Νανοδόμηση αντιβιοτικών με υπερήχους

Η υποβοηθούμενη με υπερήχους παραγωγή αντιβιοτικών μπορεί να αυξήσει την αποτελεσματικότητά τους, ακόμη και έναντι βακτηρίων ανθεκτικών στα φάρμακα: Ο αυξανόμενος αριθμός βακτηριακών στελεχών με αντοχή στα αντιβιοτικά αποτελεί ένα πρόβλημα που παραμένει άλυτο, καθιστώντας ξανά παγκόσμια απειλή για την υγεία τις βακτηριακές λοιμώξεις, οι οποίες αντιμετωπίζονταν επιτυχώς με αντιβιοτικά τις τελευταίες δεκαετίες. Η νανοδόμηση αντιβιοτικών με υπερήχους είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αντιβιοτικών όπως η τετρακυκλίνη έναντι βακτηρίων ανθεκτικών στα φάρμακα.

Αντιβιοτικά και βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά

Η αντοχή στα αντιβιοτικά εμφανίζεται όταν μικρόβια όπως τα βακτήρια και οι μύκητες αναπτύσσουν την ικανότητα να εξουδετερώνουν τη δράση των φαρμάκων που έχουν σχεδιαστεί για να τα σκοτώνουν. Αυτό σημαίνει ότι τα μικρόβια δεν σκοτώνονται και συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Οι λοιμώξεις που προκαλούνται από μικρόβια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά είναι δύσκολο, και μερικές φορές αδύνατο, να αντιμετωπιστούν.
Η αντοχή των βακτηρίων στα αντιβιοτικά αποδίδεται τόσο στην υπερβολική όσο και στη λανθασμένη χρήση αντιβιοτικών φαρμάκων. Η υπερβολική και η λανθασμένη χρήση αναφέρονται κυρίως στην ακατάλληλη συνταγογράφηση και στην εκτεταμένη γεωργική χρήση
Για συνήθη αντιβιοτικά όπως τα penicilin, τετρακυκλίνη, μεθικιλλίνη, ερυθρομυκίνη, γενταμικίνη, βανκομυκίνη, imipemen, κεφταζιδίμη, λεβοφλοξασίνη, λινεζολίδη, δαπτομυκίνη και ceftraroline, ορισμένα βακτηριακά στελέχη έχουν μεταλλαχθεί και αναπτύξει αντοχή στα αντιβιοτικά.
Η κύρια αιτία της ανάπτυξης βακτηρίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά έγκειται στην υπερβολική και στη λανθασμένη χρήση αντιβιοτικών φαρμάκων. Κάθε φορά που χορηγούνται αντιβιοτικά σε έναν ασθενή, τα ευαίσθητα βακτήρια σκοτώνονται. Ωστόσο, εάν υπάρχουν ανθεκτικά βακτήρια που δεν εξαλείφονται από τη φαρμακευτική αγωγή, αυτά αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται. Έτσι, η επανειλημμένη και ακατάλληλη χρήση αντιβιοτικών προκαλεί αύξηση των βακτηρίων που είναι ανθεκτικά στα φάρμακα.
Τα πολυανθεκτικά βακτήρια (MDR) αποτελούν σοβαρή απειλή για την υγεία, καθώς δεν ανταποκρίνονται στη συνήθη αντιβιοτική θεραπεία, η οποία προορίζεται να σκοτώσει τα μικρόβια.
Μεταξύ των θετικών κατά Gram παθογόνων, μια παγκόσμια πανδημία ανθεκτικών στελεχών S. aureus (π.χ. Staphylococcus aureus ανθεκτικός στη μεθικιλλίνη· MRSA) και ειδών Enterococcus αποτελεί επί του παρόντος τη μεγαλύτερη απειλή. Αρνητικά κατά Gram παθογόνα όπως τα Enterobacteriaceae (π.χ. Klebsiella pneumoniae), το Pseudomonas aeruginosa και το Acinetobacter αναπτύσσουν αντοχή σε όλες σχεδόν τις διαθέσιμες επιλογές αντιβιοτικών φαρμάκων.

Αντιβιοτικά νανομετρικού μεγέθους μέσω υπερήχων

Τα φαρμακευτικά σκευάσματα νανομετρικού μεγέθους είναι γνωστό ότι υπερτερούν των μορίων φαρμάκων μικρομετρικού μεγέθους, συχνά λόγω αυξημένων ρυθμών απορρόφησης, υψηλότερης βιοδιαθεσιμότητας και ανώτερης αποτελεσματικότητας. Τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων. Ωστόσο, η ταχεία ανάπτυξη ολοένα και περισσότερων βακτηριακών στελεχών με αντοχή στα φάρμακα καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών φαρμάκων ή την τροποποίηση των υπαρχόντων. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αντιβιοτικών όπως η τετρακυκλίνη μέσω κατεργασίας με υπερήχους αποτελεί μια εύκολη, γρήγορη και πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των αντιβιοτικών έναντι μη ανθεκτικών και ανθεκτικών βακτηριακών στελεχών.
Διαβάστε περισσότερα για τα νανοεναιωρήματα δραστικών φαρμακευτικών συστατικών (API) που παράγονται με υπερήχους!

Νανοδομημένη τετρακυκλίνη μέσω υπερήχων

Οι Kassirov και συν. (2018) υπέβαλαν τετρακυκλίνη σε κατεργασία με υπερήχους για να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα του φαρμάκου έναντι παθογόνων. Στη μελέτη τους χρησιμοποίησαν Escherichia coli Nova Blue TcR, ένα στέλεχος με αντοχή στα αντιβιοτικά, και E. coli 292–116 (χωρίς αντοχή στα φάρμακα). Η τετρακυκλίνη, ένα σύνηθες αντιβιοτικό ευρέος φάσματος, τροποποιήθηκε με τη χρήση του βιομηχανικού επεξεργαστή υπερήχων UIP1000hdT (Hielscher, Γερμανία· βλ. εικόνα αριστερά). Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η ηχοχημική κατεργασία με το UIP1000hdT αυξάνει την αποτελεσματικότητα των αντιβακτηριακών ιδιοτήτων έως και κατά 25% έναντι του ανθεκτικού στελέχους και έως και κατά 100% έναντι του ευαίσθητου στελέχους. Ακόμη και η μακροχρόνια αποθήκευση της νανοδομημένης τετρακυκλίνης στους +4ºC δεν μειώνει τις αντιμικροβιακές ιδιότητες.
Οι παράμετροι της κατεργασίας με υπερήχους, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η εισαγόμενη ενέργεια και ο χρόνος κατεργασίας με υπερήχους, προσδιορίστηκαν ως κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταβολή των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων έναντι τόσο των ευαίσθητων όσο και των ανθεκτικών κυττάρων.
Η κατεργασία με υπερήχους οδηγεί σε πιο ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους των σωματιδίων του φαρμάκου νανομετρικών διαστάσεων, γεγονός που ενδέχεται να οδηγήσει σε υψηλότερη βιοδιαθεσιμότητα, βιοπροσβασιμότητα και, συνεπώς, αποτελεσματικότητα των μορίων τετρακυκλίνης.
Τα δεδομένα που προέκυψαν δείχνουν ότι η ηχοχημική τροποποίηση των αντιβιοτικών μπορεί να αποτελέσει μια νέα, υποσχόμενη και οικονομική προσέγγιση για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων αποτελεσματικών στην αντιβιοτική θεραπεία έναντι στελεχών ανθεκτικών στα φάρμακα.

Κατεργασία τετρακυκλίνης με υπερήχους με το UIP1000hdT.
A – Φάσματα FTIR της «ελεύθερης» τετρακυκλίνης· B – Φάσματα FTIR της τετρακυκλίνης SN μετά από 5 min κατεργασίας με υπερήχους· C – Ιστόγραμμα κατανομής μεγέθους της «ελεύθερης» τετρακυκλίνης· D – Ιστόγραμμα κατανομής μεγέθους της τετρακυκλίνης SN μετά από 5 min κατεργασίας με υπερήχους.
Μελέτη και σχήμα από τους Kassirov et al. 2018.

Πλεονεκτήματα των φαρμάκων που νανοδομούνται με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει τεράστιες δυνατότητες για τη σύνθεση ενός ευρέος φάσματος νανοδομημένων υλικών και χρησιμοποιείται σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους. Η παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων νανομετρικών διαστάσεων με υπερήχους, όπως αντιβιοτικών, αντιιικών και άλλων φαρμάκων, είναι ιδιαίτερα υποσχόμενη, καθώς αυτά τα φάρμακα νανομετρικών διαστάσεων συχνά παρουσιάζουν σημαντικά υψηλότερο ρυθμό απορρόφησης, βιοδιαθεσιμότητα και αποτελεσματικότητα. Για τον λόγο αυτό, πολλές βελτιωμένες φαρμακευτικές συνθέσεις περιλαμβάνουν κατεργασία με υπερήχους για τη νανοδόμηση των μορίων των φαρμάκων και την ενθυλάκωση φαρμάκων σε νανογαλακτώματα, νανολιποσώματα, νιοσώματα, στερεά λιπιδικά νανοσωματίδια (SLNs), νανοδομημένους λιπιδικούς φορείς (NLCs) και άλλα σύμπλοκα εγκλεισμού νανομετρικών διαστάσεων.

Η κατεργασία νανοϋλικών με αντιβακτηριακές ιδιότητες με υπερήχους χρησιμοποιείται επίσης για τη σύνθεση νανοδομημένων υλικών (π.χ. νανοαργύρου, νανομετρικού ZnO) και την εφαρμογή τους σε κλωστοϋφαντουργικά υλικά, με σκοπό την κατασκευή αντιβακτηριακών ιατρικών κλωστοϋφαντουργικών υλικών και άλλων λειτουργικών υφασμάτων. Για παράδειγμα, μια διεργασία υπερήχων ενός σταδίου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ανθεκτικών επιστρώσεων βαμβακερών υφασμάτων με αντιβακτηριακά νανοσωματίδια ZnO.

Πώς λειτουργεί η σύνθεση νανοδομημένων υλικών με υπερήχους;

Η κατεργασία με υπερήχους και η ηχοχημεία, η οποία είναι η εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος σε χημικά συστήματα, χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή υλικών υψηλής ποιότητας με διαστάσεις νανοκλίμακας (π.χ., νανοσωματίδια, νανογαλακτώματα). Η κατεργασία με υπερήχους και η ηχοχημεία καθιστούν δυνατή ή διευκολύνουν την παραγωγή υλικών υψηλών επιδόσεων με διαστάσεις νανοκλίμακας. Το πλεονέκτημα της σύνθεσης νανοσωματιδίων με υπερήχους είναι η απλότητα και η αποτελεσματικότητα. Ενώ οι εναλλακτικές μέθοδοι παραγωγής νανοδομημένων υλικών απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες στο σύνολο του υλικού, υψηλές πιέσεις και / ή μεγάλους χρόνους αντίδρασης, η σύνθεση με υπερήχους συχνά επιτρέπει την εύκολη, ταχεία και αποδοτική παραγωγή νανοϋλικών. Τόσο τα ηχοχημικά όσο και τα ηχομηχανικά φαινόμενα που δημιουργούνται από υπερήχους υψηλής έντασης ευθύνονται για τη σύνθεση ή τη λειτουργικοποίηση/τροποποίηση σωματιδίων με διαστάσεις νανοκλίμακας. Η σύζευξη υπερηχητικών κυμάτων υψηλής ισχύος με υγρά έχει ως αποτέλεσμα την ακουστική σπηλαίωση: τον σχηματισμό, την ανάπτυξη και τη βίαιη κατάρρευση φυσαλίδων προς το εσωτερικό τους, και μπορεί να ταξινομηθεί ως πρωτογενής ηχοχημεία (χημεία αέριας φάσης που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των φυσαλίδων που καταρρέουν), δευτερογενής ηχοχημεία (χημεία στη φάση του διαλύματος που λαμβάνει χώρα έξω από τις φυσαλίδες) και ηχομηχανικές / φυσικές τροποποιήσεις (που προκαλούνται από πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας, κρουστικά κύματα και/ή συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων σε πολφούς). (βλ. Hinman και Suslick, 2017) Η επίδραση της σπηλαίωσης στα σωματίδια έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους, τη νανοδόμηση (νανοδιασπορά, νανογαλακτωματοποίηση), καθώς και τη λειτουργικοποίηση και την τροποποίηση των σωματιδίων.
Διαβάστε περισσότερα για την άλεση και τη διασπορά σωματιδίων με υπερήχους!

Ηχοτρόδια υπερήχων για τη σύνθεση νανοδομημένων φαρμακευτικών σκευασμάτων

Η Hielscher Ultrasonic διαθέτει πολυετή εμπειρία στον σχεδιασμό, την κατασκευή, τη διανομή και την τεχνική υποστήριξη ομογενοποιητών υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη φαρμακευτική βιομηχανία και τη βιομηχανία τροφίμων.
Η παρασκευή φαρμακευτικών σωματιδίων νανοκλίμακας υψηλής ποιότητας, λιποσωμάτων, στερεών λιπιδικών νανοσωματιδίων, πολυμερικών νανοσωματιδίων, συμπλόκων κυκλοδεξτρίνης και εμβολίων είναι διεργασίες στις οποίες τα συστήματα υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται ευρέως και εκτιμώνται για την υψηλή αξιοπιστία τους και την ανώτερη ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο όλων των παραμέτρων της διεργασίας, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η θερμοκρασία, η πίεση και η ενέργεια της κατεργασίας με υπερήχους. Το έξυπνο λογισμικό καταγράφει αυτόματα όλες τις παραμέτρους της κατεργασίας με υπερήχους (ώρα, ημερομηνία, πλάτος ταλάντωσης, καθαρή ενέργεια, συνολική ενέργεια, θερμοκρασία, πίεση) στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό διευκολύνει σημαντικά τον έλεγχο της διεργασίας και της ποιότητας και συμβάλλει στην τήρηση των Ορθών Πρακτικών Παραγωγής (GMP).

Αναμικτήρες υπερήχων για κάθε παραγωγική δυναμικότητα

Η γκάμα προϊόντων της Hielscher Ultrasonics καλύπτει όλο το φάσμα των επεξεργαστών υπερήχων, από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων, επιτραπέζια συστήματα και συστήματα πιλοτικής κλίμακας έως πλήρως βιομηχανικούς επεξεργαστές υπερήχων με δυνατότητα επεξεργασίας φορτίων ολόκληρων φορτηγών ανά ώρα. Η πλήρης γκάμα προϊόντων μάς επιτρέπει να σας προσφέρουμε τον καταλληλότερο αναμικτήρα διάτμησης με υπερήχους για τη δυναμικότητα και τους στόχους της διεργασίας σας. Αυτό σας επιτρέπει να αναπτύξετε και να δοκιμάσετε την εφαρμογή σας σε μικρή εργαστηριακή κλίμακα και στη συνέχεια να την κλιμακώσετε γραμμικά στην παραγωγική δυναμικότητα. Η μετάβαση από έναν μικρότερο αναμικτήρα υπερήχων σε υψηλότερες δυναμικότητες επεξεργασίας είναι πολύ απλή, καθώς η διεργασία ανάμιξης με υπερήχους μπορεί να κλιμακωθεί απολύτως γραμμικά με βάση τις παραμέτρους διεργασίας που έχετε καθορίσει. Η αύξηση της κλίμακας μπορεί να επιτευχθεί είτε με την εγκατάσταση μιας ισχυρότερης μονάδας αναμικτήρα υπερήχων είτε με την ομαδοποίηση πολλών συσκευών υπερήχων σε παράλληλη λειτουργία.
Οι αναδευτήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται επίσης για την αποστειρωμένη ομογενοποίηση εναιωρημάτων υγρού–υγρού και στερεού–υγρού.

Υψηλά πλάτη ταλάντωσης για τη νανοδόμηση σωματιδίων με υψηλή απόδοση

Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Η συνεχής λειτουργία 24/7 με πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm επιτυγχάνεται εύκολα. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται εξατομικευμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Τα ηχοτρόδια υπερήχων (χοάνες, καθετήρες) και οι αντιδραστήρες μπορούν να αποστειρωθούν σε αυτόκαυστο. Η στιβαρότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

Εύκολες δοκιμές χωρίς κίνδυνο

Οι διεργασίες υπερήχων μπορούν να κλιμακωθούν πλήρως γραμμικά. Αυτό σημαίνει ότι κάθε αποτέλεσμα που έχετε επιτύχει χρησιμοποιώντας μια εργαστηριακή ή επιτραπέζια συσκευή υπερήχων μπορεί να κλιμακωθεί ώστε να αποδώσει ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα, χρησιμοποιώντας ακριβώς τις ίδιες παραμέτρους διεργασίας. Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους ιδανική για την ανάπτυξη προϊόντων και τη μετέπειτα εφαρμογή της στην εμπορική παραγωγή.

Ύψιστη ποιότητα – Σχεδιασμός και κατασκευή στη Γερμανία

Ως οικογενειακή επιχείρηση υπό οικογενειακή διοίκηση, η Hielscher δίνει προτεραιότητα στα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας για τους επεξεργαστές υπερήχων της. Όλες οι συσκευές υπερήχων σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και ελέγχονται διεξοδικά στην έδρα μας στο Teltow, κοντά στο Βερολίνο της Γερμανίας. Η στιβαρότητα και η αξιοπιστία του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher τον καθιστούν ακούραστο εργαλείο στην παραγωγή σας. Η λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα αποτελεί εγγενές χαρακτηριστικό των συσκευών υπερήχων υψηλής απόδοσης της Hielscher.

Μπορείτε να αγοράσετε επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher σε οποιοδήποτε μέγεθος και με διαμόρφωση που ανταποκρίνεται ακριβώς στις απαιτήσεις της διεργασίας σας. Από την κατεργασία ρευστών σε ένα μικρό εργαστηριακό ποτήρι ζέσεως έως τη συνεχή ανάμειξη αιωρημάτων και παστών σε ροή σε βιομηχανικό επίπεδο, η Hielscher Ultrasonics σάς προσφέρει τον κατάλληλο ομογενοποιητή υψηλής απόδοσης! Επικοινωνήστε μαζί μας – θα χαρούμε να σας προτείνουμε την ιδανική διάταξη υπερήχων!

Ο παρακάτω πίνακας σάς δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: