Nanoestructuración ultrasónica de antibióticos

La producción de antibióticos asistida por ultrasonidos puede aumentar su eficacia, incluso frente a bacterias resistentes a los fármacos: el número creciente de cepas bacterianas resistentes a los antibióticos sigue siendo un problema sin resolver que vuelve a convertir las infecciones bacterianas, tratadas con éxito con antibióticos durante las últimas décadas, en una amenaza para la salud mundial. La nanoestructuración ultrasónica de antibióticos es una técnica prometedora para aumentar la eficacia de antibióticos como la tetraciclina frente a bacterias resistentes a los fármacos.

Antibióticos y bacterias resistentes a los antibióticos

La resistencia a los antibióticos se produce cuando microorganismos como las bacterias y los hongos desarrollan la capacidad de resistir a los fármacos diseñados para eliminarlos. Esto significa que los microorganismos no mueren y siguen creciendo. Las infecciones causadas por microorganismos resistentes a los antibióticos son difíciles y, en ocasiones, imposibles de tratar.
La resistencia bacteriana a los antibióticos se atribuye tanto al uso excesivo como al uso inadecuado de estos fármacos. El uso excesivo y el uso inadecuado se refieren principalmente a las prescripciones inapropiadas y al uso extensivo en la agricultura.
Ciertas cepas bacterianas han mutado y desarrollado resistencia a antibióticos comunes como penicilin, tetraciclina, meticilina, eritromicina, gentamicina, vancomicina, imipemen, ceftazidima, levofloxacina, linezolid, daptomicina y ceftraroline.
La principal causa del desarrollo de bacterias resistentes a los antibióticos radica en el uso excesivo e inadecuado de estos fármacos. Cada vez que se administran antibióticos a un paciente, las bacterias sensibles mueren. Sin embargo, si existen bacterias resistentes que el tratamiento farmacológico no erradica, estas crecen y se multiplican. Por tanto, el uso repetido e inapropiado de antibióticos provoca un aumento de las bacterias resistentes a los fármacos.
Las bacterias multirresistentes (MDR) constituyen una grave amenaza para la salud, ya que no responden al tratamiento antibiótico habitual destinado a eliminar los microorganismos.
Entre los patógenos grampositivos, una pandemia mundial de S. aureus resistente (p. ej., Staphylococcus aureus resistente a la meticilina; MRSA) y de especies de Enterococcus representa actualmente la mayor amenaza. Los patógenos gramnegativos como Enterobacteriaceae (p. ej., Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa y Acinetobacter están desarrollando resistencia a casi todas las opciones de tratamiento antibiótico disponibles.

Antibióticos de tamaño nanométrico obtenidos mediante ultrasonidos

Se sabe que los fármacos de tamaño nanométrico suelen superar en prestaciones a las moléculas de fármacos de tamaño micrométrico debido a una mayor tasa de absorción, una mayor biodisponibilidad y una eficacia superior. Los antibióticos se utilizan ampliamente para tratar las infecciones bacterianas. Sin embargo, el rápido desarrollo de un número cada vez mayor de cepas bacterianas resistentes a los fármacos hace necesario desarrollar nuevos antibióticos o modificar los existentes. Reducir mediante sonicación el tamaño de las partículas de antibióticos como la tetraciclina es una estrategia sencilla, rápida y prometedora para mejorar su eficacia frente a cepas bacterianas tanto no resistentes como resistentes.
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Tetraciclina nanoestructurada mediante ultrasonidos

Kassirov et al. (2018) trataron la tetraciclina con ultrasonidos para mejorar la eficacia del fármaco frente a los patógenos. En su estudio utilizaron Escherichia coli Nova Blue TcR, una cepa resistente a los antibióticos, y E. coli 292–116 (sin resistencia a los fármacos). La tetraciclina, un antibiótico común de amplio espectro, se modificó mediante el sonicador industrial UIP1000hdT (Hielscher, Alemania; véase la imagen de la izquierda). El equipo de investigación descubrió que el tratamiento sonoquímico con el UIP1000hdT aumenta la eficacia de las propiedades antibacterianas hasta un 25% frente a la cepa resistente y hasta un 100% frente a la cepa sensible. Incluso el almacenamiento prolongado de la tetraciclina nanoestructurada a +4ºC no reduce sus propiedades antimicrobianas.
Se determinó que los parámetros de procesamiento ultrasónico, como la amplitud, el aporte de energía y el tiempo de sonicación, son factores críticos que influyen en el cambio de las propiedades antimicrobianas frente a las células tanto sensibles como resistentes.
El tratamiento ultrasónico produce una distribución más uniforme del tamaño de las partículas nanométricas del fármaco, lo que podría aumentar la biodisponibilidad, la bioaccesibilidad y, por tanto, la eficacia de las moléculas de tetraciclina.
Los datos obtenidos muestran que la modificación sonoquímica de antibióticos puede ser un nuevo enfoque prometedor y económico para desarrollar nuevos fármacos eficaces en la terapia antibiótica frente a cepas resistentes a los fármacos.

Sonicación de tetraciclina con el UIP1000hdT.
A – Espectros FTIR de tetraciclina «libre»; B – Espectros FTIR de tetraciclina SN tras 5 min de sonicación; C – Histograma de distribución de tamaños de tetraciclina «libre»; D – Histograma de distribución de tamaños de tetraciclina SN tras 5 min de sonicación.
Estudio y figura de Kassirov et al. 2018.

Ventajas de los fármacos nanoestructurados mediante ultrasonidos

La sonicación ofrece enormes posibilidades para la síntesis de una amplia gama de materiales nanoestructurados y se utiliza en numerosos sectores industriales. La producción ultrasónica de fármacos de tamaño nanométrico, como antibióticos, antivirales y otros medicamentos, es muy prometedora, ya que estos fármacos suelen presentar una tasa de absorción, una biodisponibilidad y una eficacia significativamente superiores. Por ello, muchas formulaciones farmacéuticas mejoradas incorporan la sonicación para nanoestructurar las moléculas de los fármacos y encapsularlos en nanoemulsiones, nanoliposomas, niosomas, nanopartículas lipídicas sólidas (SLNs), carries lipídicos nanoestructurados (NLCs) y otros complejos de inclusión de tamaño nanométrico.

El tratamiento ultrasónico de nanomateriales con propiedades antibacterianas también se utiliza para sintetizar materiales nanoestructurados (p. ej., nanoplata, nano ZnO) y aplicarlos a textiles con el fin de fabricar textiles médicos antibacterianos y otros tejidos funcionales. Por ejemplo, se utiliza un proceso ultrasónico de una sola etapa para fabricar recubrimientos duraderos de tejidos de algodón con nanopartículas antibacterianas de ZnO.

¿Cómo funciona la síntesis ultrasónica de materiales nanoestructurados?

La sonicación y la sonoquímica, que consiste en la aplicación de ultrasonidos de alta potencia a sistemas químicos, se utilizan ampliamente para producir materiales de tamaño nanométrico de alta calidad (p. ej., nanopartículas y nanoemulsiones). La sonicación y la sonoquímica permiten o facilitan la producción de materiales de tamaño nanométrico de alto rendimiento. La ventaja de la síntesis ultrasónica de nanopartículas es su sencillez y eficacia. Mientras que los métodos alternativos de producción de materiales nanoestructurados requieren temperaturas elevadas en el conjunto del medio, presiones altas y / o tiempos de reacción prolongados, la síntesis ultrasónica suele permitir una producción sencilla, rápida y eficiente de nanomateriales. Tanto los efectos sonoquímicos como los sonomecánicos generados por los ultrasonidos de alta intensidad son responsables de la síntesis o de la funcionalización/modificación de partículas de tamaño nanométrico. El acoplamiento de ondas ultrasónicas de alta potencia a los líquidos produce cavitación acústica: la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de burbujas, y puede clasificarse en sonoquímica primaria (química en fase gaseosa que tiene lugar dentro de las burbujas durante su colapso), sonoquímica secundaria (química en fase de solución que tiene lugar fuera de las burbujas) y modificaciones sonomecánicas / físicas (causadas por chorros de líquido a alta velocidad, ondas de choque y/o colisiones entre partículas en suspensiones). (cf. Hinman and Suslick, 2017) El impacto de la cavitación sobre las partículas provoca una reducción de tamaño, nanoestructuración (nanodispersión, nanoemulsificación), así como la funcionalización y modificación de las partículas.
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Sondas ultrasónicas para la síntesis de fármacos nanoestructurados

Hielscher Ultrasonic cuenta con una amplia experiencia en el diseño, la fabricación, la distribución y el servicio técnico de homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para las industrias farmacéutica y alimentaria.
La preparación de partículas nanométricas de fármacos de alta calidad, liposomas, nanopartículas lipídicas sólidas, nanopartículas poliméricas, complejos de ciclodextrina y vacunas son procesos en los que los sistemas ultrasónicos de Hielscher se utilizan ampliamente y se valoran por su elevada fiabilidad y la calidad superior de los resultados. Los sonicadores Hielscher permiten controlar con precisión todos los parámetros del proceso, como la amplitud, la temperatura, la presión y la energía de sonicación. El software inteligente registra automáticamente todos los parámetros de sonicación (hora, fecha, amplitud, energía neta, energía total, temperatura y presión) en la tarjeta SD integrada. Esto facilita considerablemente el control del proceso y de la calidad, y ayuda a cumplir las buenas prácticas de fabricación (GMP).

Mezcladores ultrasónicos para cualquier capacidad de producción

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde sonicadores compactos de laboratorio y sistemas de sobremesa y de escala piloto hasta procesadores ultrasónicos totalmente industriales con capacidad para procesar cargas de camión por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el mezclador ultrasónico de cizallamiento más adecuado para su capacidad de procesamiento y sus objetivos. Esto le permite desarrollar y probar su aplicación a pequeña escala en el laboratorio y, después, escalarla linealmente hasta la capacidad de producción. El escalado de un mezclador ultrasónico pequeño a capacidades de procesamiento superiores es muy sencillo, ya que el proceso de mezcla ultrasónica puede escalarse de forma completamente lineal a partir de los parámetros de proceso establecidos. El aumento de escala puede realizarse instalando una unidad de mezcla ultrasónica más potente o agrupando varios sonicadores en paralelo.
Los agitadores ultrasónicos también se utilizan para la homogeneización estéril de suspensiones líquido-líquido y sólido-líquido.

Amplitudes elevadas para nanoestructurar partículas con gran eficiencia

Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Es posible mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Los sonotrodos ultrasónicos (bocinas, sondas) y los reactores son esterilizables en autoclave. La robustez de los equipos ultrasónicos Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.

Pruebas sencillas y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que cualquier resultado obtenido con un sonicador de laboratorio o de sobremesa puede escalarse para obtener exactamente el mismo resultado utilizando exactamente los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la sonicación sea ideal para el desarrollo de productos y su posterior implementación en la fabricación comercial.

Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los sonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos Hielscher los convierten en una herramienta de trabajo incansable para su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica inherente a los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher.

Puede adquirir procesadores ultrasónicos Hielscher de distintos tamaños y configurados exactamente según los requisitos de su proceso. Desde el tratamiento de fluidos en un pequeño vaso de precipitados de laboratorio hasta la mezcla de suspensiones y pastas en flujo continuo a escala industrial, ¡Hielscher Ultrasonics le ofrece un homogeneizador de alto rendimiento adecuado para usted! Póngase en contacto con nosotros – ¡estaremos encantados de recomendarle la configuración ultrasónica ideal!

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: