orgánicas, como los plásticos [6] [7], y material biológico. Lamentablemente, sus efectos degradantes no se extienden a los priones, los cuales siguen siendo, en gran medida, demasiado estables como para verse afectados por los esterilizantes por radiación [8]. Sin embargo, cabe señalar que algunos estudios indican la posibilidad de una desnaturalización de los priones mediante radiación gamma [9]. 

Otra consideración importante es que la capacidad de penetración y los tiempos de procesamiento de los esterilizantes por radiación varían significativamente.  La luz ultravioleta (UV) solo puede penetrar materiales transparentes, lo que la convierte en un esterilizante viable para el aire y el agua purificada por ósmosis inversa, pero se limita a ser un esterilizante superficial para sustancias opacas. El tiempo de procesamiento de la luz UV también puede prolongarse durante horas, al igual que ocurre con los rayos X y los rayos gamma. Sin embargo, estos dos últimos métodos presentan sus propias ventajas. 

Los rayos gamma y los rayos X son altamente penetrantes, lo que significa que pueden utilizarse para esterilizar objetos que se encuentran dentro de contenedores que, de otro modo, serían impermeables. La principal ventaja de la esterilización por haz de electrones es que esteriliza de manera casi instantánea. A menudo se utiliza como esterilizante de superficie debido a la escasa capacidad de penetración de las partículas de electrones; sin embargo, con suficiente energía, también puede penetrar profundamente en la materia.

Los costos de operación de los rayos X, el haz de electrones y los rayos UV pueden ser relativamente bajos, y el uso eficiente de la electricidad es una característica común a todos ellos. Los equipos de rayos X, haz de electrones y rayos gamma tienen un alto costo de capital inicial [10]. La esterilización con rayos gamma conlleva un costo continuo asociado al reemplazo de su fuente de radiación, que suele ser el isótopo cobalto-60. No obstante, debe tenerse en cuenta que, si bien los operadores siempre deben estar protegidos contra los efectos nocivos de todos los esterilizantes por radiación, la presencia física de material radiactivo en los esterilizadores de rayos gamma implica que deben tomarse precauciones adicionales durante el mantenimiento del equipo.    

Químicos

Los esterilizantes químicos abarcan una amplia gama de líquidos y gases con una característica común: su capacidad para destruir la vida microbiana. Debido a estas características, suelen ser nocivos para los seres humanos, si no letales. El esterilizante químico más utilizado —el óxido de etileno— puede causar dolores de cabeza, náuseas, vómitos, diarrea, dificultad para respirar, irritación respiratoria, lesiones pulmonares y cianosis a corto plazo, mientras que la exposición a largo plazo se asocia con la aparición de cáncer, cambios mutagénicos, neurotoxicidad y sensibilización [11]. 

El óxido de etileno gaseoso esteriliza mediante la alquilación de proteínas, ADN y ARN, lo que hace que los microorganismos dejen de ser viables [7]. Este proceso se produce como consecuencia de la alta reactividad del compuesto; una característica que genera complicaciones logísticas. Debido a la combinación de su toxicidad y su inflamabilidad, se recomienda almacenar el óxido de etileno en una unidad de almacenamiento independiente, con una zona de aislamiento de 100 m de radio establecida en caso de fuga [12]. 

Al igual que la mayoría de los esterilizantes químicos, el óxido de etileno es ineficaz contra los priones y puede dejar residuos en las superficies esterilizadas. Su tiempo de esterilización también es prolongado —entre 2 y 5 horas— y su tiempo de procesamiento, aún más largo; a menudo supera las 14 horas debido a la eliminación del vapor posterior a la esterilización. Sin embargo, presenta un alto poder de penetración, opera a bajas temperaturas (entre 29 y 65 °C) y no reacciona con la mayoría de los plásticos.  

Otro avance interesante en este ámbito es la esterilización por plasma gaseoso. El plasma gaseoso de peróxido de hidrógeno se genera al excitar el vapor de peróxido de hidrógeno mediante un campo eléctrico, lo que provoca la formación de radicales libres que desnaturalizan los materiales biológicos, al igual que ocurre con el procedimiento de radiación ionizante. Se ha demostrado que el plasma de peróxido de hidrógeno es eficaz contra los priones, funciona a bajas temperaturas (entre 37 y 44 °C) y tiene un tiempo de ciclo inferior a 75 minutos [13]. Sin embargo, el proceso presenta una capacidad de penetración limitada y el peróxido de hidrógeno en el que se basa es una sustancia tóxica y explosiva.

Calor

La esterilización por calor es el método más antiguo y sencillo, y se presenta en dos formas: en seco y con vapor. Entre los principales beneficios de la esterilización por calor se encuentra su capacidad para destruir todo el material biológico (incluidos los priones), sin dejar contaminantes ni residuos [14]. Otra ventaja es su bajo costo, especialmente en lo que respecta a los consumibles: como mucho, solo se requiere electricidad y agua. Los riesgos relacionados con la esterilización por calor también son bajos, aunque existe el peligro de sufrir quemaduras al tocar objetos esterilizados que aún están calientes. 

La esterilización por calor afecta primero a las superficies externas del objeto que se está esterilizando y, a continuación, se propaga hacia el interior hasta que se haya esterilizado la totalidad del material. El calor desnaturaliza las proteínas presentes en los microorganismos y el material biológico, y dado que los priones son proteínas, también se ven afectados por la esterilización térmica. El proceso de desnaturalización altera los enlaces de hidrógeno y disulfuro, así como los puentes salinos, y modifica la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas, lo que las inutiliza para los procesos biológicos [15].

La esterilización por calor seco consiste en crear un ambiente de 160 °C a 170 °C y mantenerlo durante un período de entre dos y cuatro horas. Esta combinación de tiempo y temperatura hace que la esterilización de materiales sensibles al calor, como los plásticos, mediante este método no sea viable sin que se produzca la degradación del material [16]. Tradicionalmente, las cuchillas se han esterilizado con calor seco, ya que existe la preocupación de que el vapor las desafile. Sin embargo, diversos estudios han demostrado que las cuchillas de acero inoxidable esterilizadas con vapor presentan un desgaste insignificante [17].

La esterilización con vapor es un proceso más rápido y que requiere menos calor que la esterilización con calor seco. El vapor transfiere la energía térmica de manera más eficaz que el aire caliente, lo que significa que se puede utilizar una temperatura más baja (de 121 °C a 134 °C) y un tiempo más breve (de 3 a 15 minutos) para la esterilización. El punto de ebullición del agua a presión atmosférica es de 100 °C, temperatura insuficiente para la esterilización. Por ello, el vapor debe generarse en un ambiente presurizado, lo que eleva el punto de ebullición del agua hasta el rango requerido. 

Los objetos que pueden soportar una temperatura de 134 °C o menos pueden esterilizarse con vapor, pero deben ser capaces de resistir una combinación de temperatura, humedad y presión. Para aquellos que pueden hacerlo, la esterilización con vapor constituye un método altamente eficaz y de gran capacidad de penetración.

Resumen

La conclusión definitiva sobre la esterilización no es sencilla. Sin embargo, es posible orientarse entre las complejidades y encontrar la opción adecuada centrándose principalmente en los objetos en cuestión y en las condiciones requeridas para ellos después de la esterilización.

La filtración constituye una opción adecuada para la esterilización de volúmenes limitados de fluidos, especialmente aquellos sensibles al calor, a la radiación y a los agentes químicos. No obstante, es preciso considerar que este método requiere de otras formas de esterilización para inactivar los microorganismos presentes en el sistema.

Al abarcar múltiples variantes con diferentes capacidades de penetración, la radiación es una buena opción si los materiales son sensibles al calor y pueden soportar sus efectos dañinos. Sin embargo, su implementación es costosa y su rentabilidad depende de la escala de uso.

La esterilización química, aunque presenta problemas de toxicidad, residuos y logísticos, además de costos continuos de consumibles, tiene su papel que desempeñar cuando el objeto que se va a esterilizar es incompatible con otras técnicas de esterilización —por ejemplo, un material sólido sensible al calor y a la radiación—.

Para objetos que no son sensibles al calor, la humedad y —hasta cierto punto— a la presión, la esterilización con vapor suele ser la opción más destacada, ya que ofrece rentabilidad, eficacia y rapidez. Este principio también se aplica a los materiales de desecho, en los que el estado posesterilización no reviste importancia. Por ello, el autoclave sigue siendo un equipo esencial para casi todos los laboratorios, mientras que los sistemas de descontaminación de efluentes calentados por vapor (EDS) constituyen una opción eficaz para quienes deben eliminar desechos líquidos biológicamente activos. Póngase en contacto con Astell Scientific a través de Info@Astell.com si necesita más información sobre la esterilización térmica basada en vapor.  

Mediante el análisis del material que se va a esterilizar, es posible determinar la técnica de esterilización que mejor se adapte al modelo ideal. Se puede evaluar una combinación de velocidad, eficacia, compatibilidad con el material, ausencia de toxicidad, adaptabilidad y capacidad de monitoreo para la situación requerida, junto con la capacidad de superar cualquier resistencia que pueda presentar el material en cuestión. Por supuesto, la rentabilidad será un factor clave en la mayoría de las organizaciones.

Referencias

1. Schneider, P. (1994). Alternativas de esterilización a baja temperatura en la década de 1990. Tappi Journal; (Estados Unidos), 77(1).

2. Rutala, William A., y David J. Weber. «Eficacia clínica de las tecnologías de esterilización a baja temperatura». Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798-804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (junio de 2003). Enciclopedia de las Ciencias de la Vida. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Consultada el 26 de septiembre de 2017.

4. Duda, V; Suzina, N; Polivtseva, V; Boronin, A (2012). «Ultramicrobacterias: formación del concepto y contribución de las ultramicrobacterias a la biología». Microbiología. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (abril de 1997). «Nuevas ultramicrobacterias anaeróbicas pertenecientes al linaje Verrucomicrobiales de ascendencia bacteriana, aisladas mediante cultivo por dilución a partir de suelo anóxico de un arrozal». Microbiología Aplicada y Ambiental. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. Riesgos del uso de la esterilización mediante radiación gamma: la otra cara de la moneda. Int J Med Sci. 2018;15(3):274-279. Publicado el 18 de enero de 2018. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q., Sun, Wendell y Connor, J. (2011). Esterilización de biomateriales de origen sintético y biológico. Comprehensive Biomaterials. 4. 127-144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J. y la Sociedad de Epidemiología Sanitaria de Estados Unidos. (2010). Guía para la desinfección y esterilización de instrumentos médicos contaminados con priones. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107-17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G. y Darbord, J. C. (2007). Inactivación de la infectividad de los priones mediante rayos ionizantes. Radiation Physics and Chemistry, 76(11-12), 1760-1762.

10. Simmons, A. (2012). Tendencias futuras para la esterilización de biomateriales y dispositivos médicos. En Esterilización de biomateriales y dispositivos médicos (pp. 310-320). Woodhead Publishing.

11. Departamento de Trabajo de los Estados Unidos, 2020. Óxido de etileno. [en línea] Administración de Seguridad y Salud Ocupacional. Disponible en: [Consultado el 25 de septiembre de 2020].

12. Centro Nacional de Información Biotecnológica (2020). Resumen del compuesto PubChem para el CID 6354, óxido de etileno. Recuperado el 23 de septiembre de 2020 de https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide.

13. Cdc.gov (2020). Plasma de gas de peróxido de hidrógeno | Pautas de desinfección y esterilización | Biblioteca de pautas | Control de infecciones. Recuperado el 27 de septiembre de 2020 de https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html. 

14. Rogers, W. J. (2012). Esterilización con vapor y calor seco de biomateriales y dispositivos médicos. En Esterilización de biomateriales y dispositivos médicos (pp. 20-55). Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEÍNAS | Tratamiento térmico de las proteínas alimentarias.

16. Vinny R. Sastri (2014). Requisitos de los materiales plásticos utilizados en dispositivos médicos, en Plásticos en dispositivos médicos (segunda edición).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L. y Taloumis, L. J. (2002). Efecto de la esterilización con vapor frente a la esterilización con calor seco sobre el desgaste de los alicates ortodónticos para cortar ligaduras. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 121(5), 467-471.

Publicado por primera vez en *Labmate UK & Ireland*, volumen 45, número 7.