Dr GOULLET
Docteur d' Etat ès Sciences Pharmaceutiques,
Praticien Hospitalier

1 - Introduction
2 - Nature, caractéristiques et origine des rayonnements ionisants
3 - Action des radiations ionisantes sur les micros-organismes
4 - Caractéristiques des installations pratiquant la radiostérilisation
5 - Les contrôles de la radiostérilisation
6 - Avantages et inconvénients de la radiostérilisation
7 - Conclusion

1 - INTRODUCTION

Ce procédé fait appel soit à des rayonnements électromagnétiques de grande énergie ( rayons gamma ), soit à des rayonnements corpusculaires électroniques (rayonsb-). Dans tous les cas, il s'agit de rayonnements fortement ionisants qui possèdent la propriété de pouvoir arracher des électrons aux atomes.
L'action bactéricide des rayonnements ionisants a été mise en évidence par Minck, en 1896, au moyen des rayons X découverts un an auparavant par Roentgen (9) - (13).
Le développement des applications de l'énergie nucléaire dès les premières années de l'après-guerre, 1939-45, puis l'introduction du matériel médico-chirurgical non réutilisable dans la pratique hospitalière, ont permis à la stérilisation par les rayonnements ionisants d'entrer en phase industrielle (13), pour stériliser le matériel thermosensible, notamment.

2 - NATURE, CARACTERISTIQUES ET ORIGINE DES RAYONNEMENTS IONISANTS.

2-1 Les rayons gamma (5) (6) (13)

Ce sont des ondes électromagnétiques, de longueur d'onde comprise entre 10-10 et 10-14 m.
Ils se situent entre les rayons X durs 10-8 à 10-10 m et les rayons cosmiques.
En radiostérilisation, deux moyens d'obtention sont utilisés :

a) le Cobalt 60, émetteur de deux rayonnements gamma de niveau d'énergie à 1,17MeV et 1,33MeV. Le Cobalt 60 est produit par irradiation neutronique de cobalt 59 dans un réacteur. Sa période est de 5,27 ans.

b) le Césium 137, émetteur d'un rayonnement gamma de niveau d'énergie à 0,66MeV. Le césium est extrait des produits de fission d'un réacteur. Sa période est de 30 ans. Il n'est plus utilisé actuellement comme source radioactive.
L'interaction du rayonnement gamma s'effectue généralement par rencontre avec les électrons périphériques des atomes présents.
L'énergie du photon gamma peut être transmise soit intégralement, soit partiellement à des électrons. Dans ce dernier cas, outre l'électron mobilisé au cours de l'interaction, il subsiste un gamma d'énergie plus faible que le gamma d'incident. Ce photon suit une trajectoire différente de celle du photon initial, et pourra interagir à un autre endroit du matériau, ou même traverser celui-ci sans autre perturbation.

2-2 Les electrons accélérés (1) (4) (7) (14) (15)

Les électrons accélérés constituent un rayonnement corpusculaire. La longueur d'onde produite est comprise entre 10-8 et 10-10m. Bien que les électrons puissent être produits par des sources radioactives ( rayonnement b-) des raisons liées :
- à la puissance relativement faible de telles sources;
- aux problèmes de rendement ( impossibilité pratique de focaliser ce rayonnement b-);
- à la difficulté d'exploitation des émetteurs b- ( spectre continu d'énergie d'irradiation );
- et enfin au coût élevé des radioéléments correspondants;
font que l'on n'utilise pratiquement dans l'industrie que des machines accélératrices. Les électrons sont émis par un canon à électrons.
Ces appareils fournissent des faisceaux dont la géométrie est bien définie, adaptée au problème posé, et dont la puissance est importante ( jusqu'à plusieurs dizaines de kw).

L'énergie des électrons est de 4 à 10 Méga électrons-Volts (MeV), selon la puissance de l'onde accélératrice et le nombre d'électrons injectés dans la section. Bien que faiblement pénétrants, la "capacité d'interaction " des électrons avec la matière est très importante, ce qui entraîne leur absorption rapide dans la cible sur laquelle ils sont projetés. Leur interaction avec la matière de cette dernière se traduit par une ionisation intense, et c'est par ce processus que l'énergie de l'électron est transférée à la cible.

L'énergie des rayonnements gamma émis par les sources radioactives, ainsi que l'énergie des faisceaux d'électrons dont le niveau est inférieur à 10MeV, ne permettent en aucune manière de provoquer une radioactivité induite dans un corps quelconque. La radioactivation n'est pas réalisable en dessous de 10MeV, ce qui doit chasser toute crainte auprès des utilisateurs; on peut donc affirmer :
" De la même façon qu'on ne s'électrocute pas en mangeant un steack cuit au grill électrique, on ne s'irradie pas au contact de produits traités aux rayons gamma "(6).

3 - ACTION DES RADIATIONS IONISANTES SUR LES MICRO-ORGANISMES

3-1 Mécanisme d'action des rayonnements ionisants sur les micro-organismes (9)

- L'eau ( élément le plus important des micro-organismes ) subit une radiolyse :
H2O ----> H° + OH° : radicaux libres à durée de vie brève.
En présence d'oxygène dissout : H° + O2 -----> H-O-O° et en présence d'hydrogène ---> H2O2
(eau oxygénée ).

- Au niveau du micro-organisme : ionisation et excitation des atomes constitutifs de la cellule et de son milieu par éjection des électrons périphériques : formation des radicaux libres très réactifs, de molécules excitées qui se recombineront entre elles. Dans les grosses molécules protéiques : rupture des liaisons hydrogène, formation des ponts disulfure. Les bases des acides nucléiques sont altérées.

3-2 Notion de sensibilité du micro-organisme (3) (9)

La sensibilité aux rayonnements varie considérablement d'un micro-organisme à l'autre.
Elle dépend :
- de la nature du germe ( espèce, souche );
- du milieu dans lequel il est irradié. Ainsi, les virus sont plus résistants que les levures, elles-mêmes plus résistantes que les bactéries ;
- l'oxygène augmente la radio-sensibilité alors que les réducteurs et la déshydraration la réduisent.

La radiosensibilité est évaluée numériquement par la D10 ( de façon analogue à la stérilisation par les autres procédés ) : dose nécessaire pour réduire au 1/10ème la population bactérienne initiale.
Pour une forme sporulée : D10 de 0,1 à 3 Mrad (10 à 30 kGy)
Contrairement à une idée répandue, le virus responsable du Sida (HIV) est sensible aux rayons gamma.

3-3 Influence de la nature du rayonnement

La nature du rayonnement intervient peu en pratique, bien qu'il y ait des différences d'action théoriques entre le flux d'électrons et les rayons gamma (11).

3-4 Doses adoptées pour la radiostérilisation (3) (13)

a) La dose absorbée
C'est la quantité d'énergie qui est cédée au milieu par le rayonnement qui le traverse. L'unité ancienne est le rad, qui correspond à une énergie absorbée de 100 ergs par gramme de milieu (105 joules). Le Megarad étant le million de rad, correspond à une élévation de température de 2,04°C par gramme d'eau.
Actuellement, l'unité utilisée est le Gray : 1Gy = 100 rad ou 1 Mrad = 10kGy.

b) la dose stérilisante :
C'est la dose nécessaire pour assurer la stérilité du milieu avec un coefficient de sécurité de même ordre que celui qui intervient habituellement dans la stérilisation par la chaleur. Elle dépend de la nature des micro-organismes, de leur nombre initial et de la nature du milieu.
La dose de radiostérilisation D = D10 (Log No-Log 10-6) d'un matériel est fonction de trois facteurs :
No : nombre de germes contaminants ;
D10 : radiosensibilité de ces germes ( nature et milieu )
10-6 : marge de sécurité recherchée

En pratique industrielle, et pour ce qui concerne le matériel à usage médico-chirurgical : si les articles sont fabriqués dans le respect des règles de travail et d'hygiène généralement recommandées ( Bonnes Pratiques de Fabrication ) le nombre de germes initialement présents doit être inférieur ou égal à 100 germes par article.
La marge de sécurité admise par la plupart des Pharmacopées est de 10-6 , c'est à dire un objet sur un million pour lequel on a le risque de laisser un germe vivant ; cette marge est celle qui est retenue pour la chaleur.
Le traitement de radiostérilisation doit être effectué à une dose permettant d'atteindre un taux de réduction en germes, ou efficacité, de 102 (contamination) X 106 ( marge ) = 108.

Or, l'expérience a montré que tous les germes présents sur le matériel fabriqué dans les conditions précédemment fixées, présentaient une radiosensibilité supérieure à celle d'un germe test ( spore de Bacillus pumilus, pour lequel la D10 est de l'ordre de 3,1 kGy ).
La dose recommandée par la Pharmacopée Française est donc de :
8 (facteur d'inactivation ) x 3,1 (D10 BP E 601) = 25 kGy
L'amélioration des pratiques de fabrication propose un produit fini peu contaminé ou même " stérile " : lorsque le matériel est peu contaminé, et qu'il n'y a pas d'espèces résistantes, la dose pourrait être réduite à condition de procéder à des validations ; dans le cas inverse, elle devrait être augmentée. C'est pourquoi les règlementations nationales imposent une détermination qualitative et quantitative des germes contaminant le matériel avant stérilisation.
La dose reçue d'une source de rayonnement en un point donné est inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant; elle décroît avec la densité du milieu traversé. Il faudra alors, par une cartographie des doses délivrées, garantir une stérilité des produits au milieu des paquets ( surtout s'il s'agit de produit à forte densité ).
Ainsi les Pharmacopées Européenne et Française n'imposent pas de dose minimale ou maximale, mais demande " que le traitement par rayonnement gamma ou émission d'électrons ( se fasse ) à une dose absorbée suffisante qui permette d'atteindre le degré de sécurité prescrit pour le produit à stériliser "(16), alors que certaines Pharmacopées, telle la Pharmacopée Danoise, imposent une dose de 35 à 50 kGy.

4 - CARACTERISTIQUES DES INSTALLATIONS PRATIQUANT LA RADIOSTERILISATION

4-1 Stérilisation au moyen d'un irradiateur gamma (5) (7) (8) (18)


4-2 Stérilisation au moyen d'un faisceau d'électrons accélérés (4) (8) (15)

5 - LES CONTROLES DE LA RADIO-STERILISATION (10)

5-1 Contrôle du bon fonctionnement des installations :

La Pharmacopée (17) demande que les caractéristiques physiques de fonctionnement de l'installation soient notées dans un compte-rendu d'essais préliminaires qui permette de définir les conditions adéquates d'irradiation. Ces valeurs deviennent des références et l'on devra vérifier que les caractéristiques adoptées pour chaque lot d'irradiation soient conformes au conditions définies lors des essais.
Pour les installations comportant des sources radioactives, le temps d'irradiation ( vitesse de défilement des balancelles ) doit être évalué avec précision. L'activité de la source est maintenue constante par remplacement des barreaux de Cobalt de façon régulière ; de l'activité de la source dépend le débit de la dose utile, c'est à dire le temps d'exposition.
Pour les installations utilisant des accélérateurs d'électrons, un enregistrement en continu des principales caractéristiques de fonctionnement de l'installation doit être réalisé ( Pharmacopée Française ) (17) ( puissance du faisceau , surface explorée par le faisceau d'électrons, vitesse de passage sous le faisceau).

5-2 Les indicateurs de passage (17)

La Pharmacopée (17) demande que dans tous les cas, sur chaque unité de conditionnement, soit placé un indicateur d'irradiation lisible directement, afin d'éviter toute confusion entre les articles irradiés et les articles non irradiés.
Cet indicateur de passage est le plus souvent une pastille changeant de couleur sous l'irradiation ( de jaune au rouge).
Le réactif est un composé chloré qui dégage de l'acide chlorhydrique à l'irradiation : cet acide fait virer du jaune au rouge un réactif coloré qui imprègne également le papier.
Ces pastilles colorées ne fournissent qu'une indication qualitative. Très sensibles, elles ne permettent en aucun cas d'indiquer la dose reçue.

5-3 Contrôles de la dose reçue : dosimétrie

5-4 Contrôle microbiologique de la stérilisation

Détermination de la contamination initiale

Elle est demandée par la Pharmacopée (17) car, comme pour les autres moyens de stérilisation, l'efficacité de cette méthode dépend du nombre initial de germes contaminants.
La contamination doit faire l'objet de déterminations :
- a) quantitatives : dénombrement des germes sur l'objet et à l'intérieur de son protecteur individuel de stérilité.
-b) qualitatives : pour s'assurer que les germes appartiennent à des espèces connues comme sensibles aux radiations ionisantes.

La fréquence des déterminations est fonction de la nature de l'objet à stériliser et de l'expérience acquise à la suite des évaluations antérieures.

Contrôle microbiologique d'efficacité de la sterilisation

Un contrôle microbiologique d'efficacité doit être réalisé pour chaque lot de stérilisation, à l'aide d'indicateurs biologiques placés à l'intérieur ou à la surface des articles à stériliser.
Ces indicateurs sont soit des articles volontairement contaminés, soit des supports constitués d'un matériau aussi semblable que possible à celui de l'article à stériliser, ou de son emballage, contaminé par un nombre déterminé de spores bactériennes désséchées , de radiosensibilité connue.
Les variétés préconisées par la Pharmacopée Européenne (17) sont les suivantes :
- Spores de Bacillus pumilus pour une dose de 25kGy, en nombre compris entre 107 et 108 par unité d'indicateur. La valeur D doit être de 3kGy.
- Spores de Bacillus cereus ou de Bacillus sphaericus de résistance plus forte pour des taux d'irradiation plus élevés.
La préparation des éprouvettes biologiques doit obéir à des conditions strictes de lavage, de répartition de spores sur le support, de nature de support, de conditions de dessiccation, définies par le Laboratoire National de Référence Microbiologique.
L'utilisation des indicateurs biologiques ne vise pas à remplacer la dosimétrie physio-chimique, plus précise, mais doit être considérée comme un complément simulant une charge microbiologique importante.

Contrôle de stérilité

Bien que la Pharmacopée ne demande pas la vérification de la stérilité dans la monographie sur la stérilisation par les rayonnements ionisants, cette étape peut être demandée dans les monographies des objets stérilisés par les rayonnements ionisants, comme les ligatures.
Ce contrôle, réalisé de la même façon que pour les autres procédés de stérilisation, souffre des mêmes critiques ( notamment celle de la faible probabilité de déceler un objet non stérile).

5-5 Contrôles de l'absence de radiations dans l'environnement des installations (5)

- Des dosimètres, relevés tous les mois, sont placés près de toutes les ouvertures de l'installation du rayonnement g;
- Des dosimètres sont portés en permanence par le personnel, et vérifiés tous les mois;
- Un balise sonore d'alarme, pour les installations au Cobalt 60 ( seuil de détection : 2 millirads) accompagne toute personne pénétrant dans la cellule d'irradiation ;
- Des mesures de radio-activité, de teneur en sulfate et en chlorure ( pouvant attaquer les gaines inox des barreaux ) de l'eau de la piscine sont réalisées mensuellement.

6 - AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE LA RADIOSTERILISATION

6-1 Comparaison entre stérilisation par rayon g et stérilisation par électrons accélérés (10)

6-2 Comparaison entre la radiostérilisation et autres procédés de stérilisation

Avantages de la radiostérilisation
sur les autres procédés de stérilisation (13)
Inconvenients de la radiosterilisation
sur les autres procédés de stérilisation (10)

 

7 - CONCLUSION

La radiostérilisation est un procédé de stérilisation très fiable et très intéressant à de nombreux titres : il n'utilise pas de gaz toxique ou corrosif, ni de vapeur, ni de chaleur, et il permet de traiter des quantités importantes d'objets à la fois.
Malgré la lourdeur des installations et le courant d'opinion hostile à l'utilisation des rayonnements ionisants, c'est un procédé qui se développe lentement et atteint une part de 35 à 40% du matériel stérilisé au USA et de 10 à 15% en France où il continue sa croissance, principalement sur le marché agro-alimentaire.