全自动内窥镜清洗系统的成功实现

《Journal of Hospital Infection》：Successful Realisation of a Fully Automated Endoscope Cleaning System

本研究通过开发新型抗菌材料（Ag-MnO2/zY）及原型全自动内窥镜清洗系统，评估其替代传统手动清洗的效果。实验显示该系统对两种内窥镜（ERCP与胃肠镜）表面细菌负荷的清除效率达10^8.8倍，较手动清洗提升100倍，有效抑制生物膜形成，并通过H2O2激活实现多微生物协同灭活，为消除内窥镜交叉感染提供了新方案。

　　

作者列表：Thien D. Duong、Rebecca K. Hartley、Robert J. Hartley、Russ Bromley、Tony Worthington、Hugh O’Connor、Andrew.J. Sutherland

所属机构：英国伯明翰阿斯顿大学化学工程与应用化学系，邮编B4 7ET

摘要

引言

内窥镜，尤其是十二指肠镜，在清洁后仍可能存在污染，从而有可能将病原体从一名患者传播到另一名患者。本研究旨在评估是否可以用完全自动化的清洁流程替代内窥镜清洁的手动步骤，以获得更好的清洁效果。

方法

研究人员开发了新型材料，这些材料协同作用能够提供高效的抗菌活性。基于这些材料，构建了一个原型自动化内窥镜清洁器，用于与传统手动清洁方案进行对比测试。

结果

实验表明，新型材料可使内窥镜管壁上生长的微生物生物膜数量减少10^7至10^8倍，效果相当于高水平消毒。这些材料对英国标准BS EN 13697:2015+A1:2019中规定的所有主要细菌菌株以及白色念珠菌（Candida albicans）均具有抗菌作用。使用该材料设计的原型自动化内窥镜清洁器在非人体试验中成功清洁了两种不同类型的柔性内窥镜（用于逆行胆胰造影和胃肠道检查的内窥镜），这些内窥镜被污染了肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）或铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。结果显示，全自动内窥镜清洁系统能够将细菌负荷减少10^10至10^8.8倍，其清洁效果是手动清洁的约100倍。

结论

研究结果表明，全自动内窥镜清洁已成为现实可行的技术，有望显著提升医疗安全性和成本效益。

引言

内窥镜技术在全球范围内被广泛用于诊断和治疗，每年进行的检查数量达数百万次。仅在美国，每年就进行2600万次内窥镜检查[1]。尽管内窥镜检查非常安全，但患者仍面临感染风险，其中内源性感染和外源性感染都有可能发生。内源性感染通常较为轻微，因为是由患者自身的正常菌群引起的；而外源性感染可能更为严重，甚至可能致命[2]。遗憾的是，可重复使用的内窥镜价格昂贵且结构精密，无法通过高压灭菌器进行消毒。目前，这类内窥镜主要依靠人工清洁后进行高水平消毒，尽管消毒过程本身已实现自动化。一次性内窥镜可以彻底消除外源性感染风险，但由于其高昂的成本和对环境的巨大影响，大多数医疗机构难以采纳[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。 内窥镜的清洁过程包括五个步骤：1) 床边清洁和泄漏检测；2) 用含洗涤剂/酶的溶液手动清洗内窥镜外部；3) 用刷子手动清洗内窥镜内部通道/腔体，然后冲洗并晾干；4) 使用过氧乙酸等进行高水平消毒（这一环节日益自动化），随后再次冲洗；5) 晾干并放入通风柜中储存以备下次使用。 然而，第三步（手动清洗内窥镜内部通道/腔体）存在问题。即使经过专业培训，最终的去污效果仍受操作人员技能影响，残留微生物可能仍然存在，尤其是当形成生物膜时，这些顽固的生物膜会阻碍最终的高水平消毒步骤[10]、[11]。因此，即使内窥镜经过彻底清洁，仍可能存在活菌污染[12]。例如，最近的研究发现，即使经过临床清洁，仍有5.3%的十二指肠镜存在高度危险的微生物污染[13]。这种污染可能导致下一位患者感染，引发疫情[2]、[13]、[14]、[15]。由于内窥镜检查常在免疫系统较弱的老年患者或病患者身上进行，微生物传播可能带来严重后果，尤其是当病原体具有抗生素抗性或高致病性时。 为解决手动清洁的这些问题，近期开发了几种自动化内窥镜清洁系统（ECS）。CORIS系统[16]最近获得了FDA批准[17]，采用摩擦力清洁内窥镜内部通道；Endoprime（Comprex Medical GMBH）[18]和AquaTYPHOON（Pentax Medical）[19]系统则利用高速气流和水流进行清洁，但后者存在气溶胶生成的问题[20]。需要注意的是，这些系统尚无法实现无需操作人员的全自动内窥镜清洁，外部表面仍需手动清洁，且均未使用化学清洁剂。 我们的目标是通过全自动化学清洁系统彻底消除内窥镜介导的病原体传播。这种系统必须能够快速、可靠地破坏所有生物膜，清除所有残留蛋白质和活菌及其相关生物量，从而防止二次生物膜的形成。本文介绍了一种新型清洁剂和原型自动化内窥镜清洁器，可实现全自动、无需操作人员的内窥镜清洁，其清洁效果比手动清洁好100倍。

方法部分

实验所需的化学试剂（Mueller Hinton肉汤/琼脂（MHB/MHA）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）粉末由Merck公司提供；铜绿假单胞菌（ATCC15442）、大肠杆菌（ATCC10536）、肠球菌（ATCC10541）、金黄色葡萄球菌（ATCC6538）、表皮葡萄球菌（ATCC12228）和白色念珠菌（ATCC10231）由DSMZ公司提供。活检导管和自动化内窥镜清洁器由PFE Medical公司提供。超声清洗设备使用的是Fisherbrand P系列超声仪。

沸石负载银和二氧化锰颗粒的合成与评估

研究人员合成了二氧化锰（MnO2）和银（Ag）颗粒，并将其固定在胺功能化的沸石-Y上（见补充材料[24]、[25]、[26]、[27]）。评估了这种材料对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、肠球菌、表皮葡萄球菌和白色念珠菌形成的1天、2天和3天龄生物膜的抗菌效果。结果与两组对照组进行了比较：一组仅暴露于缓冲液中，另一组则暴露于含有这些物质的溶液中。

讨论

银和二氧化锰（MnO2）能分解过氧化氢（H2O2），产生具有抗菌活性的活性氧[33]、[34]。胺功能化的沸石-Y具有900m2/g的高表面积，其胺基团是银和锰的优良结合位点[35]、[36]。因此，将Ag-MnO2/zY作为抗菌剂使用，并通过加入稀过氧化氢进行激活。实验中使用了已知会污染内窥镜的微生物生物膜以及作为杀菌和抑菌测试对象的微生物。

结论

Ag-MnO2/H2O2清洁混合物是一种高效的抗菌剂，能有效破坏生物膜并分解蛋白质和其他生物物质。使用该混合物的自动化内窥镜清洁系统适用于不同类型的内窥镜，其清洁效果是手动清洁的100倍。我们开发的全自动内窥镜清洁系统不仅速度快，而且由于无需操作人员干预，具有更高的重复性。

作者贡献声明

Andrew Sutherland：负责撰写初稿、项目监督、方法设计、实验实施、资金筹集、数据分析及概念构思。 Thien Duong：负责修订和编辑稿件、方法设计、实验实施、数据分析。 Rebecca Hartley：负责修订和编辑稿件、方法设计、数据分析。 Robert Hartley：负责修订和编辑稿件、资源协调、项目监督、方法设计、资金筹集、数据分析及数据管理。

伦理声明

本研究未涉及任何人类受试者，因此无需伦理审批。

资金声明

我们感谢Innovate UK通过知识转移合作伙伴关系（KTP）项目（项目编号511610）为阿斯顿大学和PFE集团旗下的Partnership Medical Ltd提供的财务支持。

利益冲突声明

TDD、RB、TW、HO’C和AJS声明无利益冲突；RH和RH因PFE集团销售用于本研究的自动化内窥镜清洗机（商品名“The Khamsin”）而存在利益冲突。

致谢

作者感谢阿斯顿大学健康与生命科学学院的Anna V Hine教授对稿件的严格审阅，以及Anupama Chembath博士和Mohammed Ashraf博士在DNA凝胶和蛋白质凝胶实验中的协助。