Inaktivierung Staphylococcus aureus durch antimikrobielle Oberflächen
Zusammenfassung
Staphylococcus aureus ist ein humanpathogenes (krankmachendes) Bakterium, welches durch die Ausbildung von Antibiotika-Resistenzen eine klinische Relevanz besitzt. Es ist mittlerweile nicht nur in medizinischen Einrichtungen oder Pflegeeinrichtungen, sondern auch immer häufiger im Alltag anzutreffen. Dabei findet man S. aureus auf menschlicher Haut und Schleimhäuten. Es kann zu gefährlichen Infektionen kommen, wenn das Bakterium in den Blutstrom oder inneres Gewebe gelangt. Die Übertragung von S. aureus findet über den Kontakt zu Menschen und Oberflächen statt.
Zur Inaktivierung von S. aureus auf Oberflächen beschreiben Hygienevorschriften den Gebrauch von Desinfektionsmittel. Dieses Bakterium kann jedoch auch unter Verwendung von UV-C, Ozon oder antimikrobiellen Beschichtungen inaktiviert werden. Besonders die Verwendung einer auf Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtung garantiert auch in der Kombination mit Desinfektionsmitteln enorme Vorteile gegenüber anderen keimtötenden Systemen.
Steckbrief Staphylococcus aureus
Bei Staphylococcus aureus (S. aureus) handelt es sich um ein fakultativ anaerobes Bakterium, welches in An- und Abwesenheit von Sauerstoff wachsen kann. S. aureus gehört zu den gram-positiven Bakterien.
Aussehen und Vorkommen des S. aureus
S. aureus-Kolonien weisen eine goldgelbe Traubenform auf. Diese Pigmentierung schützt das Bakterium vor Abwehrmechanismen des Immunsystems.
Neben Habitaten – wie Nahrungsmittel und Gewässer – findet man Staphylococcus aureus sehr häufig auf der Haut und in Schleimhäuten von Menschen. Bei Immunsupprimierten und älteren Menschen ist Staphylococcus aureus in der Lage, nahezu jedes Organ zu besiedeln und dort eine lange Zeit beispielsweise als „small colony variant“ (scv) vom und im Wirt zu leben.
Infektion mit S. aureus
Es kann jedoch in Folge einer systematischen S. aureus-Infektion auch zu einer Sepsis und zu multiplem Organversagen kommen. Staphylococcus aureus, welcher das Exotoxin Panton-Valentine-Leukozidin (PVL) produziert: Dieses verursacht besonders schwere und oftmals lethale Verläufe von Pneumonien und anderen Infektionen.
Die Epidemiologie der MRSA-assoziierten Infektionen hat sich in den letzten Jahren verändert. Beispielsweise produzieren auftretende MRSA wesentlich häufiger Panton-Valentine-Leukozidin (PVL) und sind somit potentiell gefährlicher. Dabei treten zunehmend mehr „Alltags-MRSA“- Community-Associated (CA)-MRSA – in Erscheinung, welche mittlerweile für die meisten MRSA-Infektionen verantwortlich sind. Es ist somit nicht mehr nur ein Problem, welches in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen auftritt.
Übertragungswege des S. aureus
Staphylococcus aureus wird primär per Hautkontakt übertragen. Des Weiteren kann der Keim indirekt (sekundär) durch Berührung von Oberflächen weitergegeben werden. Bei einer Infektion mit Staphylococcus aureus treten die ersten Symptome bereits nach wenigen Tagen auf. Pathogene Erreger können auch über die Nahrung aufgenommen werden. Bereits wenige Stunden nach dem Verzehr kontaminierter Lebensmittel kann es zu ersten Krankheitssymptomen kommen.
Schutzmaßnahmen – Hygienevorschriften mit Grenzen
Eine Gefahr geht von einer mangelnden Umsetzung von Hygienevorschriften zur Reinigung und Desinfektion von Oberflächen aus. Dadurch verbreiten sich Keime noch stärker und bilden bei unsachgemäßer Verwendung Resistenzen gegen Desinfektionsmittel (Biozide) aus.
Desinfektionsmittel greifen das Material von Oberflächen und die gesunde, schützende Hautflora an. Allergien und Reizung der Atemwege können durch diese Agenzien ebenso hervorgerufen werden.
Grundsätzlich ist der Einsatz von Desinfektionsmitteln nicht unproblematisch für unsere Umwelt. Bei der Aufbereitung von Abwässern in Kläranlagen bereiten Desinfektionsmittel Probleme, da durch diese auch hilfreiche Mikroorganismen abgetötet werden .
Darüber hinaus finden nur wenige Desinfektionsmittel Anwendung im Bereich Lebensmittel, da diese nicht zum Verzehr geeignet und für Menschen oftmals giftig sind.
Antimikrobielle Systeme – sinnvolle Ergänzung der Hygiene
Eine standardisierte Hygiene in Krankenhäusern und auch in Arztpraxen, basierend auf ein vorgeschriebenes Hygienekonzept, reicht oftmals nicht aus, um eine Ausbreitung von MRSA und andere humanpathogene (krankmachende), resistente Keime (Bakterien und Viren) und damit die Übertragung auf immungeschwächte und ältere Menschen zu unterbinden. In diesen hochfrequentierten, medizinischen Einrichtungen sind zusätzliche, sehr wirksame Hygienemaßnahmen notwendig. Um die Übertragung von Bakterien und Viren über Oberflächen zu verhindern, ergänzen antimikrobielle Systeme die Hygienemaßnahmen.
Dabei kann man zwischen UV-C-, Ozon- und Oberflächen-basierenden antimikrobiellen Systemen unterscheiden.
UV-C-Strahlung
Mittels UV-C Strahlung (Licht der Wellenlängen 100 – 280 nm) lassen sich Oberflächen ebenso keimfrei machen. Diese Strahlung verursacht Schäden im Erbgut von Mikroorganismen und inaktiviert diese.
Ozon
Des Weiteren besitzt Ozon antimikrobielle Eigenschaften. Es ist ein Gas, welches durch UV-C Strahlung in Reaktion mit dem Luft-Sauerstoff entsteht und in 20 – 30 km Höhe einen wichtigen Teil der schützenden Luftschicht der Erde bildet. Ozon ist ein sehr reaktives und toxisches Oxidationsmittel. Die keimreduzierende Eigenschaft beruht auf dessen Zellwand- und Membran-schädigende Wirkung.
Polymere
Polymere sind molekulare chemische Verbindungen, die aus mehreren wiederholten Einheiten, den Monomeren, bestehen. Polymere wirken insofern keimhemmend, da spezielle Polymere Bereiche besitzen, die zum Teil positiv geladen sind und zum Teil unpolare Kohlenwasserstoffe enthalten. Aufgrund von Wechselwirkungen mit den negativ geladenen Zellmembranen der Bakterien werden die Bakterien getötet.
Silber
Silber kommt als Makro, Mikro- und Nanosilber vor. Nanosilber besteht aus elementarem Silber, bei dem die Partikel kleiner als 100 nm sind. Durch den Einsatz von Silber, welches Bakterien und Pilze inaktiviert, kann eine Keimfreiheit von Oberflächen in feuchter Umgebung beispielsweise von Kathetern oder Wundverbänden erreicht werden.
Titandioxid
Titandioxid (TiO2) beschichtete Oberflächen wirken in Kombination mit UV-Strahlung antimikrobiell. Als Photokatalysator erzeugt Titandioxid Radikale an der Oberfläche und tötet somit Mikroorganismen.
Singulett-Sauerstoff
Singulett-Sauerstoff basierende Oberflächen inaktivieren Bakterien und Pilze (inklusive Sporen), sowie behüllte und unbehüllte Viren. Singulett-Sauerstoff wird in einem Bereich von etwa 1 mm über der beschichteten Oberfläche durch ein in der Beschichtung befindliches Enzym aus Luft-Sauerstoff gebildet. Singulett-Sauerstoff ist ein stark antimikrobiell wirkendes Oxidationsmittel.
Praxis-Vergleich – Singulett-Sauerstoff Beschichtung vs. andere Schutzmaßnahmen
Dazu werden Verarbeitung, Beständigkeit, Oberflächenschutz, antimikrobielle Wirksamkeit, Resistenzbildung, Gesundheitsrisiken sowie Umweltfreundlichkeit beleuchtet.
Verarbeitung von Oberflächenbeschichtungen
Die Verarbeitung antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen gleicht einer Lackierung und sollte entsprechend verarbeitet werden. Im Gegensatz zum Desinfizieren wird durch die Oberflächenbeschichtung etwas aufgetragen, wobei bei der Desinfektion etwas abgetragen bzw. entfernt wird.
Diese Verarbeitung findet bei Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtungen in längeren Rhythmen (z. B. 12 Monate) statt. Tägliches Auftragen, wie bei Desinfektionsmitteln, ist damit nicht notwendig.
Die Verarbeitung von Titandioxid basierenden Oberflächenbeschichtung ist im Hinblick auf die Einstufung der Europäischen Chemikalienagentur ECHA von Titandioxid als krebserregend für Mitarbeiter bedenklich. Bei Singulett-Sauerstoff-Beschichtung ist aufgrund der Eigenschaft der Beschichtung nach aktuellem Stand der Forschung, keine Gesundheitsgefährdung während der Verarbeitung zu erwarten.
Beständigkeit von Oberflächenbeschichtungen
Sowohl UV-C Strahlung als auch Desinfektionsmittel greifen Oberflächen an und lassen diese schnell altern. Das Singulett-Sauerstoff basierende Beschichtungssystem ist in Kombination mit Desinfektionsmitteln nicht nur in Hinblick auf die enorme Reduktion der Keimlast, sondern auch durch die schützende Eigenschaft einer Lackstruktur des Beschichtungssystems als Oberflächenschutz zu empfehlen.
Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächen
Die Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächen, wie der Singulett-Sauerstoff basierenden Oberflächenbeschichtung, ist flächendeckend und schafft einen direkten Kontakt zu den zu inaktivierenden Mikroorganismen.
Der Einsatz von UV-C-Strahlung benötigt die direkte Strahlung auf die Oberflächen. Auf der Schattenseite befindliche Flächen werden nicht erreicht. Flächig eingesetzte UV-C-Bestrahlungen sind aus gesundheitlicher Sicht nicht empfehlenswert.
Gleichfalls ist der Einsatz von Silber und anderen antimikrobiell wirksamen Metallen auf feuchte Oberflächen beschränkt. So ist die Verwendung als Oberflächenbeschichtung z. B. auf Kathetern, welche in feuchten Umgebungen eingesetzt werden sinnvoll, auf Türgriffen oder anderen trockenen Oberflächen jedoch weniger. Singulett-Sauerstoff Oberflächen garantieren eine Inaktivierung von Mikroorganismen in trockener und feuchter Umgebung.
Eine dauerhalte, zeitlich geschlossene antimikrobielle Wirksamkeit können Biozide, wie Desinfektionsmittel, nicht leisten. Nach einer definierten Einwirkzeit des Desinfektionsmittels wird die Keimlast reduziert, die Oberfläche trocknet ab und ist ungeschützt. Um diese Lücken zu schließen und die Keimlast und Keimlastspitzen dauerhaft niedrig zu halten, empfiehlt sich der Einsatz der Singulett-Sauerstoff basierenden Oberflächenbeschichtung.
Resistenzbildung bei Oberflächenbeschichtungen
Mikroorganismen bilden Resistenzen beispielsweise gegen Biozide (z. B. Desinfektionsmittel, biozid-basierende Oberflächenbeschichtungen) sowie Silber. Im Vergleich dazu ist eine Resistenzbildung gegen antimikrobielle Singulett-Sauerstoff-Oberflächen quasi ausgeschlossen.
Gesundheitsrisiken bei antimikrobiellen Systemen
Gesundheitsrisiken sollten bei der Verarbeitung sowie dem alltäglichen Einsatz antimikrobieller Systeme ausgeschlossen sein. Eine gesundheitliche Unbedenklichkeit ist bei Titandioxid basierenden Oberflächen auch nach der Verarbeitung nicht ausgeschlossen. Durch eine tägliche Abnutzung der Beschichtung könnten kleinste Titandioxid-Partikel über die Luft in den Körper gelangen und negativ auf die Gesundheit wirken.
Auch der Einsatz von Silberionen ist, wie beschrieben, nicht unumstritten. Vor einem direkten Kontakt von Haut und Augen mit UV-C-Strahlung wird vom BfS gewarnt. Dadurch eignet sich UV-C- Strahlung nicht zum Einsatz im direkten Umfeld von Menschen und kann dort nicht dauerhaft die Keimlast reduzieren. Das durch UV-C-Strahlung produzierte Ozon wird von der MAK-Kommission der DFG als krebserregend verdächtigt und sollte somit auch nicht in Kontakt mit Menschen kommen.
Desinfektionsmittel sind nicht nur sehr eingeschränkt in Verbindung mit Lebensmittel einsetzbar – da meistens giftig – sondern sind auch reizend und schädigend für Haut und Atemwege.
Für die Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtungssysteme sind derzeit keine Gesundheitsrisiken bekannt.
Umweltfreundlichkeit antimikrobieller Systeme
Biozide
Bei der Umweltfreundlichkeit können Biozide – Desinfektionsmittel – nicht punkten. Man findet diese unter anderem in Gewässern, wo deren antimikrobielle Wirkung nicht endet und diese langfristig sehr wahrscheinlich einen Einfluss auf Flora und Fauna haben.
Silber
In erhöhten Konzentrationen können Schwermetalle, wie Silber, in der Umwelt schwere Gesundheitsschäden bei Mensch und Tier hervorrufen. Die chemische Form von Silber wirkt sich auf die Toxizität aus. Das Umweltbundesamt schließt neben der Bildung von Resistenzen von Mikroorganismen ebenfalls eine Freisetzung von Silber aus Klärschlamm bei landwirtschaftlich genutzten Flächen nicht aus.
Polymere
Mikroplastik ist eine Form von künstlichen Polymeren, die in Reinigungsmitteln vorkommt. Wie bei Silber ist die Polymer-Toxizität von Form, Größe und Dichte abhängig. Durch die Nahrung aufgenommenes Mikroplastik kann Entzündungen und allergische Reaktion bei Lebewesen hervorrufen.
Singulett-Sauerstoff
Die Dekra stufte die ausgehärtete Singulett-Sauerstoff-Beschichtung als emissionsfrei ein. Darüber hinaus bestehen nach der hygienisch unbedenklichen Einstufung des Umweltbundesamtes für TVOC keine Bedenken bei der Entsorgung der für das Auftragen der Beschichtung verwendeten Materialien. Diese können im Hausmüll entsorgt werden.
Fazit
Es gibt brauchbare Lösungen für die Inaktivierung von Mikroorganismen. Den Vorteilen vieler antimikrobieller Systeme stehen jedoch entscheidende Nachtteile gegenüber, welche sich negativ auf die tägliche Praxis auswirken können und ernst genommen werden sollten.
Einem auf Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtungssystem sind in allen oben genannten Punkten ausschließlich Vorteile zu bescheinigen. Es verbindet gute Verarbeitungsmöglichkeiten mit Beständigkeit und Oberflächenschutz. Vorteile in antimikrobieller Wirksamkeit, ausgeschlossener Resistenzbildung sowie der Unbedenklichkeit für Gesundheit und Umwelt zeigen klar das Potential von Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtungssystemen.
Weitere nicht im Text verlinkte Quellen
Masalha, M., Borovok, I., Schreiber, R., Aharonowitz, Y., Cohen, G. (2001). Analysis of Transcription of the Staphylococcus aureus Aerobic Class Ib and Anaerobic Class III Ribonucleotide Reductase Genes in Response to Oxygen. JOURNAL OF BACTERIOLOGY, 183(24), 7260-7272. https://doi.org/10.1128/JB.183.24.7260-7272.2001
Hammond RK, White DC. (1970) Carotenoid formation by Staphylococcus aureus. J Bacteriol. 103(1),191-8. https://doi.org/10.1128/JB.103.1.191-198
Stulberg DL, Penrod MA, Blatny RA. (2002) Common bacterial skin infections. Am Fam Physician, 66(1), 119-24. https://www.aafp.org/afp/2002/0701/p119.html PMID: 12126026
Kluytmans, J., van Belkum, A., & Verbrugh, H. (1997). Nasal carriage of Staphylococcus aureus: epidemiology, underlying mechanisms, and associated risks. Clinical microbiology reviews, 10(3), 505–520. https://doi.org/10.1128/CMR.10.3.505-520.1997
Bush LM. (2019). Staphylococcus-aureus -Infektionen. Abgerufen am 01. Dezember 2020, von https://www.msdmanuals.com/de-de/heim/infektionen/bakterielle-infektionen-grampositive-bakterien/staphylococcus-aureus-infektionen
Gillet Y, Issartel B, Vanhems P, Fournet JC, Lina G, Bes M, Vandenesch F, Piémont Y, Brousse N, Floret D, Etienne J, Lancet. (2002) Association between Staphylococcus aureus strains carrying gene for Panton-Valentine leukocidin and highly lethal necrotising pneumonia in young immunocompetent patients. Mechanism of Disease, 359(9308), 753-759. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(02)07877-7
Tong, S.Y., Davis, J.S., Eichenberger, E., Holland T.L., Fowler V.G. (2015). Staphylococcus aureus infections: epidemiology, pathophysiology, clinical manifestations, and management. Clinical Microbiology Reviews. 28 (3): 603–61. https://doi.org/10.1128/cmr.00134-14
CL Maree, RS Daum, S Boyle-Vavra, K Matayoshi, LG Miller (2007) Community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus isolates causing healthcare-associated infections. In: Emerging Infect. Dis., 13 (2), S. 236–242. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17479885/
Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung (2018). MRSA Informationen über Krankheitserreger beim Menschen – Hygiene schützt! Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.infektionsschutz.de/erregersteckbriefe/mrsa.html
Brumfitt W, Hamilton-Miller J. (1989) Methicillin-resistant Staphylococcus aureus. N Engl J Med. 320(18):1188-96. https://doi: 10.1056/NEJM198905043201806.
Richmond, M.H. (1975) Beta-Lactamase (Staphylococcus aureus). Methods Enzymology, 43, 664-72. https://doi.org/10.1016/0076-6879(75)43131-7
Robert Koch Institut (2016). Staphylokokken-Erkrankungen, insbesondere Infektionen durch MRSA. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Merkblaetter/Ratgeber_Staphylokokken_MRSA.html
Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung (2018). MRSA Informationen über Krankheitserreger beim Menschen – Hygiene schützt! Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.infektionsschutz.de/erregersteckbriefe/mrsa.html
Bundesinstitut für Risikobewertung (2009). Menschen können sich über den Kontakt mit Nutztieren mit Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) infizieren. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.bfr.bund.de/cm/343/menschen_koennen_sich_ueber_den_kontakt_mit_nutztieren_mit_mrsa_infizieren.pdf
Institut für Hygiene am Universitätsklinikum Münster (o. D.). Beispielhaft für ganz Deutschland. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.ukm.de/index.php?id=hygiene_umgang-mit-mrsa&no_cache=1&sword_list
Bidder J. (2016). Jährlich sterben mehr Menschen an Krankenhauskeimen als an der Immunschwäche Aids. Vor allem Infektionen mit dem resistenten Bakterium MRSA bereiten Medizinern große Sorgen. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.focus.de/gesundheit/arzt-klinik/klinik/tid-9019/mrsa-krank-durch-die-klinik_aid_262385.html
Konradin Medien GmbH (2007). Warum Staphylococcus aureus so hartnäckig ist. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.wissenschaft.de/umwelt-natur/warum-staphylococcus-aureus-so-hartnaeckig-ist/
Rötzer F. (2011). USA: Fleisch und Geflügel in hohem Maß mit multiresistenten Bakterien kontaminiert. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.heise.de/tp/news/USA-Fleisch-und-Gefluegel-in-hohem-Mass-mit-multiresistenten-Bakterien-kontaminiert-2017128.html
Gutmann J. (2019). Sie desinfizieren sich oft die Hände? In den meisten Fällen ein Fehler – der auch ins Geld geht. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.merkur.de/leben/gesundheit/haende-desinfizieren-meisten-faellen-fehler-auch-geld-geht-zr-13217267.html
Industrieverband Hygiene und Oberflächenschutz für industrielle und institutionelle Anwendung e.V. (IHO) (2019). Händehygiene – So wird’s richtig gemacht! Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.iho.de/aktuell/haendehygiene-so-wirds-richtig-gemacht/
Dr. med. Weisenburger L. (2020). Richtige Reinigung und Desinfektion von Flächen. Abgerufen am 1. Dezember 2020, von https://www.apotheken-umschau.de/Coronavirus/Richtige-Reinigung-und-Desinfektion-von-Flaechen-558727.html
