Nanostructuration des antibiotiques par ultrasons

La production d’antibiotiques assistée par ultrasons peut accroître leur efficacité, même contre les bactéries résistantes aux médicaments : le nombre croissant de souches bactériennes résistantes aux antibiotiques est un problème toujours non résolu qui fait des infections bactériennes, traitées avec succès par antibiotiques au cours des dernières décennies, de nouveau une menace sanitaire mondiale. La nanostructuration des antibiotiques par ultrasons est une technique prometteuse pour accroître l’efficacité d’antibiotiques tels que la tétracycline contre les bactéries résistantes aux médicaments.

Antibiotiques et bactéries résistantes aux antibiotiques

La résistance aux antibiotiques apparaît lorsque des germes tels que les bactéries et les champignons développent la capacité de vaincre les médicaments conçus pour les tuer. Cela signifie que les germes ne sont pas tués et continuent de se développer. Les infections causées par des germes résistants aux antibiotiques sont difficiles, et parfois impossibles, à traiter.
La résistance des bactéries aux antibiotiques est attribuée à la surconsommation ainsi qu’au mésusage des médicaments antibiotiques. La surconsommation et le mésusage désignent principalement les prescriptions inappropriées et l’usage intensif en agriculture
Pour des antibiotiques courants tels que penicilin, la tétracycline, la méthicilline, l’érythromycine, la gentamicine, la vancomycine, imipemen, la ceftazidime, la lévofloxacine, le linézolide, la daptomycine et ceftraroline, certaines souches bactériennes ont muté et développé une résistance aux antibiotiques.
La principale cause du développement de bactéries résistantes aux antibiotiques réside dans la surconsommation et le mésusage des médicaments antibiotiques. Chaque fois qu’un patient reçoit des antibiotiques, les bactéries sensibles sont tuées. Cependant, s’il existe des bactéries résistantes, qui ne sont pas éradiquées par le traitement médicamenteux, celles-ci se développent et se multiplient. Ainsi, l’usage répété et inapproprié des antibiotiques entraîne l’augmentation des bactéries résistantes aux médicaments.
Les bactéries multirésistantes (MDR) constituent une grave menace sanitaire, car elles ne répondent pas au traitement antibiotique courant, censé tuer les germes.
Parmi les pathogènes à Gram positif, une pandémie mondiale de S. aureus résistant (par ex. Staphylococcus aureus résistant à la méticilline ; MRSA) et d’espèces d’Enterococcus représente actuellement la plus grande menace. Des pathogènes à Gram négatif tels que les Enterobacteriaceae (par ex. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa et Acinetobacter deviennent résistants à presque toutes les options de médicaments antibiotiques disponibles.

Antibiotiques de taille nanométrique obtenus par ultrasons

Les produits pharmaceutiques de taille nanométrique sont connus pour surpasser les molécules médicamenteuses de taille micronique, souvent en raison de taux d’absorption accrus, d’une biodisponibilité plus élevée et d’une efficacité supérieure. Les antibiotiques sont largement utilisés pour traiter les infections bactériennes. Cependant, l’apparition rapide de souches bactériennes de plus en plus résistantes aux médicaments rend nécessaire le développement de nouveaux médicaments antibiotiques ou la modification de ceux existants. La réduction de la taille des particules d’antibiotiques tels que la tétracycline par sonication est une stratégie simple, rapide et prometteuse pour améliorer l’efficacité des antibiotiques contre les souches bactériennes non résistantes et résistantes.
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Tétracycline nanostructurée par ultrasons

Kassirov et al. (2018) ont traité la tétracycline par ultrasons afin d’améliorer l’efficacité du médicament contre les pathogènes. Dans leur étude, ils ont utilisé Escherichia coli Nova Blue TcR, une souche présentant une résistance aux antibiotiques, et E. coli 292–116 (sans résistance aux médicaments). La tétracycline, un antibiotique courant à large spectre, a été modifiée à l’aide de l’ultrasonicateur industriel UIP1000hdT (Hielscher, Allemagne ; voir photo à gauche). L’équipe de recherche a constaté que le traitement sonochimique avec le UIP1000hdT augmente l’efficacité des propriétés antibactériennes jusqu’à 25% contre la souche résistante et jusqu’à 100% contre la souche sensible. Même un stockage de longue durée de la tétracycline nanostructurée à +4ºC ne réduit pas les propriétés antimicrobiennes.
Les paramètres de traitement par ultrasons tels que l’amplitude, l’apport d’énergie et la durée de sonication ont été identifiés comme des facteurs critiques qui influencent l’évolution des propriétés antimicrobiennes contre les cellules sensibles comme résistantes.
Le traitement par ultrasons aboutit à une distribution granulométrique plus uniforme des particules médicamenteuses de taille nanométrique, ce qui pourrait conduire à une biodisponibilité, une bioaccessibilité et donc une efficacité plus élevées des molécules de tétracycline.
Les données obtenues montrent que la modification sonochimique des antibiotiques peut constituer une approche nouvelle, prometteuse et peu coûteuse pour le développement de nouveaux médicaments efficaces en antibiothérapie contre les souches résistantes aux médicaments.

Sonication de la tétracycline avec le UIP1000hdT.
A – spectres FTIR de la tétracycline « libre » ; B – spectres FTIR de la tétracycline SN après 5 min de sonication ; C – histogramme de distribution granulométrique de la tétracycline « libre » ; D – histogramme de distribution granulométrique de la tétracycline SN après 5 min de sonication.
Étude et figure de Kassirov et al. 2018.

Avantages des médicaments nanostructurés par ultrasons

L’ultrasonication offre d’énormes possibilités pour la synthèse d’un large éventail de matériaux nanostructurés et est utilisée dans de nombreuses industries. La production par ultrasons de produits pharmaceutiques de taille nanométrique tels que les antibiotiques, les antiviraux et d’autres médicaments est très prometteuse, car ces médicaments de taille nanométrique présentent souvent un taux d’absorption, une biodisponibilité et une efficacité nettement plus élevés. C’est pourquoi de nombreuses formulations médicamenteuses améliorées font appel à l’ultrasonication afin de nanostructurer des molécules médicamenteuses, d’encapsuler des médicaments dans des nanoémulsions, des nanoliposomes, des niosomes, des nanoparticules lipidiques solides (SLNs), des transporteurs lipidiques nanostructurés (NLCs) et d’autres complexes d’inclusion de taille nanométrique.

Le traitement par ultrasons de nanomatériaux aux propriétés antibactériennes est également utilisé pour synthétiser des matériaux nanostructurés (par ex. nano-argent, nano ZnO) et les appliquer sur des textiles afin de fabriquer des textiles médicaux antibactériens et d’autres tissus fonctionnels. Par exemple, un procédé ultrasonore en une seule étape est utilisé pour réaliser des revêtements durables de tissus de coton avec des nanoparticules de ZnO antibactériennes.

Comment fonctionne la synthèse de matériaux nanostructurés par ultrasons ?

L’ultrasonication et la sonochimie, qui est l’application d’ultrasons de haute puissance à des systèmes chimiques, sont largement utilisées pour produire des matériaux de taille nanométrique de haute qualité (par ex. nanoparticules, nanoémulsions). La sonication et la sonochimie permettent ou facilitent la production de matériaux de taille nanométrique haute performance. L’avantage de la synthèse de nanoparticules par ultrasons réside dans sa simplicité et son efficacité. Alors que les méthodes alternatives de production de matériaux nanostructurés exigent des températures globales élevées, des pressions élevées et / ou de longs temps de réaction, la synthèse par ultrasons permet souvent une production aisée, rapide et efficace de nanomatériaux. Les effets sonochimiques comme sonomécaniques générés par les ultrasons de haute intensité sont responsables de la synthèse ou de la fonctionnalisation/modification des particules de taille nanométrique. Le couplage d’ondes ultrasonores de haute puissance dans des liquides entraîne une cavitation acoustique : la formation, la croissance et l’effondrement implosif de bulles, et peut être classé en sonochimie primaire (chimie en phase gazeuse se produisant à l’intérieur des bulles en effondrement), sonochimie secondaire (chimie en phase liquide se produisant à l’extérieur des bulles) et modifications sonomécaniques / physiques (causées par des jets de liquide à grande vitesse, des ondes de choc et/ou des collisions entre particules dans les suspensions épaisses). (cf. Hinman et Suslick, 2017) L’impact de la cavitation sur les particules entraîne une réduction de taille, une nanostructuration (nanodispersion, nano-émulsification), ainsi qu’une fonctionnalisation et une modification des particules.
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Sondes à ultrasons pour la synthèse de produits pharmaceutiques nanostructurés

Hielscher Ultrasonic possède une longue expérience dans la conception, la fabrication, la distribution et le service d’homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour l’industrie pharmaceutique et agroalimentaire.
La préparation de particules médicamenteuses de taille nanométrique de haute qualité, de liposomes, de nanoparticules lipidiques solides, de nanoparticules polymères, de complexes de cyclodextrine et de vaccins sont des procédés dans lesquels les systèmes à ultrasons Hielscher sont largement utilisés et appréciés pour leur grande fiabilité et la qualité supérieure de leurs résultats. Les ultrasonicateurs Hielscher permettent un contrôle précis de tous les paramètres de procédé, tels que l’amplitude, la température, la pression et l’énergie de sonication. Le logiciel intelligent enregistre automatiquement tous les paramètres de sonication (heure, date, amplitude, énergie nette, énergie totale, température, pression) sur la carte SD intégrée. Cela facilite considérablement le contrôle des procédés et de la qualité et aide à respecter les Bonnes Pratiques de Fabrication (GMP).

Mélangeurs à ultrasons pour toutes les capacités de production

La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des camions entiers par heure, en passant par les systèmes de paillasse et pilotes. Cette gamme complète nous permet de vous proposer le mélangeur à cisaillement par ultrasons le plus adapté à votre capacité de traitement et à vos objectifs. Vous pouvez ainsi développer et tester votre application à petite échelle en laboratoire, puis l’extrapoler linéairement à la capacité de production. Le passage d’un petit mélangeur à ultrasons à des capacités de traitement plus élevées est très simple, car le procédé de mélange par ultrasons peut être extrapolé de manière entièrement linéaire à partir de vos paramètres de procédé établis. L’extrapolation peut se faire soit en installant une unité de mélange à ultrasons plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonicateurs en parallèle.
Les agitateurs à ultrasons sont également utilisés pour l’homogénéisation stérile de suspensions liquide-liquide et solide-liquide.

Des amplitudes élevées pour nanostructurer les particules avec une grande efficacité

Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. Les sonotrodes à ultrasons (cornes, sondes) et les réacteurs sont autoclavables. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.

Essais simples et sans risque

Les procédés ultrasonores peuvent être extrapolés de manière entièrement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonicateur de laboratoire ou de paillasse peut être reproduit à plus grande échelle avec exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de procédé. L’ultrasonication est donc idéale pour le développement de produits et leur mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale.

Qualité supérieure – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale détenue et dirigée par une famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et rigoureusement testés dans notre siège à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font un véritable cheval de bataille dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des ultrasonicateurs haute performance de Hielscher.

Vous pouvez acheter des processeurs à ultrasons Hielscher dans toutes les tailles et configurés exactement selon les exigences de votre procédé. Du traitement de fluides dans un petit bécher de laboratoire au mélange en flux continu de suspensions épaisses et de pâtes à l’échelle industrielle, Hielscher Ultrasonics vous propose un homogénéisateur haute performance adapté ! Contactez-nous – nous serons heureux de vous recommander la configuration ultrasonore idéale !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :