Ultrazvučno nanostrukturiranje antibiotika

Proizvodnja antibiotika potpomognuta ultrazvukom može povećati njihovu učinkovitost, čak i protiv bakterija otpornih na lijekove: sve veći broj bakterijskih sojeva otpornih na antibiotike još je neriješen problem zbog kojeg bakterijske infekcije, koje su se posljednjih desetljeća uspješno liječile antibioticima, ponovno postaju prijetnja zdravlju diljem svijeta. Ultrazvučno nanostrukturiranje antibiotika obećavajuća je tehnika za povećanje učinkovitosti antibiotika poput tetraciklina protiv bakterija otpornih na lijekove.

Antibiotici i bakterije otporne na antibiotike

Otpornost na antibiotike nastaje kada mikroorganizmi poput bakterija i gljivica razviju sposobnost odupiranja lijekovima namijenjenima njihovu uništavanju. To znači da mikroorganizmi nisu uništeni i nastavljaju rasti. Infekcije uzrokovane mikroorganizmima otpornima na antibiotike teško je, a ponekad i nemoguće, liječiti.
Otpornost bakterija na antibiotike pripisuje se prekomjernoj i nepravilnoj uporabi antibiotika. Prekomjerna i nepravilna uporaba uglavnom se odnose na neprimjereno propisivanje i raširenu primjenu u poljoprivredi
Određeni bakterijski sojevi mutirali su i razvili otpornost na uobičajene antibiotike kao što su penicilin, tetraciklin, meticilin, eritromicin, gentamicin, vankomicin, imipemen, ceftazidim, levofloksacin, linezolid, daptomicin i ceftraroline.
Glavni uzrok razvoja bakterija otpornih na antibiotike leži u prekomjernoj i nepravilnoj uporabi antibiotika. Svaki put kada se pacijentu daju antibiotici, osjetljive bakterije bivaju uništene. Međutim, ako postoje otporne bakterije koje liječenjem nisu iskorijenjene, one rastu i razmnožavaju se. Tako ponavljana i neprimjerena uporaba antibiotika uzrokuje povećanje broja bakterija otpornih na lijekove.
Bakterije otporne na više lijekova (MDR) ozbiljna su prijetnja zdravlju jer ne reagiraju na uobičajeno liječenje antibioticima koje bi trebalo uništiti mikroorganizme.
Među gram-pozitivnim patogenima najveću prijetnju trenutačno predstavlja globalna pandemija otpornih sojeva S. aureus (npr. Staphylococcus aureus otporan na meticilin; MRSA) i vrsta roda Enterococcus. Gram-negativni patogeni kao što su Enterobacteriaceae (npr. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter postaju otporni na gotovo sve dostupne antibiotike.

Antibiotici ultrazvučno smanjeni na nanoveličinu

Poznato je da lijekovi nanometarskih dimenzija često nadmašuju molekule lijekova mikrometarskih dimenzija zahvaljujući povećanoj brzini apsorpcije, većoj bioraspoloživosti i nadmoćnoj učinkovitosti. Antibiotici se široko primjenjuju za liječenje bakterijskih infekcija. Međutim, brz razvoj sve većeg broja bakterijskih sojeva otpornih na lijekove čini nužnim razvoj novih ili modifikaciju postojećih antibiotika. Smanjenje veličine čestica antibiotika poput tetraciklina sonikacijom jedna je jednostavna, brza i obećavajuća strategija za poboljšanje učinkovitosti antibiotika protiv neotpornih i otpornih bakterijskih sojeva.
Pročitajte više o ultrazvučnim nanosuspenzijama djelatnih farmaceutskih tvari (API)!

Ultrazvučno nanostrukturirani tetraciklin

Kassirov i sur. (2018) ultrazvučno su obradili tetraciklin kako bi poboljšali učinkovitost lijeka protiv patogena. U svojem su istraživanju upotrijebili Escherichia coli Nova Blue TcR, soj otporan na antibiotike, i E. coli 292–116 (bez otpornosti na lijekove). Tetraciklin, uobičajeni antibiotik širokog spektra, modificiran je industrijskim ultrazvučnim uređajem UIP1000hdT (Hielscher, Njemačka; vidi sliku lijevo). Istraživački tim utvrdio je da sonokemijska obrada uređajem UIP1000hdT povećava učinkovitost antibakterijskih svojstava za do 25% protiv rezistentnog soja i za do 100% protiv osjetljivog soja. Čak ni dugotrajno skladištenje nanostrukturiranog tetraciklina na +4ºC ne smanjuje njegova antimikrobna svojstva.
Parametri ultrazvučne obrade, poput amplitude, unesene energije i trajanja sonikacije, utvrđeni su kao ključni čimbenici koji utječu na promjenu antimikrobnih svojstava protiv osjetljivih i rezistentnih stanica.
Ultrazvučna obrada rezultira ujednačenijom raspodjelom veličine nanočestica lijeka, što bi moglo dovesti do veće bioraspoloživosti, biopristupačnosti, a time i učinkovitosti molekula tetraciklina.
Dobiveni podaci pokazuju da sonokemijska modifikacija antibiotika može biti nov, obećavajući i jeftin pristup razvoju novih lijekova učinkovitih u antibiotskoj terapiji protiv sojeva rezistentnih na lijekove.

Sonikacija tetraciklina uređajem UIP1000hdT.
A – FTIR spektri „slobodnog” tetraciklina; B – FTIR spektri SN tetraciklina nakon 5 min sonikacije; C – histogram raspodjele veličine „slobodnog” tetraciklina; D – histogram raspodjele veličine SN tetraciklina nakon 5 min sonikacije.
Studija i slika: Kassirov et al. 2018.

Prednosti ultrazvučno nanostrukturiranih lijekova

Ultrazvučna obrada nudi goleme mogućnosti za sintezu širokog spektra nanostrukturiranih materijala i primjenjuje se u mnogim industrijama. Ultrazvučna proizvodnja lijekova nanometarskih veličina, poput antibiotika, antivirusnih i drugih lijekova, vrlo je obećavajuća jer ti lijekovi često pokazuju znatno veću brzinu apsorpcije, bioraspoloživost i učinkovitost. Stoga mnoge poboljšane formulacije lijekova uključuju ultrazvučnu obradu radi nanostrukturiranja molekula lijeka te inkapsulacije lijekova u nanoemulzije, nanoliposome, niosome, čvrste lipidne nanočestice (SLNs), nanostrukturirane lipidne nosače (NLCs) i druge inkluzijske komplekse nanometarskih veličina.

Ultrazvučna obrada nanomaterijala s antibakterijskim svojstvima također se primjenjuje za sintezu nanostrukturiranih materijala (npr. nanosrebra, nano ZnO) i njihovo nanošenje na tekstil radi proizvodnje antibakterijskog medicinskog tekstila i drugih funkcionalnih tkanina. Primjerice, ultrazvučni postupak u jednom koraku primjenjuje se za izradu trajnih prevlaka na pamučnim tkaninama s antibakterijskim nanočesticama ZnO.

Kako djeluje ultrazvučna sinteza nanostrukturiranih materijala?

Ultrazvučna obrada i sonokemija, odnosno primjena ultrazvuka velike snage na kemijske sustave, široko se primjenjuju za proizvodnju visokokvalitetnih materijala nanometarskih dimenzija (npr. nanočestica, nanoemulzija). Sonikacija i sonokemija omogućuju ili olakšavaju proizvodnju materijala nanometarskih dimenzija visokih performansi. Prednost ultrazvučne sinteze nanočestica jest jednostavnost i učinkovitost. Dok alternativne metode proizvodnje nanostrukturiranih materijala zahtijevaju visoke temperature u cijelom volumenu materijala, visoke tlakove i / ili duga reakcijska vremena, ultrazvučna sinteza često omogućuje jednostavnu, brzu i učinkovitu proizvodnju nanomaterijala. I sonokemijski i sonomehanički učinci koje stvara ultrazvuk visokog intenziteta odgovorni su za sintezu ili funkcionalizaciju/modifikaciju čestica nanometarskih dimenzija. Uvođenje ultrazvučnih valova velike snage u tekućine dovodi do akustičke kavitacije: nastanka, rasta i implozivnog kolapsa mjehurića, a može se kategorizirati kao primarna sonokemija (kemija plinske faze koja se odvija unutar mjehurića koji kolabiraju), sekundarna sonokemija (kemija u otopini koja se odvija izvan mjehurića) i sonomehaničke / fizikalne modifikacije (uzrokovane brzim mlazovima tekućine, udarnim valovima i/ili sudarima čestica u suspenzijama). (usp. Hinman i Suslick, 2017) Kavitacijsko djelovanje na čestice dovodi do smanjenja njihove veličine, nanostrukturiranja (nanodispergiranja, nanoemulgiranja), kao i funkcionalizacije i modifikacije čestica.
Pročitajte više o ultrazvučnom mljevenju i dispergiranju čestica!

Ultrazvučne sonde za sintezu nanostrukturiranih farmaceutskih pripravaka

Hielscher Ultrasonic ima dugogodišnje iskustvo u projektiranju, proizvodnji, distribuciji i servisiranju ultrazvučnih homogenizatora visokih performansi za farmaceutsku i prehrambenu industriju.
Priprema visokokvalitetnih čestica lijekova nanometarskih dimenzija, liposoma, čvrstih lipidnih nanočestica, polimernih nanočestica, ciklodekstrinskih kompleksa i cjepiva procesi su u kojima se Hielscher ultrazvučni sustavi široko primjenjuju i cijene zbog svoje visoke pouzdanosti i vrhunske kvalitete dobivenih proizvoda. Hielscher ultrazvučni uređaji omogućuju preciznu kontrolu svih procesnih parametara, kao što su amplituda, temperatura, tlak i energija sonikacije. Inteligentni softver automatski bilježi sve parametre sonikacije (vrijeme, datum, amplitudu, neto energiju, ukupnu energiju, temperaturu, tlak) na ugrađenu SD karticu. To znatno olakšava kontrolu procesa i kvalitete te pomaže u ispunjavanju zahtjeva dobre proizvođačke prakse (GMP).

Ultrazvučne miješalice za svaki proizvodni kapacitet

Asortiman tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot-sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora koji mogu obraditi količine materijala koje odgovaraju teretu više kamiona na sat. Cjelokupan asortiman omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniju ultrazvučnu smičnu miješalicu za vaš kapacitet obrade i ciljeve. To vam omogućuje da razvijete i ispitate svoju primjenu u malom laboratorijskom mjerilu te je zatim linearno povećate do proizvodnog kapaciteta. Povećanje kapaciteta s manje ultrazvučne miješalice na veće kapacitete obrade vrlo je jednostavno jer se postupak ultrazvučnog miješanja može potpuno linearno skalirati na temelju vaših utvrđenih procesnih parametara. Povećanje kapaciteta može se postići ugradnjom snažnije ultrazvučne miješalice ili paralelnim povezivanjem više ultrazvučnih uređaja.
Ultrazvučne miješalice također se primjenjuju za sterilnu homogenizaciju suspenzija tekućina–tekućina i krutina–tekućina.

Visoke amplitude za visokoučinkovito nanostrukturiranje čestica

Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati tijekom rada 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Ultrazvučne sonotrode (rogovi, sonde) i reaktori mogu se sterilizirati u autoklavu. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.

Jednostavno ispitivanje bez rizika

Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno skalirati. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli laboratorijskim ili stolnim ultrazvučnim uređajem može skalirati tako da se postigne potpuno isti učinak uz potpuno iste procesne parametre. Zbog toga je ultrazvučna obrada idealna za razvoj proizvoda i naknadnu primjenu u komercijalnoj proizvodnji.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao poduzeće u obiteljskom vlasništvu i pod obiteljskim upravljanjem, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu blizu Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher čine je neumornom radnom snagom u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodno je svojstvo visokoučinkovitih ultrazvučnih uređaja tvrtke Hielscher.

Ultrazvučne procesore Hielscher možete kupiti u različitim veličinama i s konfiguracijom točno prilagođenom zahtjevima vašeg procesa. Od obrade tekućina u maloj laboratorijskoj čaši do kontinuiranog protočnog miješanja suspenzija i pasti na industrijskoj razini, Hielscher Ultrasonics nudi vam odgovarajući visokoučinkoviti homogenizator! Obratite nam se – rado ćemo vam preporučiti idealnu ultrazvučnu konfiguraciju!

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: