Asepses nodrošināšana — sterilizācijas metodes izvēle.

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

Neatkarīgi no tā, vai tiek nodrošināti aseptiski apstākļi kultūras traukā 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, inaktivējot 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 ļautu arī veikt pastāvīgu uzraudzību [1] [2]. 

Tomēr bieži vien nav praktiski iespējams izpildīt visus šos nosacījumus. Tāpēc daudzu no šiem faktoriem ņemšana vērā bieži vien ir sekundāra, atkarībā no situācijas un nepieciešamības, galvenais mērķis ir panākt aseptiskumu funkcionālā galaproduktā. Turpinājumā ir sniegts vispārpieejamo sterilizācijas metožu novērtējums, to priekšrocības un trūkumi.

Sterilā filtrēšana

Ja jāsterilizē šķidrums, filtrēšana ir viens no apsveramajiem risinājumiem. 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, 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 vienkārši noņem daļiņas, kas pārsniedz noteiktu izmēru. Tādējādi filtrācija ir piemērota nestabilākiem un reaģētspējīgākiem šķidrumiem.

Atšķirībā no citām metodēm filtrēšana neinaktivē mikrobioloģiskos organismus. Tādēļ, lai sterilizētu filtru un atlikumus pēc apstrādes, nepieciešamas citas sterilizācijas procedūras — bieži vien siltums vai starojums.

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 ultramikobaktēriju 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 samazināšanās 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, jonizējošais starojums, tostarp rentgenstari, gamma stari un elektronu kūļi. Šīs tehnoloģijas sterilizē, elektromagnētiski uzbudinot daļiņas sterilizējamajā zonā, liekot tām atbrīvot brīvos radikāļus. Šie radikāli savienojas ar dubultsaiknēm biomolekulās (piemēram, DNS, RNS un fermentos), mainot to formu, pārtraucot to darbību un izraisot to mikroorganismu nefunkcionēšanu, kuros tās atrodas. Nejonizējošā starojuma sterilizatori darbojas, izraisot jaunu saikņu — pirimidīna dimēru — veidošanos starp DNS nukleobāzēm, kas — tāpat kā jonizējošā starojuma gadījumā — maina makromolekulas struktūru un pārtrauc tās darbību. 

Sava darbības mehānisma dēļ starojuma sterilizatori var sadalīt organiskās ķīmiskās vielas, piemēram, plastmasu [6] [7] un bioloģisko materiālu. Diemžēl to sadalošā iedarbība neattiecas uz prioniem, kas pārsvarā ir pārāk stabili, lai uz tiem iedarbotos starojuma sterilizatori. [8] Tomēr ir vērts atzīmēt, ka daži pētījumi liecina par prionu denaturācijas iespēju, izmantojot 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, tāpēc tas ir piemērots sterilizācijas līdzeklis gaisam un attīrītam atgriezeniskās 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 objektus, kas atrodas citādi necaurlaidīgās tvertnēs. Elektronu staru sterilizācijas galvenā priekšrocība ir gandrīz tūlītēja sterilizācija. Bieži to izmanto kā virsmas sterilizācijas līdzekli elektronu daļiņu vājās caurlaidības dēļ – tomēr, ja tiek nodrošināta pietiekama enerģija, arī tie spēj 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 kobalt-60 izotopa, 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, kuriem piemīt viena kopīga iezīme — spēja iznīcināt mikroorganismus. Šo īpašību dēļ tie bieži vien ir kaitīgi cilvēkiem, ja ne pat nāvējoši. Visbiežāk izmantotais ķīmiskais sterilizators — etilēna oksīds — īstermiņā var izraisīt galvassāpes, sliktu dūšu, vemšanu, caureju, elpas trūkumu, elpceļu kairinājumu, plaušu bojājumus un cianozi, savukārt ilgtermiņa iedarbība ir saistīta ar vēža gadījumiem, mutagēnām izmaiņām, neirotoksicitāti un sensibilizāciju [11]. 

Etilēnoksīda gāze sterilizē, alkilējot proteīnus, DNS un RNS, kā rezultātā mikroorganismi kļūst nedzīvotspējīgi [7]. Šis process notiek sakarā ar savienojuma augsto reaktivitāti — īpašību, kas rada loģistikas sarežģījumus. Ņemot vērā tā toksiskumu un uzliesmojamību, ieteicams etilēna oksīdu 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 ir ilgs — no 2 līdz 5 stundām —, bet apstrādes laiks ir vēl garāks; bieži vien tas pārsniedz 14 stundas, jo pēc sterilizācijas ir jānoņem tvaiki. Tomēr tam ir ļoti laba iekļūšanas spēja, tas darbojas zemās temperatūrās (no 29 līdz 65 °C) un nereaģē ar lielāko daļu plastmasu.  

Vēl viens sasniegums šajā jomā ir gāzes plazmas sterilizācija. Ūdeņražskābes peroksīda gāzes plazma rodas, elektriskā lauka iedarbībā uzbudinot ūdeņražskābes 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 senākais un vienkāršākais sterilizācijas veids, un tai ir divas formas – sausa un ar tvaiku. Galvenās siltuma sterilizācijas priekšrocības ietver spēju iznīcināt visus bioloģiskos materiālus (ieskaitot prionus), neatstājot piesārņojumus vai atliekas [14]. Vēl viena priekšrocība ir zemās izmaksas, jo īpaši attiecībā uz palīgmateriāliem: nepieciešama vienīgi elektrība un ūdens. Ar karstuma sterilizāciju saistītie riski 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 bioloģiskajā materiālā 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 vide ar temperatūru no 160 °C līdz 170 °C 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 nodod siltumenerģiju efektīvāk nekā karstais 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 spējīgiem izturēt 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 šajās sarežģītībās un atrast pareizo risinājumu, galveno uzmanību pievēršot konkrētajiem priekšmetiem un to nepieciešamajam stāvoklim pēc sterilizācijas.

Filtrēšana ir lieliska izvēle, ja jāsterilizē ierobežots šķidrumu daudzums – īpaši tie, kas ir jutīgi pret siltumu, starojumu un ķīmisko sterilizāciju. Tomēr lēmumi jāpieņem, apzinoties, ka šīs metodes mehānisms mikroorganismu inaktivēšanai ir atkarīgs no citiem sterilizācijas veidiem.

Apvienojot vairākus variantus ar atšķirīgām caurlaidības spējām, 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 saistīta ar toksicitāti, atlieku veidošanos un loģistikas izaicinājumiem, kā arī pastāvīgām patēriņa materiālu izmaksām, ir sava nozīme situācijās, kad sterilizējamais objekts nav saderīgs ar citām metodēm — piemēram, siltumjutīgi un starojumjutīgi cietie materiāli.

Objektiem, kas nav jutīgi pret siltumu, mitrumu un — zināmā mērā — spiedienu, tvaika sterilizācija bieži vien izrādās izcila izvēle, jo tā nodrošina izmaksu efektivitāti, iedarbīgumu 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 var 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. „Zemtemperatūras 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. septembrī.

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 cilts un ir izdalītas ar atšķaidīšanas kultūru no bezskābekļa rīsu lauku augsnes”. Lietišķā un vides mikrobioloģija. 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. un Amerikas Veselības aprūpes epidemioloģijas biedrība (2010). Vadlīnijas par ar prioniem inficētu medicīnisko instrumentu dezinfekciju un sterilizāciju. „Infect Control Hosp Epidemiol”, 31(2), 107–17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). Prionu infekciozitātes inaktivācija ar jonizējošiem starojumiem. 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: [Piekļūts 2020. gada 25. septembrī].

12. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs (2020). PubChem vielas kopsavilkums par CID 6354, etilēnoksīds. 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 medicīnisko ierīču sterilizācija ar tvaiku un sausu siltumu. Grāmatā „Biomateriālu un medicīnisko 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 sausās siltuma 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.