非热等离子体直接应用技术：彻底清除内窥镜生物膜污染的新突破

《Scientific Reports》：Direct application of non-thermal plasma technology for the elimination of biofilm from endoscope channels

本研究针对内窥镜再处理过程中生物膜难以彻底清除导致患者交叉感染的问题，开发了一种新型低能量非热等离子体(NTP)治疗系统结合原型内窥镜等离子体应用器。研究证明，该技术可完全消除铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌在模拟内窥镜通道中形成的生物膜，为内窥镜再处理提供了安全高效的新型去污染技术方案，显著降低医疗感染风险。

　　

每年英国508个内窥镜单元进行超过200万例内窥镜检查，随着癌症筛查需求的增加，内窥镜服务需求持续增长。然而这些检查会导致内窥镜设备受到患者自身菌群的高度污染。柔性内窥镜包含多个难以清洁消毒的通道和端口，且热敏感组件限制了高温灭菌的使用。清洗失败可能导致微生物在患者间传播，引发感染暴发。特别值得关注的是，细菌在内窥镜通道内形成生物膜的能力，尤其是在内表面磨损或干燥不充分形成积液的情况下，大大增加了交叉感染风险。

尽管英国卫生与社会保健部制定了严格的再处理指南，要求在内窥镜再处理单元进行专门的多步骤清洗（包括手工刷洗、内窥镜清洗消毒机处理和HEPA过滤空气干燥），但内窥镜相关感染暴发仍频繁报告。研究表明，47%的测试内窥镜通道培养呈阳性，分离出的微生物包括环境微生物和铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和大肠杆菌等潜在病原体。扫描电子显微镜和共聚焦激光显微镜成像显示，所有检查的内窥镜通道均存在生物膜。

现有灭菌方法各存局限：环氧乙烷(EO)气体灭菌虽能控制暴发，但成本高、耗时长，且可能损伤内窥镜并对工作人员有毒害风险；自动化液体化学灭菌(LCS)虽缩短了处理时间，但对有机生物负荷的初始清除要求高，复杂几何结构的内窥镜液体可达性存疑；气化过氧化氢(VHP)灭菌虽具广谱抗菌活性，但内窥镜内残留水分可能导致循环失败。因此，迫切需要一种安全、经济、处理时间短的低温去污染技术，以彻底消除生物膜污染，阻断交叉感染风险。

在此背景下，由英国西英格兰大学、西苏格兰大学和Creo Medical Ltd.的研究人员组成的团队在《Scientific Reports》上发表了他们的研究成果。他们开发了一种新型低能量非热等离子体(NTP)治疗系统，结合原型内窥镜等离子体应用器，专门用于清除内窥镜通道内的生物膜污染。非热等离子体是通过向中性气体（如氩气）提供持续能量产生的部分电离"第四态物质"，其电子温度高而整体气体温度低，产生包含活性物质、带电粒子、电子和紫外线（远UVC，200-222纳米）光子的等离子体"羽流"，这些成分均表现出抗菌特性。

研究团队建立了一个体外内窥镜生物膜模型(EBM)，使用聚四氟乙烯(PTFE)管路作为内窥镜操作通道的替代物。在该模型中培养了铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、大肠杆菌(Escherichia coli)和肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)的单菌种生物膜。

NTP系统的核心技术包括微波能量等离子体维持源和射频(RF)能量等离子体启动单元。系统通过功率组合单元将100kHz射频能量和2.45GHz微波能量通过单一同轴电缆组件传输至应用器结构。应用器末端采用"Top hat"天线设计，在氩气流经时产生周向等离子体。应用器外径为2.8毫米，可适配标准成人内窥镜和胃镜的操作通道。

研究方法主要包括细菌培养、EBM生物膜培养、NTP处理以及生物膜回收与计数。通过涡旋混合和超声处理回收生物膜，进行菌落形成单位(CFU)计数和完全生物膜消除测试，验证处理效果。

研究首先对EBM模型进行了表征验证。所有四种测试菌种均在EBM中形成了可回收的活性生物膜。铜绿假单胞菌生物膜密度最高(7.63±0.08 log₁₀ CFU cm^-2)，其次为金黄色葡萄球菌(6.96±0.20 log_{10 CFU cm^-2)、大肠杆菌(5.49±0.24 log10 CFU cm^-2)和肺炎克雷伯菌(5.33±0.32 log10 CFU cm^-2)。重要的是，除铜绿假单胞菌有微小但显著的差异外，各测试管路截面的生物膜密度分布均匀，证明了模型用于抗菌治疗研究的一致性。}

NTP处理系统的抗菌效果测试结果显示，在发生器功率设置80W、占空比28%（40ms开，100ms关）、氩气流速2.5L min^-1的条件下，NTP处理使所有四种细菌生物膜的可回收活菌细胞降至枚举检测限以下(<0.9 Log₁₀ CFU cm^-2)。完全生物膜消除测试（将处理后的管路片段转入营养肉汤培养7天）证实，NTP处理完全消除了所有活性生物膜细胞，而未经处理的对照和单独氩气处理的样本均显示高度浑浊，表明有细菌生长。

研究人员进一步优化了处理参数，力求在保持抗菌效果的前提下使用最经济的设置。逐步降低发生器功率设置和氩气流速测试表明，最低能产生有效等离子体的参数为功率40W、氩气流速2.0L min^-1（占空比28%），该设置仍能完全消除铜绿假单胞菌生物膜，并对其他三种测试菌种的生物膜同样有效，实现了显著降低（p<0.001）：铜绿假单胞菌降低7.49±0.05 Log₁₀ CFU cm^-2，大肠杆菌降低5.07±0.03 Log₁₀ CFU cm^-2，肺炎克雷伯菌降低4.98±0.27 Log₁₀ CFU cm^-2，金黄色葡萄球菌降低7.13±0.16 Log₁₀ CFU cm^-2。

讨论部分指出，这是首个证明NTP系统结合原型内窥镜应用器能有效完全清除作为内窥镜操作通道替代物的PTFE管路内表面细菌生物膜的研究。当前应用器设计最大外径为2.8毫米，适用于各种标准成人内窥镜和胃镜的操作通道，且未来可进一步缩小尺寸以适配更细的通道。

与环氧乙烷(EO)灭菌相比，NTP处理作为内窥镜再处理的最终步骤，可在不显著增加再处理时间（目前参数下处理300厘米通道约需60分钟）的前提下，提供额外的去污染保证，且更安全、无化学残留。与液体化学灭菌(LCS)和气化过氧化氢(VHP)相比，NTP应用器能直接进入复杂几何形状的操作通道，且处理过程中干燥通道，避免了残留液体可能导致VHP处理失败的问题。

研究的最终目标是开发一种自动化设备，通过多个应用器连接至单一NTP发生器，并借助校准电机自动推进，实现多台内窥镜的批量处理，从而减少所需人工时间，确保该方法的成本效益。

总之，该研究证明NTP系统结合原型内窥镜应用器能够在实验室模型系统中对受细菌生物膜污染的模拟内窥镜操作通道实现灭菌。若该方法应用于真实的内窥镜检查环境，将有助于消除患者间的交叉污染风险，为内窥镜再处理提供了一种有前景的新技术选择。