Asepses nodrošināšana — sterilizācijas metodes izvēle.

Mikroorganismu un bioloģisko materiālu sterilizācija ir priekšnoteikums gan eksperimentu veikšanai, gan vides kontrolei laboratorijās neskaitāmās disciplīnās. 

Neatkarīgi no tā, vai tiek nodrošināti aseptiski apstākļi kultūras šķīvī vai tiek uzturēta bioloģiskās drošības zona, sterilizācijas mērķis vienmēr ir nevēlamo bioloģisko aģentu iznīcināšana. Šo mērķi var sasniegt, izmantojot dažādas procedūras, katrai no kurām ir savas priekšrocības un trūkumi.

Ideālam sterilizācijas procesam jābūt ātram un efektīvam, deaktivējot mikroorganismus un nevēlamus bioloģiskos materiālus, piemēram, prionus. Tam jānodrošina arī minimāla toksicitāte, veselības riski operatoriem un izmaiņas sterilizētajos objektos, vienlaikus nodrošinot maksimālu pielāgojamību — piemērotību dažādiem materiāliem. Procedūrai jāspēj pārvarēt arī jebkādu fizisko pretestību pret sterilizāciju, ko izrāda sterilizējamie materiāli. Ideālā gadījumā tas viss būtu jāsasniedz rentabli, kas vienlaikus ļautu veikt pastāvīgu uzraudzību [1] [2]. 

Tomēr praktiski reti kad ir iespējams izpildīt visus šos nosacījumus vienlaicīgi. Tāpēc daudzu no šiem faktoriem iekļaušana bieži vien ir otršķirīga, atkarībā no situācijas un nepieciešamības, galvenais mērķis ir panākt funkcionāla gala produkta aseptiskumu. Turpmāk ir sniegts vispārpieejamo sterilizācijas metožu novērtējums, to priekšrocības un trūkumi.

Sterilā filtrēšana

Ja jāsterilizē šķidrs materiāls, kā viena no apsveramajām iespējām ir filtrēšana. Šķidrumu vai gāzi var vadīt caur sterilizējošu filtra membrānu, kas veido mehānisku barjeru visām daļiņām, kuru diametrs pārsniedz membrānas poru diametru. Mikroorganismi, kas ir lielāki par porām, paliek aiz filtra, tādējādi nodrošinot, ka tie nevar iekļūt filtrātā. 

Siltums, starojums un ķīmiskie sterilizatori maina mikroorganismu molekulu un organeļu fizikālo struktūru, kas var ietekmēt arī jutīgākas vielas. Filtrācijai nav šādas ietekmes, tā tikai noņem daļiņas, kas pārsniedz noteiktu izmēru. Tādējādi filtrācija ir piemērota nestabilākiem un reaģētspējīgākiem šķidrumiem.

Atšķirībā no citām metodēm filtrēšana neinaktivē mikrobioloģiskās vienības. Tādēļ, lai sterilizētu filtru un atlikumus pēc apstrādes, nepieciešamas citas sterilizācijas procedūras — bieži vien siltuma vai starojuma izmantošana.

Liela uzmanība jāpievērš arī poru izmēram filtrā. Bieži tiek izmantots poru izmērs 0,2 μm — un, ņemot vērā, ka mazākā mikoplazma ir apmēram 0,3 μm liela, — tas ir pietiekams, lai atfiltrētu lielāko daļu baktēriju. Tomēr ultramikrobaktēriju izmērs var būt mazāks par 0,1 μm [3] [4] [5], savukārt vīrusi un prioni bieži vien ir vēl mazāki. Poru izmēra samazināšana līdz 0,001 μm nodrošina, ka filtrātā var iekļūt mazāk mikrobioloģisko vienību, lai gan tas arvien vairāk ierobežo šķidrumu klāstu, kurus var filtrēt. Poru izmēra samazināšana arī palielina apstrādes laiku — filtrs ar 0,1 μm porām nodrošinās aptuveni 40 % no plūsmas ātruma, kāds ir filtram ar 0,2 μm porām.

Starojums

Kā sterilizācijas līdzeklis starojums var būt dažādās formās. Piemēram, jonizējošā starojuma sterilizatori, tostarp rentgenstari, gamma stari un elektronu kūļi. Šīs tehnoloģijas sterilizē, elektromagnētiski uzbudinot daļiņas sterilizējamajā zonā, liekot tām atbrīvot brīvos radikāļus. Šie radikāli savienojas ar dubultsaitēm biomolekulās (piemēram, DNS, RNS un fermentos), mainot to formu, pārtraucot to darbību un padarot mikroorganismus, kuros tie atrodas, nedzīvotspējīgus. Nejonizējošā starojuma sterilizatori darbojas, izraisot jaunu saišu — pirimidīna dimēru — veidošanos starp DNS nukleobāzēm, kas — tāpat kā jonizējošā starojuma gadījumā — maina makromolekulas struktūru un pārtrauc tās darbību. 

Sakarā ar to darbības mehānismu starojuma sterilizatori var noārdīt organiskās ķīmiskās vielas, piemēram, plastmasu [6] [7] un bioloģisko materiālu. Diemžēl to noārdījošā iedarbība neattiecas uz prioniem, kuri pārsvarā ir pārāk stabili, lai uz tiem iedarbotos starojuma sterilizatori. [8] Tomēr ir vērts atzīmēt, ka daži pētījumi liecina par iespēju denaturēt prionus ar gamma starojumu [9]. 

Vēl viens svarīgs apsvērums ir tas, ka starojuma sterilizatoru caurlaidības spēja un apstrādes laiki ievērojami atšķiras.  Ultravioletais starojums (UV) spēj iekļūt tikai caurspīdīgos materiālos, kas to padara par piemērotu sterilizācijas līdzekli gaisam un attīrītam apgrieztās osmozes ūdenim, taču necaurspīdīgu vielu gadījumā tas darbojas tikai kā virsmas sterilizators. UV apstrādes laiks var ilgt pat vairākas stundas, tāpat kā rentgenstariem un gamma starojumam. Tomēr šīm divām pēdējām metodēm ir savas priekšrocības. 

Gammas un rentgenstariem piemīt ļoti liela caurlaidība, kas nozīmē, ka tos var izmantot, lai sterilizētu priekšmetus, kas atrodas citādi necaurlaidīgās tvertnēs. Elektronu staru sterilizācijas galvenā priekšrocība ir gandrīz momentāna sterilizācija. Bieži to izmanto kā virsmas sterilizācijas līdzekli elektronu daļiņu vājās caurlaidības dēļ – tomēr, ja tiek nodrošināta pietiekama enerģija, arī tie var dziļi iekļūt vielā.

Rentgenstaru, elektronu staru un UV sterilizācijas ekspluatācijas izmaksas var būt salīdzinoši zemas, un visām šīm metodēm raksturīga efektīva elektroenerģijas izmantošana. Rentgenstaru, elektronu staru un gamma starojuma iekārtām ir augstas sākotnējās iegādes izmaksas [10]. Gammas staru sterilizācijai ir pastāvīgas izmaksas, kas saistītas ar starojuma avota, parasti izotopa kobalt-60, nomaiņu. Tomēr jāņem vērā, ka, lai gan operatoriem vienmēr jānodrošina aizsardzība pret visu sterilizācijas starojumu kaitīgo ietekmi, radioaktīvo materiālu fiziskā klātbūtne gammas sterilizatoros nozīmē, ka ierīces apkopes laikā jāievēro papildu piesardzības pasākumi.    

Ķīmiskie

Ķīmiskie sterilizatori aptver plašu šķidrumu un gāzu klāstu, kam piemīt viena kopīga iezīme — spēja iznīcināt mikroorganismus. Šo īpašību dēļ tie bieži vien ir kaitīgi cilvēkiem, ja ne pat nāvējoši. Visbiežāk izmantotais ķīmiskais sterilizators — etilēnoksīds — īstermiņā var izraisīt galvassāpes, sliktu dūšu, vemšanu, caureju, elpas trūkumu, elpošanas ceļu kairinājumu, plaušu bojājumus un cianozi, savukārt ilgtermiņa iedarbība ir saistīta ar vēža gadījumiem, mutagēnām izmaiņām, neirotoksicitāti un sensibilizāciju [11]. 

Etilēnoksīda gāze sterilizē, alkilējot olbaltumvielas, DNS un RNS, kā rezultātā mikroorganismi kļūst nedzīvotspējīgi [7]. Šis process notiek sakarā ar savienojuma augsto reaktivitāti; šī īpašība rada loģistikas sarežģījumus. Ņemot vērā tā toksiskumu un uzliesmojamību, ieteicams etilēnoksīdu uzglabāt atsevišķā noliktavā — ar 100 m rādiusa izolācijas zonu, kas izveidota noplūdes gadījumam [12]. 

Tāpat kā lielākā daļa ķīmisko sterilizatoru, etilēna oksīds nav efektīvs pret prioniem un var atstāt atliekas uz sterilizētajām virsmām. Sterilizācijas process ilgst no 2 līdz 5 stundām, bet apstrādes laiks bieži pārsniedz 14 stundas, jo pēc sterilizācijas ir jānoņem tvaiki. Tomēr tam ir ļoti laba iespiešanās spēja, tas darbojas zemās temperatūrās (29–65 °C) un nereaģē ar lielāko daļu plastmasu.  

Vēl viens sasniegums šajā jomā ir gāzes plazmas sterilizācija. Ūdeņraža peroksīda gāzes plazma rodas, elektriskā lauka ietekmē uzbudinot ūdeņraža peroksīda tvaikus, kas izraisa brīvo radikāļu veidošanos, kuri denaturē bioloģiskos materiālus, tāpat kā jonizējošā starojuma procedūrā. Ir pierādīts, ka ūdeņraža peroksīda gāzes plazma ir efektīva pret prioniem, darbojas zemās temperatūrās (37–44 °C) un tās cikla ilgums ir mazāks par 75 minūtēm [13]. Tomēr šim procesam ir vāja iekļūšanas spēja, un ūdeņraža peroksīds, uz kuru tas balstās, ir toksiska, sprādzienbīstama viela.

Siltums

Siltuma sterilizācija ir senākā un vienkāršākā metode, kas pieejama divās formās – sausā un tvaika. Galvenās siltuma sterilizācijas priekšrocības ietver spēju iznīcināt visu bioloģisko materiālu (ieskaitot prionus), neatstājot nekādus piesārņotājus vai atliekas [14]. Vēl viena priekšrocība ir zemās izmaksas, jo īpaši attiecībā uz palīgmateriāliem: nepieciešama vienīgi elektrība un ūdens. Ar siltuma sterilizāciju saistītie apdraudējumi arī ir nelieli, lai gan pastāv apdegumu risks, pieskaroties karstiem sterilizētiem priekšmetiem. 

Siltuma iedarbība vispirms notiek uz sterilizējamā priekšmeta ārējām virsmām, pēc tam izplatās uz iekšpusi, līdz viss materiāls ir sterilizēts. Siltums denaturē mikroorganismos un bioloģiskajos materiālos esošās olbaltumvielas, un, tā kā prioni ir olbaltumvielas, arī uz tiem iedarbojas termiskā sterilizācija. Denaturācijas process maina ūdeņraža un disulfīda saites, kā arī sāļu tiltiņus, un izmaina olbaltumvielu sekundāro, terciāro un kvartāro struktūru, padarot tās nederīgas bioloģiskajiem procesiem [15].

Sausās siltuma sterilizācijas procesā tiek radīta 160 °C līdz 170 °C liela temperatūra un uzturēta divas līdz četras stundas. Šī laika un temperatūras kombinācija nozīmē, ka ar šo metodi nav iespējams sterilizēt siltumjutīgus materiālus, piemēram, plastmasu, neizraisot materiāla degradāciju [16]. Asmeņus tradicionāli sterilizē ar sausu siltumu, jo pastāv bažas, ka tvaiks var tos padarīt neass. Pētījumi liecina, ka ar tvaiku sterilizētiem nerūsējošā tērauda asmeņiem asuma zudums ir niecīgs [17].

Sterilizācija ar tvaiku ir ātrāks un mazāk siltumietilpīgs process nekā sterilizācija ar sausu siltumu. Tvaiks siltumenerģiju pārnes efektīvāk nekā karsts gaiss, kas nozīmē, ka sterilizācijai var izmantot zemāku temperatūru (121 °C – 134 °C) un īsāku laiku (3 līdz 15 minūtes). Ūdens viršanas temperatūra atmosfēras spiedienā ir 100 °C, kas ir pārāk zema sterilizācijas procesam. Tādēļ tvaiks jāģenerē paaugstināta spiediena apstākļos, lai paaugstinātu ūdens viršanas temperatūru līdz nepieciešamajai vērtībai. 

Priekšmetus, kas var izturēt temperatūru līdz 134 °C, var sterilizēt ar tvaiku, taču tiem jābūt izturīgiem pret temperatūras, mitruma un spiediena kombināciju. Priekšmetiem, kas to spēj, sterilizācija ar tvaiku ir ļoti efektīva un dziļi iedarbīga sterilizācijas metode.

Kopsavilkums

Galīgais secinājums par sterilizāciju nav vienkāršs. Taču ir iespējams orientēties šajā sarežģītajā jautājumā un atrast pareizo risinājumu, galveno uzmanību pievēršot konkrētajiem priekšmetiem un to nepieciešamajam stāvoklim pēc sterilizācijas.

Filtrēšana ir lieliska izvēle, ja jāsterilizē neliels šķidrumu daudzums – īpaši tie, kas ir jutīgi pret karstumu, starojumu un ķīmisko sterilizāciju. Tomēr lēmumi jāpieņem, apzinoties, ka šī metode ir atkarīga no citiem sterilizācijas veidiem, lai neitralizētu mikroorganismus, kas varētu palikt pēc filtrēšanas.

Apvienojot vairākus variantus ar atšķirīgu caurlaidības spēju, starojums ir laba izvēle, ja materiāli ir jutīgi pret siltumu un spēj izturēt tā kaitīgo iedarbību. Tomēr tā ieviešana ir dārga, un, lai tā būtu rentabla, ir atkarīga no izmantošanas apjoma.

Ķīmiskajai sterilizācijai, lai gan tā ir saistīta ar toksicitāti, atliekvielām un loģistikas problēmām, kā arī ar pastāvīgām izmaksām par patēriņa materiāliem, ir sava nozīme gadījumos, kad sterilizējamais objekts nav saderīgs ar citām sterilizācijas metodēm – piemēram, siltumjutīgs un starojumjutīgs cietais materiāls.

Objektiem, kas nav jutīgi pret siltumu, mitrumu un — zināmā mērā — spiedienu, tvaika sterilizācija bieži vien ir izcila izvēle, jo tā nodrošina izmaksu efektivitāti, efektivitāti un ātrumu. Tas attiecas arī uz atkritumiem, kuru stāvoklis pēc sterilizācijas nav svarīgs. Tādējādi autoklāvs joprojām ir neaizstājams aprīkojums gandrīz visās laboratorijās, savukārt ar tvaiku sildāmās notekūdeņu dekontaminācijas sistēmas (EDS) ir lieliska izvēle tiem, kam jāutilizē bioloģiski aktīvi šķidrie atkritumi. Ja vēlaties saņemt vairāk informācijas par tvaika sterilizāciju, sazinieties ar „Astell Scientific” pa e-pastu Info@Astell.com.  

Analizējot sterilizējamos materiālus, var atrast metodi, kas vislabāk atbilst ideālajam modelim. Konkrētajai situācijai var novērtēt ātruma, efektivitātes, materiālu saderības, netoksiskuma, pielāgojamības un uzraudzības iespēju kombināciju, kā arī spēju pārvarēt jebkādu pretestību, kas varētu būt mērķa materiālā. Protams, izmaksu efektivitāte būs galvenais faktors lielākajā daļā organizāciju.

Atsauces

1. Schneider, P. (1994). Zemas temperatūras sterilizācijas alternatīvas 1990. gados. Tappi Journal; (ASV), 77(1).

2. Rutala, William A., un David J. Weber. „Zemas temperatūras sterilizācijas tehnoloģiju klīniskā efektivitāte.” Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798–804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (2003. gada jūnijs). Encyclopedia of Life Sciences. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Atsauce: 2017. gada 26. septembris.

4. Duda, V.; Suzina, N.; Polivtseva, V.; Boronin, A. (2012). „Ultramikrobaktērijas: jēdziena veidošanās un ultramikrobaktēriju ieguldījums bioloģijā”. „Microbiology”. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (1997. gada aprīlis). „Jaunas anaerobās ultramikrobaktērijas, kas pieder pie Verrucomicrobiales dzimtas un ir izdalītas ar atšķaidīšanas kultūru no bezskābekļa rīsu lauka augsnes“. „Applied and Environmental Microbiology“. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. Gamma starojuma sterilizācijas izmantošanas riski: medaļas otra puse. Int J Med Sci. 2018;15(3):274–279. Publicēts 2018. gada 18. janvārī. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q., Sun, Wendell un Connor, J. (2011). Sintētiskas un bioloģiskas izcelsmes biomateriālu sterilizācija. Comprehensive Biomaterials. 4. 127–144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J., & Amerikas Veselības aprūpes epidemioloģijas biedrība. (2010). Vadlīnijas prioniem inficētu medicīnisko instrumentu dezinfekcijai un sterilizācijai. „Infect Control Hosp Epidemiol”, 31(2), 107–17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). Prionu infekciozitātes inaktivācija ar jonizējošo starojumu. Radiation Physics and Chemistry, 76(11-12), 1760–1762.

10. Simmons, A. (2012). Nākotnes tendences biomateriālu un medicīnisko ierīču sterilizācijā. Grāmatā „Biomateriālu un medicīnisko ierīču sterilizācija” (310.–320. lpp.). Woodhead Publishing.

11. ASV Darba departaments, 2020. Etilēna oksīds. [tiešsaistē] Darba drošības un veselības aizsardzības administrācija. Pieejams: [Apskatīts 2020. gada 25. septembrī].

12. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs (2020). PubChem savienojuma kopsavilkums par CID 6354, etilēna oksīds. Atsauce 2020. gada 23. septembrī no https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide. )

13. Cdc.gov (2020) Ūdeņraža peroksīda gāzes plazma | Dezinfekcijas un sterilizācijas vadlīnijas | Vadlīniju bibliotēka | Infekciju kontrole. Atsauce 2020. gada 27. septembrī no https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html. 

14. Rogers, W. J. (2012). Biomateriālu un medicīnas ierīču sterilizācija ar tvaiku un sausu siltumu. Grāmatā „Biomateriālu un medicīnas ierīču sterilizācija” (20.–55. lpp.). Woodhead Publishing.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN| Pārtikas proteīnu termiskā apstrāde.

16. Vinny R. Sastri (2014). Materiālu prasības medicīniskajās ierīcēs izmantotajiem plastmasas materiāliem, grāmatā „Plastmasas materiāli medicīniskajās ierīcēs” (2. izdevums).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L., & Taloumis, L. J. (2002). Tvaika un sausā karstuma sterilizācijas ietekme uz ortodontisko ligatūru griešanas knaibļu nodilumu. „American journal of orthodontics and dentofacial orthopedics”, 121(5), 467–471.

Pirmoreiz publicēts žurnālā „Labmate UK & Ireland”, 45. sējums, 7. numurs.