Wie Wasserstoffperoxid Mikroorganismen abtötet: der Oxidationsmechanismus hinter VHP

Verdampftes Wasserstoffperoxid (VHP) wird zur Dekontamination von Isolatoren, Reinräumen und Laboren eingesetzt, weil es ein sehr breites Spektrum von Mikroorganismen einschließlich bakterieller Sporen abtötet und anschließend in Wasser und Sauerstoff zerfällt. Wer den Abtötungsmechanismus versteht, kann die Auslegung der Zyklen nachvollziehen: warum Konzentration und Kontaktzeit wichtig sind, warum Räume zuerst gereinigt werden, warum Kondensation kontrolliert wird und warum Sporen zum Nachweis der Wirksamkeit eines Zyklus dienen.

Die kurze Antwort

Wasserstoffperoxid tötet Mikroorganismen durch Oxidation ab. Es selbst und die daraus entstehenden reaktiven Spezies, vor allem Hydroxylradikale, entziehen Membranlipiden, Proteinen und DNA Elektronen. Sind genügend dieser Strukturen geschädigt, kann die Zelle nicht mehr funktionieren oder sich vermehren. Da es viele Ziele gleichzeitig angreift, entwickeln Mikroorganismen dagegen keine spezifische Resistenz, wie dies bei einem Antibiotikum möglich ist.

Die Chemie

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein Oxidationsmittel. Es reagiert selbst direkt mit einigen Zellbestandteilen, doch ein großer Teil der Schäden entsteht durch die Stoffe, die es innerhalb der Zelle bildet. Zellen enthalten geringe Mengen an freiem Eisen und Kupfer. Diese Metalle reagieren mit Wasserstoffperoxid in der Fenton-Reaktion:

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH⁻ + •OH

Das Hydroxylradikal (•OH) gehört zu den reaktivsten bekannten chemischen Spezies. Es besteht nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde und reagiert mit fast allem in seiner unmittelbaren Nähe. Da die Radikale nahe an Metallionen entstehen, die an DNA und Proteine gebunden sind, verursachen sie ihre Schäden genau an besonders wichtigen Stellen.

Was geschädigt wird

Warum Sporen am schwersten abzutöten sind

Bakterielle Sporen sind auf Überleben ausgelegte Ruheformen. Mehrere Eigenschaften verlangsamen die Wirkung von Wasserstoffperoxid:

• Eine dicke, mehrschichtige Sporenhülle , die mit Oxidationsmitteln reagiert und sie aufnimmt, bevor sie den Kern erreichen.
• Eine geringer Wassergehalt im Kern, der chemische Reaktionen darin begrenzt.
• Kleine säurelösliche Proteine (SASPs) , die an die DNA binden und sie schützen.
• Ein großer Vorrat an Dipicolinsäure , die an Calcium gebunden ist und den Kern stabilisiert.

Da Sporen die widerstandsfähigsten Organismen sind, die VHP abtöten soll, werden sie zum Nachweis der Wirksamkeit eines Zyklus eingesetzt. Sporen von Geobacillus stearothermophilus sind der übliche Bioindikator für VHP. Tötet ein Zyklus eine Population von 10⁶ dieser Sporen an den Worst-Case-Positionen ab, wird erwartet, dass er dort auch weniger widerstandsfähige Organismen abtötet. Siehe wie ein VHP-Zyklus mit Bioindikatoren validiert wird.

Allgemeine Reihenfolge der Widerstandsfähigkeit

In der Desinfektionsliteratur werden Mikroorganismen danach eingestuft, wie schwer sie mit chemischen Mitteln zu inaktivieren sind. Eine vereinfachte Reihenfolge von der höchsten zur geringsten Widerstandsfähigkeit:

Prionen liegen außerhalb des Geltungsbereichs üblicher Wirksamkeitsaussagen zur VHP-Dekontamination und müssen gesondert beurteilt werden.

Katalase, Verschmutzung und Biofilm

Viele Bakterien produzieren Katalase und Peroxidase. Diese Enzyme bauen Wasserstoffperoxid ab, um die Zelle vor den kleinen Mengen zu schützen, die beim normalen Stoffwechsel entstehen. Bei den zur Dekontamination eingesetzten Konzentrationen sind diese Abwehrmechanismen überfordert. Sie bleiben dort relevant, wo Organismen in großer Zahl vorliegen oder geschützt sind:

• Organische Verschmutzungen wie Proteine, Blut oder Kulturmedien reagieren mit Wasserstoffperoxid und verbrauchen es, bevor es die Organismen erreicht.
• Biofilme vereinen hohe Zellzahlen, Katalaseaktivität und eine schützende Matrix.

Deshalb wird VHP auf gereinigten Oberflächen angewendet. Es ist ein abschließender Dekontaminationsschritt und ersetzt die Reinigung nicht.

Dampf oder Flüssigkeit: Wo die Abtötung stattfindet

In einem VHP-Zyklus gelangt Wasserstoffperoxid als Dampf an die Oberflächen. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass ein großer Teil der Abtötung an der Oberfläche stattfindet. Dort adsorbieren Wasserstoffperoxidmoleküle und bilden eine extrem dünne, häufig unsichtbare Schicht aus konzentriertem Wasserstoffperoxid. Hier laufen die Oxidationsreaktionen ab.

Sichtbare Kondensation ist ein anderes Phänomen. Große nasse Flächen führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung, können Materialien schädigen und die Belüftung verlangsamen. Die Zyklusauslegung zielt daher auf eine ausreichende Konzentration an den Oberflächen ohne unkontrollierte Kondensation ab. Einzelheiten finden Sie unter VHP-Konzentration, Feuchte und Kondensation.

Was die Abtötungsgeschwindigkeit bestimmt

Die Zeit, die unter festgelegten Bedingungen benötigt wird, um eine Sporenpopulation um 90% zu reduzieren, ist der D-Wert. Lieferanten von Bioindikatoren geben ihn für ihre Indikatoren an; Zyklusentwickler nutzen ihn, um die Reserve eines Zyklus zu beurteilen.

Nach der Abtötung: Wasser und Sauerstoff

Wasserstoffperoxid zerfällt in Wasser und Sauerstoff:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Während der Belüftung wird der Dampf durch Frischluft entfernt oder über einen Katalysator geleitet, der diesen Abbau beschleunigt. Auf den Oberflächen verbleiben keine toxischen Stoffe. Dies ist einer der Hauptgründe, warum VHP in vielen Einrichtungen Formaldehyd ersetzt hat. Personen dürfen erst wieder eintreten, wenn die gemessene Konzentration unter dem Arbeitsplatzgrenzwert liegt, beispielsweise 1 ppm als Mittelwert über 8 Stunden gemäß OSHA in den USA. Wie Generatoren die einzelnen Phasen durchführen, erfahren Sie unter wie ein VHP-Generator funktioniert.

Was das für die Zyklusauslegung bedeutet

• Zuerst reinigen. Verschmutzungen und Rückstände verbrauchen Wasserstoffperoxid und schützen Organismen.
• Die Luft trocknen. Durch Entfeuchtung bleibt Spielraum für Wasserstoffperoxiddampf, bevor Kondensation einsetzt.
• Messen statt annehmen. Die Konzentration an der Oberfläche und die Zeit bei dieser Konzentration bestimmen das Ergebnis.
• Mit Sporen nachweisen. Bioindikatoren an Worst-Case-Positionen zeigen, ob der Zyklus in Ihrem Raum funktioniert.
• Bis zu einem gemessenen Endpunkt belüften. Der Wiederzutritt richtet sich nach einem Messwert und nicht nach der verstrichenen Zeit.

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Häufige Fragen

Können Mikroorganismen gegen Wasserstoffperoxid resistent werden?
Einige Organismen vertragen es besser als andere, beispielsweise durch Katalase oder Biofilm. Da es viele Zellstrukturen gleichzeitig schädigt, ist eine spezifische erworbene Resistenz, wie sie bei Antibiotika vorkommt, bei Dekontaminationskonzentrationen kein praktisches Problem.

Warum werden Sporen zur Validierung von VHP-Zyklen verwendet?
Sie gehören zu den gegenüber Wasserstoffperoxid widerstandsfähigsten Organismen. Tötet ein Zyklus 10⁶ Geobacillus stearothermophilus in Sporenform an den Worst-Case-Positionen ab, wird erwartet, dass er dort auch weniger widerstandsfähige Organismen abtötet.

Ist Dampf wirksamer als flüssiges Wasserstoffperoxid?
Dampf erreicht Oberflächen gleichmäßiger, auch abgeschattete Bereiche, und hinterlässt weniger Feuchtigkeit. In beiden Fällen hängt die Wirksamkeit von der Konzentration und Kontaktzeit an der Oberfläche ab.

Hinterlässt VHP Rückstände?
Wasserstoffperoxid zerfällt in Wasser und Sauerstoff. Nach der Belüftung wird die Konzentration gemessen, um vor dem Wiederzutritt zu bestätigen, dass sie unter dem Expositionsgrenzwert liegt.

Tötet Wasserstoffperoxid Viren ab?
Ja, sowohl behüllte als auch unbehüllte Viren, indem es ihre Hüllen und Kapsidproteine oxidiert. Unbehüllte Viren sind widerstandsfähiger als behüllte.

Quellen

• McDonnell G, Russell AD. Antiseptics and disinfectants: activity, action, and resistance. Clinical Microbiology Reviews. 1999;12(1):147–179.
• Linley E, Denyer SP, McDonnell G, Simons C, Maillard JY. Use of hydrogen peroxide as a biocide: new consideration of its mechanisms of biocidal action. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2012;67(7):1589–1596.
• Setlow P. Spores of Bacillus subtilis: their resistance to and killing by radiation, heat and chemicals. Journal of Applied Microbiology. 2006;101(3):514–525.
• Norm für Bioindikatoren: ISO 11138-1:2017, Sterilization of health care products — Biological indicators — Teil 1: General requirements
• USP <1229.11> Vapor Phase Sterilization

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