Unbelebte Oberflächen und Desinfektionsverfahren

Zusammenfassung

Virusepidemien entwickeln sich aufgrund des Auftretens neuer Varianten infektiöser Viren. Der Mangel an wirksamen antiviralen Behandlungen für neue Virusinfektionen führt in Verbindung mit der raschen Ausbreitung der Infektion in der Gemeinde häufig zu enormen menschlichen und finanziellen Verlusten. Die Virusübertragung kann durch engen Kontakt von Person zu Person oder durch Kontakt mit einer kontaminierten Oberfläche erfolgen. Daher ist eine sorgfältige Desinfektion oder Sanierung unerlässlich, um die Virusausbreitung zu reduzieren. Es gibt zahlreiche Desinfektions-/Desinfektionsmittel/Biozidmittel, die Viren inaktivieren können, deren Wirksamkeit jedoch von vielen Faktoren wie Wirkstoffkonzentration, Einwirkzeit, Temperatur und organischer Belastung abhängt. Fortschritte in der Nanotechnologie sind von großer Bedeutung bei der Inaktivierung von Viren und bei der Bekämpfung der COVID-19-Epidemie.

Schlüsselwörter/Phrasen: Desinfektion, Nanotechnologie, COVID-19

1. Einführung

Virusübertragungen und -infektionen haben in der Vergangenheit ernsthafte Bedrohungen für die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen dargestellt und zu weit verbreiteten sozioökonomischen Störungen geführt. Vor einem Jahrhundert, im Jahr 1918, verursachte die Pandemie der „Spanischen Grippe“ eine weltweite Katastrophe mit mehr als 50 Millionen Toten und 500 Millionen Infektionen [33]. Als eines der Länder, das 2014 am stärksten von der Ebola-Epidemie in Westafrika betroffen war, ging das Wachstum des Bruttoinlandsprodukts (BIP) Liberias von 8,7 % im Jahr 2013 auf 0,7 % im Jahr 2014 zurück [66]. Die Bedrohung durch eine globale Viruspandemie könnte zu größeren Katastrophen führen als je zuvor in der Menschheitsgeschichte, da sich Viren aufgrund einfacherer globaler Verbindungen und Transportmöglichkeiten sowie der Leichtigkeit und Intensität der heutigen menschlichen Mobilität mit beispielloser Geschwindigkeit auf der ganzen Welt ausbreiten können. Heute sehen wir jedoch, dass eine ähnliche Pandemie zweifellos zu noch katastrophaleren Ergebnissen geführt hat [7]. Das neuartige Coronavirus, das die COVID-19-Krankheit (SARS-CoV-2 oder früher HCoV-19) verursacht, die erstmals Ende 2019 von China gemeldet wurde, hat zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels zu schätzungsweise mehr als sechs Millionen Todesfällen geführt. Die Pandemie ist immer noch nicht vorbei, und jeden Tag werden neue Fälle und neue Todesfälle gemeldet. Während Regierungen und Staaten die Häufigkeit und das Ausmaß von Ausbrüchen beeinflussen können [2], können Einzelpersonen eine wichtigere Rolle bei der Begrenzung der Ausbreitung von Viren im öffentlichen und im Gesundheitswesen spielen [47]. Eine Mensch-zu-Mensch-Übertragung gängiger Influenzaviren und Coronaviren kann durch Selbstinokulation von Schleimhäuten in Nase, Mund oder Augen durch Berühren kontaminierter trockener Oberflächen sowie virusbeladener Körperflüssigkeiten erfolgen [37]. Je nach Oberflächentyp und Umgebungsbedingungen können Viren 5 Minuten oder weniger bis zu mehr als 28 Tagen auf unbelebten Oberflächen verbleiben [22]. Die Verwendung von Desinfektionsmitteln für die Körperpflege und Oberflächendesinfektion ist von großer Bedeutung, um die Virusübertragung zu begrenzen, indem Viren inaktiviert werden, bevor sie in den menschlichen Körper eindringen können.

In dieser Schulungseinheit informieren wir über die verschiedenen Arten von Desinfektionsmitteln, die in handelsüblichen Formulierungen mit wissenschaftlich nachgewiesenen viruziden Eigenschaften zur Inaktivierung von Viren in Suspension und auf Oberflächen verwendet werden. Wir informieren auch über die antivirale Desinfektion von nanotechnologischen Materialien, eine der vielversprechenden neuen Entwicklungen, die nachweislich Viren inaktivieren, aber noch keine breite kommerzielle Nutzung erreicht haben.

2. Desinfektionsmittel gegen Viren und allgemeine Wirkprinzipien

2.1. Viren und Infektiosität

Viren bestehen typischerweise aus einem viralen Kapsid, das Nukleinsäuren enthält (Abb. 1). Die Nukleinsäure dient als Template-Information für die Replikation, während das Kapsid und seine assoziierten Proteine sowohl zum Schutz der Nukleinsäure als auch zur Bindung an Wirtszellrezeptoren dienen [29].

Abbildung 1. Arten von Viren.

Viren können sich außerhalb einer Wirtszelle nicht vermehren. In diesem Zustand können sie jedoch oft lange überleben [67]. Wenn sie auf eine geeignete Wirtszelle treffen, infizieren sie sich und dringen in die Wirtszelle ein und kapern die zelluläre Maschinerie für ihre eigene Replikation (Abb. 2). Viren können Zellen, einschließlich Bakterienzellen, infizieren und eine Reihe häufiger Krankheiten verursachen. Diese Situation wird durch das Fehlen einer wirksamen Behandlung gegen viele der Viren verschärft.

Coronaviren hingegen sind behüllte und einzelsträngige RNA-Viren, das heißt, ihr Erbgut besteht aus einem RNA-Strang und jedes Viruspartikel ist in eine Proteinhülle gehüllt (Abb. 3). Alle Viren folgen grundsätzlich dem gleichen Weg, um ihre Wirte zu infizieren. Ein Virus, das in eine Zelle eindringt, repliziert sich selbst unter Verwendung einiger Komponenten dieser Zelle, und dann infizieren seine Kopien andere Zellen. RNA-Viren haben jedoch eine andere Eigenschaft. Diese Viren können Fehler, die während der RNA-Replikation auftreten, nicht korrigieren, da sie nicht über die Fehlerkorrekturmechanismen verfügen, die Zellen normalerweise beim Kopieren von DNA verwenden.

Abbildung 2. Die vier Stadien der viralen Infektion einer Zelle im Modell.

Coronaviren sind mit 30.000 Basen die Gruppe der Viren mit dem längsten Genom unter den RNA-Viren. Diese Krankheitserreger, denen die Fähigkeit fehlt, Fehler während der Replikation zu korrigieren, erhöhen die Wahrscheinlichkeit, Fehler zu machen, wenn die Menge an Basen, die sie kopieren, zunimmt. Daher bringt jeder Fehler eine neue Mutation mit sich. Einige dieser Mutationen können dem Virus auch neue Eigenschaften verleihen, beispielsweise die Fähigkeit, neue Zelltypen oder sogar neue Stämme zu infizieren. Ein Coronavirus besteht aus vier Strukturproteinen: Nukleokapsid, Hülle, Membran und stäbchenartigen Vorsprüngen (Dornen). Da diese Ausstülpungen „Corona“ genannt werden, was auf Latein Krone bedeutet, werden diese Viren Coronavirus (Kronenvirus) genannt. Das Nukleokapsid enthält das genetische Material in einer kugelförmigen Struktur, die aus Hüll- und Membranproteinen gebildet wird. Die stacheligen Vorsprünge identifizieren die Zellen, die das Virus infizieren und an die Rezeptoren in den Zellen binden kann.

Oberflächen, einschließlich unserer Hände, spielen eine wichtige Rolle bei der Verbreitung von Viren. Viren wie Poliovirus und Bakteriophagen zeigen eine viel höhere Überlebensfähigkeit, wenn sie durch direkten Kontakt von Oberflächen übertragen werden, im Gegensatz zu Viren, die Tröpfchenaerosolisierung oder Staub enthalten. Nur 5 Sekunden Hand- und Gesichtskontakt reichen aus, um einen erheblichen Teil des Virus zu übertragen, und Viren können sich dann durch Berühren der Nasenschleimhaut oder der Bindehaut des Auges ausbreiten. Die Verbreitungswahrscheinlichkeit steht in direktem Zusammenhang mit der viralen Überlebenszeit auf der Oberfläche, die sich zwischen verschiedenen Viren erheblich unterscheidet. Eine kürzlich durchgeführte Studie berichtete, dass das Covid-19-Coronavirus (SARS-CoV-2) auf Propylenkunststoffoberflächen und Edelstahl am längsten bestehen kann und lebende Viren bis zu 72 Stunden nach der ersten Anwendung vorhanden sind, wenn auch mit einem stark reduzierten Virustiter [60].

Abbildung 3: Darstellung des SARS-CoV-2-Virus

2.2. Faktoren, die die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels beeinflussen

Das Hauptmaß für die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels ist die Verringerung der Infektiosität des Virus. Die Messung der Virusinfektiosität wird typischerweise durch Trägertests und Suspensionstests durchgeführt. Zu den Hauptparametern, die die Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln gegen Viren beeinflussen, gehören Kontaktzeit, Konzentration des Desinfektionsmittels und verwandter Viren.

Zusätzlich kann die Desinfektionseffizienz auch durch Umgebungsfaktoren beeinflusst werden. Wenn zur Desinfektion chemische Reaktionen wie Formaldehyd erforderlich sind, ist die Desinfektionsrate bei höheren Temperaturen höher. Bei kaltem Wetter können einige Desinfektionsmittel unwirksam sein, da die Desinfektionsrate extrem niedrig ist. Feuchtigkeit ist ein weiterer Faktor, der das Eindringen des Desinfektionsmittels in das Virus beeinflussen kann. Bei Reaktionen wie Aldehyd-Desinfektionsmitteln wirkt sich eine Änderung des pH-Werts auch auf die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels aus.

2.3. Faktoren, die die Virusanfälligkeit beeinflussen

Viren, die die Inaktivierung durch Desinfektion beeinflussen, haben bestimmte einzigartige Eigenschaften. Hier gibt es drei Haupttypen von Viren mit unterschiedlichen Strukturen, die nach zunehmender Schwierigkeit der chemischen Desinfektionsmittelinaktivierung klassifiziert werden: behüllte Viren, große unbehüllte Viren und kleine unbehüllte Viren. Obwohl es Ausnahmen gibt, sind größere Viren im Allgemeinen empfindlicher gegenüber Desinfektionsmitteln [32]. Alle der wenigen getesteten Desinfektionslösungen sind wirksam gegen die behüllten Viren Herpes-Simplex-Virus und Humanes Immundefizienz-Virus (HIV) Typ 1, aber weniger wirksam gegen das kleine unbehüllte menschliche Coxsackie-Virus. Behüllte Viren enthalten eine Lipidhülle, die für die Infektion unerlässlich ist, und daher kann eine Störung der Hülle die Virusübertragung potenziell reduzieren. Zur Inaktivierung behüllter Viren können oft lipophile Desinfektionsmittel eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu verwenden unbehüllte Viren eine Proteinhülle für die Infektion, und daher erfordert die Inaktivierung oft die Denaturierung von unnötigen viralen Kapsidproteinen oder essentiellen replikativen Proteinen [36]. Desinfektionsmittel, die Proteine abbauen, wie Glutaraldehyd oder Natriumhypochlorit, können unbehüllte Viren wirksam inaktivieren [32]. Elektronenmikroskopische Studien zeigen umfangreiche strukturelle Schäden am Phagen, einschließlich Natriumhypochlorit, das den Bakteriophagen PAO1 inaktiviert, und Schäden an Kapsidproteinen. Da Viren wie Polio jedoch nur mit RNA infektiös bleiben, muss das Desinfektionsmittel möglicherweise eindringen, um Nukleinsäuren zu zerstören [32]. Während die behüllte Virusinfluenza H1N1 durch alle getesteten Desinfektionsmittel inaktiviert werden kann [16], sind kleine unbehüllte Noroviren viel schwieriger zu inaktivieren und nur wenige allgemein verfügbare Desinfektionsmittel können die Infektion nicht ausreichend reduzieren [56].

Viren widerstehen auch einer Desinfektion wegen der zellulären Materialien, mit denen die Viren assoziiert sind. Viren sind normalerweise für die Replikation auf Wirtszellen angewiesen, daher werden sie oft in Verbindung mit Materialien wie Zelltrümmern, Erde und aerosolisierten Tröpfchen gefunden. Diese werden als virale Aggregationsschutzfaktoren bezeichnet und können sowohl das Eindringen des Desinfektionsmittels in das Virus verringern als auch die Wechselwirkung und Aktivität der Desinfektionsmittel verringern. Dies hat eine große Wirkung auf Desinfektionsmittel und erfordert eine viel höhere Konzentration für eine effektive Desinfektion. Desinfektion ist oft mit Reinigungsprozessen verbunden und abhängig, da primär die Entfernung von organischen Materialverunreinigungen einen besseren Desinfektionsprozess ermöglichen kann [14]. Darüber hinaus können sich Viren in der Umwelt anreichern, wenn sie Desinfektionsmitteln ausgesetzt sind, was es Desinfektionsmitteln erschwert, Viren zu durchdringen und zu erreichen [15].

COVID-19 ist bekanntermaßen sehr ansteckend und es gibt viele Übertragungswege. Neuere Studien haben gezeigt, dass sich SARS-CoV-2 hauptsächlich durch Mikrotröpfchen verbreitet, die von Mensch zu Mensch übertragen werden, oder durch Berührung kontaminierter Oberflächen (Abb. 4) [58]. Es ist bekannt, dass SARS-CoV-2 die Fähigkeit hat, länger als 3 Stunden in Aerosolform zu bleiben. Es wird auch angegeben, dass das menschliche Coronavirus je nach Oberfläche bis zu 9 Tage und bei Temperaturen über 30 °C überleben kann. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA), Desinfektions- und Desinfektionsmittel äußerst wichtig. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt die Verwendung physikalischer und chemischer Faktoren, um die Kontamination durch Desinfektion von Oberflächen zu reduzieren, insbesondere auf häufig berührten Oberflächen wie Türklinken, Tischen, Stühlen, Geländern und Schlüsseln, sowie die Verwendung von Masken und Hygieneverfahren für die Körperpflege . In der Literatur sind verschiedene Desinfektionsmittel beschrieben, darunter Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxid, Alkohole, Seifen/Tenside etc. [ 31].

Abbildung 4. Beispiele für Virenverbreitungspunkte.

3. Handelsübliche viruzide Desinfektionsmittel

3.1. Alkohole

Alkohole, insbesondere Isopropylalkohol (auch bekannt als Isopropanol und Propan-2-ol) und Ethylalkohol (Ethanol), können ein breites Spektrum an Bakterien-, Pilz- und Virusaktivitäten inaktivieren (Abb. 5-6). Diese Wirkstoffe spielen eine wichtige Rolle in der Gesundheitsindustrie zur Hautantiseptik und Desinfektion kleiner medizinischer Instrumente. Obwohl gezeigt wurde, dass Alkohole bei der Zerstörung infektiöser Mikroorganismen wirksam sind, sind Alkohole nicht sporizid [44] und werden oft mit anderen wichtigen bioziden Wirkstoffen kombiniert, um die Desinfektionswirksamkeit zu erhöhen.

Starke biozide Wirkstoffe zerstören Viren und Bakterien durch verschiedene Mechanismen, wie z. B. das Aufbrechen der Zellstruktur und das Koagulieren und/oder Denaturieren von Proteinen in Mikroorganismen. Obwohl nur wenige Studien durchgeführt wurden, um die biozide Aktivität von Alkohol vollständig zu verstehen, wird allgemein angenommen, dass Alkohole Zellmembranen zerstören und Proteine im Allgemeinen denaturieren [ 4]. Viren und viele andere Mikroorganismen sind im Allgemeinen für diese Wirkungsweise anfällig. Frühere Studien haben berichtet, dass die Einarbeitung von Wasser in das biozide System die Wirksamkeit von Alkohol erhöht, da Wasser eine schnellere Denaturierung von Proteinen erleichtert [44]. Darüber hinaus erhöht die Zugabe von Wasser die Wirksamkeit von Alkoholen erheblich, da sie das Verdampfen des Alkohols verzögert und seine Exposition gegenüber Viren und Bakterien erhöht.

Die viruzide Wirkung von Alkohol ist jedoch stark von der Wirkstoffkonzentration und der Art der Testviren abhängig. Die Wirksamkeit von Alkoholen bei der Inaktivierung von Viren hängt weitgehend von den Oberflächeneigenschaften des Mikroorganismus ab. Unbehüllte Viren sind allgemein bekanntermaßen widerstandsfähiger gegen Desinfektionsmittel als behüllte Viren, einschließlich Alkohole.

Während Alkohole bei der Zerstörung einiger Virustypen wirksam waren, überschatteten andere Desinfektionsmittel wie quartäre Ammoniumverbindungen (QAC), Glutaraldehyd und Wasserstoffperoxid schnell ihre Leistung [44]. Daher werden Desinfektionsmittel, deren Hauptwirkstoffe Alkohol sind, im Allgemeinen nicht zur Desinfektion kritischer Geräte oder Umgebungen im Gesundheitswesen verwendet [44]. Die Verwendung von Isopropylalkohol ist ebenfalls begrenzt, da er nur Lipidviren inaktiviert. Dies reduziert die Fähigkeiten von Alkohol als Desinfektionsmittel für den breiteren Einsatz erheblich. Da Alkohole brennbare Flüssigkeiten sind, erhöhen große Mengen Alkohol ihre Risiken und Gefahren als Desinfektionsmittel. Der Flammpunkt der höher konzentrierten Alkohollösung ist niedriger als der der niedrigeren Konzentration [4]. Darüber hinaus beeinträchtigt die längere und wiederholte Verwendung von Alkohol die Unversehrtheit von Materialien wie Kunststoffen und Farben. Materialien, die ständig Alkohol ausgesetzt sind, können aufgrund der Wirkung von Alkohol Farbveränderungen , Risse und Schwellungen erfahren. Eine weitere Herausforderung beim Alkoholkonsum besteht darin, dass er schnell verdunstet, wenn er der Luft ausgesetzt wird, wodurch die Kontaktzeit mit dem Virus verkürzt wird. Eine maximale Desinfektion ist nur schwer zu erreichen, wenn die Instrumente nicht einige Zeit in das Bad eingetaucht wurden.

Abbildung 5. Faktoren, die die Wirksamkeit von Händedesinfektionsmitteln auf Alkoholbasis gegen SARS-CoV-2 beeinflussen.

Obwohl die Fähigkeiten von Alkohol begrenzt sind, wird er immer noch häufig in einer Vielzahl von aktiven Desinfektionsverfahren verwendet. Es ist unbedingt zu beachten, dass die Rolle des Alkohols als Desinfektionsmittel zusammen mit seinen anderen Eigenschaften immer noch unersetzlich ist. Alkohole werden im Krankenhaus häufig als wirksames Desinfektionsmittel für Thermometer, unkritische Instrumente und nicht-invasive Sonden verwendet [44]. Unkritische Oberflächen wiederverwendbarer medizinischer Instrumente werden ebenfalls mit Alkohol desinfiziert. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Alkohol als Desinfektionsmittel ist die Benutzerfreundlichkeit. Alkohollösungen verfärben sich nicht, verdunsten schnell, haben im Vergleich zu anderen Desinfektionsmitteln eine geringe Toxizität und einen milden, akzeptablen Geruch . Diese Funktionen sind in Umgebungen des Gesundheitswesens von entscheidender Bedeutung, da sie zur Effizienz und notwendigen Desinfektion des Systems beitragen.

Abbildung 6. Der antivirale Wirkungsmechanismus von Alkohol gegen behüllte Viren.

3.2. Tenside

Tenside sind amphiphile Einheiten, die sowohl hydrophile als auch lipophile Segmente aufweisen, die weiter klassifiziert werden als kationische, anionische, nichtionische und zwitterionische Tenside. Sie sind Wirkstoffe, die häufig in Haushaltsdesinfektions- und Reinigungsmitteln enthalten sind und nachweislich Viren inaktivieren können. Behüllte Viren wie die Familie der Coronaviren, zu der SARS-CoV-1, MERS und die neuartigen SARS-CoV-2-Viren gehören, sind daher anfällig für diese Tenside. Einige Tenside sind jedoch nicht auf die Auflösung ihrer Lipidhülle angewiesen, um Viren zu inaktivieren.

3.2.1. Kationische Tenside (quartäre Ammoniumverbindungen)

Quartäre Ammoniumverbindungen (QAVs) bilden die Hauptmasse der kationischen Tenside und inaktivieren Viren meist durch Auflösung und Abbau ihrer Lipidhülle oder Membran. Es wird berichtet, dass sie ihre viruzide Aktivität in hartem Wasser und auch in Gegenwart von anionischen Rückständen besser beibehalten [38]. QACs sind attraktiv, weil sie relativ ungiftig, farb- und geruchlos sind [19]. Sie sind bekannt dafür, behüllte Viren zu inaktivieren, aber ihre viruzide Aktivität ist abhängig von Konzentration, Expositionszeit und Temperatur. Eine wirksame Desinfektion mit Tensiden unter Verwendung von QAVs wird am besten mit warmem Wasser und längeren Einwirkzeiten erreicht [30]. Ein Vorteil der Verwendung von QAV-basierten Desinfektionsmitteln ist ihre relativ hohe Toleranz gegenüber dem Vorhandensein von kontaminierenden organischen Stoffen. Dies liegt daran, dass ihre Fähigkeit, Viren zu inaktivieren, im Allgemeinen nicht durch das Vorhandensein organischer Stoffe verringert wird, wie dies bei anderen gängigen Desinfektionsmitteln wie Alkohol und Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis der Fall ist.

3.2.2. Anionische Tenside

Sie sind einige gängige anionische Tenside, die in Körperpflegeprodukten wie Seife, Shampoo, Zahnpasta und Reinigungsmitteln vorkommen [49].

3.2.3. Vaccines for cancer

Non-ionic surfactants are commonly used as emulsifiers. These non-ionic surfactants inactivate viruses by dissolving the viral envelope and cleaving the nucleocapsid. Zwitterionic surfactants are molecules that carry both cationic and anionic charges, but generally neutrally charged [63]. Researchers have suggested that the mechanism of disinfection by zwitterionic detergent is via viral degradation rather than solubilizing surface proteins [8]. This special ability, which inactivates viruses but preserves the biological activity of surface antigens, allows the use of zwitterionic detergent during the development of vaccines.

3.3. Oxidationsmittel

Desinfektionsmittel wie Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxid und Peressigsäure nutzen ihre oxidierenden Fähigkeiten, um Viren zu inaktivieren. Starke Oxidationsmittel gehören zu den wirksamsten Desinfektionsmitteln für kleine, unbehüllte und schwer zu desinfizierende Viren wie Noroviren [17].

3.3.1. Natriumhypochlorit

Natriumhypochlorit, der Wirkstoff in Haushaltsbleichmitteln, ist ein starkes Oxidationsmittel. Es löst sich in Wasser unter Bildung von hypochloriger Säure auf, die zu Wasser und Chloridanion reduziert werden kann [13]. Die Wirksamkeit der Desinfektion nimmt mit zunehmendem pH-Wert ab, wahrscheinlich aufgrund des abnehmenden Anteils der vorhandenen Hypochlorsäureeinheit [3]. Natriumhypochlorit wirkt schnell und ist in niedrigen Konzentrationen wirksam. Es wurde festgestellt, dass seine Wirkung proportional zu seiner Konzentration und Kontaktzeit ist. Natriumhypochlorit kann für unbehüllte, schwer zu desinfizierende Viren wie Noroviren verwendet werden.

3.3.2. Natriumdichlorisocyanurat

Im Vergleich zu Natriumhypochlorit hat Natriumdichlorisocyanurat eine länger anhaltende Desinfektionswirkung, ist toleranter gegenüber dem Vorhandensein von organischem Material und hat eine höhere Gesamtwirkung des Desinfektionsmittels.

3.3.3. Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid ist ein wirksames Breitspektrum-Inaktivierungsmittel. Es zerfällt zu Wasser, Sauerstoff und hochreaktiven freien Hydroxylradikalen, die eine Vielzahl von Biomolekülen, einschließlich Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden, abbauen oder vernetzen können. Wasserstoffperoxid ist auch gegen Noroviren wirksam, obwohl es normalerweise eine höhere Konzentration als Natriumhypochlorit erfordert.

3.4. Peressigsäure

Peressigsäure zersetzt sich in ähnlicher Weise unter Bildung von hochreaktiven freien Hydroxylradikalen sowie Essigsäure und Sauerstoff [42]. Peressigsäureformen wurden entwickelt, um eine größere Stabilität bereitzustellen und können in situ aufgelöst werden, um die Desinfektionslösung zu bilden.

3.5. Halogenierte Verbindungen

3.5.1. Povidon-Jod

Povidon-Jod ist ein Breitbandviruzid. Es wird in klinischen Anwendungen wie Sterilisationsmitteln, Operationstupfern, Peelings und Salben zur prä- und postoperativen Hautreinigung sowie in Alltagsprodukten wie antiseptischen Handwaschmitteln, Mundspülungen und Mundspülungen mit niedrigeren Jodophorkonzentrationen verwendet [12]. Nicht geeignet für die Verwendung mit Silikonprodukten wie Povidon-Jod-Silikonkathetern, da Jod zu einem schnelleren Abbau des Materials führen kann. Obwohl Povidon-Jod im Allgemeinen sicherer und wirksamer bei der Inaktivierung von Viren ist als viele andere Antiseptika, kann es bei längerer Anwendung zu Schilddrüsenfunktionsstörungen [27] und allergischer Kontaktdermatitis führen, die eine sorgfältige medizinische Überwachung erfordern [61]. Die Ursprünge der breiten viruziden Aktivitäten von Povidoniodid wurden noch nicht vollständig aufgeklärt und treten wahrscheinlich durch mehr als einen Mechanismus auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass zufällige virale Mutationen Resistenz verleihen. Es gibt Hinweise darauf, dass Jod die Rezeptoren des Virus blockieren kann, die für die Bindung an die Wirtszelloberfläche verantwortlich sind [50]. Darüber hinaus kann Jod verhindern, dass sich das Virus auf andere nicht infizierte Zellen ausbreitet, indem es die Aktivität viraler Enzyme ( z . B. Neuraminidase) hemmt, die für die Virusfreisetzung aus Wirtszellen erforderlich sind [12]. Für umhüllte Viren wurde auch vorgeschlagen, dass die Virusmembran durch die Reaktion von Jodmembranfettsäuren mit ungesättigten C=C-Bindungen destabilisiert werden kann.

3.5.2. Chlorhexidindigluconat

Chlorhexidin ist ein kationisches Bisguanid-Breitbandbiozid , das in vielen antiseptischen Produkten vorkommt. Als Wirkstoff in Handwaschmitteln, Mundwässern und Mundgelen, Desinfektionsmitteln und Konservierungsmitteln weist Chlorhexidin im Allgemeinen eine geringe Reizbarkeit, eine gute Persistenz auf der Haut und eine schnelle bakterizide Aktivität auf. Seine Aktivität hängt jedoch stark von seiner Formulierung ab, da sie durch die Anwesenheit von anionischen Tensiden und Phospholipiden sowie von organischem Material, einschließlich Serum, verringert wird, und ist auch vom pH-Wert abhängig. Im Vergleich zu Bakterien ist seine viruzide Aktivität variabler als Povidon-Jod, und es ist deutlich weniger stark und wirkt langsamer. Im Allgemeinen ist Chlorhexidin gegen unbehüllte Viren (Polio und Adenoviren) unwirksam, zeigt jedoch eine unterschiedliche Potenz zur Inaktivierung behüllter Viren.

3.5.3. Chloroxylenol

Chloroxylenol ist ein Antiseptikum vom halogenierten Phenoltyp. Weit verbreitet für Haushaltsdesinfektionsmittel, Wundreinigung und Desinfektion von chirurgischen Geräten, ist es am wirksamsten gegen Bakterien, aber seine viruzide Aktivität ist variabel. Trotz seiner umfangreichen kommerziellen Nutzung für eine lange Zeit ist überraschend wenig über seinen Wirkungsmechanismus sowohl gegen Bakterien als auch gegen Viren bekannt. Chloroxylenol ist im Allgemeinen sicher für die äußere Anwendung beim Menschen, es wurde jedoch berichtet, dass es irritative Kontaktdermatitis und Kontaktdepigmentierung verursacht [62].

3.6. Aldehyde

3.6.1. Formaldehyd/h6>
Formaldehyd ist das einfachste Aldehyd und ein starkes hochwirksames Desinfektionsmittel mit starken Virusinaktivierungseigenschaften. Normalerweise als wässrige Lösung namens Formalin verkauft, wurde es zur Inaktivierung von Viren für die Impfstoffherstellung [35] und wissenschaftliche Studien [35] verwendet. Als Desinfektionsmittel der Spitzenklasse kann es viele verschiedene Arten von Viren sowohl in Suspension als auch auf Oberflächen effektiv und schnell inaktivieren, indem es die Amino- und Sulfhydrylgruppen von Proteinen sowie die Aminogruppen von Nukleinsäurebasen von DNA und DNA chemisch alkyliert RNS [23]. Aufgrund seiner hohen Reaktivität ist es jedoch bei seiner Verwendung gesundheitsschädlich, da es Reizungen an exponierten Körperoberflächen ( z . B. Haut und Augen) hervorruft [43], abgesehen davon, dass es mutagen ist und im Verdacht steht, krebserregend zu sein [52]. Daher unterliegt es strengen Vorschriften bezüglich der Exposition von Menschen als Desinfektions- und Sterilisationsmittel in Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen, mit Ausnahme der Verwendung in gut belüfteten Bereichen, und wird daher nicht als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet.

3.6.2. Glutaraldehyd

Glutaraldehyd (manchmal auch als Glutardialdehyd bekannt) ist wie Formaldehyd ein wirksames Breitband-Desinfektions- und Sterilisationsmittel, das nach kurzer Einwirkzeit gegen viele Viren hochwirksam ist. Obwohl kein Verdacht auf Karzinogenität besteht [54], ist bekannt, dass es Dermatitis in Augen, Nase und Mund sowie Reizungen der Schleimhäute verursacht. Aus diesen Gründen wird es nicht als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet. Im Allgemeinen sind Metalle, Gummi, Kunststoffe und Linseninstrumente tolerant gegenüber Glutaraldehyd, aber es wird aufgrund seiner Kosten nicht zur Desinfektion unkritischer Oberflächen empfohlen.

3.6.3. Orthophthalaldehyd (OPA)

Orthophthalaldehyd oder 1,2-Dicarboxybenzaldehyd ist ein weiteres hochwirksames Desinfektionsmittel. Wie sowohl Formaldehyd als auch Glutaraldehyd resultieren seine viruziden Eigenschaften aus Reaktionen, die reaktive Protein- und Nukleinsäureeinheiten vernetzen. OPA hat keinen stark wahrnehmbaren Geruch und reizt Haut, Augen oder Nasenschleimhaut nicht [9]. Darüber hinaus ermöglicht seine hervorragende Materialverträglichkeit [1] den Einsatz als Desinfektionsmittel in vielen klinischen Bereichen wie Endoskopen [45] und urologischen Instrumenten. OPA kann freiliegende Haut jedoch grau werden lassen und muss daher mit reichlich Wasser abgespült oder mit persönlicher Schutzausrüstung (z. B. Handschuhen und Augenschutz) verwendet werden. Aus diesem Grund wird es nicht häufig als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet.

4. Nanotechnologie

4.1. Nanomaterialien zur Oberflächendekontamination

Die Nanotechnologie bietet viele Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer und vielversprechender Desinfektionssysteme (Abb. 7). Die Verwendung von auf Nanopartikeln basierenden Markern könnte die Untersuchung des Mechanismus ermöglichen, durch den Viren Wirtszellen infizieren. Untersuchungen auf Basis der Nanotechnologie für die Entwicklung neuer Materialien konzentrieren sich heute in der Regel auf Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften [39]. Diese Systeme können antimikrobielle Aktivität haben oder chemische Desinfektionsmittel langsam freisetzen, wodurch ihre Wirkungsdauer verlängert wird. Es kann auch zur Einführung zusätzlicher Funktionen wie responsiver Systeme beitragen, die Wirkstoffe als Reaktion auf verschiedene Stimuli abgeben, wie z. B. photothermische, elektrothermische, photokatalytische und andere [10]. Es ist auch bekannt, dass einige metallische Nanopartikel ein breites Wirkungsspektrum gegen Viren und andere Mikroorganismen haben [11]. Raiet al. [41] führten eine Literaturrecherche zum antibakteriellen, antimykotischen und antiviralen Potenzial von metallischen Nanopartikeln durch. Den Ergebnissen dieser Studie zufolge können metallische Nanopartikel, insbesondere Silbernanopartikel, mit oder ohne Oberflächenmodifikation als potenter und antiviraler Wirkstoff mit breitem Wirkungsspektrum eingesetzt werden. Die antivirale Aktivität dieser Nanopartikel ist jedoch noch weitgehend unerforscht.

Heute ist die Nanotechnologie eine Lösung für viele Probleme bei Desinfektionsanwendungen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Nanotechnologie zu einer vielversprechenden neuen Technologie für die Synthese von Nanomaterialien entwickelt, bei denen es sich um Partikel in Nanometergröße handelt, die aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften antimikrobielle Wirkungen aufweisen. Viele Nanomaterialien, wie Metallnanopartikel und Graphen-basierte Nanoblätter, haben aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften natürliche antivirale Wirkungen [53]. Sie arbeiten im Allgemeinen durch einen gemeinsamen Wirkungsmechanismus, der eine direkte Wechselwirkung mit den Hüll- oder Kapsidproteinen von Viren umfasst, wodurch die strukturelle Integrität zerstört und die Infektiosität gehemmt wird. Darüber hinaus können einige Nanomaterialien die virale Genreplikation in infizierten Zellen stören [20, 28, 18]. Weitere Arbeiten sind zum Einsatz der Nanotechnologie für effizientere Desinfektions- und Desinfektionssysteme sowie zur Erzielung selbstdesinfizierender Oberflächen erforderlich, um die Wirksamkeit bei der Infektionskontrolle und der Gesundheits- und Umweltsicherheit zu erhöhen.

Tabelle 1 zeigt veröffentlichte Forschungsergebnisse und Patente zu verschiedenen Systemen auf Basis der Nanotechnologie zur Anwendung als Desinfektionsmittel und Desinfektionsmittel für Viren.

Abbildung 7: Schematische Darstellung der SARS-CoV-2-Infektion und der Werkzeuge der Nanotechnologie zur Prävention und Bekämpfung von COVID-19.

Das Virus dringt durch den ACE2-Rezeptor (Angiotensin-Converting-Enzym 2) in die Zelle ein und verwendet die Maschinerie der Wirtszelle, um neue Wirtszellen zu reproduzieren und zu kontaminieren. Materialien auf Nanobasis könnten dabei helfen: ( i ) die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Viruserkennung zu verbessern; (ii) Unterstützung bei der Entwicklung effizienterer und sichererer Behandlungen und Impfstoffe und (iii) Verbesserung der Sicherheit von medizinischem Personal durch die Entwicklung nanobasierter persönlicher Schutzausrüstung (PSA).

Tabelle 1. Artikel und Patente in der Literatur zu nanotechnologischen Desinfektionsmitteln und Desinfektionsmitteln.

Einstufung	Trägersystem	Matrix
Artikel	NanoFilm	Polyvinylalkohol (PVA) Polyolefin (POD) Natriumchlorit (NaClO2)
	Nanokomposit	Silica/Silber
	Nanopartikel mit Mesostruktur	Elektrisch geladenes Desinfektionsmittel (CAC-717)
	NanoStruktur	Zellulose
	Nanokomposit	Silica/Silber
	Nanopartikel	Titandioxid
	Photokatalytische Nanostruktur Filme	Titandioxid Silizium
	Polyionkomplex- Nanopartikel (PCNs)	Poly[3-( acrylamido )propyl] Trimethylammoniumchlorid (PAMPTMA)
	Biogene Nanopartikel	Eisen Silber
Patente	Polymere Nanopartikel	Einwertige C1–C4-Alkohole und verschiedene Lipide
		Poly (Milch-Co-Glykolsäure) (PLGA) ätherisches Öl
		Polyethylenimin (PEI ) Polydiallyldialkylammoniumsalz Poly(acrylamid-co-diallyl- dialkylammoniumhalogenid ) Chitosan
		Sulfonylalkylcyclodextrine
	Biogene Nanopartikel	Silber
	Photokatalytische Systeme	Wolframtrioxid Palladium
		Weinsäure Titanisopropoxid ( IV)
	Μεταλλικά νανοσωματίδια	Titandioxid Zitronenextrakte
		Silber
		Silber Quartäres Ammoniumsalz

4.2. Metallnanopartikel

Silber und seine Salze werden seit langem als Antiseptikum und Desinfektionsmittel verwendet, und ihre bioziden Breitbandeigenschaften sind bekannt [21]. Silbernanopartikel sind das am besten untersuchte antivirale Nanomaterial und es wurde gezeigt, dass blanke oder beschichtete AgNPs eine Vielzahl von Viren hemmen können [40]. Es ist für Viren schwierig, Resistenzen gegen diese Art der Behandlung zu entwickeln, was sie besonders attraktiv für diejenigen mit einer hohen Mutationsrate macht. Es wurde festgestellt, dass AgNPs sowohl bei der Blockierung des Virioneintritts von außerhalb der Zelle als auch bei der Hemmung der Replikation innerhalb infizierter Zellen wirksam sind. Insgesamt sind AgNPs in kleinen Dosen wirksame Biozide [55], aber ihre potenzielle Toxizität für den Menschen wird noch intensiv diskutiert [26]. Moderne Methoden haben die Synthese von AgNPs mit gut definierten Formen, Partikelgrößen und Polydispersität ermöglicht, die wichtige Parameter sind, die ihre endgültigen bioziden Aktivitäten, ihr biologisches Schicksal und ihre Toxizität bestimmen [25].

Die viruziden Eigenschaften von AgNPs sind noch weitgehend unerforscht, aber erste Berichte sind ermutigend. AgNPs können Viren durch eine Reihe von Mechanismen hemmen, einschließlich der Bindung an und Wechselwirkung mit viralen Oberflächenproteinen und denaturierenden Enzymen durch Reaktion mit Amino-, Carboxyl-, Imidazol- und Sulfhydrylgruppen [6].

AgNP-haltige Produkte kommen zunehmend auf den Markt, darunter Kleidung, Verbände, Salben und Lebensmittelverpackungsmaterialien, deren biozide Wirkung das Ergebnis der langsamen anhaltenden Freisetzung von Silber-Nanomaterialien ist [6]. Allerdings ist zu beachten, dass, wie bei allen oben genannten Desinfektionsmitteln, die viruzide Aktivität von AgNPs von Virus zu Virus unterschiedlich ist. Darüber hinaus hängen die Mengen, Formen, Größen und Arten der freigesetzten Silber-Nanomaterialien von ihren realen Einstellungen und Anwendungen ab, die alle ihre viruziden Eigenschaften beeinflussen. Daher müssen die Wirksamkeit dieser AgNP -haltigen Produkte gegen Viren in realen Umgebungen sowie ihre Toxizität für den Menschen sorgfältig bewertet und untersucht werden.

Neben AgNPs sind auch Goldnanopartikel (AuNPs) vielversprechende viruzide Wirkstoffe. Unter Verwendung von Knoblauchextrakt synthetisierte AuNPs mit einer durchschnittlichen Größe von 6 nm zeigten eine viruzide Aktivität gegen Masernviren , indem sie auch an virale Oberflächenrezeptoren binden und anschließend die Anheftung und Infektion von Wirtszellen verhindern [34]. Aufgrund der Kosten chemischer Goldvorläufer werden AuNPs jedoch wahrscheinlich nicht zu kostengünstigen und kommerziell weit verbreiteten Desinfektionsmitteln.

Die Verwendung von metallischen Nanomaterialien zur Herstellung selbstdesinfizierender Oberflächen hat in den letzten Jahren aufgrund der langfristigen Persistenz von Viren auf kontaminierten Oberflächen an Aufmerksamkeit gewonnen. Selbstdesinfizierende Oberflächen inaktivieren Viren, die vor Ort mit ihnen in Kontakt kommen, und verringern so die Möglichkeit einer Virusübertragung durch menschlichen Kontakt mit kontaminierten Oberflächen. In einem Design wurde die selbstdesinfizierende Oberfläche mit photoaktiven Metallnanokristallen gebildet, die zur Virusinaktivierung eine Stimulation mit sichtbarem Licht erforderten. Diese aus CuInZn4S6 (CIZS)-Nanokristallen mit Bandlücken im Bereich des sichtbaren Lichts hergestellten Oberflächen können sichtbares Licht absorbieren und aktive oxidative Spezies produzieren, die das Influenza-A-Virus durch Oxidation von Aminosäureresten in viralen Hüllproteinen inaktivieren (Abb. 8). Obwohl hochgradig viruzid, muss sichtbares Licht vorhanden sein, um den Selbstreinigungseffekt zu gewährleisten, wodurch die Praktikabilität des Systems eingeschränkt wird.

Abbildung 8. Illustration der Virendesinfektion unter Verwendung der selbstdesinfizierenden Oberfläche, die mit sichtbarem Licht betrieben wird.

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Test LO 2.2

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