Sterylny, sterylizacja, sterylność – określenia związane z procesem eliminacji mikroorganizmów

John Batts – Senior Technical Trainer, Masterflex Bioprocessing

Jednym z najważniejszych aspektów produkcji biofarmaceutycznej jest ochrona przed zanieczyszczeniem poprzez usuwanie mikroorganizmów z drogi przepływu płynów. W kontekście tego procesu często można spotkać określenia sterylny, sterylizacja i sterylność. Co one oznaczają? W jaki sposób mogą nam pomóc w zrozumieniu procesu, którego celem jest niszczenie wszystkich form mikroorganizmów, aby zapobiegać zanieczyszczeniu wytwarzanych produktów?

Warto przyjrzeć się bliżej tym określeniom oraz ich definicjom, aby bez problemu odróżniać je od siebie.

• Pierwszym określeniem jest „sterylny”.. „Sterylny” oznacza „pozbawiony zdolnych do życia (żywych) mikroorganizmów”.
• Drugim często używanym określeniem jest „sterylizacja”. Sterylizacja oznacza „zweryfikowany proces polegający na zniszczeniu wszystkich mikroorganizmów, zarówno w postaci wegetatywnej, jak i przetrwalnikowej oraz zarodnikowej, na przedmiotach, powierzchniach lub podłożach”.
• Trzecim określeniem jest „sterylność”. Sterylność „Sterylność” oznacza „brak zdolnych do życia (żywych) mikroorganizmów”.

Wymienione trzy określenia są ze sobą ściśle powiązane, ale warto przyjrzeć się nieco bliżej każdemu z nich.

Sterylny

Określenie „sterylny” ma charakter bezwzględny i oznacza stan, który jest praktycznie niemożliwy do osiągnięcia. Mikroorganizmy – m.in. wirusy, grzyby i bakterie – występują powszechnie w otaczającym nas świecie. Bytują niezauważone na większości powierzchni. Można je znaleźć m.in. na rzęsach, komórkach skóry, cząsteczkach kurzu – nie mówiąc już o otaczających nas przedmiotach takich jak odzież czy opakowania z kartonu i tworzyw sztucznych. W większości przypadków obecność tych mikroorganizmów nie ma zauważalnego wpływu na nasze codzienne życie, a często wręcz bywa pożądana.

Są jednak sytuacje, kiedy mikroorganizmy mogą przynosić szkodliwe skutki. Dotyczy to zwłaszcza badań i produkcji biofarmaceutycznej. W dziedzinie tej naukowcy często wykorzystują swoiste materiały biologiczne opracowywane pod kątem wytwarzania produktów bioterapeutycznych. W takich przypadkach obecność obcego materiału biologicznego pochodzącego z mikroorganizmów stanowi potencjalne zagrożenie dla skuteczności i bezpieczeństwa produktu końcowego.

Sterylizacja

Aby usunąć te mikroorganizmy, często wykorzystuje się różne techniki sterylizacji. Jedną z najpopularniejszych metod jest autoklawowanie. Sterylizacja z wykorzystaniem autoklawu jest techniką o potwierdzonej skuteczności, jednak wiąże się z pewnymi ograniczeniami, które sprawiają, że może być niepraktyczna w procesach produkcyjnych realizowanych na dużą skalę. Większość firm biofarmaceutycznych powszechnie wykorzystuje także inne dostępne techniki sterylizacji. Każda z nich ma swoje zalety i ograniczenia.

Jedną z szeroko stosowanych metod jest sterylizacja przy użyciu tlenku etylenu (EO lub EtO). Tlenek etylenu jest gazem o dobrych właściwościach penetrujących, który bardzo skutecznie sterylizuje powierzchnie produktów nawet w przypadku dużych partii. W większości przypadków EO wykazuje zgodność chemiczną ze sterylizowanymi powierzchniami. Skutkiem ubocznym tej metody może być obecność pozostałości na powierzchni produktów poddawanych sterylizacji. EO ma zarówno właściwości łatwopalne, jak i wybuchowe. Oznacza to, że stwarza ryzyko podczas użytkowania. Ze względu na wrażliwość EO na temperaturę i wilgotność względną sterylizacja przy zastosowaniu tego związku jest złożonym procesem, a osiągnięcie maksymalnej skuteczności może trwać nawet kilka dni.

Aby uniknąć wyzwań związanych ze stosowaniem EO, można stosować techniki sterylizacji wykorzystujące promieniowanie. Te alternatywne metody dają wymierne korzyści, m.in. mniej skomplikowaną konfigurację i krótszy czas procesu. Umożliwiają także sterylizację nieprzepuszczalnych materiałów, co pozwala skutecznie eliminować mikroorganizmy z gotowych produktów w ich końcowych opakowaniach. Jedną z nich jest sterylizacja wiązką elektronów (Electron-Beam, E-Beam). W technologii E-Beam produkt gotowy wystawiany jest na działanie skoncentrowanego, silnie naładowanego strumienia elektronów generowanych przez akcelerator. Strumień elektronów narusza wiązania chemiczne, co skutkuje uszkodzeniem DNA mikroorganizmów obecnych w sterylizowanym materiale i niszczy ich zdolność namnażania się. Chociaż technologia E-Beam jest bardzo skuteczna, ma także pewne ograniczenia, m.in. wielkość partii produktów, które mogą być poddawane sterylizacji. Ponadto nie nadaje się do wyrobów o skomplikowanej geometrii lub wykonanych z materiałów o wysokiej gęstości.

Techniką, która eliminuje ograniczenia sterylizacji wiązką elektronów, jest powszechnie uznana i szeroko wykorzystywana metoda sterylizacji promieniami gamma. Promieniowanie gamma jest formą promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej przenikliwości. Podobnie jak E-Beam promieniowanie gamma powoduje uszkodzenie DNA i struktur komórkowych mikroorganizmów. W zależności od stopnia narażenia promieniowanie może również wywoływać śmierć mikroorganizmów odpowiadających za zanieczyszczenie. Ze względu na rodzaj wytwarzanej energii promieniowanie gamma gwarantuje pełną penetrację nawet w przypadku produktów o bardzo wysokiej gęstości. Zapewnia to skuteczną sterylizację dużych partii produkcyjnych. Oprócz tego w tej metodzie sterylizacji nie są potrzebne żadne specyficzne substancje chemiczne ani wysoka temperatura, a skomplikowana geometria produktów nie obniża skuteczności. Sterylizacja promieniowaniem ma również pewne ograniczenia. Najważniejsze z nich to konieczność okresowego uzupełniania i rewalidacji źródła promieniowania. Należy też uwzględniać fakt, że promieniowanie może wywoływać niepożądane zmiany w wielu produktach leczniczych. Z tego względu promieniowanie gamma jest częściej stosowane przy sterylizacji produktów fizycznych, takich jak zespoły przewodów rurowych, złączki itp.

Jak już wspomniano, techniki sterylizacji są stosowane po to, aby zapewnić pełną sterylność produktu gotowego i aby produkt po sterylizacji mógł być określony na opakowaniu jako sterylny. Z funkcjonalnego punktu widzenia niemożliwe jest jednak udzielenie gwarancji, że w procesie sterylizacji usunięto 100% zanieczyszczenia mikroorganizmami. Dlatego zazwyczaj nie oznacza się produktu jako „w pełni sterylnego”, tylko określa jego stopień sterylności przy wykorzystaniu współczynnika SAL, czyli poziomu gwarantowanej sterylności (Sterility Assurance Level).

Poziom gwarantowanej sterylności (SAL)

Poziom gwarantowanej sterylności – czyli SAL – to prawdopodobieństwo wystąpienia pojedynczego żywego mikroorganizmu na przedmiocie poddanym sterylizacji. Na rynku urządzeń medycznych docelowy współczynnik SAL wynosi 10-6. Oznacza to prawdopodobieństwo przeżycia organizmu pod koniec procesu sterylizacji rzędu 1 na 1 000 000. Wartość ta nie oznacza wprawdzie pełnej sterylności, ale przy SAL 10-6 nie ma praktycznie żadnego ryzyka, że po sterylizacji pozostały jakiekolwiek zanieczyszczenia mikroorganizmami. To z kolei niemal całkowicie eliminuje zagrożenie dla ludzi mających styczność z tym produktem.

Eliminowanie zanieczyszczeń z produktów może być bardzo złożonym procesem. Chociaż nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania, dostępnych jest wiele skutecznych technik sterylizacji, którym można poddawać produkty gotowe, aby zapewnić docelowy stopień sterylności, a co za tym idzie bezpieczeństwo użytkowników.