Инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи (ИСМП), представляют собой глобальную проблему, и в среднем около 9% пациентов больниц страдают от развития и тяжелого течения инфекционных осложнений [1]. Особенную актуальность проблема ИСМП приобрела в последние 2—3 года в связи с пандемическим распространением коронавирусной инфекции, так как вирус SARS-CoV-2 существенно нарушает иммунный профиль пациента и регуляцию гомеостаза как в остром периоде инфекции, так и в последующий период реконвалесценции [2, 3]. Негативное воздействие на психоэмоциональное и патофизиологическое состояние зачастую необратимое или даже летальный исход — все эти факторы становятся взаимосвязанными и подчас определяющими, если причина их возникновения сопряжена с развитием внутрибольничных инфекций [4, 5].
Около полувека назад в Университете Темпл (Филадельфия, Пенсильвания) был опубликован документ, обосновывающий грамотный подход и упрощенный характер процесса дезинфекции, классифицированный в соответствии с риском заражения на «критические», «полукритические» и «некритические» категории [6]. После проведенных уточнений и доработок данная классификация была с успехом принята большинством практикующих врачей и внедрена в обязательный комплекс мероприятий по предупреждению развития и циркуляции внутрибольничной инфекции. Эта терминология используется в руководствах Guidelines for Environmental Infection Control in Healthcare Facilities и в Guideline for Disinfection and Sterilization in Healthcare Facilities [7], курсе дезинфектологии для студентов медицинских вузов России [8, 9] и методических рекомендациях для клинической практики [10].
В подавляющем количестве проведенных исследований в нашей стране и за рубежом документально подтверждали факт того, что существуют серьезные недочеты, а в ряде случаев и невыполнение мероприятий по дезинфекции и стерилизации [11], что довольно удивительно в век достоверных научно-обоснованных рекомендаций.
Асептические и антисептические мероприятия, строгость к подходу их реализации, а также тщательная деконтаминационная обработка материалов и устройств медицинского назначения — эффективный и работающий подход к минимизации риска развития внутригоспитальных инфекций. Одна из основных задач — безопасность пациентов, и микробиологическая контаминация как основополагающий фактор и причина микробного загрязнения при промышленном и фармацевтическом производстве остается первостепенной проблемой [12].
Поэтому есть определенная аксиома по выполнению данного комплекса мероприятий:
— очистка — это физическое удаление органических компонентов или загрязнений с объектов, которое выступает предшествующим обязательным этапом для последующей дезинфекции и стерилизации [10]. Обычно это делается с использованием воды с моющими средствами или без них. И основной акцент, который необходимо учитывать, что процесс физического удаления микроорганизмов — это не процесс их уничтожения;
— дезинфекция — это цикличное и последовательное выполнение мероприятий, способствующих уничтожению патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Служит одним из основных этапов на пути к стерилизационным мероприятиям, при этом являясь не полным, а избирательным процессом уничтожения патогенных микроорганизмов, что существенно отличается от стерилизации [12];
— стерилизация — уничтожение всех микроорганизмов в веществе и на поверхности стерилизуемого объекта. Необходимо создание таких условий (режима воздействия, экспозиции), которые обеспечивают полное обеспложивание объектов от жизнеспособных форм микробов, включая уничтожение вирусов, кислотоустойчивых и спорообразующих видов бактерий [13, 14].
Медицинская дезинфектология и область разработки соответствующих медицинских устройств для стерилизации и дезинфекции развивалась в целом в направлении по разработке инновационных решений с более совершенными, экологически чистыми и возобновляемыми материалами. Этот новый виток материальных решений, к примеру, часто связан с применением природных или синтетических полимеров, чувствительных к высоким температурам и существенно подверженных деградации. В каждой стране должны быть специализированные регулирующие органы, которые несут ответственность за обеспечение качества и безопасности на каждом этапе разработки лекарственных средств и медицинских изделий, с прозрачной достоверностью результатов эффективности полученной научной информации [15—17].
В последние несколько лет широкое применение получили материалы (преимущественно полимеры), пригодные для создания различных биосовместимых изделий. Применение в медицине — один из основных векторов по их использованию, но учитывая факт того, что технологический прогресс в данной отрасли только недавно начал интенсивно выходить на подъем, расширенное исследование не только технологических процессов их изготовления, но и обязательное изучение их взаимодействий с биологическими средами, сохранность структуры при проведении стерилизационных мероприятий остаются главенствующими задачами, решение которых повысит ответственность по обеспечению их безопасного и безвредного использования [18]. Большинство препаратов, которые используются для парентерального введения, должны иметь гарант стерильности, соответствующий 10–6 (SAL6), что требует дополнительного метода стерилизации для выполнения требований законодательства [19].
Данный промышленный стандарт по гарантированной стерильности является общепринятым для большинства медицинских устройств и материалов, которые должны быть полностью деконтаминированными. Уровень гарантии стерильности — SAL6 — определяется как наличие одной из миллионов вероятности того, что данный продукт все еще загрязнен после стерилизационной обработки, если исходная бионагрузка составляет 106 колониеобразующих единиц (КОЕ) [19, 20].
Подобные требования справедливы и для офтальмологической области. В частности, для растворов, применяемых в офтальмологии, способ стерилизации регламентируется в зависимости от термоустойчивости лекарственных компонентов, входящих в состав данных растворов, и определяется приказом Минздрава РФ №214 от 16.07.97 [21].
Насыщенный пар/сухое тепло, оксид этилена (ОЭ) и гамма-облучение являются наиболее часто промышленно используемыми методами стерилизации и при этом единственными, одобренными регулирующими органами. Общеустановленные методы деконтаминирующего воздействия могут способствовать различным физическим, химическим и иным архитектурным изменениям, которые могут повлиять на исходные свойства материалов, в частности из тех групп, которые чувствительны к температурным, химическим и радиационным агентам [22]. Обычно те методы, которые на данный момент используются для достижения показателя стерильности повсеместно, не рекомендуются для стерилизации почти половины биоматериалов [23].
Поэтому в соответствии с рекомендациями контролирующих агентств (Food and Drug Administration — FDA, США), наиболее подходящий метод стерилизации — терминальный процесс (терминальная стерилизация), который проводится в конечном контейнере. Терминальная стерилизация запечатанных упаковок, содержащих медицинские препараты, биоматериалы и тканевые аллотрансплантаты, может быть предпочтительным методом стерилизации особенно для дорогостоящих изделий с низким объемом производства, что также соответствует правилам стандарта GMP [24]. Немаловажной остается и проблема сохранности общеприменимого медицинского инструментария, который используется при большинстве медицинских манипуляций.
Цель исследования — провести аналитическую оценку качественных характеристик и выявить преимущества процесса обработки материалов и инструментов медицинского назначения с применением углекислого газа в сверхкритическом и субсверхкритическом состоянии по сравнению с другими регулируемыми методами стерилизации.
Материал и методы
Проведен аналитический обзор данных мировой литературы по рассматриваемой теме на основе изучения базы данных Scopus за 20 лет — с 2000 по 2020 г. (https://www.scopus.com), электронных каталогов Web of Science (https://www.webofknowledge.com), MedLine и PubMed (https://www.nlm.nih.gov/bsd/medline.html), в российском каталоге научной электронной библиотеки (https://www.elibrary.ru), а также рассмотрены официальные документы на сайтах Роспотребнадзора (www.rospotrebnadzor.ru) и Министерства здравоохранения Российской Федерации (www.rosminzdrav.ru) за 2010—2020 гг.
При поисковых словосочетаниях sterilization, supercritical fluid, carbon dioxide, high-pressure carbon dioxide, inactivation mechanism, spore inactivation; peracetic acid, ethylene oxide, gamma irradiation, steam sterilization: scCO2 treatment в поисковом режиме Title — Abstract — Keywords в приведенных информационно-аналитических базах данных по состоянию на 2020 г. были найдены 867 научных статей и публикаций, рассматривающих проблемы стерилизации и дезинфекции с использованием современных регулируемых технологий, включая использование диоксида углерода в сверхкритическом и субсверхкритическом состоянии. Поиск был произведен одновременно в названии публикации, в аннотации, в ключевых словах. Из данных публикаций в просмотре и ручной сортировке составлен общий массив из 44 публикации, которые представлены и проанализированы в настоящем обзоре литературы.
Результаты и обсуждение
Аналитический обзор данных литературы показал, что золотым стандартом в учреждениях здравоохранения для металлических медицинских изделий является использование насыщенного пара под давлением (автоклавирование) и сухого жара, который во всем мире с успехом применяется на протяжении длительного времени почти во всех лечебных учреждениях [18]. Требования для достижения и последующего контроля стерилизационных мероприятий закреплены в нормативных документах Международной организации по стандартизации (ISO): ISO 17665-1:2006 (в настоящее время пересматривается и будет заменен на ISO/CD 17665); ISO 20857:2010 [25]. Данные документы устанавливают требования к многоступенчатому контролю стерилизационных мероприятий при использовании насыщенного пара или сухого жара в качестве основного действующего агента, т.е. автоклавирование или его аналоги, реализованные в том или ином режиме. Методы, которые позволяют контролировать заданный режим обработки и экспозицию, получили название регулируемых [10, 12, 20, 25].
Сравнительная характеристика современных регулируемых методов стерилизации
Автоклавирование или его аналоги, реализованные в том или ином режиме, основаны на использовании насыщенного пара, пара под давлением или сухого жара в качестве основного действующего агента. Для стерилизации паром обычно используются высокие температуры (>120 °C) и влажность. Автоклав — герметично закрывающийся аппарат, состоящий из водопаровой и стерилизующей камер. В нем реализуется обработка паром под давлением. При использовании имеющейся возможности амплитудного регулирования давления возможно уменьшать время стерилизации. Наиболее распространенный режим — 2 атм., 121 °C, в течение 15—20 мин. В данных условиях гибель микроорганизмов происходит в считанные секунды, но при существующем понимании «поля безопасности» (рассчитанного на возможное отклонение от заданных параметров при работе автоклава) материал обрабатывается в течение большего времени. В соответствии с вышеперечисленными стандартами время экспозиции выдерживается в пределах 15—30 мин, что позволяет с большой долей уверенности полагать, что произошло уничтожение устойчивых бактерий. Анализируя данные нормативных документов по автоклавированию, можно констатировать тот факт, что данные методы нельзя применять к чувствительным к теплу и влаге материалам.
Использование термостойких материалов для изготовления большинства медицинских инструментов, имплантов и прочих изделий позволяет прибегнуть к стерилизации сухим жаром, что обусловлено наибольшей долей заявленной эффективности (сухожаровой шкаф — печь Пастера).
Однако для повышения биосовместимости медицинских инструментов при их производстве используется напыление с применением оксидных сплавов, и высокая температура обработки может привести к преждевременной коррозии металла. По мнению C.C. Shih и соавт. (2010) [26], частая обработка паром может спровоцировать механические изменения в инструменте — образование трещин и щелей, которые в свою очередь приводят к попаданию тяжелых металлов в организм человека [26, 27]. В отношении полимеров этот метод может быть использован только для политетрафторэтилена (тефлона) и силиконовой резины, но для подавляющего большинства подобного рода материалов использование сухого жара недопустимо [28, 29].
Сухожаровая стерилизация имеет ряд преимуществ, которые существенно повышают ее конкурентоспособность перед применением насыщенного пара, так как в процессе реализации данного метода используется минимальное количество воды или не используется вовсе. По мнению W.J. Rogers, этот метод стерилизации может быть применен для термостабильных материалов (хирургических и диагностических устройств), лекарственных препаратов и суспензий в неводных растворителях, порошкообразных соединениях, масел и масляных инъекций [30].
Однако почти каждая применяемая промышленная методика стерилизации имеет ряд недостатков и ограничений по использованию. Современные методы стерилизации: C2H4O (оксид этилена), гамма-излучение, электронный луч, пар и плазма с перекисью водорода имеют ограничения в отношении их биомедицинского применения. На рубеже нового тысячелетия исследователями было отмечено, что в ряде случаев после обработки медицинских изделий наблюдается изменение структуры и характеристик материалов, особенно выраженное при применении стерилизационных мероприятий в отношении термически и гидролитически чувствительных полимеров [31, 32]. В дополнение к присущим каждому методу ограничениям несколько методов представляют опасность для окружающей среды из-за химической или физической природы стерилизующего агента [33].
При использовании пероксидной плазмы водорода (ППВ) происходит высвобождение в больших количествах свободных радикалов (необходимы для достижения эффективной стерилизации), однако по результатам исследований Q. Huang эти свободные радикалы могут неблагоприятно реагировать с химическими свойствами стерилизованного материала и разрушать металлические сплавы [33].
Эффективность применения методики с использованием пероксидной плазмы водорода зависит от сочетания таких факторов, как температура, влажность, концентрация, экспозиция. Канцерогенность этого химического вещества и продуктов его реакции вызывает много споров и разногласий. Токсичные остаточные уровни применения ППВ и побочных продуктов реакций подразумевают проведение длительных этапов аэрации или процесса промывки, что способствует удалению любого остаточного агента ППВ и его побочных продуктов перед его дальнейшим использованием [34]. Присущая токсичность, легковоспламеняемость и взрывоопасность — все эти характеристики справедливы для данной методики, с ними связано ее достаточно ограниченное применение. Более того, по результатам исследования, проведенного P.M. Grogan, были обнародованы данные о связи с развитием аксональной полиневропатии у медицинского персонала и работников больничных стерилизаторов, что стало толчком к постепенному запрету использования данного метода стерилизации в ряде больниц США и странах ЕС [35].
Стерилизация с использованием ППВ не может быть легко применена к биоматериалам, которые подвержены различного рода изменениям при повышении фактора температуры и влажности. При этом альтернативный вариант применения методики, связанный с повышением коэффициента токсичности материала (с целью увеличения эффективности стерилизации), подразумевает обязательное проведение после всех стерилизующих мероприятий постстерилизационных методик очистки и обдувки [36]. Однако использование этого метода деконтаминационной очистки для биоматериалов биологического происхождения было значительно сокращено, т.к. велик риск наличия остаточного присутствия токсичных следов, которые впоследствии останутся в стерилизованных материалах.
Правила применения стерилизационных мероприятий с использованием установок гамма-излучений были закреплены стандартом ISO 11137-3:2017 [37—39].
Использование данной методики было приоритетным в отношении материалов, изменения которых связаны с негативным воздействием температуры, влажности и химического компонента. Однако были опубликованы многочисленные исследования, которые подтверждают наличие существенных изменений в «архитектурном пространстве» материала, что негативно влияет на его эффективность во время последующего применения в практике. Разрыв полимерных связей приводит к необратимой трансформации полимеров и образованию нежелательных химических связей по причине облучения гамма-излучением. В биологических материалах отмечено снижение коэффициента устойчивости к деструктивным изменениям, а риск канцерогенности и мутагенности возрастает из-за чрезмерной генерации свободных гидроксильных радикалов и прочих иных радиотоксинов [40].
Другие нерегулируемые методы стерилизации, такие как перекись водорода, газовая плазма, надуксусная кислота или обработка озоном также были изучены в качестве альтернативных методов по сравнению с традиционными. У большинства данных методик отмечены определенные ограничения по применению вследствие изменения морфологических и органических свойств биополимеров [41].
В данном обзоре будет рассмотрена возможность использования сверхкритического диоксида углерода (scCO2) в качестве альтернативного инструмента стерилизации в приоритетных областях применения, где протоколы стерилизации имеют первостепенное значение [42].
В аспекте повседневной универсальной обработки биомедицинских материалов особое место и даже преимущество отводится технологическим платформам со сверхкритическими жидкостями. Понятие сверхкритических условий трактуется исходя из основных критериев нахождения жидкости — наличие определенного давления и температуры выше отметки критической точки применяемой жидкости [18]. Такие вещества обладают определенными свойствами, характерными для них: вещество занимает промежуточное положение между жидкостями (жидкообразная плотность) и газами (газообразная вязкость, диффузионность). Сверхкритические условия для CO2 достигаются при низком давлении (39 МПа) и температуре (31,1 °C). Обладая безвредностью и безопасностью, сверхкритическое состояние CO2 (scCO2) имеет явную перспективу при обработке материалов с пористыми и/ или сложными структурами, т.е. используется в качестве экстрагента и для пропитки веществ, а также является хорошим растворителем для молекул с низкой молекулярной массой и низкой полярностью [27—29]. При пониженной реакционной способности отсутствуют предпосылки для образования свободных радикалов и активных форм, что в совокупности с предыдущими характеристиками дает основание полагать, что имеющиеся преимущества позволяют реализовать многофакторность применения scCO2, в частности, при обработке термочувствительных биомедицинских материалов. Немаловажным является и тот факт, что эта методика воздействия не требует дополнительных мероприятий, связанных с постстерилизационной аэрацией ввиду того, что scCO2 не оставляет токсичных остатков [42].
Однако необходимо четко понимать, что полностью покрыть существующий пробел в аргументированных и грамотных решениях для стерилизации высокочувствительных биоматериалов практически невозможно [29, 41].
Сравнение газоводинамической стерилизации с другими методами деконтаминации. Преимущества и недостатки технологий
Возможность выбора метода дезинфекции и стерилизации зависит от ряда ведущих факторов, основными из которых следует считать степень вирулентности микроорганизмов и их устойчивость к стерилизующим агентам, что и определяет выбор варианта деконтаминирующих мероприятий (эрадикации) и используемой аппаратуры. В больницах и ЛПУ всегда возможна реализация путей передачи внутрибольничной инфекции с высокой вирулентностью, что необходимо учитывать и своевременно оценивать эпидемиологическую ситуацию с последующим принятием эффективных мер [43].
Сравнивая эффективность различных современных методов стерилизации, J. Zhang и соавт. отмечают преимущество газоводинамической обработки CO2 по сравнению с аргоновой плазмой и гамма-облучением в плане отсутствия явного негативного влияния на механические, прочностные характеристики стерилизуемых полимерных материалов и снижение их биосовместимости [42].
Известно также, что к аппаратам для гамма-облучения предъявляются повышенные требования безопасности, что не всегда удобно в практической работе [40]. А при использовании, например, УФО не происходит полноценной стерилизации внутренних поверхностей инструментария со сложным рельефом [13, 14]. Этим же недостатком страдает и большинство установок с аргоновой плазмой (табл. 1).
Таблица 1. Сравнительная оценка параметров эффективности современных методов стерилизации инструментов медицинского назначения [41]
| Метод | Паровая под давлением (автоклавирование) | Холодная плазма (аргоновая) | Гамма-облучение | УФО | CO2-ГД |
| Стерилизация внутренней поверхности | + | + | + | — | + |
| Очистка поверхности | — | — | — | — | + |
| Снижение биосовместимости | + | + | — | — | — |
| Деструкция полимеров | + | + | — | — | — |
Примечание. УФО — ультрафиолетовое облучение, СО2-ГД — газоводинамическая стерилизация с использованием углекислого газа под давлением.
В 2016 г. в обзоре W.A. Rutala, D.J. Weber «Disinfection and Sterilization in Health Care Facilities: An Overview and Current Issues» [44] были описаны и сравнивались между собой основные и широко используемые методы стерилизационной обработки: паровая, плазменная, газовая, ЕТО, испарением перекиси водорода, перекисью водорода и озоном (табл. 2).
Таблица 2. Сравнительная характеристика современных методов стерилизации [44]
| Метод стерилизации | Преимущества | Недостатки |
| Steam — стерилизация (стимулированная теплом) | Нетоксичен для пациентов, персонала, окружающей среды; быстрое время цикла и легкость его контроля; быстро достигающийся бактерицидный эффект; проникает в медицинскую упаковку, в просвет устройства | Не подходит для термочувствительных материалов; большая часть медицинских инструментов повреждаются при многократном воздействии; существует опасность ожога |
| Газовая плазма высокого давления | Не оставляет токсичных остатков; продолжительность цикла ≥28 мин, аэрация не требуется; используется для некоторых изделий, чувствительных к нагреванию и влаге (при t <50◦С); безопасен для персонала | Целлюлоза (бумага) и жидкости не подходят для обработки; ограничения применения для устройств, основанных на внутреннем диаметре и длине просвета; требуется специальная синтетическая упаковка и специальный лоток для контейнеров |
| ETO (окись этилена) | Проникает в упаковочные материалы, люмены устройства; простота эксплуатации и контроля; совместимость с большинством медицинских материалов | Требуется длительный цикл времени аэрации для удаления остатков ETO; ETO токсичен, канцерогенен и огнеопасен |
| Испарение перекиси водорода | Безопасен для окружающих; не оставляет токсичных остатков и нет необходимости в аэрации; цикл обработки 55 мин; используется для изделий, чувствительных к нагреванию и влаге | Имеются ограничения для медицинских устройств, основанных на внутреннем диаметре и длине просвета; не предназначен для жидкостей, порошков и любых целлюлозных материалов; требуется синтетическая упаковка (полипропилен); данные о совместимости материалов ограничены; имеются ограниченные данные по клиническому применению и сравнительной микробицидной эффективности |
| Перекись водорода и озон | Безопасен для окружающей среды и здоровья персонала; использует двойные стерилизаторы; не требует аэрации; совместимость с обычными медицинскими приборами; продолжительность цикла 46 мин | Имеются ограничения для медицинских устройств, основанные на внутреннем диаметре и длине просвета; требуется синтетическая упаковка (полипропилен); имеются ограниченные данные по клиническому применению и сравнительной микробицидной эффективности |
Вместе с тем исследователи приходят к заключению, что наличие патогенных групп микробов в окружающей среде является следствием необходимости разработки как мер борьбы, так и дальнейшего предупреждения и профилактики инфекционных заболеваний. Подход к обнаружению и идентификации полноценного микробиологического массива прокариотических и эукариотических агентов, а также вирусов технически и методически невозможен и оправдан лишь при подозрении на наличие определенного возбудителя [8, 14, 16, 17].
Однако даже и в этом случае могут возникнуть трудности из-за неравномерного распределения определяемого микроба в исследуемом объекте, небольшой его численности и т.д., что определяет наличие санитарно-значимых микробов как факт возможного присутствия патогенных форм в результате загрязнения объекта биологическим материалом и, соответственно, риска развития инфекций [13, 20, 43, 44].
Заключение
Каждая из представленных выше технологий объективно имеет свои преимущества и недостатки и может быть использована в соответствии с инструкцией и обоснованностью цели применения. Необходимо понимать, что универсальной технологии стерилизации нет и, более того, она не может существовать из-за широкого разнообразия медицинских устройств, особенно когда они изготовлены из различных материалов. С другой стороны, многие современные материалы биосовместимой направленности, используемые в медицине в настоящее время, не способны выдержать формируемые условия обычных процессов стерилизации с использованием тепла, облучения или химической обработки.
Выбор наиболее подходящего метода стерилизации биомедицинских продуктов должен являться компромиссом между многими функциями. Соответственно, для выбора наиболее подходящего метода стерилизации следует учитывать типичное микробное загрязнение и устойчивость чувствительных соединений/материалов к тепловой, химической и радиационной обработке, а также агрегатное состояние материала. Для медицинского оборудования и устройств их стерилизационная обработка должна обеспечивать уровень SAL6 до их использования, чтобы снизить риск развития инфекций, соответственно действующим стандартам ISO. В зависимости от состава материала и срока его службы используются различные методы стерилизации, но во всех случаях должны выполняться одни и те же юридические и санитарно-гигиенические требования.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.