Inaktivierung Coronavirus-Familie durch antimikrobielle Oberflächen

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1. Zusammenfassung
2. Steckbrief Coronavirus – Familie
2.1. Aussehen und Aufbau von Coronaviren
2.2. Coronavirus – Habitate
2.3. Coronaviren – Übertragung
2.4. Eindringen und Vermehrung in Wirtszellen
2.5. Coronavirus – Gefahr für den Menschen
2.6. Coronavirus vs. menschliches Immunsystem
2.7. Coronaviren – Antibiotika nutzlos
3. Schutzmaßnahmen – Hygienevorschriften mit Grenzen
4. Resistenzbildung gegen Desinfektionsmittel
5. Desinfektionsmittel – weitere Einschränkungen
6. Antimikrobielle Systeme – sinnvolle Ergänzung zur Hygiene
6.1. UV-C-Strahlung
6.2. Ozon
6.3. Polymere
6.4. Silber
6.5. Titandioxid
6.6. Singulett-Sauerstoff
7. Praxis-Vergleich – Singulett-Sauerstoff-Beschichtung vs. andere Schutzmaßnahmen
7.1. Verarbeitung von Oberflächenbeschichtungen
7.2. Beständigkeit von Oberflächenbeschichtungen
7.3. Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächen
7.4. Resistenzbildung bei Oberflächenbeschichtungen
7.5. Gesundheitsrisiken bei antimikrobiellen Systemen
7.6. Umweltfreundlichkeit antimikrobieller Systeme
8. Fazit
9. Weitere nicht im Text verlinkte Quellen

Zusammenfassung

Coronaviren beschreiben eine große Virenfamilie behüllter Viren. Sie können bei Menschen und Tieren Krankheiten hervorrufen. Mit dem 2002 aufgetretene SARS-CoV, sowie dem 2012 identifizierte MERS-CoV zeigten sich Vertreter der Coronaviren-Familie, die schwere Erkrankungen der Atemwege, Lunge und Nieren hervorrufen konnten. SARS-CoV-2, COVID-19 verbreitete sich ab 2019 und verursachte aufgrund seiner humanpathogenen (krankmachenden) Einstufung eine globale Pandemie.

Eine Übertragung dieser Coronaviren findet über Tröpfchen-, Aerosol- und Kontaktinfektionen statt. Um sich im Kontakt mit Oberflächen nicht zu infizieren, ist die Inaktivierung von Coronaviren durch den Einsatz von Desinfektionsmittel möglich. Durch falsche oder unsachmäßige Anwendung können Desinfektionsmittel oftmals nicht wirken. UV-C, Ozon und antimikrobielle Oberflächen können Coronaviren ebenfalls inaktivieren.

Auf Singulett-Sauerstoff basierende antimikrobielle Beschichtungen zeigen eine hohe Wirksamkeit bei der Inaktivierung behüllter Viren. Diese weisen, neben der Unabhängigkeit einer feuchten Umgebung und dem zusätzlichen Schutz von Oberflächen vor der oberflächenschädigenden Wirkung von Desinfektionsmitteln, weitere Vorteile im direkten Vergleich zu anderen antimikrobiellen Systemen auf.

Steckbrief Coronavirus – Familie

Aussehen und Aufbau von Coronaviren

Coronaviren sind behüllte, Einzelstrang-RNA-Viren (engl. single stranded RNA→ ssRNA) ssRNA -Viren, aus der Familie der Coronaviridae. Die ss-RNA Erbinformation von Coronaviren ist direkt durch ein Kapsid geschützt. Die äußere Virushülle besteht aus einer Lipidmembran, sowie eine der Lipidmembran eingebettet, umgebende Proteinhülle mit eingelagerten Glykoproteine, welche für ein Eindringen in Wirtszellen wichtig sind.

Coronavirus – Habitate

Coronaviren kann man sowohl in der Luft als auch auf Oberflächen finden. Unabhängig von externen Energiequellen zur Aufrechterhaltung eines nicht vorhandenen Stoffwechsels und mit dem Schutz der eigenen Erbinformation durch Hüllproteine besitzen Viren generell eine hohe Persistenz – können also  in bestimmten Rückzugsräumen lange überdauern. In Studien konnte festgestellt werden, dass Viren – wie das SARS-CoV 2 – bis zu 28 Tage auf Oberflächen überleben kann. Das Überleben der Coronaviren auf Oberflächen ist unter anderem abhängig von Lufttemperatur,  Luftfeuchtigkeit und dem Vorhandensein von organischem Material – Verschmutzungen.

Coronaviren – Übertragung

Viren übertragen sich direkt von Mensch zu Mensch oder indirekt über Oberflächen.

Der Einsatz von Desinfektionsmittel in medizinischen Einrichtungen (Krankenhaus, MVZ, Arztpraxis), sowie Pflegeeinrichtungen wird basierend auf Hygienevorschriften umgesetzt. Desinfektionsmittel können gegen Viren oftmals nur eingeschränkt wirksam sein. Hochprozentiger Ethylalkohol konnte die Zahl infektiöser Viruspartikel mindern.

Ein besonderes Augenmerk liegt auf der indirekten Übertragung von Coronaviren über Oberflächen.

Eindringen und Vermehrung in Wirtszellen

Wie alle Viren, besitzen auch Coronaviren keinen eigenen Stoffwechsel und keine eigene Reproduktion (Vermehrung). Sie sind abhängig von einer Wirtszelle und dringen in diese ein. Die Proteinsynthese der Wirtszelle wird verwendet, um neue Coronaviren herzustellen.  Die Wirtszelle wird dabei irreparabel geschädigt und stirbt.

Coronavirus – Gefahr für den Menschen 

Coronaviren können Krankheiten bei Menschen und Tieren hervorrufen und besitzen daher medizinische Relevanz. Vor dem Auftreten des SARS-Coronavirus – Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus – SARS-CoV im Jahr 2012 galten Coronaviren als unbedenklich und kaum gefährlich für den Menschen – nicht humanpathogen. Zu den humanpathogene Coronaviren zählt das MERS-Coronavirus (Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus ) – MERS-CoV, sowie das 2019 in Wuhan – China – aufgetretene SARS-CoV-2 – COVID-19.

Coronavirus vs. menschliches Immunsystem 

Die Übertragung von Coronaviren findet über Tröpfchen-, Aerosol- und Kontaktinfektionen statt. Die Antwort des menschlichen Immunsystems ist aufgrund der sich ständig ändernden Oberflächenstruktur der Hüllproteine von Coronaviren verzögert. Das Virus hat Zeit sich durch Wirtszellen zu vermehren. Die Veränderungen bei viralen Hüllproteinen sind auf Mutationen der Erbinformation – bei Coronavirus, der RNA – zurückzuführen. Ein guter Schutz vor dem menschlichen Immunsystem.

Coronaviren – Antibiotika nutzlos

Eine Virusinfektion lässt sich nicht mit Antibiotika behandeln, da Viren keinen eigenen Stoffwechsel besitzen, welcher durch Antibiotika angegriffen werden könnte. Durch den Einsatz von Virostatika (virenhemmende Medikamente) soll die Vermehrung von Viren im Körper gehemmt werden. Virale Erbinformation – RNA / DNA können jedoch oftmals in einer Wirtzelle – im Körper – verbleiben. Dadurch kann es jederzeit, auch Monate nach einer Infektion zum Ausbruch einer Krankheit kommen. Retroviren lassen hierzu ihre RNA in DNA umschreiben, die DNA in den Zellkern transportieren, und in die menschliche DNA integrieren. Dort kann die virale DNA jederzeit aktiv werden. Retroviren gehören wie auch Coronaviren zu den behüllten, Einzel-strängigen-RNA-Viren.

Schutzmaßnahmen – Hygienevorschriften mit Grenzen

Ein  gut funktionierendes Immunsystem und dessen Stärkung stellt eine gute Schutzmaßnahme gegen mikrobielle Infektionen dar. Regelmäßige Bewegung, eine ausgewogene Ernährung, ausreichend Schlaf, der Verzicht auf Nikotin, Alkohol schaffen unter anderem eine solide Basis für ein starkes Immunsystem.

Regelmäßiges und richtiges Händewaschen dient zur Vorbeugung von Vireninfektionen. Neben der Einhaltung der Husten- und Niesetikette hilft regelmäßiges Lüften und die Isolation der Infizierten, um eine Ausbreitung des Virus zu verhindern. Eine persönliche Schutzausrüstung (PSA) kommt bei gefährlichen, humanpathogenen Viren zum Einsatz, um eine Infektionskette zu unterbrechen.

Resistenzbildung gegen Desinfektionsmittel

Gefahr geht von einer mangelnden Umsetzung von Hygienevorschriften zur Reinigung und Desinfektion von Oberflächen aus. Dadurch verbreiten sich Keime noch stärker und bilden Resistenzen auch gegen Desinfektionsmittel aus.

Desinfektionsmittel – weitere Einschränkungen

Zudem greifen Desinfektionsmittel das Material von Oberflächen und auch die gesunde, schützende Hautflora an. 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 zur Hygiene

Zur Verminderung der Keimlast reicht eine Desinfektion nicht aus, denn Keime verbreiten sich dennoch weiter und bilden Resistenzen aus. Verschiedene Möglichkeiten, um eine indirekte Keimübertragung über Oberflächen zu verhindern, sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden.

UV-C-Strahlung

UV-C-Strahlung findet Verwendung beim Aufbereiten von Wasser und zum Reinigen der Raumluft. Die UV-C-Strahlung (Wellenlängen 222 nm oder 254 nm) trägt dazu bei, dass Oberflächen keimfrei gemacht werden.

Ozon

Ozongas ist wirksam gegen SARS-CoV-2. Es gilt als ein hochreaktives Gas, dass ein Produkt der UV-C-Strahlung ist.

Polymere

Unterschiedliche atomare Ladungen von Polymerverbindungen zerstören Zellmembranen. SARS-CoV-2 konnte mittels konjugierter Polymere inaktiviert werden.

Silber

Durch den Einsatz von Silber, welches Bakterien und Pilze inaktiviert, kann ebenfalls eine Keimfreiheit von Oberflächen beispielsweise von Kathetern oder Wundverbänden erreicht werden. Eine desinfizierende Wirkung von Silber ist nur in Anwesenheit von Wasser gewährleistet. In trockener Umgebung ist Silber unwirksam gegen Mikroorganismen.

Titandioxid

Titandioxid (TiO2) beschichtete Oberflächen sind in der Kombination mit UV-Strahlung antimikrobiell. Dabei fungiert Titandioxid als Photokatalysator und bildet Radikale an der Oberfläche. Influenzavirus, ein naher Verwandter der Coronavirus-Familie, kann durch Titandioxid inaktiviert werden.

Singulett-Sauerstoff

Ein zentrales Anwendungsfeld von Singulett-Sauerstoff zeigte sich bei der Behandlung von Tumoren. Demnach tötet der durch die antimikrobielle Beschichtung gebildete Singulett-Sauerstoff Viren, Bakterien und Pilze sowie Sporen durch die photokatalytische Selbstreinigung ab.

Praxis-Vergleich – Singulett-Sauerstoff-Beschichtung vs. andere Schutzmaßnahmen

Im Praxis-Vergleich werden verschiedene antimikrobielle Systeme anhand der Kriterien Verarbeitung, Beständigkeit und Wirksamkeit etc. miteinander verglichen.

Verarbeitung von Oberflächenbeschichtungen

Die Erneuerung von Singulett-Sauerstoff-basierenden Beschichtungen erfolgt in längeren regelmäßigen Zyklen (ca. 12 Monate), was bei Desinfektionsmitteln nicht der Fall ist. Diese müssen häufiger Aufgetragen werden.

Das problematische an der Verarbeitung von Titandioxid ist, dass es UV-Strahlung benötigt und dadurch eher für den Außenbereich geeignet ist. Darüber hinaus sollte man die Gefahr berücksichtigen, dass Titandioxid karzinogen sein kann.

Beständigkeit von Oberflächenbeschichtungen

Desinfektionsmittel und UV-C-Strahlung sind nicht förderlich für das Erhalten des Oberflächenmaterials. Singulett-Sauerstoff basierende Beschichtungen greifen das Material der Oberfläche nicht an und vermindern gleichzeitig das Übertragungsrisiko krankheitserregender Erreger.

Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächen

Als nachteilig stellt sich bei der UV-C-Strahlung heraus, dass sich Keime dort weiter ausbreiten können, wo sie nicht hingelangen – im Schatten.

Im Vergleich dazu wirkt Silber antimikrobiell in feuchten Umgebungen, was es ungeeignet für die Beschichtung auf Türklinken macht. Interessant sind Silber basierende Beschichtungen in der Medizin für Katheter beispielsweise.

Beim Desinfizieren muss man auf eine trockene Oberfläche achten, da Desinfektionsmittel sonst „verwässern“ und ihre volle Wirkung nicht entfalten. Als großer Nachteil stellt sich auch die Besiedlung von Keimen dar, wenn diese direkt auf die trockene Oberfläche nach dem Auftragen des Desinfektionsmittels gelangen.

Bei Singulett-Sauerstoff-Beschichtungen spielt es keine Rolle, ob die Oberfläche nass oder trocken ist, denn sie wirkt unabhängig davon. Dahingehend gewährleistet die Singulett-Sauerstoff Beschichtungen eine Hygiene ohne Lücken.

Resistenzbildung bei Oberflächenbeschichtungen

Keime sind dazu in der Lage, resistent gegen antimikrobielle Systeme zu werden. Dadurch, dass Singulett-Sauerstoff-Beschichtungen auf einem physikalischen Verfahren beruhen, konnte bisher keine Resistenzbildung festgestellt werden.

Gesundheitsrisiken bei antimikrobiellen Systemen

Gesundheitsrisiken für Lebewesen sollte durch die antimikrobiellen Beschichtungen ausgeschlossen sein.

Dennoch besteht die Gefahr, dass beispielsweise bei Beschichtungen auf Basis von  Nanosilber sich Resistenzen bei Brandwunden mit einem Silberverband bilden. Zu beachten gilt auch, dass Silber bei menschlichen Zellen einen Schaden hervorrufen kann.

UV-C-Strahlung kann gesundheitlich Negativfolgen mit sich bringen. Eine Warnung vor dem Einsatz von UV-C-Strahlung spricht das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) aus, da die Strahlung krebserregend sein kann.

Im Gegensatz zu manchen Desinfektionsmitteln, eignen sich Singulett-Sauerstoff Beschichtungen für die Lebensmittelindustrie. Außerdem kann problemlos Essen auf beschichteten Oberflächen verzehrt werden. Da Desinfektionsmittel aggressive, chemische Stoffe sind, sollte der häufige Hautkontakt vermieden werden, da sonst Allergien und Hautreizungen hervorgerufen werden können.

Singulett-Sauerstoff-Beschichtungen beeinträchtigen weder die Gesundheit noch rufen sie Hautirritationen hervor.

Umweltfreundlichkeit antimikrobieller Systeme

Biozide

Biozide – dazu zählen Desinfektionsmittel – hören in der Umwelt nicht auf zu wirken und zerstören damit für gewisse Prozesse hilfreiche Bakterien.

Silber

Neben der Verwendung von Silber – im Speziellen Nanosilber – als antimikrobielles Beschichtungssystem kommt das Metall in vielen Alltagsprodukten vor. Nanosilber lässt sich nur schwer aus Kläranlagen herausfiltern, was dazu führen kann, dass es in den Wasserkreislauf gelangt.  Bisher ist die Konzentration noch nicht bedenklich.

Polymere

Das Anreichern von künstlich hergestellten Polymeren (z. B. Mikroplastik) wirkt sich negativ auf die Umwelt aus, die über den Verzehr von Meereslebewesen die Nahrungskette nach oben bis hin zum Menschen steigt und gesundheitsschädigende Folgen haben kann.

Singulett-Sauerstoff

Singulett-Sauerstoff stellt kein Umweltrisiko dar und wurde nach der Dekra als emissionsfrei eingestuft.

Fazit

Für die Praxis relevante Systeme zur Bekämpfung gesundheitsschädigender Keime gibt es bereits. Als problematisch stellen sich ihre Nachteile heraus, die der Singulett-Sauerstoff basierenden Beschichtung nicht eigen sind.

Die auf Basis von Singulett-Sauerstoff beruhenden Beschichtungssysteme weisen klare Vorteile auf, was die Aspekte Umweltfreundlichkeit, Wirksamkeit sowie Resistenzbildung, aber auch die Gesundheit und Beständigkeit angeht. Von diesen Beschichtungen geht ein eindeutiges Potenzial für die Inaktivierung von Coronaviren aus.

Weitere nicht im Text verlinkte Quellen