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Antimikrobielle Oberflächen - Wirksamkeitsnachweise bieten Sicherheit

10.05.2006
Dr. rer. nat. Helmut Mucha
Hohensteiner Institute, Bönnigheim

Antimikrobielle Materialien sind mittlerweile in vielen hygienerelevanten Lebensbereichen im Einsatz: Spezialbeschichtungen in Kühlschränken, keimreduzierende OP-Textilien oder antimikrobielle Oberflächen in Lebensmittelbetrieben sind nur einige Beispiele.

Der Begriff antimikrobielle Wirksamkeit umfasst dabei alle Wirkprinzipien, mit denen das Wachstum von Keimen gehemmt, einer mikrobiellen Besiedelung entgegen gewirkt wird oder Mikroorganismen abgetötet werden.

Im Falle von antimikrobiellen Oberflächen ist diese Wirkung immer auf die Materialoberfläche begrenzt, deren massenhafte Besiedelung mit Keimen verhindert werden soll. Eine Erweiterung der antimikrobiellen Wirkung auf sich darauf befindende Gegenstände ist dagegen auszuschließen, da diese mit einer unerwünschten Wirkstoffabgabe, zum Beispiel an auf der Oberfläche verarbeiteten Lebensmittel, einher gehen würde. Entsprechend leisten antimikrobielle Oberflächen auch im Rahmen der Infektionsprophylaxe gute Dienste, da mit ihnen die Keimübertragung und -Verschleppung zum Beispiel durch die Kleidung der Mitarbeiter in einem Krankenhaus minimiert werden kann.

Wirkprinzipien

Generell wird dabei zwischen passiven Materialien unterschieden, bei denen die mikrobielle Besiedlung allein durch die Oberflächenstruktur verhindert wird. Durch den so genannten Lotus-Effekt oder mikrodomänenstrukturierte Oberflächen wird die Bakterienzelle selbst nicht angegriffen, es wird lediglich das Anhaften der Mikroorganismen an der Materialoberfläche verhindert. Gleiches gilt für Wasser- und Schmutzstoffe, wodurch die Lebensbedingungen von Mikroorganismen negativ verändert (anti-adhäsive Wirkung) werden.

Dem gegenüber enthalten aktive antimikrobielle Materialien, deren biozide Bestandteile, die Mikroorganismen an der Zellwand, im Stoffwechsel oder in der Erbsubstanz (Genom) angreifen. Wenn ein Wirkprinzip Mikroorganismen in ihrer Vitalität negativ beeinflusst, bezeichnet man dies generell als antimikrobielle Aktivität. Gilt dies nur für Bakterien bzw. Schimmelpilze spricht man von antibakterieller bzw. antimykotischer Aktivität.

Das Ausmaß der Wirkung wird bei signifikanter Keimabtötung mit dem Attribut-zid (tötend) oder -statisch bei wachstumshemmender Wirkung gekennzeichnet. So bedeutet bakteriostatisch eine zeitabhängige Wachstumshemmung auf eine bestimmte Bakterienpopulation, ohne dass diese abgetötet wird. Bei Schimmelpilzen werden entsprechend die Begriffe fungistatisch und fungizid verwendet.

Möglichkeiten und Grenzen

Die Wirksamkeit einer antimikrobiellen Oberfläche definiert sich über die innerhalb der Kontaktzeit erreichte Keimreduktion. Diese wird in log-Stufen angegeben, wobei eine log-Stufe jeweils der Reduktion der Keime um eine Zehnerpotenz (log10) entspricht.

Je nach Anwendung der Materialien z. B. in Lebensmittel verarbeitenden Betrieben oder Laboratorien ergeben sich unterschiedliche Anforderungsprofile. Kunststoffoberflächen, die mit Lebensmitteln über mehrere Tage in Kontakt kommen, sollten messbare Keimreduktionswerte von ? 3 log-Stufen (= 99,9 %) aufweisen, bezogen auf eine Kontaktzeit von 24 Stunden oder weniger.

Oberflächen, die z. B. im medizinischen oder mikrobiologischen Labor zum Einsatz kommen, können auch mit höheren Reduktionswerten ausgestattet sein. Das bedeutet, dass sie eine bestimmte Keimreduktion in kürzerer Zeit erreichen bzw. grundsätzlich höhere Reduktionswerte erzielen. Zu beachten ist dabei, dass die verwendeten antimikrobiellen Substanzen grundsätzlich für Mensch und Umwelt toxikologisch unbedenklich sein müssen. Außerdem müssen Sie so in das behandelte Material eingebunden sein, dass sie nicht ausgasen und ein Auswaschen ausgeschlossen ist. Letztlich muss gewährleistet werden, dass bei der Entsorgung der behandelten Materialien, z. B. in Müllverbrennungsanlagen, keine schädlichen Stoffe entstehen.

Wirksamkeitstests

Das antimikrobielle Wirkprinzip und -Maß müssen in jedem Einsatzbereich den individuellen Erfordernissen angepasst werden. Deshalb empfehlen sich praxisnahe Wirksamkeitstests bereits bei der Entwicklung neuer Materialien und Produkte. Sicherheit bei der Auswahl antimikrobieller Materialien bieten sowohl im gewerblichen wie auch im privaten Bereich Zertifikate auf Basis neutraler Untersuchungen, wie zum Beispiel das Hohensteiner Qualitätslabel.

Die Auswahl einer geeigneten Prüfmethode orientiert sich dabei an den unterschiedlichen Wirkprinzipien und deren Ausmaß:

Agar-Diffusionstest

Der Agar-Diffusionstest entstammt der Antibiotikaforschung. Mit ihm wird die minimale Hemmstoffkonzentration bestimmt, die nötig ist, um Indikatorkeime am Wachstum zu hindern. Quantitative Aussagen sind auf diesem Wege nicht möglich. Die zu überprüfenden Materialien werden auf homogen mit Keimen beimpften Agar-Nährboden aufgelegt und im Brutschrank inkubiert. Die keimfreie Zone (Hemmhof oder Halo) um das aufgelegte antimikrobielle Material gibt Auskunft über dessen Wirksamkeit.

Diese Testmethode ist hervorragend zur Überprüfung der Wirksamkeit hochdiffuser antimikrobieller Wirkstoffe geeignet und nahezu alternativlos für den Nachweis fungizider Wirkung. Mit dem Agar-Diffusionstest lassen sich insbesondere textile Materialien wie OP-Textilien, Berufskleidung für Lebensmittelbetriebe oder textile Filter auf ihre antimikrobielle Wirkung hin überprüfen. Ein wesentliches Funktionskriterium beim Agar-Diffusionstest ist der Kontakt der Probe mit dem Agar und den Mikroorganismen. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, ist deshalb auch bei diesem relativ einfachen Test eine sachkundige Durchführung notwendig.

Suspensionstest

Im Gegensatz zum Agar-Diffusionstest lassen sich mit dem Suspensions- bzw. Challenge-Test quantitative Aussagen über die antimikrobielle Wirksamkeit erzielen. Die zu prüfenden Materialien sowie entsprechende Kontrollmaterialien gleicher Beschaffenheit, jedoch ohne antimikrobielle Wirkung, werden mit definierten Testkeimsuspensionen von gram-negativen und gram-positiven Keimen aufgebracht. Von einem Teil der Proben wird sofort die Keimzahl bestimmt. Beim anderen Teil erfolgt die Auszählung der Keime erst nach einer definierten Zeit im Brutschrank. Beide Keimzahlen werden dann ins Verhältnis gesetzt und davon die antimikrobielle Wirkung abgeleitet.

Die Veränderungen während der Inkubationszeit resultieren zum einen aus der spezifischen antimikrobiellen Wirksamkeit des Materials, zum andern auch durch die äußeren Einflüsse und Grundeigenschaften des Prüfmaterials. Aus diesem Grund erfolgt der Vergleich mit den Kontrollproben, bei denen nicht antimikrobiell ausgerüsteten Testmaterialien den gleichen Einflüssen ausgesetzt wurden.

Um Verfälschungen z. B. durch Adsorptionseffekte bei Mikroorganismen zu vermeiden, bedarf es auch bei dieser Testmethode großer Erfahrung bei der Durchführung und Auswertung.

JIS L 1902:1998; JIS L 1902:2002
Diverse Testmethoden (Methode AATCC 100, SN 195924, XP G 39-010), lassen keine Differenzierung zwischen antimikrobiellem Wirkstoff und anderen Einflüssen, wie z. B. allgemeinen Materialeigenschaften zu. International hat sich zur Beurteilung der antimikrobiellen Wirkung deshalb die japanische Standardmethode JIS L 1902:1998 und JIS L 1902:2002 etabliert. Dabei werden Bakterien in der Nährlösung auf das zu untersuchende Material aufgebracht und 18 Stunden bebrütet. Die spezifische antimikrobielle Wirkung beruht auf der Differenz der Keimzahlen auf diesen Proben im Vergleich zu Kontrollproben, bei denen die Keime kurz zuvor aufgebracht wurden. Bei richtiger Anwendung ermöglicht die japanische Norm konkrete Aussagen über die spezifische antimikrobielle Wirkung des Materials und über die Gesamtwirkung in Abhängigkeit von den Ausrüstung, Umgebung und Material.

Der Umfang der vorhandenen Nährstoffreserven ist entscheidend für die Vitalität der untersuchten Keime und damit deren Möglichkeit, sich der antimikrobiellen Wirkung zu widersetzen. Die Wissenschaftler der Hohensteiner Institute haben deshalb in Zusammenarbeit mit weiteren renommierten europäischen Forschungsinstituten eine Modifikation der Testmethode entwickelt. Bei dieser stehen den Bakterien lediglich minimale Nährstoffmengen während der Kontaktphase zur Verfügung. Die Testergebnisse sind damit deutlich aussagekräftiger.

JIS Z 2801:2000
Für Hartplastik, Folien und Lackbeschichtungen stellt die so genannte Filmkontaktmethode entsprechend einer weiteren japanischen Norm (JIS Z 2801:2000) eine besondere Variante dar. Der experimentelle Aufbau entspricht der JIS L 1902:2002, allerdings wird nach Beimpfung der Proben eine dünne Folie auf das Inokulum gedrückt, so dass sich die Bakteriensuspension in einer möglichst dünnen Schicht auf dem Prüfling verteilt. Damit werden die Bedingungen für antimikrobielle Oberflächen zum Beispiel in der Lebensmittel- oder Pharmain-dustrie realitätsnah dargestellt.
Kontakt
Hohensteiner Institute
Institut für Hygiene und Biotechnologie
Dr. Helmut Mucha
Telefon +49 7143 271 433
E-Mail h.mucha@hohenstein.de

Rose-Marie Riedl | idw
Weitere Informationen:
http://www.hohenstein.de

Weitere Berichte zu: Agar-Diffusionstest JIS Keime Mikroorganismus

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