Đảm bảo vô trùng - Lựa chọn quy trình tiệt trùng.

Việc tiệt trùng vi sinh vật và vật liệu sinh học là điều kiện tiên quyết để kiểm soát cả thí nghiệm lẫn môi trường trong các phòng thí nghiệm thuộc vô số lĩnh vực khác nhau. 

Cho dù là đảm bảo điều kiện vô trùng trong đĩa nuôi cấy hay duy trì khu vực cách ly sinh học, mục tiêu của việc tiệt trùng luôn là loại bỏ các tác nhân sinh học không mong muốn. Mục tiêu này có thể đạt được thông qua nhiều quy trình khác nhau, mỗi quy trình đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Quy trình tiệt trùng lý tưởng cần hoạt động nhanh chóng và hiệu quả, vô hiệu hóa vi sinh vật và vật liệu sinh học không mong muốn như prion. Quy trình này cũng cần đảm bảo mức độ độc tính tối thiểu, giảm thiểu rủi ro sức khỏe cho người vận hành và hạn chế tối đa sự thay đổi đối với các vật thể được tiệt trùng, đồng thời mang lại khả năng thích ứng tối đa — phù hợp với nhiều loại vật liệu khác nhau. Quy trình này cũng cần có khả năng khắc phục mọi sự kháng cự vật lý đối với quá trình tiệt trùng mà các vật liệu cần tiệt trùng có thể thể hiện. Tất cả những điều này lý tưởng nhất nên được thực hiện một cách tiết kiệm chi phí, đồng thời cho phép giám sát liên tục [1] [2]. 

Tuy nhiên, việc đáp ứng đồng thời tất cả các tiêu chí này thường không khả thi. Do đó, việc kết hợp nhiều yếu tố trong số này thường chỉ là mối quan tâm thứ yếu tùy theo tình huống và mức độ cần thiết, trong khi mục tiêu chính là đạt được trạng thái vô trùng trong sản phẩm cuối cùng có chức năng sử dụng. Phần tiếp theo là đánh giá các phương pháp tiệt trùng phổ biến hiện nay, cùng những ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Lọc vô trùng

Nếu cần tiệt trùng chất lỏng, lọc là phương án đáng xem xét. Chất lỏng hoặc khí có thể được đưa qua màng lọc tiệt trùng, tạo thành rào cản cơ học đối với tất cả các hạt có đường kính lớn hơn lỗ rỗng trên màng. Các vi sinh vật có kích thước lớn hơn lỗ rỗng sẽ bị giữ lại phía sau màng lọc, đảm bảo chúng không thể xâm nhập vào dịch lọc. 

Các phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt, bức xạ và hóa chất hoạt động thông qua việc thay đổi cấu trúc vật lý của các phân tử và bào quan bên trong vi sinh vật – một quá trình cũng có thể làm thay đổi các thành phần cấu trúc của các chất nhạy cảm hơn. Lọc không gây ra những tác động như vậy, mà chỉ loại bỏ các hạt có kích thước vượt quá một ngưỡng nhất định. Do đó, lọc là một lựa chọn hợp lý đối với các chất lỏng không ổn định và dễ phản ứng.

Khác với các phương pháp tiệt trùng khác, quá trình lọc không làm bất hoạt các thực thể vi sinh. Do đó, cần phải áp dụng các quy trình tiệt trùng khác – thường là nhiệt hoặc bức xạ – để tiệt trùng màng lọc và cặn bã sau khi xử lý.

Cũng cần phải đặc biệt chú ý đến kích thước lỗ rỗng trên màng lọc. Thông thường, kích thước lỗ rỗng 0,2 μm được sử dụng — và với kích thước của loài mycoplasma nhỏ nhất khoảng 0,3 μm — điều này là đủ để lọc bỏ hầu hết các vi khuẩn. Tuy nhiên, các loài siêu vi khuẩn có thể có kích thước nhỏ hơn 0,1 μm [3] [4] [5], trong khi virus và prion thường còn nhỏ hơn nữa. Việc giảm kích thước lỗ lọc xuống 0,001 μm đảm bảo sẽ có ít vi sinh vật xâm nhập vào dịch lọc hơn, mặc dù điều này ngày càng gây cản trở đối với các chất lỏng có thể được lọc. Việc giảm kích thước lỗ lọc cũng làm tăng thời gian xử lý – bộ lọc có kích thước lỗ 0,1 μm sẽ có tốc độ dòng chảy bằng khoảng 40% so với bộ lọc có kích thước lỗ 0,2 μm.

Bức xạ

Với tư cách là chất khử trùng, bức xạ tồn tại dưới nhiều dạng. Chẳng hạn, các chất khử trùng bằng bức xạ ion hóa bao gồm tia X, tia gamma và chùm tia điện tử. Các công nghệ này thực hiện khử trùng bằng cách kích thích điện từ các hạt trong khu vực cần khử trùng, khiến chúng giải phóng các gốc tự do. Các gốc tự do này kết hợp với các liên kết đôi trong các phân tử sinh học (như DNA, RNA và enzym), làm thay đổi cấu trúc của chúng, ngăn chặn chức năng và dẫn đến việc vô hiệu hóa các vi sinh vật chứa chúng. Các chất khử trùng bằng bức xạ không ion hóa hoạt động bằng cách tạo ra các liên kết mới – dimer pyrimidine – giữa các bazơ nucleotit trong DNA; điều này – tương tự như với bức xạ ion hóa – làm thay đổi cấu trúc của đại phân tử và ngăn chặn chức năng của nó. 

Do cơ chế tác động của mình, các chất khử trùng bằng bức xạ có thể phân hủy các hóa chất hữu cơ như nhựa [6] [7] và vật liệu sinh học. Thật không may, tác động phân hủy của chúng không ảnh hưởng đến prion, vốn vẫn quá ổn định để bị tác động bởi các chất khử trùng bằng bức xạ. [8] Tuy nhiên, cần lưu ý rằng một số nghiên cứu cho thấy khả năng biến tính prion thông qua bức xạ gamma [9]. 

Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là khả năng xuyên thấu và thời gian xử lý của các chất khử trùng bằng bức xạ có sự khác biệt đáng kể.  Ánh sáng cực tím (UV) chỉ có thể xuyên qua các vật liệu trong suốt, điều này khiến nó trở thành phương pháp tiệt trùng phù hợp cho không khí và nước tinh khiết được lọc bằng thẩm thấu ngược, nhưng lại chỉ giới hạn ở việc tiệt trùng bề mặt đối với các chất không trong suốt. Thời gian xử lý của tia UV cũng có thể kéo dài đến hàng giờ, tương tự như trường hợp của tia X và tia gamma. Tuy nhiên, hai phương pháp sau này lại mang đến những ưu điểm riêng. 

Tia gamma và tia X có khả năng xuyên thấu cao, nghĩa là chúng có thể được sử dụng để khử trùng các vật thể được chứa trong các thùng chứa vốn không thấm được. Điểm nổi bật của phương pháp khử trùng bằng chùm tia điện tử là khả năng khử trùng gần như tức thì. Thông thường, phương pháp này được sử dụng như một chất khử trùng bề mặt do khả năng xuyên thấu kém của các hạt điện tử – tuy nhiên, nếu được cung cấp đủ năng lượng, nó cũng có thể thâm nhập sâu vào vật chất.

Chi phí vận hành cho tia X, chùm tia điện tử và tia UV có thể tương đối thấp do hiệu quả sử dụng điện năng. Thiết bị tia X, chùm tia điện tử và tia gamma có chi phí đầu tư ban đầu cao [10]. Khử trùng bằng tia gamma có chi phí liên tục liên quan đến việc thay thế nguồn bức xạ, thường là đồng vị coban-60. Cần lưu ý rằng mặc dù người vận hành luôn phải được bảo vệ khỏi tác động gây hại của tất cả các chất khử trùng bằng bức xạ, nhưng sự hiện diện vật lý của vật liệu phóng xạ trong máy khử trùng bằng tia gamma đồng nghĩa với việc cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa bổ sung trong quá trình bảo trì thiết bị.    

Hóa học

Các chất khử trùng hóa học bao gồm một loạt các chất lỏng và khí có một đặc điểm chung – đó là khả năng tiêu diệt vi sinh vật. Do những đặc tính này, chúng thường gây hại cho con người, thậm chí có thể gây tử vong. Chất khử trùng hóa học được sử dụng phổ biến nhất – ethylene oxide – có thể gây ra các triệu chứng như đau đầu, buồn nôn, nôn mửa, tiêu chảy, khó thở, kích ứng đường hô hấp, tổn thương phổi và tím tái trong ngắn hạn, trong khi việc tiếp xúc lâu dài có liên quan đến các trường hợp ung thư, biến đổi gây đột biến, độc tính thần kinh và quá mẫn [11]. 

Khí ethylene oxide khử trùng thông qua quá trình alkyl hóa protein, DNA và RNA, khiến các vi sinh vật mất khả năng sinh tồn [7]. Quá trình này diễn ra do tính phản ứng cao của hợp chất; một đặc tính dẫn đến những phức tạp về mặt hậu cần. Do tính độc hại và tính dễ cháy của nó, khuyến nghị nên bảo quản ethylene oxide trong một kho riêng biệt — với vùng cách ly bán kính 100m được thiết lập để đề phòng trường hợp rò rỉ [12]. 

Giống như hầu hết các chất khử trùng hóa học, ethylene oxide không có tác dụng đối với prion và có khả năng để lại cặn trên bề mặt đã được khử trùng. Thời gian khử trùng của nó cũng khá dài — từ 2 đến 5 giờ — và thời gian xử lý thậm chí còn lâu hơn; thường vượt quá 14 giờ do phải loại bỏ hơi sau khi khử trùng. Tuy nhiên, chất này có khả năng thâm nhập sâu, hoạt động ở nhiệt độ thấp (từ 29–65°C) và không phản ứng với hầu hết các loại nhựa.  

Một bước tiến thú vị khác trong lĩnh vực này là phương pháp tiệt trùng bằng plasma khí. Plasma khí hydro peroxide được tạo ra bằng cách kích thích hơi hydro peroxide thông qua một điện trường, khiến nó giải phóng các gốc tự do làm biến tính các vật liệu sinh học, tương tự như quy trình sử dụng bức xạ ion hóa. Plasma khí hydro peroxide đã được chứng minh là có hiệu quả đối với prion, hoạt động ở nhiệt độ thấp (37–44°C) và có thời gian chu kỳ dưới 75 phút [13]. Tuy nhiên, quy trình này có khả năng thâm nhập kém và hydro peroxide mà nó sử dụng là một chất độc hại, dễ nổ.

Khử trùng bằng nhiệt

Khử trùng bằng nhiệt là phương pháp khử trùng lâu đời nhất và đơn giản nhất, bao gồm hai hình thức – khử trùng khô và khử trùng bằng hơi nước. Những lợi ích chính của khử trùng bằng nhiệt bao gồm khả năng tiêu diệt toàn bộ vật liệu sinh học (bao gồm cả prion), đồng thời không để lại chất gây ô nhiễm hay cặn dư [14]. Một ưu điểm khác là chi phí vận hành thấp, chủ yếu chỉ yêu cầu điện và nước. Các nguy cơ liên quan đến tiệt trùng bằng nhiệt ở mức tối thiểu, mặc dù vẫn có nguy cơ bị bỏng do tiếp xúc với vật thể vừa được tiệt trùng còn nóng. 

Quá trình tiệt trùng bằng nhiệt tác động lên bề mặt bên ngoài của vật thể cần tiệt trùng trước tiên, sau đó lan dần vào bên trong cho đến khi toàn bộ vật liệu được tiệt trùng hoàn toàn. Nhiệt làm biến tính các protein có trong vi sinh vật và vật liệu sinh học; do prion là một loại protein, nên chúng cũng bị ảnh hưởng bởi quá trình tiệt trùng bằng nhiệt. Quá trình biến tính làm thay đổi các liên kết hydro, liên kết disulfide và cầu muối, đồng thời làm thay đổi cấu trúc thứ cấp, thứ ba và thứ tư của protein, khiến chúng không còn hoạt động trong các quá trình sinh học [15].

Khử trùng bằng nhiệt khô bao gồm việc tạo ra môi trường có nhiệt độ từ 160°C đến 170°C và duy trì nhiệt độ này trong khoảng từ hai đến bốn giờ. Sự kết hợp giữa thời gian và nhiệt độ này có nghĩa là việc khử trùng các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như nhựa bằng phương pháp này là không khả thi nếu không muốn vật liệu bị suy giảm chất lượng [16]. Theo truyền thống, lưỡi dao thường được khử trùng bằng nhiệt khô, do lo ngại rằng hơi nước có thể làm lưỡi dao bị cùn. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưỡi dao bằng thép không gỉ được tiệt trùng bằng hơi nước hầu như không bị cùn [17].

Khử trùng bằng hơi nước là quy trình nhanh hơn và ít tiêu tốn nhiệt hơn so với khử trùng bằng nhiệt khô. Hơi nước truyền năng lượng nhiệt hiệu quả hơn không khí nóng, điều này có nghĩa là có thể sử dụng nhiệt độ thấp hơn (121°C – 134°C) và thời gian ngắn hơn (từ 3 đến 15 phút) để khử trùng. Điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển là 100°C, mức nhiệt độ này quá thấp để thực hiện quy trình tiệt trùng. Do đó, hơi nước phải được tạo ra trong môi trường áp suất cao, giúp nâng điểm sôi của nước lên đến nhiệt độ yêu cầu. 

Các vật thể có thể chịu được nhiệt độ 134°C trở xuống có thể được tiệt trùng bằng hơi nước, nhưng phải có khả năng chịu được sự kết hợp của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất. Đối với những vật thể đáp ứng được điều kiện này, tiệt trùng bằng hơi nước là phương pháp tiệt trùng có hiệu quả cao và khả năng thâm nhập sâu.

Tóm tắt

Kết luận cuối cùng về khử trùng không phải là điều đơn giản. Tuy nhiên, chúng ta hoàn toàn có thể vượt qua những phức tạp này và tìm ra phương án phù hợp bằng cách tập trung chủ yếu vào các vật phẩm cần xử lý cũng như điều kiện yêu cầu của chúng sau khi khử trùng.

Lọc là phương án phù hợp để tiệt trùng lượng chất lỏng hạn chế, đặc biệt là các chất lỏng nhạy cảm với nhiệt, bức xạ và tiệt trùng hóa học. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp này phụ thuộc vào các hình thức tiệt trùng khác để vô hiệu hóa vi sinh vật thông qua cơ chế hoạt động của nó.

Với khả năng xuyên thấu đa dạng tùy theo từng biến thể, bức xạ là phương án phù hợp nếu vật liệu nhạy cảm với nhiệt và có thể chịu được tác động gây hại của nó. Tuy nhiên, việc thiết lập hệ thống này tốn kém và chỉ mang lại hiệu quả về chi phí khi được áp dụng trên quy mô lớn.

Khử trùng bằng hóa chất, mặc dù tiềm ẩn các vấn đề về độc tính, dư lượng và hậu cần, cùng với chi phí vật tư tiêu hao liên tục, vẫn đóng vai trò nhất định khi vật thể cần khử trùng không tương thích với các kỹ thuật khử trùng khác – ví dụ như vật liệu rắn nhạy cảm với nhiệt và bức xạ.

Đối với các vật thể không nhạy cảm với nhiệt, độ ẩm và — ở một mức độ nhất định — áp suất, tiệt trùng bằng hơi nước thường là lựa chọn tối ưu về chi phí, hiệu quả và tốc độ. Điều này cũng áp dụng cho chất thải, trong trường hợp tình trạng của chúng sau khi tiệt trùng không phải là vấn đề đáng lo ngại. Do đó, nồi hấp vẫn là thiết bị thiết yếu đối với hầu hết các phòng thí nghiệm, trong khi các hệ thống khử nhiễm nước thải bằng hơi nước (EDS) là giải pháp hiệu quả dành cho những đơn vị cần xử lý chất thải lỏng có hoạt tính sinh học. Vui lòng liên hệ với Astell Scientific qua địa chỉ Info@Astell.com nếu quý vị cần thêm thông tin về phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt dựa trên hơi nước.  

Thông qua việc phân tích vật liệu cần tiệt trùng, có thể xác định được kỹ thuật tiệt trùng phù hợp nhất với mô hình lý tưởng. Sự kết hợp giữa tốc độ, hiệu quả, tính tương thích với vật liệu, tính không độc hại, khả năng thích ứng và khả năng giám sát đều có thể được đánh giá cho từng tình huống cụ thể, cùng với khả năng khắc phục bất kỳ sự kháng cự nào có thể xuất hiện ở vật liệu mục tiêu. Tất nhiên, hiệu quả về chi phí sẽ là yếu tố then chốt tại hầu hết các tổ chức.

Tài liệu tham khảo

1. Schneider, P. (1994). Các phương pháp tiệt trùng nhiệt độ thấp thay thế trong thập niên 1990. Tạp chí Tappi; (Hoa Kỳ), 77(1).

2. Rutala, William A., và David J. Weber. “Hiệu quả lâm sàng của các công nghệ tiệt trùng nhiệt độ thấp.” Infection Control & Hospital Epidemiology 19.10 (1998): 798-804.

3. Cavicchioli, Ricardo; Ostrowski, Martin (tháng 6 năm 2003). Bách khoa toàn thư về Khoa học Đời sống. Nature Publishing Group. ISBN 9780470015902. Truy cập ngày 26 tháng 9 năm 2017.

4. Duda, V; Suzina, N; Polivtseva, V; Boronin, A (2012). “Ultramicrobacteria: Sự hình thành khái niệm và đóng góp của ultramicrobacteria đối với sinh học”. Tạp chí Vi sinh học. 81 (4): 379–390. doi:10.1134/s0026261712040054. 

5. Janssen, Peter; Schuhmann, Alexandra; Mörschel, Erhard; Rainey, Frederick (tháng 4 năm 1997). "Loài vi khuẩn kỵ khí siêu nhỏ mới thuộc dòng họ Verrucomicrobiales được phân lập bằng phương pháp nuôi cấy pha loãng từ đất ruộng lúa thiếu oxy". Tạp chí Vi sinh học Ứng dụng và Môi trường. 63 (4): 1382–1388. PMC 168432.

6. Harrell CR, Djonov V, Fellabaum C, Volarevic V. Những rủi ro khi sử dụng phương pháp tiệt trùng bằng bức xạ gamma: Mặt trái của vấn đề. Tạp chí Khoa học Y tế Quốc tế. 2018;15(3):274-279. Xuất bản ngày 18 tháng 1 năm 2018. doi:10.7150/ijms.22644. 

7. Qiu, Q.-Q., Sun, Wendell và Connor, J. (2011). Khử trùng vật liệu sinh học có nguồn gốc tổng hợp và sinh học. Vật liệu sinh học toàn diện. Tập 4. Trang 127-144. 10.1016/B978-0-08-055294-1.00248-8.

8. Rutala, W. A., Weber, D. J., & Hiệp hội Dịch tễ học Chăm sóc Sức khỏe Hoa Kỳ. (2010). Hướng dẫn khử trùng và tiệt trùng các dụng cụ y tế bị nhiễm prion. Infect Control Hosp Epidemiol, 31(2), 107-17.

9. Gominet, M., Vadrot, C., Austruy, G., & Darbord, J. C. (2007). Vô hiệu hóa khả năng lây nhiễm của prion bằng tia ion hóa. Radiation Physics and Chemistry, 76(11-12), 1760-1762.

10. Simmons, A. (2012). Xu hướng tương lai trong việc tiệt trùng vật liệu sinh học và thiết bị y tế. Trong cuốn Tiệt trùng vật liệu sinh học và thiết bị y tế (tr. 310-320). Nhà xuất bản Woodhead.

11. Bộ Lao động Hoa Kỳ, 2020. Ethylene Oxide. [trực tuyến] Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp. Truy cập tại: [Truy cập ngày 25 tháng 9 năm 2020].

12. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia (2020). Tóm tắt hợp chất PubChem cho CID 6354, Ethylene oxide. Truy cập ngày 23 tháng 9 năm 2020 từ https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ethylene-oxide. )

13. Cdc.gov (2020) Plasma khí hydro peroxide | Hướng dẫn khử trùng và tiệt trùng | Thư viện hướng dẫn | Kiểm soát nhiễm trùng. Truy cập ngày 27 tháng 9 năm 2020, từ https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/disinfection/sterilization/hydrogen-peroxide-gas.html. 

14. Rogers, W. J. (2012). Khử trùng vật liệu sinh học và thiết bị y tế bằng hơi nước và nhiệt khô. Trong cuốn Khử trùng vật liệu sinh học và thiết bị y tế (trang 20-55). Nhà xuất bản Woodhead.

15. Mauer, L. (2003). PROTEIN| Xử lý nhiệt đối với protein trong thực phẩm.

16. Vinny R. Sastri (2014). Yêu cầu về vật liệu đối với nhựa được sử dụng trong thiết bị y tế, trong cuốn “Nhựa trong thiết bị y tế” (Ấn bản thứ hai).

17. Vendrell, R. J., Hayden, C. L., & Taloumis, L. J. (2002). Ảnh hưởng của phương pháp tiệt trùng bằng hơi nước so với nhiệt khô đối với mức độ mài mòn của kìm cắt dây buộc chỉnh nha. Tạp chí Chỉnh nha và Chỉnh hình răng mặt Hoa Kỳ, 121(5), 467-471.

Được xuất bản lần đầu trên tạp chí Labmate UK & Ireland, Tập 45, Số 7.