무균 상태 달성 - 멸균 절차 선정.

미생물 및 생물학적 물질의 멸균은 다양한 분야의 실험실에서 실험 및 환경 관리를 위한 필수 조건입니다. 

배양 접시의 무균 상태 확보나 생물학적 격리 구역 유지 등 어떤 용도이든 멸균의 목표는 원치 않는 생물학적 인자를 제거하는 것입니다. 이 목표는 각각 고유한 장단점을 지닌 여러 절차적 경로를 통해 달성할 수 있습니다.

이상적인 멸균 공정은 신속하고 효과적으로 작동하여 미생물 및 프리온과 같은 원치 않는 생물학적 물질을 불활성화해야 합니다. 또한 독성을 최소화하고, 작업자에 대한 건강 위험을 줄이며, 멸균 대상물에 미치는 변화를 최소화하는 동시에 다양한 재질을 수용할 수 있는 최대의 적응성을 제공해야 합니다. 이 절차는 멸균 대상 물질이 보이는 멸균에 대한 물리적 저항도 극복할 수 있어야 합니다. 이 모든 것은 이상적으로 비용 효율적인 방식으로 달성되어야 하며, 이를 통해 일관된 모니터링도 가능해야 한다 [1] [2]. 

그러나 이러한 모든 조건을 동시에 충족시키는 것은 현실적으로 어렵다. 결과적으로, 상황에 따라 필요에 따라 이러한 요소들 중 상당수를 고려하는 것은 부차적인 문제가 되며, 주된 목표는 기능적인 최종 제품에서 무균 상태를 달성하는 것이다. 다음은 일반적으로 사용되는 멸균 방법과 그 장단점에 대한 평가이다.

무균 여과

유동성 물질을 멸균해야 할 경우, 여과는 고려할 만한 옵션 중 하나입니다. 액체나 기체를 멸균 여과막을 통과시키면, 이 막은 막의 기공보다 직경이 큰 모든 입자에 대해 기계적 장벽을 형성합니다. 기공보다 큰 미생물은 여과막 뒤에 걸러져 여과액으로 들어갈 수 없게 됩니다. 

열, 방사선 및 화학적 살균제는 미생물 내 분자와 세포 소기관의 물리적 구조를 변화시키는 방식으로 작용하는데, 이 과정은 더 민감한 물질의 구조적 구성 요소도 변화시킬 수 있습니다. 여과는 이러한 영향을 미치지 않으며, 특정 크기 이상의 입자만을 제거합니다. 따라서 여과는 불안정하거나 반응성이 높은 유체에 대해 타당한 선택지가 됩니다.

다른 살균 방법과 달리 여과는 미생물을 비활성화하지 않으므로, 여과 후 필터와 잔류물은 열 또는 방사선 등의 추가 살균 공정을 거쳐야 합니다.

또한 필터의 기공 크기에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 일반적으로 0.2μm 크기의 기공이 사용되는데, 가장 작은 마이코플라스마의 크기가 약 0.3μm인 점을 고려할 때 이는 대부분의 박테리아를 걸러내는 데 충분합니다. 그러나 초미세박테리아는 0.1μm 미만일 수 있으며[3][4][5], 바이러스와 프리온은 종종 이보다 훨씬 더 작습니다. 공극 크기를 0.001μm로 줄이면 여과액으로 유입되는 미생물 입자의 수를 줄일 수 있지만, 이 경우 여과 가능한 유체의 종류가 점차 제한됩니다. 또한 공극 크기가 작아질수록 처리 시간이 증가하는데, 0.1μm 공극 필터의 유량은 0.2μm 공극 필터에 비해 약 40% 수준에 불과합니다.

방사선

방사선은 다양한 형태로 살균에 활용됩니다. X선, 감마선, 전자빔을 포함한 이온화 방사선 살균제가 대표적입니다. 이러한 기술은 살균 대상 영역 내의 입자를 전자기적으로 여기시켜 자유 라디칼을 방출하게 함으로써 살균을 수행합니다. 이러한 라디칼은 생체 분자(DNA, RNA, 효소 등) 내의 이중 결합과 결합하여 그 형태를 변화시키고 기능을 정지시킴으로써, 이를 포함하고 있는 미생물을 무력화시킵니다. 비이온화 방사선 살균제는 DNA의 염기 사이에 새로운 결합인 피리미딘 이합체를 형성하게 함으로써 작용하며, 이는 이온화 방사선과 마찬가지로 고분자의 구조를 변화시키고 기능을 정지시킵니다. 

이러한 작용 기전으로 인해 방사선 살균제는 플라스틱[6][7] 및 생물학적 물질과 같은 유기 화합물을 분해할 수 있습니다. 안타깝게도 이러한 분해 효과는 프리온에는 미치지 못하며, 프리온은 대체로 너무 안정적이어서 방사선 살균제의 영향을 받지 않습니다.[8] 그러나 일부 연구에서는 감마선을 통해 프리온이 변성될 가능성이 있음을 보여주고 있다는 점은 주목할 만합니다.[9] 

또 다른 중요한 고려 사항은 방사선 살균제의 투과 능력과 처리 시간이 상당히 다양하다는 점입니다.  자외선(UV)은 투명한 물질에만 침투할 수 있으므로 공기나 정제된 역삼투압수에는 효과적인 살균제이지만 불투명한 물질의 경우 표면 살균제로만 제한된다. 자외선의 처리 시간도 X선이나 감마선과 마찬가지로 수 시간에 달할 수 있다. 그러나 X선과 감마선에는 각각 고유한 장점이 있다. 

감마선과 X선은 투과력이 매우 뛰어나, 투과가 불가능한 용기 안에 들어 있는 물체도 살균하는 데 사용할 수 있습니다. 전자빔 살균의 가장 큰 장점은 거의 즉각적으로 살균이 이루어진다는 점입니다. 전자 입자의 투과력이 약하기 때문에 주로 표면 살균제로 사용되지만, 충분한 에너지가 공급된다면 이 역시 물질을 깊숙이 투과할 수 있습니다.

X선, 전자빔, 자외선은 운영 비용이 상대적으로 낮고 전력 효율이 높으나, X선·전자빔·감마선 장비의 초기 투자 비용은 높다[10]. 감마선 살균의 경우, 일반적으로 코발트-60 동위원소로 사용되는 방사선원의 교체와 관련된 지속적인 비용이 발생합니다. 다만, 운영자는 모든 방사선 살균제의 유해한 영향으로부터 항상 보호받아야 하지만, 감마선 살균기에 방사성 물질이 물리적으로 존재하기 때문에 장비 유지보수 시 추가적인 예방 조치가 필요하다는 점을 인식해야 합니다.    

화학적

화학적 살균제는 미생물을 사멸시키는 능력이라는 하나의 공통된 특징을 지닌 다양한 액체 및 가스를 포괄합니다. 이러한 특성 때문에 화학적 살균제는 치명적이지는 않더라도 종종 인체에 유해합니다. 가장 널리 사용되는 화학적 살균제인 에틸렌옥사이드(ethylene oxide)는 단기적으로 두통, 메스꺼움, 구토, 설사, 호흡 곤란, 호흡기 자극, 폐 손상 및 청색증을 유발할 수 있으며, 장기 노출 시 암 발생, 돌연변이 유발 변화, 신경독성 및 과민반응과 관련이 있습니다 [11]. 

에틸렌옥사이드 가스는 단백질, DNA 및 RNA의 알킬화를 통해 살균 작용을 하며, 이로 인해 미생물이 생존 불가능한 상태가 됩니다 [7]. 이러한 반응성은 물류 및 보관 과정에서 추가적인 관리 부담을 발생시킨다. 독성과 가연성을 동시에 가지는 특성으로 인해 에틸렌옥사이드가 별도 보관 시설에 저장되어야 하며, 누출 시 반경 100m의 격리 구역을 설정해야 한다[12]. 

대부분의 화학적 멸균제와 마찬가지로 프리온에는 효과가 없으며 멸균된 표면에 잔류물을 남길 수 있습니다. 또한 멸균 시간이 2~5시간으로 길고, 멸균 후 증기 제거 과정으로 인해 처리 시간은 14시간 이상 소요되는 경우가 많습니다. 그러나 침투력이 뛰어나며, 저온(29–65°C)에서도 작용하고 대부분의 플라스틱과 비반응성을 보인다.  

이 분야에서 또 다른 흥미로운 발전은 가스 플라즈마 멸균법이다. 과산화수소 가스 플라즈마는 전기장을 이용하여 과산화수소 증기를 여기시켜 생성되며, 이로 인해 이온화 방사선 처리 방식과 마찬가지로 생물학적 물질을 변성시키는 자유 라디칼이 발생한다. 과산화수소 가스 플라즈마는 프리온에 대해 효과적인 것으로 입증되었으며, 저온(37~44°C)에서 작동하고, 사이클 시간이 75분 미만입니다 [13]. 그러나 이 공정은 침투력이 떨어지며, 이 공정에 사용되는 과산화수소는 독성이 있고 폭발성 있는 물질입니다.

열

열 멸균은 가장 오래되고 간단한 멸균 방식이며, 건식 멸균과 증기 멸균의 두 가지 형태로 나뉩니다. 열 멸균의 주요 장점으로는 모든 생물학적 물질(프리온 포함)을 파괴하면서도 오염 물질이나 잔류물을 남기지 않는다는 점이 있습니다 [14]. 또한 소모품 비용이 낮고 전기와 물만 소모됩니다. 열 멸균과 관련된 위험은 전반적으로 낮지만, 고온의 멸균 물체를 직접 접촉할 경우 화상의 위험이 있습니다. 

열 멸균은 먼저 멸균 대상 물체의 외부 표면에 작용한 다음, 물질 전체가 멸균될 때까지 내부로 퍼져 나갑니다. 열은 미생물과 생물학적 물질에 존재하는 단백질을 변성시키며, 프리온도 단백질이기 때문에 열 멸균의 영향을 받습니다. 변성 과정은 수소 결합, 이황화 결합 및 염기 결합을 변화시키고, 단백질의 2차, 3차 및 4차 구조를 변형시켜 생물학적 과정에 더 이상 기능하지 못하게 만듭니다 [15].

건열 멸균은 160°C에서 170°C의 환경을 조성하고 이를 2~4시간 동안 유지하는 방식이다. 이러한 시간과 온도의 조합으로 인해, 플라스틱과 같은 열에 민감한 물질을 이 방법으로 멸균할 경우 재료의 열화 없이 멸균을 수행하기는 어렵다 [16]. 칼날의 경우, 증기로 멸균할 경우 날이 무뎌질 수 있다는 우려가 있어 전통적으로 건열을 이용해 멸균해 왔다. 그러나 연구 결과에 따르면, 증기로 멸균한 스테인리스강 칼날의 무뎌짐 현상은 미미한 것으로 나타났다[17].

증기 멸균은 건열 멸균보다 속도가 빠르고 낮은 열을 필요로 합니다. 증기는 뜨거운 공기보다 열 에너지를 더 효과적으로 전달하므로 더 낮은 온도(121°C–134°C)와 짧은 시간(3~15분)만으로도 멸균이 가능합니다. 대기압에서 물의 끓는점은 100°C로 멸균에 필요한 온도를 충족하지 못하므로, 가압 환경을 조성하여 증기의 온도를 상승시켜야 합니다. 

134°C 이하의 열을 견딜 수 있는 물체는 증기로 멸균할 수 있지만, 온도·수분·압력의 복합 조건을 견뎌야 합니다. 이러한 조건을 충족하는 물체의 경우, 증기 멸균은 효과적이고 침투력이 뛰어난 멸균 방식입니다.

요약

멸균 방식의 최종 선택은 여러 변수를 고려해야 하므로 단순하지 않습니다. 그러나 대상 물품의 특성과 멸균 후 요구되는 상태를 면밀히 분석하면 이러한 복잡성을 체계적으로 관리하고 최적의 대안을 도출할 수 있습니다.

여과는 제한된 양의 유체를 멸균해야 하는 경우, 특히 열·방사선·화학적 멸균에 민감한 유체에 적합한 방법입니다. 그러나 여과 방식 자체로는 미생물을 불활성화할 수 없으므로 다른 멸균 방식과 병용해야 한다는 점을 고려해야 합니다.

여러 투과율을 가진 변종을 포괄하는 방사선 멸균은 재료가 열에 민감하면서도 방사선의 유해한 영향을 견딜 수 있는 경우에 적합한 방법입니다. 그러나 설비 구축 비용이 높으며, 비용 효율성을 확보하려면 사용 규모에 따라 달라집니다.

화학 멸균은 독성, 잔류물, 물류 문제 및 지속적인 소모품 비용이 발생하지만, 열·방사선에 민감한 고체 물질 등 다른 멸균 방식과 호환되지 않는 멸균 대상물에 적용될 수 있습니다.

열, 습기, 그리고 어느 정도 압력에 민감하지 않은 물체의 경우, 비용 효율성, 효과성, 속도를 모두 갖춘 증기 살균이 종종 가장 뛰어난 선택으로 떠오릅니다. 살균 후 상태가 중요하지 않은 폐기물의 경우에도 마찬가지입니다. 따라서 오토클레이브는 거의 모든 실험실에서 필수 장비로 남아 있으며, 생물학적 활성 액체 폐기물을 처리해야 하는 곳에는 증기 가열식 폐수 살균 시스템(EDS)이 훌륭한 대안이 됩니다. 증기 기반 열 살균에 대한 자세한 정보가 필요하시면 Info@Astell.com을 통해 Astell Scientific에 문의하십시오.  

멸균 대상 물질을 분석하면 이상적인 모델에 가장 적합한 멸균 기술을 선택할 수 있습니다. 속도, 효능, 재료 호환성, 무독성, 적응성, 모니터링 가능성 등을 필요한 상황에 맞춰 종합적으로 평가할 수 있으며, 대상 물질에서 나타날 수 있는 내성을 극복할 수 있는 능력도 함께 고려해야 합니다. 물론, 대부분의 기관에서 비용 효율성은 핵심 요소가 될 것입니다.

참고 문헌

1. Schneider, P. (1994). 1990년대의 저온 멸균 대안. Tappi Journal;(미국), 77(1).

2. Rutala, William A., 및 David J. Weber. "저온 멸균 기술의 임상적 효과." Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798-804.

3. 카비키올리, 리카르도; 오스트로프스키, 마틴 (2003년 6월). 『생명과학 백과사전』. 네이처 퍼블리싱 그룹. ISBN 9780470015902. 2017년 9월 26일 확인.

4. Duda, V; Suzina, N; Polivtseva, V; Boronin, A (2012). "초미세박테리아: 개념의 형성 및 생물학에 대한 초미세박테리아의 기여". 《미생물학》. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (1997년 4월). "무산소 논 토양에서 희석 배양을 통해 분리된 박테리아 계통인 베루코미크로바이알레스(Verrucomicrobiales) 계통에 속하는 새로운 혐기성 초미세박테리아". 응용 및 환경 미생물학. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. 감마선 멸균 사용의 위험성: 동전의 이면. Int J Med Sci. 2018;15(3):274-279. 2018년 1월 18일 발행. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q & Sun, Wendell & Connor, J. (2011). 합성 및 생물학적 기원의 생체재료 멸균. Comprehensive Biomaterials. 4. 127-144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J., & 미국 의료역학학회. (2010). 프리온에 오염된 의료 기구의 소독 및 멸균 지침. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107-17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). 이온화 복사에 의한 프리온 감염성 불활성화. Radiation Physics and Chemistry, 76(11-12), 1760-1762.

10. Simmons, A. (2012). 생체재료 및 의료기기 멸균의 미래 동향. 『생체재료 및 의료기기의 멸균』(pp. 310-320). Woodhead Publishing.

11. 미국 노동부, 2020. 에틸렌옥사이드. [온라인] 직업안전보건청. 출처: [2020년 9월 25일 접속].

12. 국립생명공학정보센터 (2020). CID 6354, 에틸렌옥사이드에 대한 PubChem 화합물 요약. 2020년 9월 23일 https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide에서 검색함.

13. Cdc.gov (2020) 과산화수소 가스 플라즈마 | 소독 및 멸균 지침 | 지침 라이브러리 | 감염 관리. 2020년 9월 27일 https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html에서 확인함. 

14. Rogers, W. J. (2012). 생체재료 및 의료기기의 증기 및 건열 멸균. 『생체재료 및 의료기기의 멸균』(pp. 20-55)에 수록. Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN| 식품 단백질의 열처리.

16. Vinny R. Sastri (2014). 의료 기기에 사용되는 플라스틱의 재료 요구 사항, 『의료 기기용 플라스틱』(제2판)에 수록.

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L., & Taloumis, L. J. (2002). 증기 멸균과 건열 멸균이 교정용 결찰선 절단 펜치의 마모에 미치는 영향. American journal of orthodontics and dentofacial orthopedics, 121(5), 467-471.

본 논문은 『Labmate UK & Ireland』 제45권 제7호에 처음 게재되었다.