6. Les biofilms et leur importance dans le retraitement des dispositifs médicaux

(1)

Biofilme und ihre Bedeutung bei der Wiederaufbereitung von Medizinprodukten Les biofilms et leur importance dans le retraitement

des dispositifs médicaux /

Dr. Matthias T. Buhmann Scientific Affairs Officer Medical Borer Chemie AG Journée de formation / Weiterbildungstag SGSV/SSSH/SSSO 19.06.2021

(2)

Biofilm in der Aufbereitung | 19.06.2021 | M. Buhmann | 2 |

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 Leeuwenhoek, About Animals in the scurf of the Teeth." Philosophical Transactions of the Royal Society of London 14: 568-574.

http://ihm.nlm.nih.gov/images/B16786 Painting by Jan Verkolje (1650—1693)

(3)

Biofilme – Die bevorzugte Lebensweise von Bakterien

Eine Definition:

«Aggregierte Mikroorganismen (Bakterien, Hefen, Pilze oder

Mikroalgen), die eingebettet in einer Matrix aus Extrazellulären

Polymeren Substanzen (EPS) leben, häufig angeheftet an Oberflächen.»

Bakterieller Biofilm auf einem Nierenkatheter

(kolorierte Raster-

elektronenmikroskopie-Aufnahme)

Weiss:

(dehydrierte) EPS - Protein-Fasern, - Polysaccharide, - DNA, etc.

Image: Buhmann, unpublished data

Bakterien

(4)

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).

(5)

Der Prozess der Biofilmbildung

D. Davis, CC BY 2.5 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.5>, via Wikimedia Commons

D. Monroe. "Looking for Chinks in the Armor of Bacterial Biofilms".PLoS Biology5(11, e307).DOI:10.1371/journal.pbio.0050307.}

1. Primäre (reversible) Anheftung.

2. Änderung der Genexpression innerhalb von Sekunden nach Oberflächenkontakt; Sekretion klebriger EPS

3.- 5. Reifung und Differenzierung

(6)

Im Biofilm sind Bakterien sehr widerstandsfähig

Bild aus: Stewart, P. S., & William Costerton, J. (2001).; The Lancet, 358(9276), 135–138; Nature Reviews Drug Discovery 12(10):791-808

Der Biofilm und die EPS-Matrix dienen als Barriere:

Antibiotika und Biozide können nur langsam eindringen, Immunzellen können nur schlecht angreifen.

Effiziente Teamarbeit. Komplexe Nährstoffe werden in Arbeitsteilung abgebaut. Ein Überleben mit geringsten Nährstoffmengen ist möglich

Durch die grosse Anzahl von Bakterien ist es wahrscheinlich, dass es zur spontanen Mutation und zur Bildung von

Resistenzen kommt.

Zeit zur Anpassung. Durch das Wahrnehmen nicht-lethaler Konzentrationen an Bioziden können Bakterien Resistenzen entwickeln.

«Schlafende» Bakterien nehmen keine Nährstoffe oder Antiotika auf

(7)

Biofilm-Bakterien verursachen medizinische Probleme

Revisions-Operation eines infizierten Hüftimplantats unter Verwendung von Gentamicin-imprägnierten Kunststoff (PMMA) - Kugeln

Janssen et al., Acta Orthopaedica 2016, 87(4):1-9

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.

(8)

Bakteriellen Infektionen sind meistens Biofilm-assoziiert

Lebeaux et al., Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2014, 78 (3) 510-543;

• 65% aller menschlichen Infektionen

• 80% aller chronischen Infektionen

Künstliche Oberflächen im

Körper, erlauben Bakterien sich im Biofilm vor dem

Immunsystem zu

«verstecken».

Nature Reviews Microbiology 2, 95-108 (2004)

Potera, Science 1999, 283, 1837 Verderosa et. al., 2019, Front. Chem. 7:824.

Zahnimplantate

(9)

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

Glen L et al., The use of nitroblue tetrazolium to detect bacterial viability as a method of assessing the efficacy of surgical skin preparations. BRITISH JOURNAL OF SURGERY 98(2015)42.

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.

(2014). New strategies for preoperative skin antisepsis.Skin pharmacology and physiology,27(6), 283-292.

James, M et al. The open orthopaedics journalvol. 9 495-8. 2015 Brandwein, M., Steinberg, D., & Meshner, S. (2016). Microbial biofilms

and the human skin microbiome.NPJ Biofilms and Microbiomes, 2.

(10)

Infektionen durch medizinische Instrumente

Gewöhnliche chirurgische Instrumente

ü Einfach zu reinigen ü Sterilisierbar

Hohlrauminstrumente

Minimalinvasive Instrumente Antriebsinstrumente

- Schwierig zu reinigen aufgrund des komplexen Designs

ü Kann (und muss) sterilisiert werden.

Flexible Endoskope

- Schwierig zu reinigen

- Thermolabil, Desinfektion notwendig

Geringes Risiko Mittleres Risiko Hohes Risiko

5 µm

Biofilm im Luft/Wasser- Kanal eines Endoskops (SEM-Aufnahme)

Pajkos et al. 2004 J Hosp Infect. 58(3):224-9

McDonnell G, Burke P. Disinfection: is it time to reconsider Spaulding? J Hosp Infect. 2011 Jul;78(3):163-70.

(11)

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

Bader, L., et al. (2002) Z Gastroenterol40(3): 157-170.

Honeybourne, D. (1997). Thorax 52(8): 709-713 Kovaleva et al 2013, Clinical Microbiology Reviews Volume 26 Number 2

Balan, G.G., et al.. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 38, 2205–2213 (2019)

Rauwers et al 2018, Gut 67:1637–1645

2018, USA: 22% von 150 Endoskopen waren kontaminiert, 15% mit

Mund/Magen/Darm-Bakterien von vorherigen Untersuchungen

(12)

Das Design von medizinischen Instrumenten

muss eine angemessene Reinigung ermöglichen

FDA – Sicherheitswarnung

è Neues Design von Duodenoskopen, 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

Der Medizinprodukte-Hersteller muss den Nachweis der Reinigbarkeit erbringen

und eine verständliche Aufbereitungsanleitung zur Verfügung stellen.

(13)

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.

(14)

Das Mikrobiom & die Vorbeugung von Krankheiten

• Prevention of infection

• Immune modulation

• Nutrition uptake

• Skin health

Burton, Jeremy P., et al. AEM 72.4 (2006): 3050-3053.

Rolfe, Rial D. The Journal of nutrition130.2 (2000): 396S-402S.

Lloyd-Price et al.. The healthy human microbiome. Genome Med 8, 51 (2016).

Sender et al..PLoS biology14.8 (2016): e1002533.

Vitruvian Man by Leanordo da Vinci

Paris Orlando, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

«Gute» Bakterien

können die Ansiedlung von krank machenden Bakterien verringern 3-4 10¹³ Bakterien im/auf dem

Körper ≈ Körperzellen

Chatzigiannidou, I.,et al. npj Biofilms Microbiomes6,13 (2020).

(15)

Die Verbreitung von Biofilm-Bakterien durch

Leitungswasser – wo liegt der Unterschied zum Haushalt?

Mikrobielle Qualität des Schluss-

spülwassers

Cole, K. "Mitigation of microbial contamination from waste water and aerosolization by sink design." Journal of Hospital Infection 103.2 (2019): 193-199.

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 environmental microbiology 85.2 (2019).

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.

https://www.gastroendonews.com/Article/PrintArticle?articleID=56833

Parkes, Leighanne O., and Susy S. Hota. "Sink-related outbreaks and mitigation strategies in healthcare facilities." Current infectious disease reports 20.10 (2018): 1-14.

N. Zelver, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman

Das Waschbecken als Quelle von Kontamination und

Infektionsausbrüchen

Das Design des Waschbeckens

beeinflusst die Verteilung von Bakterien aus der Wasserleitung

ISO 15883-4:2018 10 KBE/ 100 mL

Sterilfilter & Wartungs- zyklen

Desinfektions- tuchspender

Kampf, Günter, et al. "Poorly processed reusable surface disinfection tissue dispensers may be a source of infection."BMC infectious diseases14.1 (2014): 1-8.

Reinigungs- ausrüstung

-Tauchbad -Bürsten -…

Children's toothbrush contamination in day-care centers:

how to solve this problem?

Paulo Nelson-Filho, Clinical Oral Investigations volume 18, pages 1969–1974 (2014)

(16)

Was kann getan werden?

Warum ist die Kontrolle von

Biofilmen so herausfordernd?

(17)

Qualitätskontrolle in der Aufbereitung

Bakterienkultur-basierte Überwachung kann Fehler in der Aufbereitung identifizieren

Automatisierte und validierte Prozesse und feste Abläufe reduzieren den menschlichen Fehler.

Buss, A. J., et al. (2008). Endoscopy40(4): 327-332.

Groth, S., et al. (2015). Zeitschrift fur Gastroenterologie.

Ofstead, Cori L., et al. "Endoscope reprocessing methods: a prospective study on the impact of human factors and automation."Gastroenterology Nursing33.4 (2010): 304-311.

Jung, M., & Beilenhoff, U. (2016). Hygiene: the looming Achilles heel in endoscopy.Visceral medicine,32(1), 21-28.

Bakterienkolonien von Endoskopproben nach Spülen vs. Spülen und Bürsten (pull-through) - Beprobung

Cattoir, et al. „Surveillance of Endoscopes: Comparison of Different Sampling Techniques“

Infection control & hospital epidemiology september 2017, vol. 38, no. 9

Es werden jedoch nicht immer alle Bakterien detektiert.

(18)

Bürsten - ein integraler Bestandteil der Endoskopaufbereitung

“An der Wand des Endoskops ist die Fliessgeschwindigkeit = 0””

Busscher, Henk J., and Henny C. van der Mei. "Microbial adhesion in flow displacement systems."Clinical microbiology reviews19.1 (2006): 127-141.

Pull-through device

(19)

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

Protein, eine Kette aus Aminosäuren

Peptide und Aminosäuren

-OH

Wärme

(20)

Zersetzung von Bio-Polymeren unter milden Bedingungen durch Enzyme

• Höchste Wirksamkeit bei ca.

• ~ 55-58 °C

• pH >8.5

Protease

Limitationen

• Hitzeempfindlich:

Denaturierung bei ~ 60 °C

• Muss in komplexen

Gemischen aktiv bleiben

• Sollten sich nicht selbst verdauen

• Substratspezifisch

Thermische Stabilität von Proteasen in Reinigern (Enzymaktivitätsmessung)

Ältere Enzym- Generation

Neuere Generation

Protein, eine Kette aus Aminosäuren

Peptide und Aminosäuren

< 58°C

«Enzyme = Protein mit katalytischer Aktivität»

(21)

Enzyme in der Reinigung

T [min] 0 15 30 45 60 gespült

+ Protease

- Protease

Reinigung/Abbau von Blut-

anschmutzungen (TOSI PCD/Pereg)

durch dieselbe Reinigerformulierung mit/

ohne Protease

Blut, Faszien und Muskelfasern:

Proteasen bauen Fibrin und andere

proteinbasierte Biopolymere ab.

Biofilme enthalten diverse Bakterien und

Biopolymere (EPS).

è Die Reinigung benötigt Enzyme, die die EPS-

Komponenten (wie Proteine und

Polysaccharide) abbauen

(22)

Enzyme verstärken die Biofilm-Wirksamkeit von Reinigern

P. aeruginosa Biofilme wurden für unterschiedliche Zeiten (a) und Temperaturen (B) mit einem Reiniger mit und ohne Enzyme

behandelt (Protein- und Polysaccharid – abbauende Enzyme).

Polysaccharide

Mono- & Oligo- saccharide Glycosidasen

z.B. Amylase, Zellulase

(23)

Quantifizierung von Pseudomonas aeruginosa Biofilmen durch

Kristallviolettfärbung

Die Entwicklung eines manuellen Reinigers mit

Reinigungsleistung gegenüber Biofilmen

(24)

Der enzymatische Abbau von Biofilmen bedarf der gemeinsamen Wirkung mehrerer Enzyme

Stiefel, P et al. (2016). Antimicr. Ag. Chemother. 60(6), 3647-3652.

Appl Microbiol Biotechnol (2016) 100:4135–4145

Kommerzielle Reiniger mit Biofilm-Auslobung

4 Enzyme ohne Enzyme

% residual P. Aeruginosabiofilm

(25)

Im Endoskopmodell reduziert die Reinigung Zellen von P. aeruginosa-Biofilmen 100-fach

treatment

Zühlsdorf, B. and G. Kampf (2006).

Endoscopy38(6): 586-591.

Ein maschineller Reinigungsschritt reduziert die Bakterienzahl ca. 46’000-fach

Reinigung: 15 min, 25 °C, 200 ml/min

(EN ISO/TS 15883-5:2005 Appendix F)

+4 Enzyme

Ohne Enzyme