Asepsise saavutamine – steriliseerimisviisi valimine.

Mikroorganismide ja bioloogilise materjali steriliseerimine on eelduseks nii katsetele kui ka keskkonna kontrollile laborites mitmesugustes valdkondades. 

Olenemata sellest, kas tegemist on aseptiliste tingimuste tagamisega kultuuriklaasil või bioloogilise ohutuse ala säilitamisega, on steriliseerimise eesmärgiks alati soovimatute bioloogiliste tekitajate hävitamine. Seda eesmärki on võimalik saavutada mitmesuguste protseduuriliste meetodite abil, millest igaühel on oma eelised ja puudused.

Ideaalne steriliseerimisprotsess peab toimima kiiresti ja tõhusalt, neutraliseerides mikroorganisme ja soovimatuid bioloogilisi materjale, nagu prioonid. Samuti peaks see tagama minimaalse toksilisuse, terviseriskide vähendamise operaatoritele ning steriliseeritud objektide muutuste minimeerimise, pakkudes samal ajal maksimaalset kohandatavust – sobides erinevate materjalidega. Protseduur peaks suutma ületada ka steriliseeritavate materjalide poolt avaldatava füüsilise vastupanu steriliseerimisele. Kõik see tuleks ideaalis saavutada kulutõhusalt, võimaldades samas pidevat seiret [1] [2]. 

Kõigi nende tingimuste täitmine on aga sageli ebapraktiline. Seetõttu on paljude nimetatud tegurite arvessevõtmine olukorrast ja vajadusest lähtuvalt sageli teisejärguline küsimus, kusjuures esmane eesmärk on saavutada funktsionaalse lõpptoote aseptilisus. Järgnevalt antakse ülevaade levinumatest steriliseerimismeetoditest, nende eelistest ja puudustest.

Steriilne filtreerimine

Vedelike ja gaaside steriliseerimisel on filtreerimine üks sobivaid meetodeid. Vedelikku või gaasi juhitakse steriliseeriva filtermembraani kaudu, mis moodustab mehaanilise tõkke kõigile osakestele, mille läbimõõt on suurem kui membraani poorid. Pooridest suuremad mikroorganismid jäävad filtri taha kinni, tagades, et need ei pääse filtrati. 

Kuumus, kiirgus ja keemilised sterilisaatorid mõjutavad mikroorganismide molekulide ja organellide füüsilist struktuuri – see protsess võib muuta ka tundlikumate ainete struktuurikomponente. Filtratsioonil sellist mõju ei ole, see eemaldab vaid teatud suurusest suuremad osakesed. Seetõttu on filtratsioon mõistlik valik ebastabiilsemate ja reaktiivsete vedelike puhul.

Erinevalt teistest steriliseerimismeetoditest ei inaktiveeri filtreerimine mikrobioloogilisi organisme. Seetõttu on vaja teisi steriliseerimisprotseduure – sageli kuumust või kiirgust –, et steriliseerida filter ja töötlemisjärgsed jäägid.

Suurt tähelepanu tuleb pöörata ka filtri pooride suurusele. Sageli kasutatakse 0,2 μm suuruseid poore – ja kuna väikseim mükoplasma on umbes 0,3 μm suurune –, on see piisav enamiku bakterite välja filtreerimiseks. Siiski võivad ultramikroobid olla väiksemad kui 0,1 μm [3] [4] [5], samas kui viirused ja prioonid on sageli veelgi väiksemad. Pooride suuruse vähendamine 0,001 μm-ni tagab, et filtrati pääseb vähem mikrobioloogilisi osakesi, kuigi see muudab filtreeritavate vedelike töötlemise üha keerulisemaks. Pooride suuruse vähenemine pikendab ka töötlemisaega – 0,1 μm pooridega filtri voolukiirus on umbes 40% 0,2 μm pooridega filtri voolukiirusest.

Kiirgus

Kiirgus esineb mitmes vormis. Ioniseeriv kiirgus, sealhulgas röntgenkiired, gammakiired ja elektronkiired, steriliseerib elektromagnetiliselt ergutades osakesi töökeskkonnas, mille tagajärjel vabanevad vabad radikaalid. Need radikaalid ühinevad biomolekulide (nagu DNA, RNA ja ensüümid) topeltsidemetega, muutes nende vormi, peatades nende funktsiooni ja muutes neid sisaldavad mikroorganismid inaktiivseks. Mitteioniseeriva kiirguse sterilisaatorid toimivad nii, et põhjustavad uute sidemete – pürimidiindimeeride – tekkimist DNA nukleobaside vahel, mis – nagu ioniseeriva kiirguse puhul – muudab makromolekuli struktuuri ja peatab selle toimimise. 

Tänu oma toimemehhanismile võivad kiirgussterilisaatorid lagundada orgaanilisi kemikaale, nagu plastid [6] [7], ja bioloogilist materjali. Kahjuks ei laiene nende lagundav toime prioonidele, mis jäävad suures osas liiga stabiilseks, et kiirgussterilisaatorid neid mõjutaksid. [8] Siiski väärib märkimist, et mõned uuringud näitavad prioonide denatureerumise võimalust gammakiirguse abil [9]. 

Oluline aspekt on see, et kiirgussterilisaatorite läbitungimisvõime ja töötlemisajad varieeruvad märkimisväärselt.  Ultraviolettkiirgus (UV) suudab läbida ainult läbipaistvaid materjale, mis teeb sellest sobiva steriliseerimisvahendi õhu ja puhastatud pöördosmoosivee jaoks, kuid läbipaistmatute ainete puhul piirdub see pinnasteriliseerimisega. UV-kiirguse töötlemisaeg võib samuti ulatuda tundideni, nagu on ka röntgenkiirguse ja gammakiirguse puhul. Siiski on neil kahel viimasel meetodil oma eelised. 

Gammasäte ja röntgenkiirgusel on väga suur läbitungivus, mis tähendab, et neid saab kasutada muidu läbilaskmatutes mahutites olevate objektide steriliseerimiseks. Elektronkiirsteriliseerimise eeliseks on peaaegu hetkeline steriliseerimine. Sageli kasutatakse seda pinnasterilisaatorina elektronosakeste nõrga läbitungivuse tõttu – kuid piisava energia korral suudab ka see materjali sügavale läbida.

Röntgenkiirguse, elektronkiire ja UV-kiirguse käitamiskulud võivad olla suhteliselt madalad, kuna neile kõigile on omane tõhus elektrienergia kasutamine. Röntgenkiirguse, elektronkiire ja gammakiirguse seadmetel on kõrged esialgsed kapitalikulud [10]. Gammakiirgussteriliseerimisel on jooksvad kulud, mis on seotud kiirgusallika, tavaliselt koobalt-60 isotoobi, asendamisega. Tuleb siiski arvestada, et kuigi operaatoreid tuleb alati kaitsta kõigi kiirgussterilisaatorite kahjuliku mõju eest, tähendab radioaktiivse materjali füüsiline olemasolu gammakiirgussterilisaatorites seda, et seadme hoolduse ajal tuleb võtta täiendavaid ettevaatusabinõusid.    

Keemilised

Keemilised sterilisaatorid hõlmavad laia valikut vedelikke ja gaase, millel on üks ühine omadus – võime hävitada mikroorganisme. Nende omaduste tõttu on need inimestele sageli kahjulikud, kui mitte lausa surmavad. Kõige sagedamini kasutatav keemiline sterilisaator – etüleenoksiid – võib lühiajaliselt põhjustada peavalu, iiveldust, oksendamist, kõhulahtisust, õhupuudust, hingamisteede ärritust, kopsukahjustusi ja tsüanoosi, samas kui pikaajaline kokkupuude on seotud vähktõve esinemise, mutageensete muutuste, neurotoksilisuse ja ülitundlikkuse tekkega [11]. 

Etüleenoksiidigaas steriliseerib valkude, DNA ja RNA alküülimise teel, mis muudab mikroorganismid eluvõimetuks [7]. See protsess toimubühendi kõrge reaktsioonivõime tõttu; see omadus põhjustab logistilisi raskusi. Toksilisuse ja süttivuse kombinatsiooni tõttu soovitatakse etüleenoksiidi hoida eraldatud hoidlas – kus lekke puhuks on kehtestatud 100 m raadiusega isolatsioonitsoon [12]. 

Nagu enamiku keemiliste sterilisaatorite puhul, ei mõju etüleenoksiid prioonidele ning võib jätta steriliseeritud pindadele jääke. Ka selle steriliseerimisaeg on pikk – 2–5 tundi – ning töötlemisaeg veelgi pikem; sageli üle 14 tunni, kuna pärast steriliseerimist tuleb aur eemaldada. Siiski on see väga läbitungiv, toimib madalatel temperatuuridel (29–65 °C) ja ei reageeri enamiku plastidega.  

Veel üks oluline areng selles valdkonnas on gaasplasma steriliseerimine. Vesinikperoksiidi gaasplasma tekitatakse vesinikperoksiidi aurude ergastamisega elektrivälja abil, mille tulemusel tekivad vabad radikaalid, mis denatureerivad bioloogilisi materjale, sarnaselt ioniseeriva kiirguse menetlusega. Vesinikperoksiidi gaasplasma on osutunud efektiivseks prioonide vastu, toimib madalatel temperatuuridel (37–44 °C) ja selle tsükli kestus on alla 75 minuti [13]. Protsessil on aga nõrk läbitungimisvõime ning selle aluseks olev vesinikperoksiid on mürgine ja plahvatusohtlik aine.

Kuumus

Kuumsteriliseerimine on vanim ja lihtsaim steriliseerimisviis ning seda kasutatakse kahes vormis – kuivsteriliseerimine ja aurusteriliseerimine. Kuumsteriliseerimise peamiste eeliste hulka kuulub võime hävitada kogu bioloogiline materjal (sealhulgas prioonid), jättes samas maha saasteaineid ega jääke [14]. Teine eelis on madal maksumus, eriti tarbekaupade osas: vaja on kõige rohkem vaid elektrit ja vett. Kuumsteriliseerimisega seotud ohud on samuti väikesed, kuigi kuumade steriliseeritud esemete puudutamisel on põletusohu oht. 

Kuumsteriliseerimine mõjutab esmalt steriliseeritava eseme välispindu, seejärel levib sissepoole, kuni kogu materjal on steriliseeritud. Kuumus denatureerib mikroorganismides ja bioloogilises materjalis leiduvaid valke ning kuna prioonid on valgud, mõjutab kuumsteriliseerimine ka neid. Denatureerimisprotsess muudab vesiniku- ja disulfiidsidemeid ning soolasildu ning muudab valkude sekundaar-, tertsiaar- ja kvaternaarstruktuuri, muutes need bioloogiliste protsesside jaoks kasutuskõlbmatuks [15].

Kuivkuumsteriliseerimine hõlmab 160–170 °C keskkonda loomist ja selle säilitamist kahe kuni nelja tunni jooksul. Selline aja ja temperatuuri kombinatsioon tähendab, et kuumustundlike materjalide, nagu plastide, steriliseerimine selle meetodiga ei ole võimalik ilma materjali lagunemiseta [16]. Terasid on traditsiooniliselt steriliseeritud kuivkuumusega, kuna on muret, et auru kasutamine võib neid tuhmaks muuta. Uuringud on aga näidanud, et auruga steriliseeritud roostevabast terasest teradel on teravuse kadu tühine [17].

Auru abil steriliseerimine on kiirem ja madalamat temperatuuri nõudev protsess kui kuiva kuumuse abil steriliseerimine. Auru abil kandub soojusenergia tõhusamalt edasi kui kuuma õhu abil, mis tähendab, et steriliseerimiseks piisab madalamast temperatuurist (121–134 °C) ja lühemast ajast (3–15 minutit). Atmosfääritasemel keemistemperatuur on 100 °C, mis on steriliseerimiseks liiga madal. Seetõttu tekitatakse aur rõhu all, et tõsta vee keemistemperatuur vajalikule tasemele. 

Objektid, mis taluvad kuni 134 °C kuumust, saab auruga steriliseerida, kuid need peavad vastu pidama temperatuuri, niiskuse ja rõhu kombinatsioonile. Nende puhul, mis seda suudavad, on aurusteriliseerimine väga tõhus ja sügavale tungiv steriliseerimisviis.

Kokkuvõte

Lõplik järeldus steriliseerimise kohta ei ole üheselt selge. Siiski on võimalik selles keerukuses orienteeruda ja leida õige valik, keskendudes eelkõige asjaomastele esemetele ja nende nõutavale seisundile pärast steriliseerimist.

Filtreerimine on sobiv lahendus piiratud koguse vedelike steriliseerimiseks, eriti kui need on tundlikud kuumuse, kiirguse ja keemilise steriliseerimise suhtes. Samas tuleb arvestada, et filtreerimine nõuab mikroorganismide inaktiveerimiseks täiendavaid steriliseerimismeetodeid.

Kiirgus, mis hõlmab mitmeid erineva läbitungimisvõimega variante, on hea valik, kui materjalid on kuumustundlikud ja suudavad taluda kiirguse kahjulikku mõju. Selle kasutuselevõtt on aga kulukas ja selle kulutõhusus sõltub kasutamise mahust.

Keemiline steriliseerimine, kuigi sellega kaasnevad mürgisus, jäägid ja logistilised probleemid ning pidevad tarbekaupade kulud, on omal kohal, kui steriliseeritav objekt ei sobi kokku teiste steriliseerimismeetoditega – näiteks kuumuse ja kiirguse suhtes tundlik tahke materjal.

Objektide puhul, mis ei ole tundlikud kuumuse, niiskuse ja – teatud määral ka rõhu suhtes –, osutub aurustamine sageli parimaks valikuks, pakkudes kulutõhusust, tõhusust ja kiirust. Sama kehtib ka jäätmete puhul, mille seisund pärast steriliseerimist ei ole oluline. Seetõttu on autoklaav endiselt peaaegu kõigi laborite jaoks hädavajalik seade, samas kui auruga kuumutatavad heitvee dekontaminatsioonisüsteemid (EDS) pakuvad suurepärast võimalust neile, kellel on vaja kõrvaldada bioloogiliselt aktiivseid vedelaid jäätmeid. Kui soovite rohkem teavet aurupõhise kuumsteriliseerimise kohta, võtke ühendust Astell Scientificuga aadressil Info@Astell.com.  

Steriliseeritava materjali analüüsi abil on võimalik leida steriliseerimismeetod, mis sobib ideaalselt kõige paremini. Vastavalt konkreetsele olukorrale on võimalik hinnata kiirust, tõhusust, materjaliga sobivust, mittetoksilisust, kohandatavust ja jälgitavust, samuti võimet ületada sihtmaterjalis esinev võimalik vastupanu. Loomulikult on kulutõhusus enamikus organisatsioonides võtmeteguriks.

Viited

1. Schneider, P. (1994). Madalatemperatuurilise steriliseerimise alternatiivid 1990. aastatel. Tappi Journal; (Ameerika Ühendriigid), 77(1).

2. Rutala, William A. ja David J. Weber. „Madaltemperatuuriliste steriliseerimistehnoloogiate kliiniline tõhusus.“ Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798–804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (juuni 2003). Encyclopedia of Life Sciences. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Vaadatud 26. septembril 2017.

4. Duda, V; Suzina, N; Polivtseva, V; Boronin, A (2012). „Ultramikrobakterid: mõiste kujunemine ja ultramikrobakterite panus bioloogiasse“. Microbiology. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (aprill 1997). „Uued anaeroobsed ultramikrobakterid, mis kuuluvad bakterite verrucomicrobiales-liini ja on isoleeritud lahjenduskultuuri abil hapnikuvabast riisipõllumullast”. Applied and Environmental Microbiology. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. Gamma-kiirgusega steriliseerimise kasutamise riskid: mündi teine pool. Int J Med Sci. 2018;15(3):274–279. Avaldatud 18. jaanuaril 2018. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q & Sun, Wendell & Connor, J. (2011). Sünteetilise ja bioloogilise päritoluga biomaterjalide steriliseerimine. Comprehensive Biomaterials. 4. 127–144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J. ja Ameerika Tervishoiu Epideemioloogia Selts. (2010). Prionidega saastunud meditsiiniliste instrumentide desinfektsiooni ja steriliseerimise juhend. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107–17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). Prionide nakkavuse inaktiveerimine ioniseeriva kiirgusega. Radiation Physics and Chemistry, 76(11–12), 1760–1762.

10. Simmons, A. (2012). Biomaterjalide ja meditsiiniseadmete steriliseerimise tulevikusuundumused. Raamatus „Biomaterjalide ja meditsiiniseadmete steriliseerimine“ (lk 310–320). Woodhead Publishing.

11. Ameerika Ühendriikide Tööministeerium, 2020. Etüleenoksiid. [online] Tööohutuse ja Töötervishoiu Amet. Kättesaadav aadressil: [Vaadatud 25. septembril 2020].

12. Riiklik Biotehnoloogia Teabe Keskus (2020). PubChemiühendi kokkuvõte CID 6354, etüleenoksiid. Vaadatud 23. septembril 2020 aadressilt https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide.

13. Cdc.gov (2020) Vesinikperoksiidigaasplasma | Desinfektsiooni- ja steriliseerimisjuhised | Juhiste kogu | Nakkuste kontroll. Vaadatud 27. septembril 2020 aadressilt https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html. 

14. Rogers, W. J. (2012). Biomaterjalide ja meditsiiniseadmete steriliseerimine auru ja kuiva kuumusega. Raamatus „Biomaterjalide ja meditsiiniseadmete steriliseerimine“ (lk 20–55). Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN| Toiduvalgu kuumtöötlemine.

16. Vinny R. Sastri (2014). Meditsiiniseadmetes kasutatavate plastide materjalinõuded, raamatus „Plastics in Medical Devices“ (teine trükk).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L. ja Taloumis, L. J. (2002). Auru- ja kuivkuumussteriliseerimise mõju ortodontiliste ligatuuri lõikamiskääride kulumisele. „American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics”, 121(5), 467–471.

Esmakordselt avaldatud ajakirjas „Labmate UK & Ireland”, 45. köide, 7. number.