Noroviren: Desinfektion im Radikal-Modus

30. Januar 2015
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Kaltes Plasma reduziert, je länger es einwirkt, auf mit Noroviren kontaminierten Oberflächen signifikant die Anzahl der Viruspartikel. Auch wirkt es schneller als herkömmliche Desinfektionsmittel. Dies kann die Ansteckungsgefahr durch Oberflächenkontakt deutlich verringern.

Prof.Dr. Günter Klein und Dr. Birte Ahlfeld aus dem Institut für Lebensmittelqualität und -sicherheit der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo) haben zusammen mit Wissenschaftlern der Max-Planck-Gesellschaft und dem Sanitätsdienst der Bundeswehr untersucht, wie gut sich mit Noroviren kontaminierte Oberflächen mit Kaltem Plasma desinfizieren lassen.

Kaltes Plasma

Kaltes Plasma ist ein energiegeladenes und hoch reaktives Gas, das sich erst seit den frühen 1990er-Jahren bei Atmosphärendruck erzeugen lässt. Eingesetzt wird es beispielsweise zum Bogenschweißen oder – in der Medizin – zur Wundheilung. Es entsteht, indem ein Gas oder auch normale Luft durch Hitze oder Hochspannung weiter mit Energie versorgt wird.

Durch die Wärme- oder Stromzufuhr lösen sich aus den Gasmolekülen Elektronen, sodass positiv und negativ geladene Ionen entstehen. Medizinisch interessant sind die Plasmen durch ihre hohe Reaktivität. In Verbindung mit Luft bilden sich Sauerstoff- und Stickstoff-Radikale, die sowohl auf Mikroorganismen als auch auf Körperzellen wirken können.

Desinfektionseffekt signifikant

Studien aus der Arbeitsgruppe um Klein belegen, dass Noroviren nach einem Ausbruch auch über kontaminierte Oberflächen wie Türklinken oder Tastaturen übertragen werden. Zur Desinfektion der Flächen werden häufig Chemikalien eingesetzt; hier besteht die Gefahr, dass sie empfindliche Oberflächen schädigen. Zudem können die Erreger Resistenzen gegenüber den Desinfektionsmitteln entwickeln. Es zeigte sich, das Kaltes Plasma geeignet ist, um Oberflächen zu desinfizieren, die von mit Noroviren infizierten Patienten berührt wurden.

„Kaltes Plasma schädigt weder Oberflächen noch das menschliche Gewebe“, erklärt Klein. „Außerdem ist die Anwendung umweltfreundlich, sehr viel schneller als mit Desinfektionsmitteln und hinterlässt keine Rückstände.“ Die Studie von Klein und seinen Mitarbeitern zeigt, dass Kaltes Plasma die Keimzahl von Noroviren signifikant reduziert. „Das hat uns überrascht, weil Noroviren in der Umwelt sehr stabil sind“, berichtet Klein, „sie überstehen die Behandlung mit Chlor genau wie Einfrieren oder Erhitzen.“

Je länger die Einwirkzeit, umso weniger Viruspartikel

Um die Wirkung des Kalten Plasmas auf Noroviren zu untersuchen, präparierten die Wissenschaftler sterile Petrischalen mit verschiedenen Verdünnungen einer Stuhlprobe, in der sich Noroviren befanden. Dann ließen sie das Kalte Plasma unterschiedlich lang auf die Proben wirken. Nach der Behandlung zeigte sich, dass die Proben mit der längsten Einwirkzeit die geringsten Keimzahlen aufwiesen.

„Ein mit Noroviren infizierter Patient hinterlässt ungefähr 22.000 Viruspartikel, wenn er beispielsweise eine Türklinke anfasst. Für eine Infektion sind ungefähr 10-100 Viruspartikel erforderlich“, erklärt Klein. Das Kalte Plasma reduzierte die Zahl der potenziell infektiösen Viruspartikel nach zehn Minuten von 22.000 auf 1.400. Nach 15 Minuten waren nur noch 500 Viruspartikel vorhanden.

Methode zur regelmäßigen Desinfektion?

„Da Kaltes Plasma das Virus auf der getesteten Oberfläche inaktivieren kann, gehen wir davon aus“, so Klein, „dass die Methode zur regelmäßigen Desinfektion von kontaminierten Oberflächen eingesetzt werden kann.“ Auch wenn die Erreger nicht vollständig entfernt würden, sei eine Verringerung der Erregerdichte schon ein großer Schritt, um die Infektionsgefahr für Menschen zu reduzieren.

In weiteren Untersuchungen möchten Professor Klein und seine Mitarbeiter die Desinfektionseigenschaften des Kalten Plasmas an anderen Oberflächen sowie mit anderen Norovirentypen testen. Zusätzlich werden sie elektronenmikroskopische Untersuchungen durchführen, um die Struktur des Virus vor und nach der Behandlung mit Kaltem Plasma zu vergleichen.

Originalpublikation:

Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma
Birte Ahlfeld et al.; mBio, doi: 10.1128/mBio.02300-14; 2015

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7 Kommentare:

Gerne Herr/Frau Gast.
Berechnungsbedingungen: Luftdruck in 500m Höhe 95030Pa, Temperatur 21°C, mittl. Molmasse von Luft 28,949 g/mol, mittl. Dichte Luft 1,293 kg/m³. Daraus ergeben sich ≈23.400.000.000.000.000.000 Moleküle/cm³. Bei 70.000 Ionen/cm³ sind das ≈0,0000000000299% Ionen bezogen auf 1 cm³ Luftmoleküle. Wir brauchten also größenordnungsmäßig das 100.000.000.000.000fache an Ionen, um in den Bereich eines Plasmas zu kommen.
Da hier kein Physik-Forum ist, halte ich eine weitere derartige Diskussion für nicht sinnvoll. Ich habe auch nicht den Eindruck, dass ihr Ziel eine Klärung auf der Sachebene ist. Bedauerlich ist, wie schnell relativ frei von Wissen ein neues, sehr interessantes Verfahren in die Ecke kennen wir doch alles schon und ist doch nur aufgeblähtes Marketinggeblubber gestellt wird.

#7 |
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Gast
Gast

@Herr Willig:
“Offensichtlich ist es mir nicht gelungen, deutlich zu machen, dass es bei dem im Artikel angesprochenen Verfahren eben nicht um ein paar ionisierte Gasteilchen geht, sondern tatsächlich um ein Plasma.”
Genau so ist es und das kann sich auch nicht ändern, wenn Sie hier den Grad der Ionisation in der normaltemperierten Luft nicht nennen können.
Ist die Luft in der Nähe eines Wasserfalles auch Plasma?
(20.000 – 70.000 Ionen/cm³)

#6 |
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Offensichtlich ist es mir nicht gelungen, deutlich zu machen, dass es bei dem im Artikel angesprochenen Verfahren eben nicht um ein paar ionisierte Gasteilchen geht, sondern tatsächlich um ein Plasma. Der Grad der Ionisation macht den Unterschied und ist eine charakteristische Eigenschaft eines Plasmas. Die Erzeugung oder der Gebrauch eines Plasmas ist auch nicht von einem Vakuum abhängig. Bevor man Begriffe auf die Schnelle als Marketing-Gag abtut, wäre etwas Wissen als Grundlage nicht unangebracht.
Ich zitiere hier die Definition von „Plasma“ der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität München, weil ich es nicht verständlicher formulieren kann:
„Am einfachsten kann ein “PLASMA” als Materie im 4.Aggregatszustand verstanden werden. Bei sukzessiver Energiezufuhr (Aufheizung) durchläuft Materie nacheinander die Zustände “fest”-“flüssig”-“gasförmig”. Vom gasförmigen Zustand als dem 3.Aggregatszustand führt weitere Energiezufuhr über physikalische Prozesse (Dissoziation, Ionisation), die das Materieverhalten wesentlich verändern, letztlich in den Plasmazustand. Ein molekular vorliegendes Gas wird bei der Dissoziation zunächst in seine atomaren Bestandteile aufgespalten. In dem nachfolgenden Ionisationsvorgang werden von den Atomen jeweils ein oder mehrere Elektronen abgetrennt. Es ergibt sich dadurch ein Gemisch von frei beweglichen Elektronen, Ionen und neutral verbliebenen Atomen. Sobald die Eigenschaften dieses neu entstandenen Mediums überwiegend durch die freien Ladungsträger bestimmt sind, liegt der Plasmazustand vor. Aufgrund der Existenz frei beweglicher Ladungsträger ist das Plasma durch elektrische und magnetische Felder beeinflussbar.“
Bei einem Hochtemperaturplasma, z.B. bei einer Bogenentladung, haben alle Teilchen eine hohe kinetische Energie (dies ist der physikalische Hintergrund für Temperatur) und befinden sich in einem inneren thermischen Gleichgewicht. Die Entwicklung des nichtisothermen Plasmas, umgangssprachlich als kaltes Plasma bezeichnet, war ein wichtiger Schritt zu neuen Anwendungen. Bei diesem Plasma haben die Radikale, Atome, Moleküle eine geringe kinetische Energie (physikalisch = niedrige Temperatur), während die Elektronen eine hohe durchschnittliche kinetische Energie besitzen (= hohe Temperatur). In der Summe existiert ein Plasma mit allen notwendigen Eigenschaften, z. B. hoher Ionisationsgrad, bei Raumtemperatur.
Wenn Sie es genauer wissen wollen, empfehle ich das Vorlesungsskript „Einführung in die Plasmaphysik“ der Ruhr-Uni Bochum (http://reaktiveplasmen.rub.de/files/skripten/skriptPP.pdf), insbesondere Kap. 8 Niedertemperaturplasmen und Kap.1.2 Definition Plasma.
Bevor Sie jetzt zu Theorien neigen, ich hätte persönlich etwas mit Herstellern zu tun und alles wäre wiederum Marketing: Ich bin normaler Anästhesist an einem großen Klinikum ohne irgendeine Verbindung zu Firmen etc., habe allerdings vor dem Medizinstudium auch Physik studiert und bin immer wieder erstaunt, mit welcher Nonchalance physikalische Begriffe (um)gedeutet werden.

#5 |
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Gast
Gast

vermutlich wird man an dem dollen Begriff aber festhalten, gerade weil das der normale Mensch nicht versteht, ebenso wie bei dem Zauberwort nano, das darf dann nur kein Zucker- oder Salz-nano sein, sondern irgend etwas ganz geheimnisvolles mit Wunderwirkung.
Immer ein Körnchen Wahrheit dabei und noch nicht ganz so falsch wie die “Klimarettung”, der größte “wissenschaftliche” Blödsinn des Jahrhunderts.

#4 |
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Arzt
Arzt

@Michael Willig Dr.Bayerl hat recht. Sie haben ihn nicht verstanden. Ionisation innerhalb normaler atmosphärischer Luft sollte man nicht gleich Plasma nennen, das ist nur unseriöses Marketing.
Im übrigen ist der thermodynamische Begriff der “Temperatur” im nahe-Vakuumbereich mit Vorsicht zu genießen. Versuchen Sie mal die Temperatur in der Jonosphäre mit einem Thermometer zu messen. Man kann sie also nahe dem absoluten 0-Punkt oder weit über 1000 °C angeben.
Ein Astronaut im Weltraum friert nicht, sondern er muss im Gegenteil gekühlt werden, weil er sonst seine selbst produzierte Wärme nicht los wird.
Und der Effekt der alten UVC-Lampe beschränkt sich keineswegs auf die direkte Strahlungswirkung, sondern auch auf die dadurch ausgelöste Ionisation von Luftmolekülen. Über einer Wunde kann man kein Vakuum anlegen, in der nur Jonen herumschwirren.
Es wird hier also mit dem Begriff Plasma etwas Produktreklame gemacht.

#3 |
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Ein Plasma ist ein Teilchengemisch, i.d.R. ein Gas, das teilweise oder vollständig ionisiert ist, also in Ionen und Elektronen aufgeteilt. Plasmen können sehr unterschiedlich sein, in der Sonne sehr heiß und dicht, in interstellaren Nebeln kalt und dünn verteilt. In Blitzen und Polarlichtern kommen Plasmen auf der Erde natürlicherweise vor. Künstlich in Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren, Plasmabildschirmen etc.
Kaltes Plasma, wie im Artikel, ist ein gasförmiges Niedrigtemperaturplasma. Es wird erzeugt, indem die Elektronen in Bewegung gebracht, also heiß werden, während die sehr viel größeren Ionen ruhig und kalt bleiben. In der Summe bleibt das gesamte Plasma bei etwa Raumtemperatur. Es hat allerdings die hohe Reaktionsfähigkeit eines Plasmas und kann, wie im Artikel beschrieben, entsprechend eingesetzt werden. Einen kugelschreibergroßen Plasmastift zur Behandlung chronischer Wunden, insbesondere bei MRE, gibt es bereits. Bei d en zunehmenden Schwierigkeiten mit multiresistenten Erregern kann kaltes Plasma sicher noch sehr spannend werden. Ein interessanter, anregender Artikel Herr Lederer.

#2 |
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Dr.Bayerl
Dr.Bayerl

Das Wort “Plasma” scheint mir etwas hoch gegriffen,
wenn Medizin und Naturwissenschaft noch ernst gemeint ist, sollte man mit spektakulären Formulierung für den Laien, ebenso wie bei der “nano”-Hysterie vorsichtiger sein.
Denn gemeint ist hier sicher nur der Gehalt an elektrisch geladenen Teilchen im Gas, (Ionisation)
das ist schon bei der uralten UVC-Lampe zur Desinfektion genutzt worden.
Die Ionisation der Luft ist etwas ganz normales, unterscheidet sich allerdings erheblich im Ausmaß:
• In unmittelbarer Nähe zu Wasserfällen 20.000 – 70.000 Ionen/cm³
• Im Gebirge oder in Meeresnähe 4.000 – 10.000 Ionen/cm³
• Am Stadtrand, auf Wiesen und in Feldern 1.000 – 3.000 Ionen/cm³
• Innerstädtische Parkanlagen 400–600 Ionen/cm³
• In der Stadt und Agglomeration 200 – 500 Ionen/cm³
• In belüfteten oder klimatisierten Räumen 10 – 100 Ionen/cm³
Quelle: Hochschule Luzern – “ionisierte luft im innenraum” PDF- Ionisierte Luft, ausgegeben Januar 2013, S.19

Jonisierte Moleküle wirken antimikrobiell, ja sogar degradierend gegen toxische organische Moleküle in der Luft.
“Plasma” nennt man dagegen einen Gaszustand, bei dem überhaupt keine normalen Moleküle existieren.

mfG

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