Charakterisierung der Resistenz von Bakteriensporen gegenüber atmosphärischen und Niederdruck-Plasmen und Entwicklung eines Sporen-Bioindikator für die Evaluation von Plasmasterilisation-Prozessen
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Niedertemperatur-Plasmasterilisation wird als vielversprechende Alternative zu konventionellen Sterilisationsmethoden gehandelt und ist äußerst geeignet für die Behandlung von hitzeempfindlichen Plastiken. Plasma ist ein ionisiertes Gas, das aus mehreren reaktiven Komponenten besteht. Neben freien Elektronen, Ionen, neutralen sowie angeregten Atomen und Molekülen (z.B. Reaktive Sauerstoff Spezies), und Wärmeentwicklung, werden hochenergetische VUV und UV Strahlen bei der Plasmaentladung freigesetzt, die eine biozide Wirkung entfalten. In dieser Arbeit wurde zuerst die Anwendbarkeit von Niederdruckplasma als schnelle und effiziente Methode zur verbesserten Inaktivierung von Sporen dargestellt. Weiterhin wurde in dieser Arbeit eine elektrisch betriebe Sprüheinheit entwickelt, die die reproduzierbare Herstellung von einheitlichen experimentellen Proben, in Form von hochkonzentrierten monolagigen Sporen, ermöglicht und somit eine verlässlichere und realistischere Beurteilung der plasmabasierten Inaktivierung gestattet. In dieser Arbeit wurden grundlegende Aspekte, die zur Sporenresistenz gegenüber der Sterilisation mit Niederdruckplasma beitragen, vorgestellt. Plasmaentladungen induzierten signifikante Oberflächenmodifikationen und beeinträchtigten die Struktur der äußeren Sporenlagen. Der multilagige Sporenmantel stellt die erste Barriere gegenüber einfallenden Umwelteinflüssen dar und spielte eine signifikante Rolle in der Sporenresistenz von B. subtilis gegen Niederdruckplasma. Besonders der innere und äußere Sporenmantel schützten die Spore vor aktiven Plasmakomponenten, wobei die äußerste Schicht, die Kruste, eine untergeordnete Rolle spielte. Die Wichtigkeit dieser Arbeiten wurde in Form eines Blog Posts auf der offiziellen Homepage des Journals of Physics D: Applied Physics hervorgehoben. Zusätzlich wurde der dazugehörige Artikel in Form des monatlichen Journal Newsletters betont. Alle getesteten Niederdruckplasmen induzierten DNA Schäden in Form von Photoprodukten in dehydrierter Plasmid-DNA in vitro, wobei das Sporenphotoprodukt am häufigsten gebildet wurde. Tatsächlich spielte das spezifische Reparaturenzym eine zentrale Rolle im Überleben von B. subtilis Sporen nach Plasmabehandlungen, die besonders hohe (V)UV Fluenzen aufweisen. Dies deutet darauf hin, dass die Entstehung des Sporenphotoprodukts auch in vivo stattfindet und im Zuge der Sporenkeimung repariert wird. Es wurde gezeigt, dass eine Behandlung mit Argon- oder Sauerstoffplasma DNA Strangbrüche in Plasmid DNA in vitro induziert und weiterführend, dass Sporen mit Defekten in den wesentlichen Mechanismen zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen signifikant sensitiver gegenüber Plasmabehandlung waren, was darauf schließen lässt, dass DNA Strangbrüche ebenfalls in vivo generiert werden. Weiter wurden Hinweise auf eine zusätzliche Rolle der Ligase LigD gefunden, der eine Funktion in einem DNA Reparaturweg, der auch zur Reparatur von Plasmainduzierten Schäden, zugeschrieben wird. Die generierten Resultate weisen darauf hin, dass die Inaktivierung von B. subtilis Sporen auf komplexen Interaktionen zwischen der vielschichtigen Spore und den verschiedenartigen Plasmaspezies basiert, die eine Vielzahl von Schäden hervorrufen können, wie plasmainduzierte DNA Schäden, die Zerstörung von schützenden äußeren Sporenlagen (Sporenmantel), sowie eine mögliche Schädigung von empfindlichen sporenspezifischen Strukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2013. Utilization of low-pressure plasma to inactivate bacterial spores on stainless steel screws. Astrobiology 13:597-606
Stapelmann K, Fiebrandt M, Raguse M, Awakowicz, Reitz G, Moeller R
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2014. Resistance of Bacillus subtilis spore DNA to lethal ionizing radiation damage relies primarily on spore core components and DNA repair, with minor effects of oxygen radical detoxification. Appl. Environ. Microbio.l 80:104-109
Moeller R, Raguse M, Reitz G, Okayasu R, Li Z, Klein S, Setlow P, Nicholson WL
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2016. Bacillus subtilis spore resistance towards low pressure plasma sterilization. PhD thesis, Ruhr University Bochum
Raguse, M.
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2016. Identification of a conserved 5’-dRP lyase activity in bacterial DNA repair ligase D and its potential role in base excision repair. Nucleic Acids Res. 44:1833-1844
de Ory A, Nagler K, Carrasco B, Raguse M, Zafra O, Moeller R, de Vega M
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2016. Improvement of biological indicators by uniformly distributing Bacillus subtilis monolayers to evaluate enhanced spore decontamination technologies. Appl. Environ. Microbiol. 82:2031-2038
Raguse M, Fiebrandt M, Stapelmann K, Madela K, Laue M, Lackmann JW, Thwaite JE, Setlow P, Awakowicz P, Moeller R
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2016. Understanding of the importance of the spore coat structure and pigmentation in the Bacillus subtilis spore resistance to low pressure plasma sterilization. J. Phys. D: Appl. Phys. 49:285401
Raguse M, Fiebrandt M, Denis B, Stapelmann K, Eichenberger P, Driks A, Eaton P, Awakowicz, Moeller R
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2017. A Combined Low-pressure Hydrogen Peroxide Evaporation plus Hydrogen Plasma Treatment Method for Sterilization - Part 1: Characterization of the Condensation Process and Proof-of-Concept. Plasma Processes Polym.
Stapelmann K, Fiebrandt M, Raguse M, Lackmann JW, Postema M, Moeller R, Awakowicz P
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2017. A combined low-pressure hydrogen peroxide evaporation plus hydrogen plasma treatment method for sterilization − Part 2: An intercomparison study of different biological systems. Plasma Processes Polym.
Lackmann JW, Fiebrandt M, Raguse M, Kartaschew K, Havenith M, Bandow JE, Moeller R, Awakowicz P, Stapelmann K
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2017. VUV absorption spectroscopy of bacterial spores and DNA components. Plasma Phys. Control. Fusion 59:01401
Fiebrandt M, Lackmann JW, Raguse M, Moeller R, Awakowicz P, Stapelmann K
