Właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi - Antimicrobial properties of copper

Miedź i jej stopy ( detale , brązy , cupronickel , miedź, nikiel, cynk i inne) są naturalnymi przeciwdrobnoustrojowych materiałów. Starożytne cywilizacje wykorzystywały przeciwdrobnoustrojowe właściwości miedzi na długo przed tym, zanim pojęcie drobnoustrojów zostało zrozumiane w XIX wieku. Oprócz kilku miedzianych preparatów leczniczych przed wiekami zaobserwowano również, że woda zawarta w miedzianych naczyniach lub transportowana w miedzianych systemach transportowych była lepszej jakości (tj. brak lub mało widoczne tworzenie szlamu lub bioosadów ) niż woda zawarta lub transportowana w innych materiałach .

Właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi są nadal przedmiotem aktywnych badań. Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za antybakteryjne działanie miedzi były przedmiotem intensywnych badań. Naukowcy aktywnie demonstrują również wewnętrzną skuteczność „powierzchni dotykowych” ze stopu miedzi w niszczeniu szerokiej gamy mikroorganizmów zagrażających zdrowiu publicznemu.

Mechanizmy działania

W 1852 roku Victor Burq odkrył, że osoby pracujące z miedzią umierały na cholerę znacznie rzadziej niż ktokolwiek inny i przeprowadził szeroko zakrojone badania, które to potwierdziły. W 1867 r. przedstawił swoje odkrycia francuskim akademiom naukowo-medycznym, informując ich, że nakładanie miedzi na skórę skutecznie zapobiega zarażaniu się cholerą.

Efekt oligodynamiczny został odkryty w 1893 roku jako toksyczny wpływ jonów metali na żywe komórki , algi , pleśnie , zarodniki , grzyby , wirusy , mikroorganizmy prokariotyczne i eukariotyczne , nawet w stosunkowo niskich stężeniach. To działanie przeciwdrobnoustrojowe wykazują jony miedzi, a także rtęci , srebra , żelaza , ołowiu , cynku , bizmutu , złota i glinu .

W 1973 r. badacze z Battelle Columbus Laboratories przeprowadzili obszerne poszukiwania literatury, technologii i patentów, które prześledziły historię zrozumienia „właściwości bakteriostatycznych i odkażających miedzi i powierzchni ze stopów miedzi”, które wykazały, że miedź w bardzo małych ilościach ma właściwości moc do zwalczania szerokiej gamy pleśni , grzybów , alg i szkodliwych drobnoustrojów . Spośród 312 cytowań wymienionych w przeglądzie w okresie 1892–1973 warto zwrócić uwagę na poniższe obserwacje:

Miedź hamuje elegans Actinomucor , Aspergillus niger , pościel bakteria , Bacillus megaterium , Bacillus subtilis , Brevibacterium erythrogenes , Candida utilis , Penicillium chrysogenum , Rhizopus niveus , Saccharomyces mandshuricus i Saccharomyces cerevisiae, w stężeniach powyżej 10 g / l.
Candida utilis (dawniej Torulopsis utilis ) jest całkowicie hamowany przy stężeniu miedzi 0,04 g/L.
Bacillus gruźlicy jest hamowany przez miedź w postaci kationów prostych lub anionów złożonych w stężeniach od 0,02 do 0,2 g/l.
Wzrost Achromobacter fischeri i Photobacterium phosphoreum jest hamowany przez metaliczną miedź.
Podział komórek Paramecium caudatum jest redukowany przez miedziane płytki umieszczone naprzykrywkach szalek Petriego zawierających infuzje i pożywki.
Wirus polio jest inaktywowany w ciągu dziesięciu minut od ekspozycji na miedź z kwasem askorbinowym .

Kolejny artykuł dotyczył niektórych mechanizmów przeciwdrobnoustrojowych miedzi i przytoczył co najmniej 120 badań dotyczących skuteczności działania miedzi na drobnoustroje. Autorzy zauważyli, że mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe są bardzo złożone i zachodzą na wiele sposobów, zarówno wewnątrz komórek , jak i w przestrzeniach śródmiąższowych między komórkami.

Przykłady niektórych mechanizmów molekularnych odnotowanych przez różnych badaczy obejmują:

Miedź może zmienić trójwymiarową strukturę białek , tak że białka nie mogą już pełnić swoich normalnych funkcji. Rezultatem jest inaktywacja bakterii lub wirusów.
Kompleksy miedzi tworzą rodniki, które dezaktywują wirusy.
Miedź może zakłócać struktury i funkcje enzymów poprzez wiązanie się z grupami zawierającymi siarkę lub karboksylan oraz grupami aminowymi białek.
Miedź może kolidować z innymi niezbędnymi pierwiastkami, takimi jak cynk i żelazo.
Miedź ułatwia szkodliwe działanie na rodniki ponadtlenkowe . Powtarzające się reakcje redoks na makrocząsteczkach specyficznych dla miejsca generują rodniki HO•, powodując w ten sposób „wielokrotne uszkodzenia” w docelowych miejscach.
Miedź może wchodzić w interakcje z lipidami , powodując ich peroksydację i otwierając dziury w błonach komórkowych, naruszając w ten sposób integralność komórek. Może to spowodować wyciek niezbędnych substancji rozpuszczonych, co z kolei może mieć efekt wysuszający.
Miedź uszkadza łańcuch oddechowy w komórkach Escherichia coli . i jest związany z upośledzonym metabolizmem komórkowym.
Szybsza korozja koreluje z szybszą dezaktywacją mikroorganizmów. Może to być spowodowane zwiększoną dostępnością jonu miedzi Cu2+, który uważa się za odpowiedzialny za działanie przeciwbakteryjne.
W eksperymentach z inaktywacją na szczepie grypy, H1N1, który jest prawie identyczny ze szczepem ptaków H5N1 i szczepem 2009 H1N1 (świńska grypa), naukowcy postawili hipotezę, że działanie przeciwdrobnoustrojowe miedzi prawdopodobnie atakuje ogólną strukturę wirusa, a zatem ma szerokie spektrum efekt.
Drobnoustroje potrzebują enzymów zawierających miedź do wywołania pewnych istotnych reakcji chemicznych . Nadmiar miedzi może jednak wpływać na białka i enzymy drobnoustrojów, hamując w ten sposób ich aktywność. Naukowcy są przekonani, że nadmiar miedzi może zaburzać funkcjonowanie komórki zarówno wewnątrz komórek, jak i w przestrzeniach śródmiąższowych między komórkami, prawdopodobnie działając na zewnętrzną otoczkę komórek.

Obecnie naukowcy uważają, że najważniejsze mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe miedzi są następujące:

Podwyższony poziom miedzi w komórce powoduje stres oksydacyjny i wytwarzanie nadtlenku wodoru . W tych warunkach miedź uczestniczy w tak zwanej reakcji typu Fentona — reakcji chemicznej powodującej oksydacyjne uszkodzenie komórek.
Nadmiar miedzi powoduje pogorszenie integralności błony drobnoustrojów, co prowadzi do wycieku określonych niezbędnych składników odżywczych dla komórek, takich jak potas i glutaminian . Prowadzi to do wysuszenia i późniejszej śmierci komórki.
Podczas gdy miedź jest potrzebna do wielu funkcji białek, w sytuacji nadmiaru (jak na powierzchni stopu miedzi), miedź wiąże się z białkami, które nie wymagają miedzi do swoich funkcji. To „niewłaściwe” wiązanie prowadzi do utraty funkcji białka i/lub rozpadu białka na niefunkcjonalne części.

Te potencjalne mechanizmy, jak również inne, są przedmiotem ciągłych badań akademickich laboratoriów badawczych na całym świecie.

Skuteczność przeciwdrobnoustrojowa powierzchni dotykowych ze stopu miedzi

Powierzchnie ze stopów miedzi mają wewnętrzne właściwości niszczenia szerokiej gamy mikroorganizmów . W interesie ochrony zdrowia publicznego, zwłaszcza w środowiskach opieki zdrowotnej z podatnymi populacjami pacjentów, w ciągu ostatnich dziesięciu lat przeprowadzono wiele recenzowanych badań skuteczności przeciwdrobnoustrojowej dotyczących skuteczności miedzi w niszczeniu bakterii E. coli O157:H7, opornych na metycylinę Staphylococcus aureus (MRSA), gronkowiec , Clostridium difficile , wirus grypy typu A , adenowirus i grzyby . Badano również stal nierdzewną, ponieważ jest ona ważnym materiałem powierzchniowym w dzisiejszych środowiskach opieki zdrowotnej. Cytowane tutaj badania oraz inne prowadzone przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych doprowadziły do rejestracji w 2008 r. 274 różnych stopów miedzi jako certyfikowanych materiałów przeciwdrobnoustrojowych, które przynoszą korzyści dla zdrowia publicznego.

E coli

E. coli O157: H7 jest silnym, wysoce zakaźna ADCP (Komitet Doradczy niebezpiecznych patogenów, Wielka Brytania) Grupa zagrożenia 3 PRZENOSZONE DROGĄ POKARMOWĄ i wodny patogen . Bakteria wytwarza silne toksyny, które powodują biegunkę, silne bóle i nudności u zakażonych osób. Objawy ciężkich infekcji obejmują hemolityczne zapalenie jelita grubego (krwawa biegunka), zespół hemolityczno-mocznicowy (choroba nerek) i śmierć. E. coli O157:H7 stała się poważnym zagrożeniem dla zdrowia publicznego ze względu na zwiększoną częstość występowania oraz ponieważ dzieci do 14 roku życia, osoby starsze i osoby z obniżoną odpornością są narażone na wystąpienie najcięższych objawów.

Skuteczność na powierzchniach miedzianych

Ostatnie badania wykazały, że powierzchnie ze stopów miedzi zabijają E. coli O157:H7. Ponad 99,9% drobnoustrojów E. coli ginie już po 1-2 godzinach na miedzi. Na powierzchniach ze stali nierdzewnej drobnoustroje mogą przetrwać tygodnie.

Wyniki destrukcji E. coli O157:H7 na stopie zawierającym 99,9% miedzi (C11000) pokazują, że patogen ten jest szybko i prawie całkowicie zabity (współczynnik zabijania ponad 99,9%) w ciągu dziewięćdziesięciu minut w temperaturze pokojowej (20°C). W niskich temperaturach (4 °C) ponad 99,9% E. coli O157:H7 ginie w ciągu 270 minut. Destrukcja E. coli O157:H7 na kilku stopach miedzi zawierających 99%–100% miedzi (w tym C10200, C11000, C18080 i C19700) w temperaturze pokojowej rozpoczyna się w ciągu kilku minut. W niskich temperaturach proces inaktywacji trwa około godziny dłużej. Po 270 minutach na stali nierdzewnej nie występuje znaczące zmniejszenie ilości żywotnych bakterii E. coli O157:H7.

Przeprowadzono badania mające na celu zbadanie skuteczności bakteriobójczej E. coli O157:H7 na 25 różnych stopach miedzi w celu zidentyfikowania tych stopów, które zapewniają najlepszą kombinację aktywności przeciwdrobnoustrojowej, odporności na korozję/utlenianie i właściwości produkcyjnych. Stwierdzono, że działanie antybakteryjne miedzi jest nieodłączne we wszystkich badanych stopach miedzi. Podobnie jak w poprzednich badaniach, nie zaobserwowano właściwości antybakteryjnych na stali nierdzewnej (UNS S30400). Ponadto, zgodnie z wcześniejszymi badaniami, tempo zrzucania E. coli O157:H7 na stopach miedzi jest szybsze w temperaturze pokojowej niż w temperaturze chłodnej.

W większości przypadków współczynnik zabijania bakterii w stopach miedzi wzrastał wraz ze wzrostem zawartości miedzi w stopie. Jest to kolejny dowód na wewnętrzne właściwości antybakteryjne miedzi.

Skuteczność na stopach mosiądzu, brązu, miedzi i niklu

Mosiądz , który był często używany w klamkach i przyciskach w minionych dziesięcioleciach, również wykazuje skuteczność bakteriobójczą, ale w nieco dłuższym czasie niż czysta miedź. Wszystkie dziewięć przebadanych mosiądzów wykazywało prawie całkowite działanie bakteriobójcze (współczynnik zabijania ponad 99,9%) w temperaturze 20°C w ciągu 60–270 minut. Wiele mosiądzów wykazywało prawie całkowite działanie bakteriobójcze w temperaturze 4°C w ciągu 180–360 minut.

Szybkość całkowitej śmierci drobnoustrojów na czterech brązach wahała się od 50-270 minut w 20°C i od 180 do 270 minut w 4°C.

Współczynnik zabijania E. coli O157 na stopach miedzi z niklem wzrastał wraz ze wzrostem zawartości miedzi. Zerową liczbę bakterii w temperaturze pokojowej osiągnięto po 105–360 minutach dla pięciu z sześciu stopów. Pomimo nieosiągnięcia całkowitego zabicia, stop C71500 osiągnął spadek o 4 log w sześciogodzinnym teście, co oznacza 99,99% redukcję liczby żywych organizmów.

Skuteczność na stali nierdzewnej

W przeciwieństwie do stopów miedzi, stal nierdzewna (S30400) nie wykazuje żadnych właściwości bakteriobójczych wobec E. coli O157:H7. Ten materiał, który jest jednym z najpopularniejszych materiałów do powierzchni dotykowych w branży opieki zdrowotnej, pozwala toksycznym bakteriom E. coli O157:H7 zachować żywotność przez kilka tygodni. Zbliżona do zera liczba bakterii nie jest obserwowana nawet po 28 dniach badania. Zdjęcia epifluorescencyjne wykazały, że E. coli O157:H7 prawie całkowicie ginie na stopie miedzi C10200 już po 90 minutach w temperaturze 20 °C; podczas gdy znaczna liczba patogenów pozostaje na stali nierdzewnej S30400.

MRSA

Staphylococcus aureus oporny na metycylinę (MRSA) jest niebezpiecznym szczepem bakterii, ponieważ jest odporny na antybiotyki beta-laktamowe . Najnowsze szczepy bakterii, EMRSA-15 i EMRSA-16, są wysoce przenośne i trwałe. Ma to ogromne znaczenie dla osób, którym zależy na zmniejszeniu częstości zakażeń szpitalnych MRSA.

W 2008 r., po ocenie szerokiego zakresu badań zleconych konkretnie przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA), w 2008 r. EPA udzieliła zgody na rejestrację, przyznając, że stopy miedzi zabijają ponad 99,9% MRSA w ciągu dwóch godzin.

Kolejne badania przeprowadzone na Uniwersytecie Southampton (Wielka Brytania) porównały skuteczność przeciwdrobnoustrojową miedzi i kilku zastrzeżonych produktów do powlekania niemiedzianych w celu zabicia MRSA. W temperaturze 20°C spadek drobnoustrojów MRSA na stopie miedzi C11000 jest dramatyczny i prawie całkowity (współczynnik zabijania ponad 99,9%) w ciągu 75 minut. Jednak ani produkt na bazie triklosanu, ani dwie terapie przeciwbakteryjne na bazie srebra (Ag-A i Ag-B) nie wykazały żadnej znaczącej skuteczności przeciwko MRSA. Stal nierdzewna S30400 nie wykazała żadnej skuteczności przeciwdrobnoustrojowej.

W 2004 roku zespół badawczy Uniwersytetu Southampton jako pierwszy wyraźnie wykazał, że miedź hamuje MRSA. W przypadku stopów miedzi — C19700 (99% miedzi), C24000 (80% miedzi) i C77000 (55% miedzi) — znaczne zmniejszenie żywotności osiągnięto w temperaturze pokojowej odpowiednio po 1,5 godziny, 3,0 godziny i 4,5 godziny. Szybsze działanie przeciwdrobnoustrojowe wiązało się z wyższą zawartością stopu miedzi. Stal nierdzewna nie wykazywała żadnych właściwości bakteriobójczych.

Leyland Nigel S., Podporska-Carroll Joanna, Browne John, Hinder Steven J., Quilty Brid, Pillai Suresh C. (2016). „Wysoce wydajne antybakteryjne powłoki fotokatalityczne TiO2 z domieszką F, Cu z domieszką światła widzialnego do zwalczania zakażeń szpitalnych” . Raporty naukowe . 6 . Kod Bibcode : 2016NatSR...624770L . doi : 10.1038/srep24770 . PMC 4838873 . PMID 27098010 .CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )

Clostridium difficile

Clostridium difficile , bakteria beztlenowa, jest główną przyczyną chorób potencjalnie zagrażających życiu, w tym szpitalnych zakażeń biegunkowych, zwłaszcza w krajach rozwiniętych. Przetrwalniki C. difficile mogą przetrwać na powierzchni do pięciu miesięcy. Patogen jest często przenoszony przez ręce pracowników służby zdrowia w środowiskach szpitalnych. C. difficile jest obecnie wiodącym zakażenie szpitalne w Wielkiej Brytanii, a rywale MRSA jako najczęstszą przyczyną organizmu do zakażeń szpitalnych w USA jest on odpowiedzialny za serię jelitowych powikłań zdrowotnych, często określane zbiorczo jako Clostridium difficile Associated Choroba (CDAD).

Ostatnio oceniono skuteczność przeciwdrobnoustrojową różnych stopów miedzi przeciwko Clostridium difficile . Żywotność zarodników C. difficile i komórek wegetatywnych badano na stopach miedzi C11000 (99,9% miedzi), C51000 (95% miedzi), C70600 (90% miedzi), C26000 (70% miedzi) i C75200 (65% miedzi). . Jako kontrolę eksperymentalną zastosowano stal nierdzewną (S30400). Stopy miedzi znacznie zmniejszyły żywotność zarówno zarodników C. difficile, jak i komórek wegetatywnych. Na C75200 po godzinie zaobserwowano prawie całkowite zabicie (jednakże po sześciu godzinach całkowita liczba C. difficile wzrastała , a następnie wolniej spadała). Na C11000 i C51000 prawie całkowite uśmiercenie zaobserwowano po trzech godzinach, następnie całkowite uśmiercenie w ciągu 24 godzin na C11000 i 48 godzin na C51000. Na C70600 po pięciu godzinach zaobserwowano prawie całkowite zabicie. Na C26000 prawie całkowite zabicie zostało osiągnięte po 48 godzinach. Na stali nierdzewnej nie zaobserwowano redukcji żywotnych organizmów po 72 godzinach (trzech dniach) ekspozycji i nie zaobserwowano znaczącej redukcji w ciągu 168 godzin (jeden tydzień).

Grypa A

Grypa , powszechnie znana jako grypa, jest chorobą zakaźną wywołaną przez patogen wirusowy inny niż ten, który powoduje przeziębienie. Objawy grypy, które są znacznie poważniejsze niż zwykłe przeziębienie, obejmują gorączkę, ból gardła, bóle mięśni, silny ból głowy, kaszel, osłabienie i ogólny dyskomfort. Grypa może powodować zapalenie płuc , które może być śmiertelne, szczególnie u małych dzieci i osób starszych.

Po inkubacji przez godzinę na miedzi zawartość aktywnych cząstek wirusa grypy A została zmniejszona o 75%. Po sześciu godzinach cząstki zostały zredukowane na miedzi o 99,999%. Stwierdzono, że wirus grypy typu A przeżywa w dużych ilościach na stali nierdzewnej.

Gdy powierzchnie zostaną zanieczyszczone cząsteczkami wirusa, palce mogą przenosić cząsteczki nawet na siedem innych czystych powierzchni. Ze względu na zdolność miedzi do niszczenia cząsteczek wirusa grypy A, miedź może pomóc w zapobieganiu skażeniu krzyżowemu tego patogenu wirusowego.

Adenowirus

Adenowirus to grupa wirusów, które infekują błony wyściełające tkanki dróg oddechowych i moczowych, oczu i jelit. Adenowirusy stanowią około 10% ostrych infekcji dróg oddechowych u dzieci. Wirusy te są częstą przyczyną biegunki.

W niedawnym badaniu 75% cząstek adenowirusa zostało inaktywowanych na miedzi (C11000) w ciągu jednej godziny. W ciągu sześciu godzin 99,999% cząstek adenowirusa zostało inaktywowanych. W ciągu sześciu godzin 50% zakaźnych cząstek adenowirusa przetrwało na stali nierdzewnej.

Grzyby

Skuteczność przeciwgrzybiczą miedzi porównano z glinem w przypadku następujących organizmów, które mogą powodować infekcje u ludzi: Aspergillus spp., Fusarium spp., Penicillium chrysogenum , Aspergillus niger i Candida albicans . Stwierdzono zwiększone obumieranie zarodników grzybów na powierzchniach miedzianych w porównaniu z aluminium. Wzrost Aspergillus niger na kuponach aluminiowych został zahamowany na i wokół kuponów miedzianych.

Languages

In other projects