Az aszepszis elérése – A sterilizálási eljárás kiválasztása.

A mikrobiális életformák és a biológiai anyagok sterilizálása számtalan tudományág laboratóriumaiban a kísérleti és környezeti ellenőrzés előfeltétele. 

Legyen szó aszeptikus körülmények biztosításáról tenyésztőlapokon vagy biológiai biztonsági területek fenntartásáról, a sterilizálás célja mindig a nemkívánatos biológiai kórokozók felszámolása. Ez a cél számos különböző eljárással elérhető, amelyek mindegyike rendelkezik saját előnyeivel és hátrányaival.

Az ideális sterilizációs eljárásnak gyorsan és hatékonyan kell működnie, és deaktiválnia kell a mikrobiológiai anyagokat, valamint a nemkívánatos biológiai anyagokat, például a prionokat. Emellett biztosítania kell a minimális toxicitást, a kezelők egészségügyi kockázatainak minimalizálását, valamint a sterilizált tárgyak minimális megváltozását, miközben maximális alkalmazkodóképességet nyújt – különböző anyagok kezelésére alkalmasnak kell lennie. Az eljárásnak képesnek kell lennie a sterilizálandó anyagok által tanúsított, a sterilizációval szembeni fizikai ellenállás leküzdésére is. Mindezt ideális esetben költséghatékony módon kell megvalósítani, ami egyúttal lehetővé teszi a folyamatos ellenőrzést is [1] [2]. 

Mindezen feltételek teljesítése azonban gyakran kivitelezhetetlen. Következésképpen ezeknek a tényezőknek a figyelembevétele gyakran másodlagos kérdés, a helyzettől és a szükségességtől függően, az elsődleges cél pedig a funkcionális végtermék aszepszisének elérése. Az alábbiakban áttekintjük a általánosan elérhető sterilizálási módszereket, azok előnyeit és hátrányait.

Steril szűrés

Ha folyékony anyagot kell sterilizálni, a szűrés egy megfontolandó lehetőség. A folyadékot vagy gázt át lehet vezetni egy sterilizáló szűrőmembránon, amely mechanikus gátat képez minden olyan részecske számára, amelynek átmérője nagyobb, mint a membrán pórusainak átmérője. A pórusoknál nagyobb mikroorganizmusok a szűrő mögött rekednek, így biztosítva, hogy ne kerülhessenek be a szűrletbe. 

A hő, a sugárzás és a kémiai sterilizálószerek a mikroorganizmusok molekuláinak és sejtorganelláinak fizikai szerkezetének megváltoztatásával hatnak – ez a folyamat azonban az érzékenyebb anyagok szerkezeti összetevőit is megváltoztathatja. A szűrésnek nincsenek ilyen hatásai, csupán a bizonyos méret feletti részecskéket távolítja el. Éppen ezért a szűrés ésszerű választásnak bizonyul a kevésbé stabil és reaktív folyadékok esetében.

Más sterilizálási módszerekkel ellentétben a szűrés nem inaktiválja a mikrobiológiai kórokozókat. Ezért a szűrő és a feldolgozás után visszamaradó maradék sterilizálásához egyéb sterilizálási eljárásokra – gyakran hőre vagy sugárzásra – van szükség.

Különös figyelmet kell fordítani a szűrő pórusainak méretére is. Gyakran 0,2 μm-es pórusméretet alkalmaznak – és mivel a legkisebb mikoplazma mérete körülbelül 0,3 μm –, ez elegendő a legtöbb baktérium kiszűréséhez. Az ultramikrobaktériumok mérete azonban 0,1 μm alatt is lehet [3] [4] [5], míg a vírusok és a prionok gyakran ennél is kisebbek. A pórusméret 0,001 μm-re történő csökkentése biztosítja, hogy kevesebb mikrobiológiai kórokozó jusson be a szűrletbe, bár ez egyre inkább korlátozza a szűrhető folyadékok körét. A pórusméret csökkenése egyúttal megnöveli a feldolgozási időt is – egy 0,1 μm-es pórusméretű szűrő áramlási sebessége körülbelül 40%-a egy 0,2 μm-es pórusméretű szűrőének.

Sugárzás

Sterilizálószerként a sugárzás többféle formában is előfordul. Vegyük például az ionizáló sugárzáson alapuló sterilizálószereket, ideértve a röntgensugarakat, a gammasugarakat és az elektronsugarakat. Ezek a technológiák úgy sterilizálnak, hogy elektromágnesesen gerjesztik a sterilizálandó területen lévő részecskéket, ami szabad gyökök kibocsátását eredményezi. Ezek a gyökök a biomolekulák (például a DNS, az RNS és az enzimek) kettős kötéseivel lépnek kölcsönhatásba, megváltoztatva azok szerkezetét, leállítva működésüket, és így a azokat tartalmazó mikroorganizmusok hatástalanná válásához vezetve. A nem ionizáló sugárzásos sterilizálószerek úgy hatnak, hogy új kötések – pirimidin-dimerek – kialakulását idézik elő a DNS nukleobázisai között, ami – az ionizáló sugárzáshoz hasonlóan – megváltoztatja a makromolekula szerkezetét és leállítja annak működését. 

Működési elvükből adódóan a sugársterilizáló szerek képesek lebontani az olyan szerves vegyi anyagokat, mint a műanyagok [6] [7] és a biológiai anyagok. Sajnos lebontó hatásuk nem terjed ki a prionokra, amelyek túl stabilak ahhoz, hogy a sugársterilizáló szerek hatással legyenek rájuk. [8] Érdemes azonban megjegyezni, hogy egyes tanulmányok szerint lehetséges a prionok denaturálása gamma-sugárzás hatására [9]. 

Egy további fontos szempont, hogy a sugársterilizáló szerek áthatolási képessége és a kezelési idők jelentősen eltérnek egymástól.  Az UV-sugárzás csak átlátszó anyagokon képes áthatolni, ami alkalmassá teszi a levegő és a tisztított fordított ozmózisú víz sterilizálására, de átlátszatlan anyagok esetében csupán felületi sterilizálószerként használható. Az UV-sterilizálás feldolgozási ideje is órákig tarthat, akárcsak a röntgensugarak és a gamma-sugárzás esetében. Ugyanakkor ez utóbbi két módszernek megvannak a maga előnyei. 

A gamma- és röntgensugarak kiváló áthatolóképessége révén olyan tárgyak sterilizálására is alkalmazhatók, amelyek áthatolhatatlan tartályokban vannak. Az elektronnyalábos sterilizálás legfőbb előnye a szinte azonnali hatás. Gyakran felületi sterilizálószerként alkalmazzák az elektronrészecskék gyenge áthatolóképessége miatt – azonban elegendő energia mellett ez is mélyen behatolhat az anyagba.

A röntgensugár, az elektronnyaláb és az UV üzemeltetési költségei viszonylag alacsonyak lehetnek, mivel mindhárom módszer hatékonyan használja fel az elektromos áramot. A röntgensugár-, elektronnyaláb- és gamma-berendezések kezdeti beruházási költségei magasak [10]. A gamma-sterilizálásnak folyamatos költségei vannak, amelyek a sugárforrás – általában a kobalt-60 izotóp – cseréjéhez kapcsolódnak. Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy bár a kezelőket mindig védeni kell az összes sugársterilizáló káros hatásaitól, a radioaktív anyag fizikai jelenléte a gamma-sterilizálókban azt jelenti, hogy a készülék karbantartása során további óvintézkedéseket kell tenni.    

Kémiai

A kémiai sterilizálószerek széles körű folyadékokat és gázokat foglalnak magukban, amelyeknek egy közös jellemzőjük van: képesek elpusztítani a mikrobiális életet. Ezen tulajdonságaik miatt gyakran károsak az emberre, sőt akár halálosak is lehetnek. A leggyakrabban használt kémiai sterilizálószer – az etilén-oxid – rövid távon fejfájást, hányingert, hányást, hasmenést, légszomjat, légúti irritációt, tüdőkárosodást és cianózist okozhat, míg a hosszú távú expozíció rákos megbetegedésekkel, mutagén változásokkal, neurotoxicitással és szenzibilizációval társul [11]. 

Az etilén-oxid gáz a fehérjék, a DNS és az RNS alkilezésén keresztül sterilizál, ami a mikroorganizmusok életképtelenségét eredményezi [7]. Ez a folyamat a vegyület magas reaktivitásának köszönhető; ez a tulajdonság logisztikai bonyodalmakhoz vezet. Mivel az etilén-oxid mérgező és gyúlékony is egyben, ajánlott, hogy azt különálló tárolóegységben tárolják – szivárgás esetére 100 méteres sugarú elszigetelési zónát kijelölve [12]. 

A legtöbb kémiai sterilizálószerhez hasonlóan az etilén-oxid sem hatékony a prionok ellen, és maradványokat hagyhat a sterilizált felületeken. Sterilizálási ideje is hosszú – 2 és 5 óra között –, feldolgozási ideje pedig még ennél is hosszabb; a sterilizálás utáni gőzeltávolítás miatt gyakran meghaladja a 14 órát. Ugyanakkor rendkívül jól behatol, alacsony hőmérsékleten (29–65 °C között) hatékony, és a legtöbb műanyaggal nem lép reakcióba.  

Egy további érdekes fejlemény ezen a területen a gázplazma-sterilizálás. A hidrogén-peroxid-gázplazmát úgy állítják elő, hogy elektromos mező segítségével gerjesztik a hidrogén-peroxid-gőzt, ami szabad gyökök képződését eredményezi, amelyek – az ionizáló sugárzásos eljáráshoz hasonlóan – denaturálják a biológiai anyagokat. A hidrogén-peroxid gázplazma hatékonynak bizonyult a prionok ellen, alacsony hőmérsékleten (37–44 °C) működik, és a ciklusideje kevesebb, mint 75 perc [13]. A folyamat áthatolóképessége azonban gyenge, és az általa használt hidrogén-peroxid mérgező, robbanásveszélyes anyag.

Hő

A hősterilizálás a legrégebbi és legegyszerűbb sterilizálási módszer, amely két formában valósul meg: száraz és gőz formájában. A hősterilizálás legfőbb előnyei közé tartozik, hogy képes minden biológiai anyagot (beleértve a prionokat is) elpusztítani, miközben nem hagy hátra szennyező anyagokat vagy maradványokat [14]. A technológia alacsony költségű, mivel kizárólag villamos energiára és vízre van szükség. A hősterilizálás veszélyeinek száma csekély, bár fennáll az égési sérülések kockázata a forró, sterilizált tárgyak kezelésekor. 

A hősterilizálás először a sterilizálandó tárgy külső felületeit érinti, majd befelé terjed, amíg az anyag teljes egészét ki nem sterilizálja. A hő denaturálja a mikroorganizmusokban és a biológiai anyagokban található fehérjéket, és mivel a prionok is fehérjék, a hősterilizálás hatással van rájuk is. A denaturációs folyamat megváltoztatja a hidrogén- és diszulfidkötéseket, valamint a sóhidakat, és megváltoztatja a fehérjék másodlagos, harmadlagos és negyedlagos szerkezetét, így azok biológiai folyamatokra alkalmatlanná válnak [15].

A száraz hősterilizálás során 160 °C és 170 °C közötti hőmérsékletű környezetet hoznak létre, és azt két-négy óraig fenntartják. Ez az idő- és hőmérséklet-kombináció azt jelenti, hogy hőérzékeny anyagok, például műanyagok sterilizálása ezzel a módszerrel az anyag minőségromlása nélkül nem kivitelezhető [16]. A pengéket hagyományosan száraz hővel sterilizálják, mivel fennáll a veszélye, hogy a gőz tompítja őket. Tanulmányok azonban kimutatták, hogy a gőzzel sterilizált rozsdamentes acél pengéknél elhanyagolható mértékű tompulás figyelhető meg [17].

A gőzsterilizálás gyorsabb és kevésbé hőigényes folyamat, mint a száraz hővel történő sterilizálás. A gőz hatékonyabban adja át a hőenergiát, mint a forró levegő, ami azt jelenti, hogy alacsonyabb hőmérséklet (121 °C – 134 °C) és rövidebb idő (3–15 perc) is elegendő a sterilizáláshoz. A víz forráspontja légköri nyomáson 100 °C, ami a sterilizálási folyamathoz túl alacsony hőmérséklet. Ezért a gőzt nyomás alatt kell előállítani, ami a víz forráspontját a szükséges hőmérsékletre emeli. 

Azok a tárgyak, amelyek 134 °C-os vagy alacsonyabb hőmérsékletet bírnak, gőzzel sterilizálhatók, de képesnek kell lenniük a hőmérséklet, a nedvesség és a nyomás együttes hatásának ellenállására. Azok esetében, amelyek képesek erre, a gőzsterilizálás rendkívül hatékony és mélyreható sterilizálási módszer.

Összefoglalás

A sterilizálás végső megítélése nem egyértelmű. A bonyolult kérdések között azonban eligazodni lehet, és megtalálni a megfelelő megoldást, ha a figyelmet elsősorban a szóban forgó tárgyakra és a sterilizálás utáni szükséges állapotukra összpontosítjuk.

A szűrés kiváló választás azok számára, akik korlátozott mennyiségű folyadékot sterilizálnak – különösen olyanokat, amelyek érzékenyek a hőre, a sugárzásra és a kémiai sterilizálásra. A döntéshozatalkor azonban figyelembe kell venni, hogy a szűrés mechanizmusa a mikroorganizmusok inaktiválásához más sterilizálási módszerekre támaszkodik.

A sugárzás, amely különböző behatolási képességű változatokat foglal magában, jó választás hőérzékeny anyagok esetén, feltéve, hogy azok képesek ellenállni a sugárzás káros hatásainak. Bevezetése azonban magas beruházási költséggel jár, és a költséghatékonysága a felhasználás mértékétől függ.

A kémiai sterilizálás – bár toxikológiai, maradékanyag- és logisztikai problémákkal jár, valamint folyamatos fogyóeszköz-költségeket jelent – akkor játszik fontos szerepet, ha a sterilizálandó tárgy nem kompatibilis más sterilizálási technikákkal – például hő- és sugárzásérzékeny szilárd anyagok esetében.

A hőre, nedvességre és – bizonyos mértékben – nyomásra nem érzékeny tárgyak esetében a gőzsterilizálás gyakran a legjobb megoldás, mivel költséghatékony, hatékony és gyors. Ugyanez vonatkozik a hulladékanyagokra is, amelyek esetében a sterilizálás utáni állapot nem jelent problémát. Így az autokláv továbbra is elengedhetetlen berendezés szinte minden laboratóriumban, míg a gőzzel fűtött szennyvízfertőtlenítő rendszerek (EDS) kiváló megoldást nyújtanak azok számára, akik biológiailag aktív folyékony hulladékot kell ártalmatlanítaniuk. Ha további információra van szüksége a gőzalapú hősterilizálásról, vegye fel a kapcsolatot az Astell Scientific céggel a Info@Astell.com címen.  

A sterilizálandó anyag elemzésével meg lehet találni azt a sterilizációs technikát, amely leginkább megfelel az ideális modellnek. A sebesség, a hatékonyság, az anyagkompatibilitás, a nem-toxikusság, az alkalmazkodóképesség és a nyomon követhetőség kombinációja mind értékelhető a szükséges helyzetben, a célanyagban esetlegesen előforduló ellenállás leküzdésének képessége mellett. Természetesen a költséghatékonyság a legtöbb szervezet számára kulcsfontosságú tényező lesz.

Hivatkozások

1. Schneider, P. (1994). Alacsony hőmérsékletű sterilizációs alternatívák az 1990-es években. Tappi Journal; (Egyesült Államok), 77(1).

2. Rutala, William A. és David J. Weber. „Az alacsony hőmérsékletű sterilizációs technológiák klinikai hatékonysága.” Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798–804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (2003. június). Encyclopedia of Life Sciences. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Letöltve: 2017. szeptember 26.

4. Duda, V; Suzina, N; Polivtseva, V; Boronin, A (2012). „Ultramikrobaktériumok: a fogalom kialakulása és az ultramikrobaktériumok hozzájárulása a biológiához”. Microbiology. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (1997. április). „A verrucomicrobiales bakteriális leszármazási vonalhoz tartozó, új anaerob ultramikrobaktériumok, amelyeket hígítási tenyésztéssel izoláltak oxigénmentes rizsföldi talajból”. Alkalmazott és Környezeti Mikrobiológia. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. A gamma-sugárzással történő sterilizálás kockázatai: az érem másik oldala. Int J Med Sci. 2018;15(3):274–279. Megjelent 2018. január 18-án. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q., Sun, Wendell és Connor, J. (2011). Szintetikus és biológiai eredetű biológiai anyagok sterilizálása. Comprehensive Biomaterials. 4. 127–144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J., és az Amerikai Egészségügyi Epidemiológiai Társaság. (2010). Irányelv a prionokkal szennyezett orvosi eszközök fertőtlenítésére és sterilizálására. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107–17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). A prionok fertőzőképességének inaktiválása ionizáló sugárzással. Radiation Physics and Chemistry, 76(11-12), 1760–1762.

10. Simmons, A. (2012). A biológiai anyagok és orvosi eszközök sterilizálásának jövőbeli tendenciái. In: Sterilisation of Biomaterials and Medical Devices (310–320. o.). Woodhead Publishing.

11. Egyesült Államok Munkaügyi Minisztériuma, 2020. Etilén-oxid. [online] Munkahelyi Biztonsági és Egészségvédelmi Hivatal. Elérhető: [Hozzáférés: 2020. szeptember 25.].

12. Nemzeti Biotechnológiai Információs Központ (2020). PubChem vegyületösszefoglaló a CID 6354-hez, etilén-oxid. Letöltve 2020. szeptember 23-án a https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide weboldalról. )

13. Cdc.gov (2020) Hidrogén-peroxid gázplazma | Fertőtlenítési és sterilizálási irányelvek | Irányelv-könyvtár | Fertőzésellenőrzés. Letöltve: 2020. szeptember 27., a https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html weboldalról. 

14. Rogers, W. J. (2012). Biomateriálok és orvostechnikai eszközök gőzzel és száraz hővel történő sterilizálása. In: Biomateriálok és orvostechnikai eszközök sterilizálása (20–55. o.). Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN| Élelmiszer-fehérjék hőkezelése.

16. Vinny R. Sastri (2014). Az orvostechnikai eszközökben használt műanyagokra vonatkozó anyagkövetelmények, a „Műanyagok az orvostechnikai eszközökben” című kiadványban (második kiadás).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L., & Taloumis, L. J. (2002). A gőz- és a szárazhő-sterilizálás hatása a fogszabályozó ligatúra-vágó fogók kopására. American journal of orthodontics and dentofacial orthopedics, 121(5), 467–471.

Először a Labmate UK & Ireland című folyóirat 45. évfolyamának 7. számában jelent meg.