Antiseptics and Disinfectants2012

Piyanuch Rojsanga, Ph.D.

Department of Pharmaceutical Chemistry

Faculty of Pharmacy, Mahidol University

Antiseptics and Disinfectants

Anti-infective Agents Antibacterial antibiotics Synthetic antibacterial drug Antiviral agents Antifungal agents Antitubercular agents Antiprotozoal agents Anthelmintics or antihelminticsGermicides

Germicidesสารที่ท าลายหรือยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อจุลชีพที่ใช้เฉพาะที่ แบ่งเป็น

Antiseptics คือ สารที่ท าลายหรือยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อจุลชีพที่ใช้กับเนื้อเยื่อของสิ่งมชีีวิต เช่น ยาล้างแผล น้ ายาบ้วนปาก

Disinfectants คือสารเคมีท่ีใช้เพื่อป้องการแพร่กระจายของเชื้อ โดยออกฤทธิ์ท าลายเชื้อจุลชีพ และใช้กับสิ่งไม่มีชวีิต เช่น เครื่องมือ

แพทย์ พ้ืนห้อง เช่น น้ ายาเช็ดพื้น น้ ายาแช่อุปกรณ์การแพทย์

Ideal antiseptic ออกฤทธิ์ได้รวดเร็วและมีฤทธ์ิอยู่นาน

มีแรงตึงผิว (surface tension) ต่ า ท าให้กระจายตัวได้ดี

ไม่เปน็อันตรายต่อเนื้อเยื่อของร่างกาย และไม่ขัดขวางกลไกใน

การหายของแผล

ถูกดูดซึมเข้ากระแสเลือดได้น้อย ไม่ก่อให้เกิดการแพ้และระคาย

เคืองต่อเนื้อเยื่อตรงบริเวณที่ใช้

สามารถออกฤทธิ์ได้เมื่อถูกกับสารคัดหลั่งต่างๆ เช่น เลือด

หนอง ฯลฯ

Ideal disinfectant ออกฤทธิ์ได้รวดเร็วในการท าลายเชื้อและ spore ของเชื้อก่อ

โรคต่างๆ

สามารถแทรกซึมเข้าไปในสิ่งของท่ีต้องการท าให้ปราศจากเชื้อ

ได้ดี และไม่มีฤทธิ์กัดกร่อน

ฤทธิ์ไม่เสยีไปเมื่อมีสบู่

ละลายน้ าได้ง่ายและมีความคงตัวสูง

ไม่มสีี และกลิ่น

Classification of Antiseptics and Disinfectants

1. Alcohols2. Ethylene Oxide3. Aldehydes4. Phenol and derivatives5. Oxidizing agents

6. Halogen containing compound7. Cation surfactants8. Dye9. Mercury compounds

Bacteria Viruses Other

Gram- Gram- Amebicpositive negative Acid-fast Spores Lipophilic Hydrophilic Fungi Cysts Prions

Alcohols(isopropanol, ethanol)

+++ +++ + - + + N/A N/A -

Aldehydes(glutaraldehyde, formaldehyde)

+++ +++ ++ + + ++ + N/A -

Chlorhexidine gluconate

+++ ++ - - + - N/A N/A -

Sodium hypochlorite Chlorine dioxide

+++ +++ ++ +(pH 7.6) + + (high conc.)

++ + ++ (high conc.)

Hexachlorophene + - - - - - - - -

Povidone-Iodine +++ +++ + +(high cone.)

+ - + + -

Phenols, quaternary ammonium

+++ +++ + - + - NIA NIA -

Strong oxidizing agents, cresoIs

+++ ++/- - - + - - - -

1. Alcohols เป็น Antiseptics และ disinfectant ที่ใช้มากมี 2 ชนิด: ethanol & isopropanol

isopropanol ethanol

Alcoholsท าให้ Protein และ carbohydrate ที่ส าคัญของผนังเซลล์เสียสภาพละลาย capside และ envelop ของ virus ท าลายเชื้อแบคทีเรียทั้งกรัมบวกและกรัมลบ รวมทั้งเชื้อวัณโรค เชื้อรา และไวรัสบางชนิด แต่ไม่มีผลต่อสปอร์

Antibacterial potencies ของ 1 alcohol (ต่อเชื้อ Staphylococcus aureus) เพิ่มขึ้นตามมวลโมเลกุลจนถึง 8-carbon atom ท าให้ Van der Waals force เพิ่มขึ้น การแทรกซึมเข้าสู่เซลล์ของเชื้อเพิ่มขึ้นถ้ามากกว่า 8-carbon atom การละลายน้ าลดลง ประสิทธิภาพในการยับยั้งเชื้อลดลง

SAR

> >

n-propanol ethanol methanol

Branching of alcohol chain ท าให้ potency ลดลงAntibacterial potencies 1alcohol > 2alcohol>

3alcohol เช่น antibacterial potencies

>

n-propanol isopropanol

SAR

ค าถาม คุณคิดว่าระหว่าง ethanol กับ

isopropanol สารใดมีประสิทธิภาพในการยับยั้งเชื้อได้ดีกว่ากันและเพราะเหตุใด

Isopropanol มีมวลโมเลกุลมากกว่า จึงท าให้ระเหยได้ช้ากว่า ethanol จึงมีเวลาในการสัมผัสกับเชื้อได้นานกว่า ประสิทธิภาพในการยับยั้งเชื้อจึงดีกว่า

ที่ความเข้มข้น 40% มีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อเทียบเท่ากับ 60% ethanol

Alcohol, USP 95% by volume of C2H5OH Topical antiseptic, preservative, mild counterirritant Synthesis by the sulfuric acid-catalyzed hydration of ethyleneที่ความเข้มข้น 60-95% มีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อไม่แตกต่างกัน แต่ที่ความเข้มข้นที่นิยมใช้คือ 70% จะออกฤทธิ์ได้เร็วที่สุด (1-2 นาที)

CH3 CH2 OH

CH2 CH2

HO

H H

+O H

H+

CH3 CH2 OH

CH2 CH2 O HH

H

+CH2 CH2

H+

O H

H

+

CH2 CH2

HO

H H

+

CH2 CH2

H+

O H

H

+

CH2 CH2H2SO4

H2OCH3 CH2 OH

slow

fast

fast

Oxonium ion

Dehydrated Ethanol, USP Absolute ethanol: contains not less than

99% w/w of C2H5OHAzeotropic distillation ของ ethanol:

benzene mixture เพื่อก้าจัดน้้าออกใหม้ากที่สุด

Isopropanol, USP มีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อใกล้เคียงกับ ethanol แต่ไม่สามารถน ามาใช้รับประทานได้ (50-95%) สังเคราะห์ได้จาก ปฏิกิริยา hydration ของ propylene โดยใช้sulfuric acidเป็น catalyst Azeotropic isopropyl alcohol คือ 91% v/v ของ isopropanol และน้ า

OH

CH3 CH3

H3CHC

CH2

CH3

OH

H3C

H2O

H2SO4

CH2CH3CH H O H

H

CH3CH CH2

H+

+ O H

H

+

O H

H

++

CH3CH CH2

H

CH3CH CH2

HO

H H+

CH3CH CH3

O

H H+

O H

H

CH3CH CH3

OH

+ O H

H

H+

slow

fast

fast

Oxonium ion

Markovnikov’s rule

ข้อจ ำกัดของแอลกอฮอล์

ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อสัมผัสสารอนิทรีย์ เนื่องจาก แอลกอฮอล์ไปตกตะกอนโปรตนีในเลือดกัดกร่อนท้าลายเลนส์และเครื่องใช้พลาสติกห้ามใช้กับแผลสดหรือแผลติดเชื้อที่เปิด เพราะท้าให้ปวด

แสบปวดร้อน และขัดขวางกลไกในการหายของแผล

2. Ethylene Oxide

Colorless flammable gas เป็นของเหลวที่อุณหภูมิ 12 C Sterilize medical equipment และ pharmaceutical product ที่ไม่ทนความร้อนมีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อทุกชนิดที่อุณหภูมิห้อง Ethylene oxide เมื่อผสมกับอากาศในอัตราส่วน 3 ถึง 80% โดยปริมาตร สามารถเกิดสารที่ระเบิดได้

O

CH2 CH2C2H4O

Carboxide ประกอบไปด้วย 10% ethylene oxide และ 90% carbon dioxide โดยปริมาตร ออกฤทธิ์ยับยั้งเชื้อโดยการท าให้เกิด alkylation ของ functional

groups (OH, NH2, SH) ของ nucleic acids และ proteins ของเชื้อโดยเกิด nucleophilic opening ของ oxide non-selective alkylating agent มีพิษสูงและเป็น สารก่อมะเร็งด้วยเช่นกัน

2. Ethylene Oxide

O

+ C COOH

H

CH2

NH2OHO CH2

HC

NH2

COOHH

O+

-

C COOH

H

CH2

NH2

O

HO

Serine

Alkylated serine

3. AldehydesDisinfectant Formaldehyde และ Glutaraldehyde ท้าลายเชื้อแบคทีเรียทั้งกรัมบวกและกรัมลบ รวมทั้งเชื้อวัณโรค

เชื้อรา ไวรัส และมีผลช้าๆ ต่อสปอร์และเชื้อชนิด acid fast

3. Aldehydes ออกฤทธิ์ยับยั้งเชื้อโดยการท้าให้เกิด Nonspecific alkylation ของ

nucleophilic functional groups (amino, hydroxyl, and sulfhydryl) ของ nucleic acids และ proteins เกิดเป็น carbinol derivatives (H3C-OH)

Formaldehyde Solution, USP

37%W/V of formaldehyde (Formalin) with methanol added to retard polymerization Irritating to mucous membranes, causing hardening of the skin Pure formaldehyde is suspected to be a carcinogen.

C

OH OH

HHC HH

OH2O

Formaldehyde Formalin

C

O

H H

C

O

H OH

O O

O

Formaldehyde Solution, USP (Formalin)

Miscible with water and alcoholReadily undergoes oxidation

and polymerization, leadingto formic acid and

paraformaldehyde, respectively

Formic acid

Paraformaldehyde

Oxidation

Polymerization

Glutaraldehyde Disinfectant Solution, USP

ใช้ในการ sterilization ของ เครื่องมือแพทย์ที่ไม่สามารถ autoclaveได้ ใช้ฆ่าเชื้อทุกชนิดได้ผลดีกว่า แต่ระคายเคืองน้อยกว่าformaldehydeคงตัวในสารละลายด่าง ดังนั้น Active

solution ประกอบไปด้วย 2% glutaraldehydeและ buffer (pH 7.5 - 8.0)

O O

HHO

HHO

Glutaraldehyde Disinfectant Solution, USP

ที่ pHมากกว่า 8.5 glutaraldehyde เกิด polymerization อย่างรวดเร็วNon-buffered solutions ของ glutaraldehyde เป็นกรดเนือ่งจาก acidic

proton ของ cyclic hemiacetal form ซึ่งคงตัว แต่ไม่มี sporicidalactivity

O O

HHO

HHO

Glutaraldehyde HemiacetalGlutaraldehyde

Non-buffer pH<7

Buffered at pH 7-8.5

pH > 8.5 glutaraldehyde

O O

HHO

HHO

Glutaraldehyde Hemiacetal

Active solution

เกิด polymerization

ไม่มี sporicidal activity

4. Phenol and derivativesAntiseptic disinfectant and preservative Phenol coefficient (P.C.) = the ratio of a dilution of

disinfectan to the dilution of phenol that is required to kill a strain of Salmonella typhi under carefully time and temperature conditionDenature bacterial proteins at low concentrations, while

lysis of bacterial cell membranes occurs at higher concentrations.

4. Phenol and derivatives: SAR การแทนที่ด้วย aryl และ halogen ที่ para position ในวง

เบนซิน เพิ่ม lipophilicity ในโมเลกุลของยาท้าให้ antibacterial potency เพิ่มขึ้น

OH

<

OH

Cl

<

Phenol p-Chlorophenol PentachlorophenolP.C. =1 (P.C. ~4)

OH

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

(P.C. ~50)

ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อเพิ่มขึ้นเมื่อน้้าหนกัโมเลกุลของ alkyl substitute เพิ่มขึ้น (carbon 5-6 อะตอมให้ฤทธิ์ดีที่สุด) Straight chain จะให้ potency มากกว่า branched chain การแทนที่ด้วย nitro group

เพิ่ม potencyเล็กน้อยเช่น picric acid มีค่า P.C. = 5.9

SAR cont.

OH OH

CH3

<

HexylresorcinolPhenol

OH

NO2

NO2NO2

picric acid

OH OH

Cl

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Cl

OH

CH3

Cl

CH3

OH

CH3 CH3

OH

O

CH3

CH2

OH

OH

OH

CH3

OHH3C

Cl

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

NO2 NO2

NO2

Phenol p-chlorophenol, PC=4

p-chloro-m-xylenol

Hexachlorophene Cresols

Chlorocresol Thymol

Eugenol

Resorcinol Hexylresorcinol Picric acid

OH

Cl

p-Chlorophenol external antiseptic

PC=4OH

Cl

CH3

CH3

p-Chloro-m-xylenolNonirritating antiseptic with broad-spectrum

antibacterial and antifungal properties

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Cl

Hexachlorophenea phenolic that was once

used as a germicidal additive

to some household products

but was banned due to

suspected harmful effects.

Antiseptics in surgery, but they

have been largely displaced in

this role by less toxic

compounds.

OH OH

Cl

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Cl

OH

CH3

Cl

CH3

OH

CH3 CH3

OH

O

CH3

CH2

OH

OH

OH

CH3

OHH3C

Cl

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

NO2 NO2

NO2

an antiseptic, preservative.

For use as a disinfectant such as a

hand wash, it is commonly dissolved in

alcohol in combination with other

phenols.

OH OH

Cl

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Cl

OH

CH3

Cl

CH3

OH

CH3 CH3

OH

O

CH3

CH2

OH

OH

OH

CH3

OHH3C

Cl

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

NO2 NO2

NO2

Cresols

Chlorocresol

• found in oil of thyme, and

extracted from Thymus

vulgaris (common thyme)

• Mouth wash

Thymol

OH OH

Cl

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Cl

OH

CH3

Cl

CH3

OH

CH3 CH3

OH

O

CH3

CH2

OH

OH

OH

CH3

OHH3C

Cl

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

CH3

OH

NO2 NO2

NO2

Eugenol• a clear to pale

yellow oily liquid

extracted from

certain essential

oils especially from

clove oil.

• a local antiseptic

and anesthetic.

5. Oxidizing agentsประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อของสารในกลุ่มนี้เกดิจากปฏิกิริยา

oxidation ซึ่งท้าให้เกิด oxygen และ oxygen radical ถูกปล่อยออกมาช้าๆ เมื่อสัมผัสกับเนื้อเยื่อ เช่น hydrogen peroxideOxidizing agent อื่นๆ เช่น KMnO4(1:10,000) การเกิดปฏิกิริยา

oxidationโดยตรงกับเชื้อท้าให้โปรตีนเสียสภาพ ประสิทธิภาพที่เฉพาะเจาะจงในการฆ่าเชื้อ anaerobic bacteria น ามาใช้ในการท าความสะอาดแผลที่มีการติดเชื้อ เนื่องจาก

ฟองอากาศที่เกิดขึ้น จะช่วยก าจัดหนองและเนื้อเยื่อที่ตายแล้วได้

Hydrogen peroxide (H2O2) ความเข้มข้น 3% เมื่อสัมผัสกับเอนไซม์

catalase ในเนือ้เยื่อและเลือด จะท้าให้เกิดแตกตัวเป็นน้้า และออกซิเจน ท้าลายแบคทีเรีย เนื่องจาก free radical จะมีผล

ต่อไขมันที่เยื่อหุ้มเซลล์และที่องค์ประกอบอื่นของเซลล์ ไม่คงตัวจะเกิดปฏิกริยา oxidation ท้าให้

ประสิทธิภาพลดลง จึงต้องเก็บในภาชนะปิดสนิท ป้องกันแสง อุณหภูมิ 15-30 C

Carbamide peroxide urea peroxide : stable complexของ urea และ hydrogen peroxide ยาเตรียมท่ีใช้จะอยู่ในรูปสารละลาย 12.6% carbamide peroxideใน

anhydrous glycerinซึ่งเมื่อผสมน้้าจะสลายตัวได้ hydrogen peroxide antiseptic และ disinfectant ใช้ในการรักษา oral ulcerations หรือใน

dental care

Hydrous Benzoyl Peroxide เมื่ออยู่ในรูป pure powder สามารถเกิดการระเบิดได้ จึงต้องเตรียมเป็นสารละลาย 30% ในน้ าที่ความเข้มข้น 5 และ 10% benzoyl peroxideใช้ในการรักษาสิว

O

O

O

O

Hydrous benzoyl peroxide

6. Halogen-containing compounds

มีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อที่ดีมาก Iodine tincture (2% iodine และ sodium iodide

ใน50%alcohol) strong iodine solution (5% iodine และ potassium iodideใน น้้า) และ iodine solution (2 % iodine และ potassium iodideใน น้้า) การเติม iodode salt จะช่วยเพิ่มการละลายของ

iodine และลดการระเหยของ iodine

Iodine

เป็นสารประกอบเชิงซ้อนของไอโอดีนกับ iodine water solubilizing agent เพื่อเพ่ิมการละลาย ลดการระเหยของ iodineและลดการระคายเคือง เช่น povidone-iodine Iodine เกิด iodination กับ aromatic residues เช่น phenylalanyl

และ tyrosyl และ oxidation กับ sulfhydryl groups ของ amino acid (SH S-S disulfide)

Iodophors

phenylalanine tyrosinecysteine

Povidone-Iodine

Charge-transfer complex ของ iodine กับ nonionic surfactant polymer polyvinylpyrrolidone (PVP) เมื่อละลายน้้าจะปล่อยไอโอดีนอิสระออกมาอย่างช้าๆ จึงไม่ระคายเคือง

ผิวหนัง สามารถน้ามาใช้ใน presurgical disinfection รักษาแผลติดเชื้อราและ

bacteria

CH

NO

CH2

+ I2CH

N O

CH2

CH

NO

CH

N O H

+ I3-

Polyvinylpyrrolidone Povidone-Iodine

Chlorine containing compounds คลอรีนเป็นก๊าซ เมื่อละลายน้ าท าให้เกิดกรดไฮโปรคลอรัส

(HOCl) ที่มีฤทธิ์ฆ่าเชื้อ แบคทีเรีย โปรโตซัว และไวรัส inorganic hypochlorite salt เช่น NaOCl, Ca(OCl)2 และ organic

N-chloro compound เมื่อละลายน้ าจะเกิดเป็นกรดไฮโปรคลอรัส ใช้เป็น disinfectant

Cl2 + H2O HOCl + H+Cl-

Ca(OCl)2 + H2O Ca+ + H2O + 2OCl -

organic N-chloro compound

S N

Cl

Cl

OH

O

O

O

Cl

N

NNH2N

N

NH2

Cl

Halazone

S

O

OOH

CH3

Cl

OH

Oxychlorosene Sodium

Chloroazodin

Chlorine containing compoundsสารประกอบ chlorine ออกฤทธิ์ Inactivate proteins โดยเกิด

chlorination ที่ amide nitrogen atoms และ oxidation ที่ sulthydryl groups ของ protein

cysteinephenylalanine

7. Cationic Surfactant

cationic surfactant เป็นสารลดแรงตึงผิวที่ประจุไฟฟ้าบนhydrophilic ให้ประจุบวก ส่วนมากมักจะเป็นพวก quaternary ammonium และ long hydrocarbon tail จัดเป็น broad-spectrum antimicrobial โดยมีผลฆ่าแบคทีเรียทั้ง

แกรมบวกและแกรมลบ fungi และ protozoa แต่ไม่มีฤทธิ์ฆ่าspores ของเชื้อต่างๆ

7. Cationic Surfactant

cationic surfactant จะแทรกซึมและละลายเข้าไปในmicrobial cell membrane ท้าให้ โครงสร้างของ cell membraneเสียสภาพ (destabilization) และเซลล์แตก (cell lysis) ในที่สุด

Methylbenzethonium Chloride

Benzethonium Chloride

CH3

OO

N

CH3

CH3CH3CH3

CH3

CH3

CH3

-Cl

OO

N

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

Cl-

Cetylpyridinium Chloride

Mouth wash and Lozenges

Chlorhexidine

Biguanide

ข้อดีของ cationic surfactants- ละลายน้้าได้ดี ไม่เป็นพิษ มีความคงตัว nonstaining,

noncorrosive และมี keratolytic action จึงท้าให้สารสารมารถแทรกซึมเข้าไปในเซลล์ได้ดี ข้อเสียของ cationic surfactants- ฤทธิ์ของยาลดลงเมื่อใช้รวมกับสบู่ และ anionic detergents และ

เลือด หนอง- มี bactericidal action ที่ช้ากว่า iodine- สารละลายของ cationic surfactants ที่ใช้ในการฆ่าเชื้อเครื่องมือ

แพทย์และถุงมือไม่ควรน้ากลับมาใช้อีกเพราะจะเกิดการปนเปื่อนจาก Pseudomonas และ Enterobacter spp.ได้

8. DyeTriphenylmethane dyes ได้แก่ gentian violet และ basic fuchsin

Hexamethyl-p-rosaniline Leucobase

Gentian violet

Triphenylmethane dyes: Basic Fuchsin

Rosaniline p-rosaniline

mixture of chloride of rosaniline and p-rosaniline

Thiazine dye ได้แก่ methylene blue

8. Dye

Methylene Blue

Cationic dyes ออกฤทธิ์ยับยั้งเชื้อ Gram-positive bacteria และ เชื้อราบางชนิด โดยไม่มีผลต่อ Gram-negative bacteria

9. Mercury compounds (mercurials)สารประกอบเกลืออนนิทรีย์ของปรอทMercuric chloride (HgCI2)Mercurous chloride (calomel, Hg2CI2) Ammoniated mercury [Hg(NH2)CI] ละลายน้ าได้นอ้ยจึงท าให้การออกฤทธิ์ลดลงสารในกลุ่มนี้ยังมีพิษ ท าให้เกิดการระคายเคืองและท าให้เกิดการแพ้ได้ จึงมีการน ามาใช้ลดลงตามล าดับ

มีพิษน้อยกว่า สามารถแบ่งเป็นสองกลุ่มคือ (a) สารที่มีโครงสร้างเป็น carbon-mercury bond ซึ่งจะ

ไม่เกิด ionize ได้ง่าย เช่น phynylmercuric acetate

Phynylmercuric acetate

Organomercurials

(b) สารที่มีโครงสร้างเป็น mercury bonded to heteroatoms (e.g., oxygen, nitrogen, หรือ sulfur) ซึ่งสามารถเกิดionize ได้บางส่วนหรือทั้งหมด

เช่น nitromersol mercurochrome thimerosal

Organomercurials

Thimerosal

Nitromersol

Mercurochrome, Merbromine

ส่วนใหญ่แสดงฤทธิ์เป็น bacteriostatic ท้าให้ protein ในเซลล์ของเชื้อเสียสภาพโดยการเกิดปฏิกิริยากับ sulfhydryl (-SH) groups ของ enzymes และ proteins ต่างๆ เกิดเป็น สารประกอบcovalent (R-S-Hg-R') Serum ท้าให้ antibacterial activity ของ organomercurial

antiseptics ลดลง เนือ่งจาก proteins ใน serum จะ inactivate mercury compounds organomercurial antiseptics ไม่มีประสิทธิภาพในฆา่ spores

Organomercurials