Analizamos las ventajas y desventajas de los métodos de esterilización, que incluyen la filtración estéril, la radiación, los métodos químicos y el calor.
La esterilización de la vida microbiana y del material biológico es un requisito previo tanto para el control experimental como para el control ambiental en laboratorios de una amplia variedad de disciplinas.
Ya sea para garantizar condiciones asépticas en una placa de cultivo o para mantener una zona 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 e inconvenientes.
El proceso de esterilización ideal debe funcionar de forma rápida y eficaz, inactivando la microbiología y el material biológico no deseado, como los priones. Asimismo, debe garantizar una toxicidad mínima, riesgos mínimos para la salud de los operarios 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 que se van a esterilizar. Lo ideal es que todo ello se consiga de forma rentable, lo que también permite un seguimiento constante [1] [2].
Sin embargo, cumplir todas estas condiciones suele resultar poco práctico. En consecuencia, la incorporación de muchos de estos factores suele ser una consideración secundaria, en función 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 más comunes, así como de sus ventajas e inconvenientes.
Filtración estéril
Si se desea esterilizar un material fluido, la filtración constituye una opción a tener en cuenta. Se puede hacer pasar un líquido o un gas a través de una membrana filtrante esterilizante, que actúa como barrera mecánica frente a todas las partículas de diámetro superior al de los poros de la membrana. Los microorganismos más grandes que los poros quedan retenidos detrás del filtro, lo que garantiza que no puedan entrar en el filtrado.
El calor, la radiación y los esterilizantes químicos actúan alterando las estructuras físicas de las moléculas y los orgánulos de los microorganismos —un proceso que también puede alterar los componentes estructurales de sustancias más sensibles—. La filtración no produce tales efectos, sino que se limita a eliminar las partículas que superan un determinado tamaño. 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 las entidades microbiológicas. Por ello, se requieren otros procedimientos de esterilización —a menudo calor o radiación— para esterilizar el filtro y los residuos tras el procesamiento.
También debe prestarse 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 resulta 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 entrar en el filtrado, aunque esto resulta cada vez más limitante para los fluidos que pueden filtrarse. Una disminución del 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, entre los que se incluyen los rayos X, los rayos gamma y los haces de electrones. Estas tecnologías esterilizan mediante la excitación electromagnética de las partículas en la zona que se va a esterilizar, 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, impidiendo su funcionamiento 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 que —al igual que con la radiación ionizante— altera la estructura de la macromolécula e impide su funcionamiento.
Debido a su funcionamiento, 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, que siguen siendo, en gran medida, demasiado estables como para verse afectados por los esterilizantes por radiación [8]. No obstante, 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 tratamiento de los esterilizantes por radiación varían significativamente. La luz ultravioleta (UV) solo es capaz de penetrar en materiales transparentes, lo que la convierte en un esterilizante viable para el aire y el agua purificada por ósmosis inversa, pero su uso se limita a la esterilización superficial de sustancias opacas. El tiempo de tratamiento de la luz UV también puede prolongarse durante horas, al igual que ocurre con los rayos X y los rayos gamma. No obstante, estos dos últimos métodos aportan sus propias ventajas.
Los rayos gamma y los rayos X son altamente penetrantes, lo que significa que pueden utilizarse para esterilizar objetos contenidos en recipientes que, de otro modo, serían impermeables. La principal ventaja de la esterilización por haz de electrones es que esteriliza de forma casi instantánea. A menudo se utiliza como esterilizante superficial debido a la escasa capacidad de penetración de las partículas de electrones; sin embargo, si se le aplica suficiente energía, también puede penetrar profundamente en la materia.
Los costes de funcionamiento 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 elevado coste de inversión inicial [10]. La esterilización por rayos gamma conlleva un coste continuo asociado a la sustitución de su fuente de radiación, que suele ser el isótopo cobalto-60. No obstante, debe tenerse en cuenta que, si bien los operarios deben estar siempre protegidos de los efectos nocivos de todos los esterilizantes por radiación, la presencia física de material radiactivo en los esterilizadores por rayos gamma implica que deben tomarse precauciones adicionales durante el mantenimiento del dispositivo.
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, cuando no mortales. El esterilizante químico más utilizado —el óxido de etileno— puede provocar 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 elevada reactividad del compuesto, una característica que da lugar a 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 frente a 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 de vapores tras la esterilización. No obstante, presenta una gran capacidad de penetración, actúa 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 liberación 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 gaseoso es eficaz contra los priones, funciona a bajas temperaturas (entre 37 y 44 °C) y tiene una duración del ciclo inferior a 75 minutos [13]. Sin embargo, el proceso presenta una escasa capacidad de penetración y el peróxido de hidrógeno del que depende es una sustancia tóxica y explosiva.
Calor
La esterilización por calor es el método más antiguo y sencillo de esterilización, y se presenta en dos formas: en seco y con vapor. Entre las principales ventajas 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 coste, especialmente en lo que respecta a los consumibles: como mucho, solo se necesitan electricidad y agua. Los riesgos relacionados con la esterilización por calor también son bajos, aunque existe el riesgo de sufrir quemaduras al tocar objetos esterilizados 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 ha 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 invalida para los procesos biológicos [15].
La esterilización por calor seco consiste en crear un entorno a una temperatura de entre 160 °C y 170 °C y mantenerlo durante un periodo 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 resulte inviable sin que se produzca una 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 forma más eficaz que el aire caliente, lo que permite utilizar una temperatura más baja (entre 121 °C y 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 inferior 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 de esterilización altamente eficaz y de gran capacidad de penetración.
Resumen
La conclusión definitiva sobre la esterilización no es sencilla. No obstante, es posible orientarse entre las complejidades y encontrar la opción adecuada centrándose principalmente en los objetos en cuestión y en el estado que deben presentar tras la esterilización.
La filtración constituye una opción adecuada para la esterilización de un número limitado de fluidos, especialmente aquellos sensibles al calor, a la radiación y a la esterilización química. No obstante, las decisiones deben tomarse teniendo en cuenta que este método depende de otras formas de esterilización para inactivar los microorganismos a través de su mecanismo.
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 nocivos. Sin embargo, su puesta en marcha resulta costosa y su rentabilidad depende de la escala de su uso.
La esterilización química, aunque plantea problemas de toxicidad, residuos y logística, además de los costes continuos de los 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 no sensibles al calor, a la humedad y —en cierta medida— a la presión, la esterilización con vapor suele ser la opción más destacada, ya que ofrece rentabilidad, eficacia y rapidez. Lo mismo ocurre con los residuos, en los que el estado posterior a la esterilización no es motivo de preocupación. 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 excelente opción para quienes deben eliminar residuos 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 adapta al modelo ideal. Se puede evaluar una combinación de velocidad, eficacia, compatibilidad con el material, ausencia de toxicidad, adaptabilidad y capacidad de monitorización para la situación requerida, junto con la capacidad de superar cualquier resistencia que pueda presentar el material en cuestión. Por supuesto, la relación coste-eficacia 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 los noventa. 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). Encyclopedia of Life Sciences. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. [Consultado 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, 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 Americana de Epidemiología Sanitaria (Society for Healthcare Epidemiology of America). (2010). Directrices 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 en la esterilización de biomateriales y productos sanitarios. En *Esterilización de biomateriales y productos sanitarios* (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.
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15. Mauer, L. (2003). PROTEÍNAS | Tratamiento térmico de las proteínas alimentarias.
16. Vinny R. Sastri (2014). Requisitos de los materiales plásticos utilizados en productos sanitarios, en «Plastics in Medical Devices» (segunda edición).
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Publicado por primera vez en *Labmate UK & Ireland*, volumen 45, número 7.
