Стерилизация VHP · Принципы

Как перекись водорода уничтожает микроорганизмы: механизм окисления при VHP

Fenggu Pharmaceutical Equipment · Стерилизация VHP и контроль контаминации

Парообразную перекись водорода (VHP) используют для деконтаминации изоляторов, чистых помещений и лабораторий, поскольку она уничтожает очень широкий спектр микроорганизмов, включая бактериальные споры, а затем разлагается на воду и кислород. Понимание механизма уничтожения помогает объяснить принципы построения циклов: почему важны концентрация и время контакта, зачем помещения предварительно очищают, почему контролируют конденсацию и почему для подтверждения эффективности цикла используют споры.

Краткий ответ

Перекись водорода уничтожает микроорганизмы путём окисления. Она и образующиеся из неё активные частицы, главным образом гидроксильные радикалы, отнимают электроны у мембранных липидов, белков и ДНК. Когда повреждено достаточно таких структур, клетка больше не может функционировать или размножаться. Поскольку воздействие одновременно направлено на множество мишеней, у микроорганизмов не развивается специфическая устойчивость к ней, как это бывает с антибиотиком.

Химические основы

Перекись водорода (H₂O₂) — окислитель. Она непосредственно реагирует с некоторыми компонентами клетки, но значительная часть повреждений обусловлена веществами, которые образуются из неё внутри клетки. Клетки содержат небольшие количества свободного железа и меди. Эти металлы реагируют с перекисью водорода в реакции Фентона:

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH⁻ + •OH

Гидроксильный радикал (•OH) — одна из самых реакционноспособных известных химических частиц. Он существует лишь ничтожную долю секунды и реагирует почти со всем, что находится рядом. Поскольку радикалы образуются вблизи ионов металлов, связанных с ДНК и белками, повреждения возникают именно в наиболее значимых местах.

Что повреждается

Мишень	Что происходит	Последствие для клетки
Мембранные липиды	Перекисное окисление липидов: ненасыщенные жирные кислоты окисляются в цепной реакции.	Мембрана становится проницаемой и теряет контроль над поступлением веществ в клетку и их выходом.
Белки и ферменты	Серосодержащие аминокислоты (тиольные группы цистеина, метионин) окисляются; белки разворачиваются или образуют поперечные сшивки.	Ферменты перестают работать; нарушаются транспорт веществ и выработка энергии.
ДНК и РНК	Основания окисляются, а цепи разрываются.	Клетка не может копировать свои гены или восстанавливаться.
Вирусные капсиды и оболочки	Белки капсида и липидные оболочки окисляются.	Вирус больше не может прикрепляться к клеткам хозяина или проникать в них.
Оболочка споры и белки прорастания	Защитная оболочка повреждается, а белки, необходимые для прорастания, инактивируются.	Спора не может снова превратиться в растущую клетку.

Почему споры уничтожить труднее всего

Бактериальные споры — покоящиеся формы, приспособленные к выживанию. Несколько особенностей замедляют действие перекиси водорода:

Толстая многослойная оболочка споры , которая реагирует с окислителями и поглощает их до того, как они достигнут ядра споры.
Одно содержание воды в ядре споры, ограничивающее химические реакции внутри него.
Малые кислоторастворимые белки (SASPs) , которые связывают и защищают ДНК.
Большой запас дипиколиновой кислоты , связанной с кальцием, что стабилизирует ядро споры.

Поскольку споры — наиболее устойчивые организмы, которые предполагается уничтожать с помощью VHP, их используют для подтверждения эффективности цикла. Споры Geobacillus stearothermophilus обычно служат биологическим индикатором для VHP. Если цикл уничтожает популяцию из 10⁶ таких спор в точках наихудших условий, ожидается, что менее устойчивые организмы в этих точках также будут уничтожены. См. как цикл VHP валидируют с помощью биологических индикаторов.

Общая последовательность устойчивости

В литературе по дезинфекции микроорганизмы ранжируют по трудности их инактивации химическими средствами. Упрощённая последовательность от наиболее к наименее устойчивым:

Группа	Примеры	Зачем
Бактериальные споры	Geobacillus, Bacillus, Clostridioides	Оболочка, сухое ядро споры, защищённая ДНК
Микобактерии	Mycobacterium различных видов	Восковидная клеточная стенка, богатая липидами
Безоболочечные вирусы	Норовирус, аденовирус	Прочный белковый капсид, отсутствие липидного слоя
Грибы	Плесневые грибы и их споры, дрожжи	Толстые клеточные стенки; споры плесневых грибов устойчивы
Вегетативные бактерии	Staphylococcus, E. coli	Активно растут, менее защищены
Оболочечные вирусы	Вирусы гриппа, коронавирусы	Непрочная липидная оболочка

Прионы не входят в область стандартных заявлений об эффективности деконтаминации VHP и требуют отдельной оценки.

Каталаза, загрязнения и биоплёнка

Многие бактерии вырабатывают каталазу и пероксидазу — ферменты, расщепляющие перекись водорода для защиты клетки от небольших её количеств, образующихся при нормальном обмене веществ. При концентрациях, используемых для деконтаминации, эти защитные механизмы не справляются. Однако они по-прежнему имеют значение там, где организмы присутствуют в больших количествах или защищены:

Органические загрязнения , такие как белки, кровь или питательные среды, реагируют с перекисью водорода и расходуют её до того, как она достигнет организмов.
Биоплёнки сочетают большое количество клеток, активность каталазы и защитный матрикс.

Поэтому VHP применяют на очищенных поверхностях. Это заключительный этап деконтаминации, а не замена очистке.

Пар или жидкость: где происходит уничтожение

В цикле VHP перекись водорода поступает в виде пара. Исследования показывают, что значительная часть микроорганизмов погибает на поверхности, где молекулы перекиси водорода адсорбируются и образуют чрезвычайно тонкий, часто невидимый слой концентрированной перекиси водорода. Именно там происходят реакции окисления.

Видимая конденсация — другое явление. Большие влажные участки делают распределение неравномерным, могут повреждать материалы и замедлять аэрацию. Поэтому при разработке цикла стремятся обеспечить достаточную концентрацию на поверхностях без неконтролируемой конденсации. Подробности см. в статье Концентрация VHP, влажность и конденсация.

Что определяет скорость уничтожения

Фактор	Влияние	Как это учитывается в цикле
Концентрация	Более высокая концентрация на поверхности означает более быстрое окисление.	Скорость подачи и контроль с помощью датчика перекиси водорода.
Время контакта	Степень уничтожения возрастает с увеличением времени выдержки при данной концентрации.	Заданная фаза экспозиции (выдержки).
Влажность	Водяной пар конкурирует с перекисью водорода и смещает точку конденсации.	Осушение перед подачей.
Температура	Влияет на то, сколько пара может удерживать воздух и где он конденсируется; холодные участки конденсируют первыми.	Стабильная температура помещения или замкнутого объёма.
Состояние поверхности	Загрязнения и биоплёнка расходуют перекись водорода и защищают организмы.	Очистка перед деконтаминацией.
Материалы и загрузка	Некоторые материалы поглощают или разлагают перекись водорода.	Схемы загрузки, испытанные при разработке цикла.

Время, необходимое для снижения популяции спор на 90% в заданных условиях, называется D-значением. Поставщики биологических индикаторов указывают его для своих индикаторов, а разработчики циклов используют для оценки запаса эффективности цикла.

После уничтожения: вода и кислород

Перекись водорода разлагается на воду и кислород:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

При аэрации пар удаляют свежим воздухом или пропускают через катализатор, ускоряющий это разложение. На поверхностях не остаётся токсичных веществ, что является одной из основных причин, по которым VHP заменил формальдегид на многих объектах. Повторный вход разрешается только после измерения, подтверждающего концентрацию ниже предела профессионального воздействия, например 1 ppm в среднем за 8 часов по нормам OSHA в США. О том, как генераторы выполняют каждую фазу, см. как работает генератор VHP.

Что это означает для разработки цикла

Сначала очистка. Загрязнения и остатки расходуют перекись водорода и защищают организмы.
Осушайте воздух. Осушение оставляет запас для пара перекиси водорода до начала конденсации.
Измеряйте, не полагайтесь на предположения. Результат определяют концентрация на поверхности и время выдержки при этой концентрации.
Подтверждайте эффективность спорами. Биологические индикаторы в точках наихудших условий показывают, работает ли цикл в вашем помещении.
Проводите аэрацию до измеряемого конечного значения. Повторный вход разрешают по показаниям прибора, а не по истечении времени.

Мобильный стерилизатор помещений VHP Fenggu — Мобильный стерилизатор помещений VHP выполняет осушение, подачу, выдержку и аэрацию в рамках единого контролируемого цикла.

Оборудование VHP Fenggu

Fenggu производит мобильные стерилизаторы помещений VHP, системы VHP, интегрированные с ОВК, рециркуляционные генераторы VHP и генераторы VHP с вакуумными импульсами, передаточные окна VHP и шлюзы. Системы рассчитаны на снижение количества бактериальных спор на 6 log; фактическая эффективность устанавливается протоколом и отчётом о валидации для каждого проекта.

Всё оборудование VHP: стерилизаторы и генераторы VHP.

Частые вопросы

Могут ли микроорганизмы стать устойчивыми к перекиси водорода?
Некоторые организмы переносят её лучше других, например благодаря каталазе или биоплёнке. Поскольку она одновременно повреждает множество клеточных структур, специфическая приобретённая устойчивость, подобная наблюдаемой при действии антибиотиков, при концентрациях для деконтаминации не представляет практической проблемы.

Почему для валидации циклов VHP используют споры?
Они относятся к организмам, наиболее устойчивым к перекиси водорода. Если цикл уничтожает 10⁶ Geobacillus stearothermophilus в форме спор в точках наихудших условий, ожидается, что менее устойчивые организмы там также будут уничтожены.

Пар эффективнее жидкой перекиси водорода?
Пар достигает поверхностей более равномерно, включая затенённые участки, и оставляет меньше влаги. В обоих случаях эффективность зависит от концентрации и времени контакта на поверхности.

Оставляет ли VHP остаточные вещества?
Перекись водорода разлагается на воду и кислород. После аэрации измеряют концентрацию, чтобы перед повторным входом подтвердить её снижение ниже предела воздействия.

Уничтожает ли перекись водорода вирусы?
Да, как оболочечные, так и безоболочечные вирусы, окисляя их оболочки и белки капсида. Безоболочечные вирусы устойчивее оболочечных.

Литература

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.
Стандарт на биологические индикаторы: ISO 11138-1:2017, Sterilization of health care products — Biological indicators — Часть 1: General requirements
USP <1229.11> Vapor Phase Sterilization