Ultrazvukové nanostrukturování antibiotik

Ultrazvukem asistovaná výroba antibiotik může zvýšit jejich účinnost, a to i proti bakteriím rezistentním vůči lékům: Rostoucí počet kmenů bakterií rezistentních na antibiotika je stále nevyřešeným problémem, který činí z bakteriálních infekcí, které byly v posledních desetiletích úspěšně léčeny antibiotiky, opět celosvětovou zdravotní hrozbu. Ultrazvukové nanostrukturování antibiotik je slibnou technikou pro zvýšení účinnosti antibiotik, jako je tetracyklin, proti bakteriím rezistentním na léky.

Antibiotika a bakterie rezistentní vůči antibiotikům

K rezistenci vůči antibiotikům dochází, když si choroboplodné zárodky, jako jsou bakterie a plísně, vyvinou schopnost porazit léky určené k jejich zabíjení. To znamená, že choroboplodné zárodky nejsou zabity a pokračují v růstu. Infekce způsobené choroboplodnými zárodky rezistentními na antibiotika je obtížné a někdy nemožné léčit.
Rezistence bakterií vůči antibiotikům je připisována nadměrnému i nesprávnému používání antibiotických léků. Nadužívání a nesprávné užívání se týká především nevhodných předpisů a rozsáhlého zemědělského využití
U běžných antibiotik, jako je penicilin, tetracyklin, methicilin, erythromycin, gentamicin, vankomycin, imipemen, ceftazidim, levofloxacin, linezolid, daptomycin a ceftrarolin, některé kmeny bakterií zmutovaly a vyvinuly si rezistenci na antibiotika.
Hlavní příčina vzniku bakterií rezistentních na antibiotika spočívá v nadužívání a zneužívání antibiotických léků. Pokaždé, když jsou pacientovi podána antibiotika, citlivé bakterie jsou usmrceny. Pokud však existují rezistentní bakterie, které nejsou medikamentózní léčbou vykořeněny, rostou a množí se. Opakované a nevhodné používání antibiotik tak způsobuje nárůst bakterií rezistentních vůči lékům.
Multirezistentní bakterie (MDR) jsou vážnou zdravotní hrozbou, protože nereagují na běžnou antibiotickou léčbu, která má bakterie zabíjet.
Mezi grampozitivními patogeny vypukla celosvětová pandemie rezistentního S. aureus (např. methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus; MRSA) a druhy rodu Enterococcus v současné době představují největší hrozbu. Gramnegativní patogeny, jako jsou Enterobacteriaceae (např. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa a Acinetobacter, se stávají rezistentními vůči téměř všem dostupným antibiotickým lékům.

Ultrazvukem nano antibiotika

Je známo, že nanoléčiva předčí molekuly léčiv o velikosti mikronů, často díky zvýšené míře absorpce, vyšší biologické dostupnosti a vynikající účinnosti. Antibiotika jsou široce používána k léčbě bakteriálních infekcí. Rychlý vývoj stále více kmenů bakterií rezistentních vůči lékům však vyžaduje vývoj nových nebo modifikaci stávajících antibiotik. Snížení velikosti částic antibiotik, jako je tetracyklin, pomocí sonikace je jednou z jednoduchých, rychlých a slibných strategií ke zlepšení účinnosti antibiotik proti nerezistantním a rezistentním kmenům bakterií.
Přečtěte si více o ultrazvukových nanosuspenzích farmaceutických API!

Ultrazvukově nanostrukturovaný tetracyklin

Kassirov et al. (2018) léčili tetracyklin ultrazvukem, aby zlepšili účinnost léku proti patogenům. Ve své studii použili Escherichia coli Nova Blue TcR, kmen s rezistencí vůči antibiotikům, a E. coli 292–116 (bez rezistence na léky). Tetracyklin, běžné širokospektrální antibiotikum, byl modifikován pomocí průmyslového ultrazvuku UIP1000hdT (Hielscher, Německo; viz obrázek vlevo). Výzkumný tým zjistil, že sonochemická léčba pomocí UIP1000hdT zvyšuje účinnost antibakteriálních vlastností až o 25% proti rezistentnímu kmeni a až o 100% proti citlivému kmeni. Ani dlouhodobé skladování nanostrukturovaného tetracyklinu při teplotě +4 °C nesnižuje antimikrobiální vlastnosti.
Parametry ultrazvukového zpracování, jako je amplituda, příkon energie a doba sonikace, byly stanoveny jako kritické faktory, které ovlivňují změnu antimikrobiálních vlastností proti citlivým i rezistentním buňkám.
Ultrazvuková léčba vede k rovnoměrnější distribuci velikosti nanočástic léčiva, což může vést k vyšší biologické dostupnosti, biologické dostupnosti a tím i účinnosti molekul tetracyklinu.
Získaná data ukazují, že sonochemická modifikace antibiotik může být novým slibným a levným přístupem k vývoji nových léčiv účinných pro antibiotickou terapii proti kmenům rezistence na léky.

Sonikace tetracyklinu s UIP1000hdT.
A – FTIR spektra "volného" tetracyklinu; B - FTIR spektra SN tetracyklinu po 5 min sonikace; C – histogram distribuce velikosti "volného" tetracyklinu; D – Histogram distribuce velikosti SN tetracyklinu po 5 min sonikace.
Studie a obrázek Kassirov et al. 2018.

Výhody ultrazvukových nanostrukturovaných léků

Ultrazvuku nabízí obrovské možnosti pro syntézu širokého spektra nanostrukturovaných materiálů a používá se v mnoha průmyslových odvětvích. Ultrazvuková výroba nano léčiv, jako jsou antibiotika, antivirotika a další léky, je velmi slibná, protože tyto nano-velké léky často vykazují výrazně vyšší míru absorpce, biologickou dostupnost a účinnost. Proto mnoho vylepšených lékových formulací zahrnuje ultrazvuku za účelem nanostruktury molekul léčiva, zapouzdření léčiv do nanoemulzí, nano-liposomů, niozomů, nano-lipidových nanočástic (SLN), nano-strukturovaných lipidových nosičů (NLC) a dalších nano-velkých inkluzních komplexů.

Ultrazvuková úprava nanomateriálů s antibakteriálními vlastnostmi se také používá k syntéze nanostrukturovaných materiálů (např. nanostříbro, nano ZnO) a k jejich aplikaci na textilie za účelem výroby antibakteriálních zdravotnických textilií a dalších funkčních tkanin. Například jednostupňový ultrazvukový proces se používá k výrobě odolných povlaků bavlněných tkanin s antibakteriálními nanočásticemi ZnO.

Jak funguje ultrazvuková syntéza nanostrukturovaných materiálů?

Ultrazvuku a sonochemie, což je aplikace vysoce výkonného ultrazvuku na chemické systémy, se široce používají k výrobě vysoce kvalitních nanomateriálů (např. nanočástice, nanoemulze). Sonikace a sonochemie umožňují nebo usnadňují výrobu vysoce výkonných nano-velkých materiálů. Výhodou ultrazvukové syntézy nanočástic je jednoduchost a efektivita. Zatímco alternativní metody výroby nanostrukturovaných materiálů vyžadují vysoké objemové teploty, tlaky a / nebo dlouhé reakční doby, ultrazvuková syntéza často umožňuje snadnou, rychlou a efektivní výrobu nanomateriálů. Jak sonochemické, tak sonomechanické efekty generované ultrazvukem s vysokou intenzitou jsou zodpovědné za syntézu nebo funkcionalizaci/modifikaci nanočástic. Spojení vysoce výkonných ultrazvukových vln do kapalin má za následek akustickou kavitaci: tvorbu, růst a implozivní kolaps bublin a lze je kategorizovat jako primární sonochemii (chemie plynné fáze probíhající uvnitř hroutících se bublin), sekundární sonochemii (chemie fáze roztoku probíhající mimo bubliny) a sonomechanické / fyzikální modifikace (způsobené vysokorychlostními proudy kapaliny, rázovými vlnami a/nebo srážkami mezi částicemi v kalech). (srov. Hinman a Suslick, 2017) Kavitační dopad na částice má za následek zmenšení velikosti, nanostrukturování (nanodisperze, nanoemulgace) a také funkcionalizaci a modifikaci částic.
Přečtěte si více o ultrazvukovém frézování a dispergaci částic!

Ultrazvukové sondy pro syntézu nanostrukturovaných léčiv

Hielscher Ultrasonic má dlouholeté zkušenosti s návrhem, výrobou, distribucí a servisem vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorů pro farmaceutický a potravinářský průmysl.
Příprava vysoce kvalitních nanočástic léčiva, liposomů, pevných lipidových nanočástic, polymerních nanočástic, cyklodextrinových komplexů a vakcín jsou procesy, ve kterých jsou ultrazvukové systémy Hielscher široce používány a jsou ceněny pro svou vysokou spolehlivost a vynikající kvalitu výstupu. Hielscher ultrasonicators umožňují přesnou kontrolu nad všemi parametry procesu, jako je amplituda, teplota, tlak a sonikační energie. Inteligentní software automaticky protokoluje všechny parametry sonikace (čas, datum, amplituda, čistá energie, celková energie, teplota, tlak) na vestavěné SD kartě. To významně usnadňuje kontrolu procesů a kvality a pomáhá plnit správnou výrobní praxi (GMP).

Ultrazvukové míchačky pro každou kapacitu produktu

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních ultrasonicators přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou pro zpracování nákladních automobilů za hodinu. Kompletní sortiment produktů nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukové smykové míchadlo pro vaši procesní kapacitu a cíle. To vám umožní vyvíjet a testovat aplikaci v malé testovací laboratoři a pak ji lineárně škálovat na produkční kapacitu. Přechod z menšího ultrazvukového mixéru na vyšší zpracovatelské kapacity je velmi jednoduchý, protože proces ultrazvukového míchání lze zcela lineárně škálovat od vašich zavedených procesních parametrů. Up-scaling lze provést buď instalací výkonnější ultrazvukové směšovací jednotky, nebo shlukováním několika ultrasonicators paralelně.
Ultrazvuková míchadla se také používají pro sterilní homogenizaci suspenzí kapalina-kapalina a pevná látka-kapalina.

Vysoké amplitudy pro nanostrukturní částice s vysokou účinností

Hielscher Ultrasonics’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Ultrazvukové sonotrody (rohy, sondy) a reaktory jsou autoklávovatelné. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.

Snadné testování bez rizika

Ultrazvukové procesy lze škálovat zcela lineárně. To znamená, že každý výsledek, kterého jste dosáhli pomocí laboratorního nebo stolního ultrazvuku, lze škálovat na přesně stejný výstup pomocí přesně stejných parametrů procesu. Díky tomu je ultrazvuku ideální pro vývoj produktů a následnou implementaci do komerční výroby.

Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrasonicators jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow poblíž Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení Hielscher z něj činí pracovního koně ve vaší výrobě. Provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou charakteristikou vysoce výkonných ultrasonicators Hielscher.

Můžete si koupit ultrazvukové procesory Hielscher v jakékoli jiné velikosti a přesně nakonfigurované podle vašich procesních požadavků. Od úpravy kapalin v malé laboratorní kádince až po kontinuální průtokové míchání suspenzí a past na průmyslové úrovni, Hielscher Ultrasonics nabízí vhodný vysoce výkonný homogenizátor pro vás! Kontaktujte nás – Jsme rádi, že vám můžeme doporučit ideální ultrazvukové nastavení!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: