Steril, Sterilisation und Sterilität – Die Begriffe rund um das Thema Kontaminationsfreiheit

John Batts – Senior Technical Trainer, Masterflex Bioprocessing

Bei der Herstellung von Biopharmazeutika ist es von größter Bedeutung, den Flüssigkeitsweg frei von Verunreinigungen durch Mikroorganismen zu halten. Häufig hört man Begriffe wie steril, Sterilisation und Sterilität. Doch was bedeuten diese Begriffe – und wie können sie uns helfen, besser zu verstehen, wie wir das Ziel erreichen können, das Risiko einer Kontamination mit den hergestellten Produkten zu beseitigen?

Schauen wir uns zunächst die offiziellen Definitionen für diese Begriffe an und gehen anschließend näher auf ihre Bedeutung ein, um sie voneinander abzugrenzen.

• Der erste Begriff ist steril. Etwas gilt als steril, wenn es „frei von lebensfähigen (lebenden) Mikroorganismen“ ist.
• Der zweite Begriff ist Sterilisation. Sterilisation ist „ein validierter Prozess, durch den ein Gegenstand, eine Oberfläche oder ein Medium von allen lebenden Mikroorganismen, entweder im vegetativen oder im Sporenstadium, befreit wird.“
• Der dritte Begriff ist Sterilität. Sterilität ist „der Zustand, frei von lebensfähigen Mikroorganismen zu sein.“

Es ist offensichtlich, dass diese drei Begriffe miteinander verbunden sind. Lassen Sie uns jedoch jeden Begriff etwas genauer betrachten.

Steril

Steril sein ist ein absoluter Begriff, ein Ideal, das praktisch nicht zu erreichen ist. Mikroorganismen wie Viren, Pilze und Bakterien gibt es in unserer Welt im Überfluss und sie leben in der Regel unbemerkt auf den meisten Oberflächen. Sie finden sich auf Wimpern, Hautzellen, Staubpartikeln – ganz zu schweigen von gewöhnlichen Oberflächen wie Kleidung, Karton- und Plastikverpackungen. Die meiste Zeit über hat die Anwesenheit dieser Mikroorganismen keine spürbaren Auswirkungen auf unser tägliches Leben. In vielen Fällen ist es sogar von Vorteil, dass diese Mikroorganismen vorhanden sind.

Es gibt jedoch Zeiten, in denen das Vorhandensein von Mikroorganismen nachteilig sein kann. Dies gilt insbesondere für die biopharmazeutische Forschung und Produktion, wo Wissenschaftler oft mit speziellen Stämmen von biologischem Material arbeiten, die für die Herstellung eines biotherapeutischen Produkts entwickelt wurden. In diesen Fällen könnte das Vorhandensein von fremdem biologischen Material, das von Mikroorganismen stammt, die Wirksamkeit und Sicherheit des Endprodukts beeinträchtigen.

Sterilisation

Zur Entfernung dieser Mikroorganismen, werden Sterilisationstechniken eingesetzt. Viele Menschen bevorzugen dafür die Methode des Autoklavierens. Das Autoklavieren ist zwar eine bewährte Technik, sie hat jedoch zahlreiche Einschränkungen, die ihren Einsatz in großen Produktionsumgebungen erschweren. Für die meisten biopharmazeutischen Unternehmen ist es üblich, eine von mehreren anderen Sterilisationstechniken anzuwenden – jede mit ihren eigenen Vorteilen und Einschränkungen.

Eine gängige Sterilisationstechnik ist die Verwendung von Ethylenoxid (EO oder EtO). Ethylenoxid ist ein durchdringendes Gas, das selbst bei großen Chargen gut auf die Produktoberfläche gelangen kann. Außerdem ist EO in der Regel mit den meisten Oberflächen chemisch kompatibel, kann jedoch Rückstände auf der Oberfläche der so sterilisierten Produkte hinterlassen. Die Arbeit mit EO ist gefährlich, da es sowohl entflammbar als auch explosiv ist. Seiner Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit macht die Anwendung zu einem komplexen Prozess, der Tage dauern kann, um eine maximale Wirksamkeit zu erreichen.

Angesichts der Herausforderungen, die EO mit sich bringt, wurde den auf Strahlung basierenden Methoden zur Sterilisation mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Diese alternativen Methoden bieten mehrere Vorteile, darunter weniger komplexe Einrichtungen, kürzere Laufzeiten und die Möglichkeit, mit undurchlässigen Verpackungen zu arbeiten (was eine effektivere Sterilisation der Endprodukte in ihrer endgültigen Verpackung ermöglicht). Eine dieser Methoden ist als Elektronenstrahl (oder E-Strahl) bekannt. Bei der E-Strahl-Technologie wird das fertige Produkt einem konzentrierten, hochgeladenen Elektronenstrom ausgesetzt, der von einem Beschleuniger erzeugt wird. Dieser Elektronenstrom verändert die chemischen Bindungen, wodurch die DNA eventuell vorhandener Mikroorganismen geschädigt und ihre Fähigkeit zur Reproduktion zerstört wird. Die E-Strahl-Technologie ist zwar sehr effektiv, hat aber auch ihre Grenzen. Dazu gehören die Größe der Chargen, die verarbeitet werden können, sowie die Tatsache, dass sie sich nicht für Produkte eignet, die komplexe Geometrien aufweisen oder aus Materialien mit hoher Dichte bestehen.

Um die Einschränkungen der E-Strahl-Technologie zu überwinden, ist eine der am meisten akzeptierten und verwendeten Sterilisationstechniken die Gammabestrahlung. Gammabestrahlung ist eine durchdringende Form der elektromagnetischen Strahlung. Wie der E-Strahl führt auch die Gammabestrahlung zu einer Schädigung der DNA und der zellulären Strukturen der Kontaminanten. Je nach Höhe der Strahlenbelastung kann es auch zum Tod der kontaminierenden Mikroorganismen kommen. Aufgrund der Art der erzeugten Energie kann die Gammabestrahlung selbst sehr dichte Produkte vollständig durchdringen, was sie für den Einsatz bei großen Produktchargen geeignet macht. Zu den weiteren Vorteilen gehört, dass die Bestrahlung weder von bestimmten Chemikalien noch von Wärme abhängig ist und auch nicht durch die Produktgeometrie behindert wird. Es gibt jedoch auch hier Einschränkungen. Die wichtigsten sind, dass die Strahlungsquelle von Zeit zu Zeit erneuert und revalidiert werden muss und dass die Strahlung bei vielen Medikamenten unerwünschte Veränderungen hervorruft. Aus diesem Grund wird die Gammabestrahlung in der Regel eher bei physischen Produkten wie Schläuchen, Armaturen usw. eingesetzt.

Wie bereits erwähnt, besteht das Ziel dieser Sterilisationstechniken darin, dass ein fertiges Produkt vollständig steril wird und als steril gekennzeichnet werden kann. Es ist jedoch unmöglich, zu garantieren, dass 100 % aller Mikroorganismen durch den Sterilisationsprozess vollständig eliminiert werden. Daher wird der Grad der Sterilität nicht durch das Erreichen einer vollständigen Sterilität ausgedrückt, sondern durch den Sterilitätssicherheitsgrad.

Sterilitätssicherungsgrad (Sterility Assurance Level, SAL)

Der Sterilitätssicherheitsgrad oder SAL ist die Wahrscheinlichkeit, dass nach der Sterilisation ein einziger lebensfähiger Mikroorganismus auf einem Produkt vorkommt. Auf dem Markt für Medizinprodukte liegt der angestrebte SAL-Wert bei 10-6, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Organismus am Ende des Sterilisationsprozesses überlebt, bei 1 zu 1.000.000 liegt. Auch wenn ein SAL von 10-6 nicht vollständig steril ist, besteht praktisch kein Risiko, dass das fertige Produkt kontaminiert wird und somit auch kein Risiko, dass Menschen, die mit dem fertigen Produkt in Berührung kommen, Schaden nehmen.

Die Sicherstellung der Kontaminationsfreiheit von Produkten kann ein komplexer Prozess sein. Es gibt in diesem Bereich keine „Einheitslösung“, aber es gibt zahlreiche und wirksame Sterilisationstechniken, die bei Fertigprodukten eingesetzt werden können, um den angestrebten Grad an Sterilität zu erreichen und so die Sicherheit derjenigen zu gewährleisten, die das Fertigprodukt verwenden und davon profitieren.

Verfasser:John Batts – Senior Technical Trainer, Masterflex Bioprocessing