Biofilme und ihre Bedeutung bei der Wiederaufbereitung von Medizinprodukten Les biofilms et leur importance dans le retraitement des dispositifs ...
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Biofilme und ihre Bedeutung bei der
Wiederaufbereitung von Medizinprodukten
Les biofilms et leur importance dans le retraitement
des dispositifs médicaux /
Journée de formation / Weiterbildungstag SGSV/SSSH/SSSO 19.06.2021
Dr. Matthias T. Buhmann
Scientific Affairs Officer Medical
Borer Chemie AG
Die Widerstandsfähigkeit von Biofilmen
wurde bereits früh beschrieben
Anthony van Leeuwenhoek in 1683
“(…) From whence I conclude that the
Vinegar with which I washt my Teeth,
kill’d only those Animals which were on
the outside of the scurf, but did not
pass thro the whole substance of it”.
Van Leeuwenhoek‘s pinhole microscope
in Museum Boerhaave, Leiden,
Netherlands.
One of the first microscopes with a single
lens (up to 270 x magnification)
van Leeuwenhoek, A. (1683). "An abstract of a Letter from Antonie van
http://ihm.nlm.nih.gov/images/B16786 Leeuwenhoek, About Animals in the scurf of the Teeth." Philosophical Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 2 |
Painting by Jan Verkolje (1650—1693) Transactions of the Royal Society of London 14: 568-574.
Biofilme – Die bevorzugte Lebensweise von Bakterien
Eine Definition:
«Aggregierte Mikroorganismen
(Bakterien, Hefen, Pilze oder
Mikroalgen), die eingebettet in einer Weiss:
(dehydrierte) EPS
Matrix aus Extrazellulären - Protein-Fasern,
Polymeren Substanzen (EPS) leben, - Polysaccharide,
häufig angeheftet an Oberflächen.» - DNA, etc.
Bakterien
Bakterieller Biofilm auf einem
Nierenkatheter
(kolorierte Raster-
elektronenmikroskopie-Aufnahme)
Image: Buhmann, unpublished data
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In Biofilmen können Bakterien mit wenigen Nährstoffen überleben und wachsen Oben links: Proctor et al., Water Research, 31, 2018, 274-286, Unten links: Zupančič, J. et al. BMC Microbiol 19, 300 (2019). Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 4 |
Der Prozess der Biofilmbildung
1. Primäre (reversible) Anheftung.
2. Änderung der Genexpression
innerhalb von Sekunden nach
Oberflächenkontakt; Sekretion
klebriger EPS
3.- 5. Reifung und Differenzierung
D. Davis, CC BY 2.5 , via Wikimedia Commons
D. Monroe. "Looking for Chinks in the Armor of Bacterial Biofilms". PLoS Biology 5 (11, e307). DOI:10.1371/journal.pbio.0050307.} Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 5 |
Im Biofilm sind Bakterien sehr widerstandsfähig
Der Biofilm und die EPS-Matrix dienen als Barriere:
Antibiotika und Biozide können nur langsam eindringen,
Immunzellen können nur schlecht angreifen.
Zeit zur Anpassung. Durch das Wahrnehmen nicht-lethaler
Konzentrationen an Bioziden können Bakterien Resistenzen
entwickeln.
Durch die grosse Anzahl von Bakterien ist es wahrscheinlich,
dass es zur spontanen Mutation und zur Bildung von
Resistenzen kommt.
«Schlafende» Bakterien nehmen keine Nährstoffe oder
Antiotika auf
Effiziente Teamarbeit. Komplexe Nährstoffe werden in
Arbeitsteilung abgebaut. Ein Überleben mit geringsten
Nährstoffmengen ist möglich
Bild aus: Stewart, P. S., & William Costerton, J. (2001).; The Lancet, 358(9276), 135–138; Nature Reviews Drug Discovery 12(10):791-808 Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 6 |
Biofilm-Bakterien verursachen medizinische Probleme
Bakterien in Biofilmen sind ca. 500–5000 mal toleranter gegenüber Bioziden
und Antibiotika im Vergleich zu planktonischen (schwimmenden) Bakterien. Wi and Patel, 2018, Infect Dis Clin North
Am. 32(4): 915–929.
Revisions-Operation eines infizierten
Hüftimplantats unter Verwendung von
Gentamicin-imprägnierten Kunststoff
(PMMA) - Kugeln
Janssen et al., Acta Orthopaedica 2016, 87(4):1-9
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Bakteriellen Infektionen sind meistens Biofilm-assoziiert
• 65% aller menschlichen
Infektionen
• 80% aller chronischen
Infektionen
Künstliche Oberflächen im
Körper, erlauben Bakterien sich
im Biofilm vor dem
Immunsystem zu
«verstecken».
Zahnimplantate
Lebeaux et al., Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2014, 78 (3) 510-543;
Nature Reviews Microbiology 2, 95-108 (2004) Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 8 |
Verderosa et. al., 2019, Front. Chem. 7:824.
Potera, Science 1999, 283, 1837
Infektion während der Operation: Die OP ist nicht steril
• Prä-operative Hautantiseptsis:
“Biofilme” in den Haarfollikeln werden jedoch nur
schlecht erreicht
• Der OP ist nicht steril:
Vertikale laminare steril gefilterte Luft erhöht die
Sicherheit nicht
• Nichteinhalten von Hygienemassnahmen
mWiederholtes Öffnen der Tür
angelnde Handhygiene
Kontamination von Instrumenten
Brandwein, M., Steinberg, D., & Meshner, S. (2016). Microbial biofilms
and the human skin microbiome. NPJ Biofilms and Microbiomes, 2.
Tait, A. R., & Tuttle, D. B. (1995). Preventing perioperative transmission of infection: a survey of anesthesiology practice.
Anesthesia & Analgesia, 80(4), 764-769.
Hopper, W. R., & Moss, R. (2010). Common breaks in sterile technique: clinical perspectives and perioperative implications. AORN
journal, 91(3), 350-367. Ulmer, M., Lademann, J., Patzelt, A., Knorr, F., Kramer, A., Koburger, T., ... & Lange-Asschenfeldt, B.
Glen L et al., The use of nitroblue tetrazolium to detect bacterial viability as a method of assessing the efficacy of (2014). New strategies for preoperative skin antisepsis. Skin pharmacology and physiology, 27(6), 283-292.
surgical skin preparations. BRITISH JOURNAL OF SURGERY 98(2015)42. James, M et al. The open orthopaedics journal vol. 9 495-8. 2015
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 9 |
Infektionen durch medizinische Instrumente
5 µm
Gewöhnliche chirurgische Hohlrauminstrumente Flexible Endoskope Biofilm im Luft/Wasser-
Instrumente Minimalinvasive Instrumente Kanal eines Endoskops
(SEM-Aufnahme)
Antriebsinstrumente
Pajkos et al. 2004 J Hosp Infect. 58(3):224-9
ü Einfach zu reinigen - Schwierig zu reinigen aufgrund des - Schwierig zu reinigen
ü Sterilisierbar komplexen Designs - Thermolabil, Desinfektion notwendig
ü Kann (und muss) sterilisiert werden.
Geringes Risiko Mittleres Risiko Hohes Risiko
McDonnell G, Burke P. Disinfection: is it time to reconsider Spaulding? J Hosp Infect. 2011 Jul;78(3):163-70. Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 10 |Nur (korrekt) gereinigte Endoskope können
erfolgreich desinfiziert werden
1997, UK.: Keine Desinfektion vor Notfall-
Bronchoskopien bei 34%. Kein
angemessenes Spülen mit keimfreiem
Wasser (43% aller AEMPs).
2002, Deutschland: 50% aller
bereitstehenden Endoskope waren
kontaminiert
2018, USA: 22% von 150 Endoskopen
waren kontaminiert, 15% mit
Mund/Magen/Darm-Bakterien von
vorherigen Untersuchungen
Kovaleva et al 2013, Clinical Microbiology Reviews Volume 26 Number 2 Honeybourne, D. (1997). Thorax 52(8): 709-713 Rauwers et al 2018, Gut
Balan, G.G., et al.. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 38, 2205–2213 (2019) 67:1637–1645
Bader, L., et al. (2002) Z Gastroenterol 40(3): 157-170.
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 11 |Das Design von medizinischen Instrumenten
muss eine angemessene Reinigung ermöglichen
Der Medizinprodukte-Hersteller muss den
Nachweis der Reinigbarkeit erbringen
FDA – Sicherheitswarnung und eine verständliche Aufbereitungsanleitung
è Neues Design von Duodenoskopen, zur Verfügung stellen.
Einführung von Einweg-Kappen
Ongoing clinical study since 2019: Infection Control in ERCP Using a
Duodenoscope With a Disposable Cap (ICECAP)
ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04040504
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 12 |Zahnärztliche Behandlungseinheiten
Keine Desinfektion
ohne Reinigung.
Michel A. Hoogenkamp, The microbiological load and microbiome of the Dutch dental unit; ‘please, hold your breath’,
Water Research, Volume 200, 2021
Boyle MA, et al J Dent. 2015 Oct;43(10):1268-79. Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 13 |Das Mikrobiom & die Vorbeugung von Krankheiten
3-4 1013 Bakterien im/auf dem
Körper ≈ Körperzellen
«Gute» Bakterien
können die Ansiedlung
• Prevention of infection
von krank machenden
• Immune modulation
Bakterien verringern
• Nutrition uptake
• Skin health
Lloyd-Price et al.. The healthy human microbiome. Genome
Med 8, 51 (2016).
Vitruvian Man by Leanordo da Vinci
Paris Orlando, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons
Chatzigiannidou, I., et al. npj Biofilms
Microbiomes 6, 13 (2020).
Sender et al..PLoS biology 14.8 (2016): e1002533.
Burton, Jeremy P., et al. AEM 72.4 (2006): 3050-3053. Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 14 |
Rolfe, Rial D. The Journal of nutrition 130.2 (2000): 396S-402S.Die Verbreitung von Biofilm-Bakterien durch
Leitungswasser – wo liegt der Unterschied zum Haushalt?
Das Waschbecken als Quelle Mikrobielle Qualität Reinigungs- Desinfektions-
von Kontamination und des Schluss- ausrüstung tuchspender
Infektionsausbrüchen spülwassers
https://www.gastroendonews.com/Article/PrintArticle?articleID=56833
Das Design des Waschbeckens ISO 15883-4:2018 -Tauchbad
beeinflusst die Verteilung von Bakterien 10 KBE/ 100 mL -Bürsten
aus der Wasserleitung Sterilfilter & Wartungs- -…
zyklen
Hota S, et al. . Outbreak of multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa colonization and
infection secondary to imperfect intensive care unit room design. Infect Control Hosp Epidemiol.
2009 Jan;30(1):25-33.
Cole, K. "Mitigation of microbial contamination from waste water and aerosolization by sink
design." Journal of Hospital Infection 103.2 (2019): 193-199.
N. Zelver, Center for Biofilm Engineering, Children's toothbrush contamination in day-care centers: Kampf, Günter, et al. "Poorly processed reusable
Parkes, Leighanne O., and Susy S. Hota. "Sink-related outbreaks and mitigation strategies in Montana State University, Bozeman how to solve this problem? surface disinfection tissue dispensers may be a source
healthcare facilities." Current infectious disease reports 20.10 (2018): 1-14. Paulo Nelson-Filho, Clinical Oral Investigations volume 18, of infection." BMC infectious diseases 14.1 (2014): 1-8.
pages 1969–1974 (2014)
Kotay, Shireen M., et al. "Droplet-rather than aerosol-mediated dispersion is the primary
mechanism of bacterial transmission from contaminated hand-washing sink traps." Applied and Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 15 |
environmental microbiology 85.2 (2019).Was kann getan werden?
Warum ist die Kontrolle von
Biofilmen so herausfordernd?
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 16 |Qualitätskontrolle in der Aufbereitung
Bakterienkultur-basierte Überwachung kann Es werden jedoch nicht immer
Fehler in der Aufbereitung identifizieren alle Bakterien detektiert.
Automatisierte und validierte Prozesse und
feste Abläufe reduzieren den menschlichen
Fehler.
Bakterienkolonien von Endoskopproben nach
Spülen vs. Spülen und Bürsten (pull-through) -
Groth, S., et al. (2015). Zeitschrift fur Gastroenterologie. Beprobung
Buss, A. J., et al. (2008). Endoscopy 40(4): 327-332.
Cattoir, et al. „Surveillance of Endoscopes: Comparison of Different Sampling Techniques“
Ofstead, Cori L., et al. "Endoscope reprocessing methods: a prospective study on the impact of human factors and automation." Gastroenterology Infection control & hospital epidemiology september 2017, vol. 38, no. 9
Nursing 33.4 (2010): 304-311.
Jung, M., & Beilenhoff, U. (2016). Hygiene: the looming Achilles heel in endoscopy. Visceral medicine, 32(1), 21-28.
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 17 |Bürsten - ein integraler Bestandteil der
Endoskopaufbereitung
“An der Wand des Endoskops ist die
Fliessgeschwindigkeit = 0””
Pull-through device
Busscher, Henk J., and Henny C. van der Mei. "Microbial adhesion in flow displacement
systems." Clinical microbiology reviews 19.1 (2006): 127-141.
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 18 |Können Biofilme durch Chemikalien allein entfernt
werden?
JEIN! Starke Säuren, Basen und/oder oxidierende Substanzen müssten bei harschen
Bedingungen eingesetzt werden, die nicht nur den Biofilm, sondern auch das Medizinische
Instrument angreifen.
Alkalische (manuelle) Reiniger spalten bei Raumtemperatur die EPS-Polymere nicht
effizient, sie benötigen hohe Temperaturen (mind. 60-70 °C).
-OH
-OH
Wärme
Protein, eine Kette aus Peptide und Aminosäuren
Aminosäuren
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 19 |Zersetzung von Bio-Polymeren unter milden
Bedingungen durch Enzyme
«Enzyme = Protein mit katalytischer Aktivität» Thermische Stabilität von Proteasen in
Reinigern (Enzymaktivitätsmessung)
• Höchste Wirksamkeit Limitationen Ältere Enzym-
bei ca. Generation
• Hitzeempfindlich:
• ~ 55-58 °C Denaturierung bei ~ 60 °C
• pH >8.5 • Muss in komplexen
Gemischen aktiv bleiben
• Sollten sich nicht selbst Neuere
Protease Generation
verdauen
• Substratspezifisch
< 58°C
Protein, eine Kette aus Peptide und Aminosäuren
Aminosäuren
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 20 |Enzyme in der Reinigung
T [min] 0 15 30 45 60 gespült
+ Protease
Blut, Faszien und Biofilme enthalten diverse
- Protease
Muskelfasern: Bakterien und
Biopolymere (EPS).
Proteasen bauen Fibrin
è Die Reinigung benötigt
und andere
Reinigung/Abbau von Blut- Enzyme, die die EPS-
anschmutzungen (TOSI PCD/Pereg) proteinbasierte
Komponenten (wie
Biopolymere ab.
durch dieselbe Reinigerformulierung mit/ Proteine und
ohne Protease Polysaccharide) abbauen
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 21 |Enzyme verstärken die Biofilm-Wirksamkeit von Reinigern
Polysaccharide
Glycosidasen
z.B. Amylase,
Zellulase
P. aeruginosa Biofilme wurden für unterschiedliche Zeiten (a) und Mono- & Oligo-
saccharide
Temperaturen (B) mit einem Reiniger mit und ohne Enzyme
behandelt (Protein- und Polysaccharid – abbauende Enzyme).
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 22 |Die Entwicklung eines manuellen Reinigers mit
Reinigungsleistung gegenüber Biofilmen
Quantifizierung von Pseudomonas
aeruginosa Biofilmen durch
Kristallviolettfärbung
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 23 |Der enzymatische Abbau von Biofilmen bedarf der
gemeinsamen Wirkung mehrerer Enzyme
P. Aeruginosa biofilm
Kommerzielle Reiniger mit
Biofilm-Auslobung
% residual
4 Enzyme
ohne Enzyme
Stiefel, P et al. (2016). Antimicr. Ag. Chemother. 60(6), 3647-3652.
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 24 |
Appl Microbiol Biotechnol (2016) 100:4135–4145Im Endoskopmodell reduziert die Reinigung Zellen von
P. aeruginosa-Biofilmen 100-fach
Ohne Enzyme
+4 Enzyme
treatment
(EN ISO/TS 15883-5:2005 Appendix F)
Reinigung: 15 min, 25 °C, 200 ml/min
Ein maschineller Reinigungsschritt reduziert die
Bakterienzahl ca. 46’000-fach Zühlsdorf, B. and G. Kampf (2006).
Endoscopy 38(6): 586-591.
Stiefel, P et al. (2016). Antimicr. Ag. Chemother. 60(6), 3647-3652. Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 25 |
Appl Microbiol Biotechnol (2016) 100:4135–4145Schlussfolgerungen
• Biofilme sind dann besonders dann problematisch, wenn Instrumente nicht (Dampf-)
sterilisiert werden können, wie z.B. flexible Endoskope oder Dentaleinheiten.
• Biofilme stellen eine höhere Anforderung an den Reiniger als gewöhnliche
Verschmutzungen.
• Eine Kombination mehrerer Enzyme in Reinigern und die Unterstützung durch
Mechanik (Bürsten) ist gegenwärtig die wirksamste Reinigungsmethode.
• Die Abschlussdesinfektion semikritischer Instrumente setzt eine gründlicher Reinigung
voraus.
Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 26 |Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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