微生物基础知识在药品生产中的使用与延伸

微生物基础知识在药品生产中的使用与延伸内容1.微生物基础知识简介2.热力灭菌基本原理3.紫外灯及臭氧灭菌原理和要求4.药典对最终灭菌产品的无菌标准5.注射剂常见灭菌方法6.灭菌工艺的验证7.容器密封可靠性验证8.菌种的保藏和使用第一部分微生物基础知识简介微生物生存的环境•人类生活的环境充斥着大量微生物•海拔100英里（约160公里）以上•海平面以下600英尺（约182米）的地方都可以发现微生物的踪迹•1英里=5,280英尺或1.609公里常见微生物种类基本特点细菌0.5～5μm，生长态时不耐热，部分能形成耐热芽孢真菌5μm～50μm，形成芽孢随空气扩散，不耐热病毒小于0.1μm，一般不耐热，0.22μm过滤不了真菌和细菌大小真菌5μm~50μm细菌0.5~5μm主要成员酵母、霉菌细菌细胞组成酵母是单细胞，其它为多细胞均为单细胞细胞质成份遗传物质(DNA)被双层核膜包裹(真核)，并且还有如线粒体、叶绿体及高尔基体等被膜包裹的细胞器。遗传物质(DNA)祼露并游离于细胞质核区内(原核)。繁殖方式有性（如大型真菌或无性如酵母）或二者兼有无性（裂殖）孢子霉菌产生分生孢子（生长繁殖，类似于植物的种子)，虽不耐热，但会飘浮于空气中而难以消除。酵母不会产生孢子。主要只有两个属产生孢子（内生孢子），又名芽孢：Bacillus-芽孢杆菌属和Clostridium-梭菌属，细菌芽孢属于休眠体，一个细菌细胞产生一个芽孢适宜生长条件20-25oC30-35oC杀灭程度不耐热，但难用消毒剂消毒（因孢子处于漂浮状态）生长态菌不耐热（极个别除外），但形成芽孢后耐热。微生物分布特点•微生物无处不在•气源性微生物革兰氏阳性菌较多•它们可形成芽孢，难以杀灭•因此，药品生产需要HVAC•水源性则革兰氏阳性菌居多•不会生成孢子•但会形成细菌内毒素•耐热性差生长态菌及孢子•将植物比喻微生物，不恰当而直观•如玉米，发芽→生长→种子，前二种相当于微生物的生长状态，到了种子，对环境的（水分、温度等）耐受性大大增强•然而，微生物的芽孢，并不是繁殖的手段，而是休眠体，植物没有这种相对应的东西•革兰氏阳性菌：气源性•革兰氏阴性菌：则是水源性的，细胞结构不同•生物指示剂均为革兰氏阳性菌，灭菌用BI为非致病菌。细菌芽胞（孢）的形成及其特性内生孢子产生于Gram+细菌:芽孢杆菌属Bacillus梭菌属Clostridium仅含核酸及少量萌发必需物皮层含DPA和Ca2+复合物能抵御各种恶劣环境可休眠上百万年真菌孢子因不具上述特性而不耐热DPA：吡啶二羧酸成熟芽孢孢子壁母细胞孢子壁的形成生长态细胞生物指示剂（BI）的定义•对特定灭菌工艺具有一定耐受性并能用于定量测定灭菌效力的微生物制剂（USP28）•特点–用于制备生物指示剂的微生物应具有相当的耐受性、稳定性、易培养、及非致病性–相用于被验证产品、灭菌工艺、生产工艺–符合有关法规的要求什么是芽孢？•当某些细菌遇到不良生存环境条件时，为保护自身，在细胞内形成一外壁厚而坚硬的体眠体，该体眠体即称芽孢（Spore）或孢子。•由于其对不良环境的耐受性远高于生长态细胞，常被用于挑战灭菌工艺，以确认被灭菌物品无菌的可靠性。芽孢的特性•主要产生于Gram+细菌的两个属–芽孢杆菌属Bacillus–梭菌属Clostridium•能抵御各种恶劣环境，可存活上百万年，因为它–有厚的皮层结构–仅含核酸及少量萌发必需物–含水量极低•休眠体，内生孢子，不可再生（每个细胞只产生一个芽孢）；真菌孢子属于分生孢子，不具上述特性。芽孢的特点•耐热80℃下长期存活100℃下有相当高的存活率100℃以上死亡过程符合一级动力学方程•影响芽孢耐热性的因素–芽孢存在的介质–受热时的湿度生物指示剂（BI）•对特定灭菌工艺具有一定耐受性并能用于定量测定灭菌效力的微生物制剂（USP28）•特点–芽孢–用于制备生物指示剂的微生物应具有相当的耐受性、稳定性、易培养、及非致病性第二部分热力灭菌基本原理热对微生物的作用•当高温破坏了细胞中起生命作用的蛋白质、酶及核酸时，细胞死亡。•生命基本物质的破坏本质上是化学变化•实验证明微生物受热死亡速度符合一级动力学方程一级动力学方程式•dN/dt＝K(N0－Nt)–N0为t＝0时，存活的微生物数；–Nt为t时被杀灭的微生物数；–N为t时存活的微生物数–K为常数。•对数规则微生物存活数与灭菌时间关系图半对数座标Y轴及X轴均为普通座标（示意）tN102030101001000tlgN102030123Y轴：微生物取对数X轴：时间为10进制普通座标芽孢的耐热参数：D值•指一定温度下将微生物杀灭90％或下降一个对数单位所需要的时间。lgNt1234t1t2D灭菌温度对D值的影响115℃121℃125℃lgNt△lgN=1D125D121D115灭菌温度低时，达到同一灭菌效果的时间就长F0值：达到同一灭菌效果的概念F0值即标准灭菌时间指产品在灭菌过程中获得的与标准参照条件（121℃）相同灭菌效果的曝热时间lgNtLgNoLgNt121℃117℃FTFo不同灭菌温度下的灭菌率灭菌温度℃灭菌率L1000.0081050.0251120.1261150.2511160.3161180.5011200.7941211.0001221.251231.59灭菌率：为达到与某一温度下灭菌1分钟相同的灭菌效果，在121℃下灭菌所需要的灭菌时间100℃灭菌时1分钟，相当于121℃灭菌0.008分钟，即Fo值为0.008分钟。105℃灭菌40分钟时，Fo约为1分钟，能使D值为1分钟的芽孢数量下降1个对数单位第三部分紫外灯及臭氧灭菌原理和要求紫外线的分类1.UVA波段，波长320～400nm，又称为长波黑斑效应紫外线2.UVB波段，波长275～320nm，又称为中波红斑效应紫外线3.UVC波段，波长100～275nm，又称为短波灭菌紫外线4.UVD波段，波长小于100nm，又称为真空紫外线•破坏及改变微生物的DNA（脱氧核糖核酸）结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代。•每一种微生物都有其特定紫外线杀灭、死亡剂量标准。紫外线的杀菌原理紫外线灭菌要求•杀灭一般细菌繁殖体应达20000mw.s/cm2•杀灭细菌芽胞应达到100000mw.s/cm2•杀灭病毒真菌孢子应达到600000mw.s/cm2适宜条件和范围•紫外线可以杀灭各种微生物，包括细菌繁殖体、芽孢、分枝杆菌、病毒、真菌、立克次体和支原体等•紫外线仅能杀灭直接照射到的微生物•紫外线消毒纸张、织物等粗糙表面时，要适当延长照射时间，且两面均应受到照射。•紫外线消毒的适宜温度范围是20℃～40℃相对湿度低于80%•紫外线杀灭被有机物保护的微生物时，应加大照射剂量臭氧灭菌原理•作用细胞壁和细胞膜，在脂质（类脂化事合物）形成双键•破坏细胞膜，并使SH酵素被破坏臭氧灭菌要求•杀灭芽孢杆菌属的细菌孢子和酵母，需要较长时间•杀灭芽孢杆菌属的细菌孢子和酵母，浓度应达到0.3-0.5mg/l•一般性灭菌，应大于10ppm第四部分药典对最终灭菌产品的无菌标准无菌检查的局限性•历史的教训：–1962年，美国FDA颁布第一部GMP–1970-1975年，美国输液污染至败血症400多起--有问题的产品全部通过了无菌检查•无菌检查的风险取样量为20瓶时污染率与通过无菌检查概率的关系批产品污染率％5101520通过无菌检查的概率％361241药典对无菌保证的定量标准•1973年的英国药典和1980年USP增补版提到了无菌的量化标准•Fo不小于8分钟•经灭菌后，产品中污染菌存活的概率不大于百万分之一。•中国药典在2000版起，收载了此标准。•无菌保证值：污染菌存活概率的负对数，经灭菌后，产品的无菌保证值不小于6“无菌”的标准及概念•“每批产品中，污染品概率不得超过一百万分之一”，无菌的这一量化标准应当可以用试验来证明的。•每瓶产品微生物存活的概率却可计算的。•这就需要测试产品灭菌前微生物污染数、D值，使用对数规则，并用生物指示剂试验来证实。•量化指标+计算+试验，使无菌标准成为工业界可执行的标准产品灭菌完全的必要措施从公式SAL＝F0/D–lgN0看灭菌完全的必要措施•足够的F0值•产品灭菌前污染菌检测需氧菌总计数（微生物污染水平）污染菌耐热性产品灭菌完全的必要措施-2通常采用的中间控制手段：•对每批的灌封开始和结束阶段，分别对灌装好的半成品取样检测。样品须作需氧菌总计数将检品液置于100℃下加热10分钟，检查是否有耐热芽孢存活•须对微生物学检测结果进行趋势分析。产品灭菌完全的必要措施-3FDA要求－“对于在灭菌前产品污染菌检测中所发现的耐热孢子，必须与验证灭菌工艺所用生物指示剂的耐热性进行对比”产品灭菌完全的必要措施-4具体要求：•如经热处理后检出的微生物是芽孢类微生物。需将其培养并收集芽孢，测定其的耐热性，将之与验证灭菌工艺用生物指示剂的耐热性进行对比。•如果所分离的污染菌耐热性高于生物指示剂的耐热性，则必须使用耐热性更强的生物指示剂对灭菌工艺重新进行验证(可以使用生产中的分离菌)。•如果在生产全过程中，对微生物污染严格控制，那么，这种情况发生的概率是非常小的。无菌保证水平举例•假定灭菌开始时产品中的污染微生物总数（N0）为100cfu/瓶，污染微生物的耐热参数（D）为1分钟，要达到药典规定的SAL不小于6的标准，灭菌F0值应达到多少？相当于121℃和115℃下灭菌多少分钟？•答：F0=（SAL＋lgN0）×D=（6+lg100）×1=8分钟，需在121℃下灭菌8分钟。•换算成115℃下的灭菌时间是：F0/L115=8/0.25=32分钟。无菌保证水平举例二•某复方氨基酸注射液采用110℃，30分钟的灭菌程序，起始污染微生物仍为100cfu/瓶，D值为0.5分钟，请计算无菌保证值和残存微生物污染的概率。•答：其SAL为：SAL=F0/D-lgN0=L110×t/D-lg100=0.08×30/0.5-2=2.8•残存微生物的概率为10-2.8＝0.158％•通过无菌检查的概率为(1-0.158％)20=96.9%。第五部分注射剂常见灭菌方法湿热灭菌-1•湿热灭菌通常指一定压力下的蒸汽灭菌，也包括过热水灭菌（水浴式或喷淋式）•实际上只要微生物处于达到水－水蒸气平衡状态下的灭菌过程，都是湿热灭菌–例：实验室给微生物取样瓶灭菌时通常加入1ml水并密封。–水分的存在有利于灭菌湿热灭菌特点•蒸汽有利于蛋白质的变性和酶的失活，从而杀灭细胞•蒸汽热穿透性强•灭菌效率高–温度相对较低–灭菌时间相对短•灭菌过程不产生任何化学物理污染•灭菌设备控制参数少，运行稳定，方便管理湿热灭菌工艺之一•美国FDA规定的残存概率法–灭菌过程8≤F012分钟–适用于热稳定性不很好的产品–通过控制工艺过程的微生物污染和灭菌工艺参数使产品无菌–无菌保证值不小于6湿热灭菌工艺之二•过度杀灭法–F0不低于12–热稳定性好的产品–以彻底杀灭任何污染的微生物为实现无菌的手段–无菌保证值不小于6其它湿热灭菌工艺？•F0值低于8的灭菌工艺•热稳定性很差的产品•以无菌生产工艺为基础，灭菌是提高无菌保证水平的辅助手段•不计算F0值，污染概率不大于0.1%•除血液制品外，发达国家这类大容量注射剂几乎没有•小容量注射剂也少见无菌灌装与流通蒸汽灭菌PDA《参数放行》-1999-10-21文件中指出：如果产品在最终灭菌前采取无菌灌装，那么该产品的灭菌工艺可以采用较小的F0值（如F0≤8min）这当然是对热稳定差的产品采用的方法此提法和欧盟GMP无菌药品附录一致不同工艺无菌保证比较表过度杀灭法Fo1210-6热稳定性好的产品以杀灭微生物作为实现无菌的手段残存概率法Fo810-6热稳定性较差产品工艺过程将防止产品被耐热菌污染放在首位，而不是仅依赖最终灭菌去消除污染流通蒸汽法不计算Fo0.1%热不稳定产品加热是无菌生产工艺（除菌过滤）的补充手段除菌过滤法LRV70.1%不能加热的产品LRV=logreductionvalue过滤对数下降值，一般上游为107下游为1，则LRV=7由