Comment le peroxyde d’hydrogène tue les micro-organismes : le mécanisme d’oxydation du VHP
Le peroxyde d’hydrogène vaporisé (VHP) est utilisé pour décontaminer les isolateurs, les salles propres et les laboratoires, car il tue un très large éventail de micro-organismes, y compris les spores bactériennes, puis se décompose en eau et en oxygène. Comprendre son action permet d’expliquer la conception des cycles : pourquoi la concentration et le temps de contact comptent, pourquoi les locaux sont nettoyés au préalable, pourquoi la condensation est maîtrisée et pourquoi les spores servent à prouver l’efficacité d’un cycle.
La réponse en bref
Le peroxyde d’hydrogène tue les micro-organismes par oxydation. Il retire, tout comme les espèces réactives qu’il génère, principalement les radicaux hydroxyle, des électrons aux lipides membranaires, aux protéines et à l’ADN. Lorsque suffisamment de ces structures sont endommagées, la cellule ne peut plus fonctionner ni se multiplier. Comme il attaque de nombreuses cibles simultanément, les micro-organismes ne développent pas de résistance spécifique à son égard comme ils peuvent le faire face à un antibiotique.
La chimie
Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est un oxydant. Il réagit directement avec certains constituants cellulaires, mais une grande partie des dommages provient de ce qu’il produit à l’intérieur de la cellule. Les cellules contiennent de petites quantités de fer et de cuivre libres. Ces métaux réagissent avec le peroxyde d’hydrogène selon la réaction de Fenton :
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH− + •OH
Le radical hydroxyle (•OH) est l’une des espèces chimiques les plus réactives connues. Il ne subsiste qu’une infime fraction de seconde et réagit avec presque tout ce qui se trouve à proximité. Comme les radicaux se forment près d’ions métalliques liés à l’ADN et aux protéines, ils provoquent leurs dommages aux endroits les plus critiques.
Ce qui est endommagé
| Cible | Ce qui se passe | Conséquence pour la cellule |
|---|---|---|
| Lipides membranaires | Peroxydation lipidique : les acides gras insaturés sont oxydés au cours d’une réaction en chaîne. | La membrane devient perméable et perd le contrôle des échanges entre la cellule et son environnement. |
| Protéines et enzymes | Les acides aminés soufrés (groupements thiol de la cystéine, méthionine) sont oxydés ; les protéines se déplient ou forment des liaisons croisées. | Les enzymes cessent de fonctionner ; le transport et la production d’énergie sont défaillants. |
| ADN et ARN | Les bases sont oxydées et les brins se rompent. | La cellule ne peut plus copier ses gènes ni se réparer. |
| Capsides et enveloppes virales | Les protéines de capside et les enveloppes lipidiques sont oxydées. | Le virus ne peut plus se fixer aux cellules hôtes ni y pénétrer. |
| Tunique sporale et protéines de germination | La tunique protectrice est endommagée et les protéines nécessaires à la germination sont inactivées. | La spore ne peut plus redevenir une cellule en croissance. |
Pourquoi les spores sont les plus difficiles à tuer
Les spores bactériennes sont des formes dormantes adaptées à la survie. Plusieurs caractéristiques ralentissent l’action du peroxyde d’hydrogène :
- Une épaisse tunique sporale multicouche qui réagit avec les oxydants et les absorbe avant qu’ils n’atteignent le cœur.
- Un faible teneur en eau dans le cœur, qui y limite les réactions chimiques.
- De petites protéines acido-solubles (SASPs) qui se lient à l’ADN et le protègent.
- Une importante réserve de l’acide dipicolinique lié au calcium, qui stabilise le cœur.
Les spores étant les organismes les plus résistants que le VHP est censé tuer, elles servent à prouver l’efficacité d’un cycle. Les spores de Geobacillus stearothermophilus constituent l’indicateur biologique habituel pour le VHP. Si un cycle tue une population de 106 de ces spores aux emplacements les plus défavorables, il devrait également y tuer les organismes moins résistants. Voir comment un cycle VHP est validé à l’aide d’indicateurs biologiques.
Ordre général de résistance
La littérature sur la désinfection classe les micro-organismes selon la difficulté à les inactiver avec des agents chimiques. Voici un ordre simplifié, des plus résistants aux moins résistants :
| Groupe | Exemples | Raison |
|---|---|---|
| Spores bactériennes | Geobacillus, Bacillus, Clostridioides | Tunique, cœur sec, ADN protégé |
| Mycobactéries | Mycobacterium de différentes espèces | Paroi cellulaire cireuse, riche en lipides |
| Virus non enveloppés | Norovirus, adénovirus | Capside protéique robuste, sans couche lipidique |
| Champignons | Moisissures et leurs spores, levures | Parois cellulaires épaisses ; les spores de moisissures sont résistantes |
| Bactéries végétatives | Staphylococcus, E. coli | En croissance active, moins protégées |
| Virus enveloppés | Virus grippaux, coronavirus | Enveloppe lipidique fragile |
Les prions ne sont pas couverts par les allégations habituelles de décontamination VHP et nécessitent une évaluation distincte.
Catalase, souillures et biofilm
De nombreuses bactéries produisent de la catalase et de la peroxydase, des enzymes qui décomposent le peroxyde d’hydrogène pour protéger la cellule des petites quantités produites par le métabolisme normal. Aux concentrations utilisées pour la décontamination, ces défenses sont dépassées. Elles restent importantes lorsque les organismes sont très nombreux ou protégés :
- Les souillures organiques , telles que les protéines, le sang ou les milieux de culture, réagissent avec le peroxyde d’hydrogène et le consomment avant qu’il n’atteigne les organismes.
- Les biofilms associent un grand nombre de cellules, une activité catalase et une matrice protectrice.
C’est pourquoi le VHP est appliqué sur des surfaces nettoyées. Il s’agit d’une étape finale de décontamination, qui ne remplace pas le nettoyage.
Vapeur ou liquide : où se produit l’inactivation
Dans un cycle VHP, le peroxyde d’hydrogène arrive sous forme de vapeur. Les recherches suggèrent qu’une grande partie de l’inactivation se produit à la surface, où les molécules de peroxyde d’hydrogène s’adsorbent et forment une couche extrêmement fine, souvent invisible, de peroxyde d’hydrogène concentré. C’est là que se déroulent les réactions d’oxydation.
La condensation visible est un autre phénomène. Les grandes zones mouillées rendent la répartition irrégulière, peuvent endommager les matériaux et ralentir l’aération. La conception du cycle vise donc une concentration suffisante aux surfaces sans condensation incontrôlée. Pour plus de détails, voir Concentration de VHP, humidité et condensation.
Ce qui détermine la vitesse d’inactivation
| Critère | Effet | Prise en compte dans le cycle |
|---|---|---|
| Concentration | Une concentration plus élevée à la surface entraîne une oxydation plus rapide. | Débit d’injection et surveillance par un capteur de peroxyde d’hydrogène. |
| Temps de contact | L’inactivation augmente avec la durée d’exposition à une concentration donnée. | Une phase d’exposition (maintien) définie. |
| Humidité | La vapeur d’eau entre en concurrence avec le peroxyde d’hydrogène et déplace le point de condensation. | Déshumidification avant l’injection. |
| Température | Influe sur la quantité de vapeur que l’air peut contenir et sur les endroits où elle se condense ; les points froids condensent en premier. | Température stable de la pièce ou de l’enceinte. |
| État de surface | Les souillures et le biofilm consomment le peroxyde d’hydrogène et protègent les organismes. | Nettoyage avant la décontamination. |
| Matériaux et charge | Certains matériaux absorbent ou décomposent le peroxyde d’hydrogène. | Configurations de charge testées lors du développement du cycle. |
Le temps nécessaire pour réduire une population de spores de 90% dans des conditions définies est la valeur D. Les fournisseurs d’indicateurs biologiques l’indiquent pour leurs indicateurs, et les concepteurs de cycles l’utilisent pour évaluer la marge d’un cycle.
Après l’inactivation : eau et oxygène
Le peroxyde d’hydrogène se décompose en eau et en oxygène :
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Pendant l’aération, la vapeur est éliminée par de l’air neuf ou passe sur un catalyseur qui accélère cette décomposition. Aucune substance toxique ne reste sur les surfaces, ce qui explique en grande partie pourquoi le VHP a remplacé le formaldéhyde dans de nombreuses installations. Le retour des personnes n’est autorisé que lorsque la concentration mesurée est inférieure à la limite d’exposition professionnelle, par exemple 1 ppm en moyenne sur 8 heures selon OSHA aux États-Unis. Pour savoir comment les générateurs gèrent chaque phase, voir comment fonctionne un générateur VHP.
Conséquences pour la conception du cycle
- Nettoyer d’abord. Les souillures et les résidus consomment le peroxyde d’hydrogène et protègent les organismes.
- Sécher l’air. La déshumidification laisse une marge pour la vapeur de peroxyde d’hydrogène avant le début de la condensation.
- Mesurer, sans supposer. La concentration à la surface et la durée à cette concentration déterminent le résultat.
- Le prouver avec des spores. Les indicateurs biologiques aux emplacements les plus défavorables montrent si le cycle fonctionne dans votre espace.
- Aérer jusqu’à un point final mesuré. Le retour des personnes repose sur une mesure, et non sur le temps écoulé.
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Questions fréquentes
Les micro-organismes peuvent-ils devenir résistants au peroxyde d’hydrogène ?
Certains organismes le tolèrent mieux que d’autres, par exemple grâce à la catalase ou au biofilm. Comme il endommage de nombreuses structures cellulaires simultanément, une résistance acquise spécifique du type observé avec les antibiotiques ne constitue pas un problème pratique aux concentrations de décontamination.
Pourquoi utilise-t-on des spores pour valider les cycles VHP ?
Elles font partie des organismes les plus résistants au peroxyde d’hydrogène. Si un cycle tue 106 Geobacillus stearothermophilus à l’état de spores aux emplacements les plus défavorables, il devrait également y tuer les organismes moins résistants.
La vapeur est-elle plus efficace que le peroxyde d’hydrogène liquide ?
La vapeur atteint les surfaces plus uniformément, y compris les zones masquées, et laisse moins d’humidité. Dans les deux cas, l’efficacité dépend de la concentration et du temps de contact à la surface.
Le VHP laisse-t-il des résidus ?
Le peroxyde d’hydrogène se décompose en eau et en oxygène. Après l’aération, la concentration est mesurée pour confirmer qu’elle est inférieure à la limite d’exposition avant le retour des personnes.
Le peroxyde d’hydrogène tue-t-il les virus ?
Oui, les virus enveloppés comme les virus non enveloppés, par oxydation de leurs enveloppes et des protéines de capside. Les virus non enveloppés sont plus résistants que les virus enveloppés.
Références
- 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.
- Norme sur les indicateurs biologiques : ISO 11138-1:2017, Sterilization of health care products — Biological indicators — Partie 1 : General requirements
- USP <1229.11> Vapor Phase Sterilization
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