Nanostrutturazione a ultrasuoni degli antibiotici

La produzione di antibiotici assistita da ultrasuoni può aumentarne l’efficacia, anche contro i batteri resistenti ai farmaci: il crescente numero di ceppi batterici resistenti agli antibiotici è un problema ancora irrisolto che rende nuovamente le infezioni batteriche, trattate con successo con antibiotici negli ultimi decenni, una minaccia per la salute a livello mondiale. La nanostrutturazione a ultrasuoni degli antibiotici è una tecnica promettente per aumentare l’efficacia di antibiotici come la tetraciclina contro i batteri resistenti ai farmaci.

Antibiotici e batteri resistenti agli antibiotici

La resistenza agli antibiotici si verifica quando microrganismi come batteri e funghi sviluppano la capacità di resistere ai farmaci destinati a ucciderli. Ciò significa che i microrganismi non vengono uccisi e continuano a crescere. Le infezioni causate da microrganismi resistenti agli antibiotici sono difficili, e talvolta impossibili, da trattare.
La resistenza dei batteri agli antibiotici è attribuita sia all’uso eccessivo sia all’uso improprio dei farmaci antibiotici. L’uso eccessivo e improprio si riferisce principalmente a prescrizioni inappropriate e a un impiego esteso in agricoltura.
Per antibiotici comuni come penicillina, tetraciclina, meticillina, eritromicina, gentamicina, vancomicina, imipenem, ceftazidima, levofloxacina, linezolid, daptomicina e ceftarolina, alcuni ceppi batterici hanno subito mutazioni e sviluppato resistenza agli antibiotici.
La causa principale dello sviluppo di batteri resistenti agli antibiotici risiede nell’uso eccessivo e improprio dei farmaci antibiotici. Ogni volta che a un paziente vengono somministrati antibiotici, i batteri sensibili vengono uccisi. Tuttavia, se sono presenti batteri resistenti che non vengono eradicati dal trattamento farmacologico, questi crescono e si moltiplicano. Pertanto, l’uso ripetuto e inappropriato degli antibiotici provoca un aumento dei batteri resistenti ai farmaci.
I batteri multiresistenti ai farmaci (MDR) rappresentano una grave minaccia per la salute, poiché non rispondono ai comuni trattamenti antibiotici destinati a uccidere i microrganismi.
Tra i patogeni Gram-positivi, una pandemia globale di S. aureus resistente (ad esempio Staphylococcus aureus resistente alla meticillina; MRSA) e di specie di Enterococcus rappresenta attualmente la minaccia maggiore. Patogeni Gram-negativi come Enterobacteriaceae (ad esempio Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa e Acinetobacter stanno diventando resistenti a quasi tutte le opzioni terapeutiche antibiotiche disponibili.

Antibiotici ridotti a dimensioni nanometriche mediante ultrasuoni

È noto che i farmaci di dimensioni nanometriche spesso offrono prestazioni superiori rispetto alle molecole di farmaco di dimensioni micrometriche, grazie a tassi di assorbimento maggiori, una maggiore biodisponibilità e un’efficacia superiore. Gli antibiotici sono ampiamente utilizzati per trattare le infezioni batteriche. Tuttavia, il rapido sviluppo di un numero sempre maggiore di ceppi batterici resistenti ai farmaci rende necessario sviluppare nuovi farmaci antibiotici o modificare quelli esistenti. Ridurre le dimensioni delle particelle di antibiotici come la tetraciclina mediante sonicazione è una strategia semplice, rapida e promettente per migliorare l’efficacia degli antibiotici contro ceppi batterici non resistenti e resistenti.
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Tetraciclina nanostrutturata mediante ultrasuoni

Kassirov et al. (2018) hanno trattato la tetraciclina con ultrasuoni per migliorare l’efficacia del farmaco contro i patogeni. Nel loro studio hanno utilizzato Escherichia coli Nova Blue TcR, un ceppo resistente agli antibiotici, ed E. coli 292–116 (senza resistenza ai farmaci). La tetraciclina, un comune antibiotico ad ampio spettro, è stata modificata utilizzando il sonicatore industriale UIP1000hdT (Hielscher, Germania; vedere l’immagine a sinistra). Il gruppo di ricerca ha riscontrato che il trattamento sonochimico con UIP1000hdT aumenta l’efficacia delle proprietà antibatteriche fino al 25% contro il ceppo resistente e fino al 100% contro il ceppo sensibile. Anche la conservazione a lungo termine della tetraciclina nanostrutturata a +4ºC non ne riduce le proprietà antimicrobiche.
I parametri del trattamento a ultrasuoni, come ampiezza, apporto energetico e tempo di sonicazione, sono stati identificati come fattori critici che influenzano la variazione delle proprietà antimicrobiche nei confronti sia delle cellule sensibili sia di quelle resistenti.
Il trattamento a ultrasuoni produce una distribuzione dimensionale più uniforme delle particelle di farmaco di dimensioni nanometriche, che potrebbe portare a una maggiore biodisponibilità, bioaccessibilità e, di conseguenza, efficacia delle molecole di tetraciclina.
I dati ottenuti mostrano che la modifica sonochimica degli antibiotici può rappresentare un nuovo approccio promettente ed economico allo sviluppo di nuovi farmaci efficaci per la terapia antibiotica contro ceppi resistenti ai farmaci.

Sonicazione della tetraciclina con UIP1000hdT.
A – Spettri FTIR della tetraciclina “libera”; B – Spettri FTIR della tetraciclina SN dopo 5 min di sonicazione; C – Istogramma della distribuzione dimensionale della tetraciclina “libera”; D – Istogramma della distribuzione dimensionale della tetraciclina SN dopo 5 min di sonicazione.
Studio e figura di Kassirov et al. 2018.

Vantaggi dei farmaci nanostrutturati mediante ultrasuoni

Il trattamento a ultrasuoni offre enormi possibilità per la sintesi di un’ampia gamma di materiali nanostrutturati ed è utilizzato in molti settori industriali. La produzione a ultrasuoni di farmaci di dimensioni nanometriche, come antibiotici, antivirali e altri medicinali, è altamente promettente, poiché questi farmaci mostrano spesso un tasso di assorbimento, una biodisponibilità e un’efficacia significativamente maggiori. Pertanto, molte formulazioni farmaceutiche migliorate prevedono il trattamento a ultrasuoni per nanostrutturare le molecole di farmaco e incapsulare i farmaci in nanoemulsioni, nanoliposomi, niosomi, nanoparticelle lipidiche solide (SLNs), vettori lipidici nanostrutturati (NLCs) e altri complessi di inclusione di dimensioni nanometriche.

Il trattamento a ultrasuoni di nanomateriali con proprietà antibatteriche viene utilizzato anche per sintetizzare materiali nanostrutturati (ad esempio nanoargento, ZnO nanometrico) e applicarli ai tessuti per produrre tessuti medicali antibatterici e altri tessuti funzionali. Ad esempio, un processo a ultrasuoni in un’unica fase viene utilizzato per realizzare rivestimenti durevoli su tessuti di cotone con nanoparticelle antibatteriche di ZnO.

Come funziona la sintesi a ultrasuoni di materiali nanostrutturati?

Il trattamento a ultrasuoni e la sonochimica, ossia l’applicazione di ultrasuoni ad alta potenza a sistemi chimici, sono ampiamente utilizzati per produrre materiali di dimensioni nanometriche di alta qualità (ad esempio nanoparticelle, nanoemulsioni). La sonicazione e la sonochimica consentono o facilitano la produzione di materiali di dimensioni nanometriche ad alte prestazioni. Il vantaggio della sintesi a ultrasuoni di nanoparticelle risiede nella semplicità e nell’efficacia. Mentre i metodi alternativi di produzione di materiali nanostrutturati richiedono temperature elevate nella massa del materiale, pressioni elevate e / o lunghi tempi di reazione, la sintesi a ultrasuoni consente spesso una produzione semplice, rapida ed efficiente di nanomateriali. Sia gli effetti sonochimici sia quelli sonomeccanici generati dagli ultrasuoni ad alta intensità sono responsabili della sintesi o della funzionalizzazione/modifica delle particelle di dimensioni nanometriche. L’accoppiamento di onde ultrasoniche ad alta potenza nei liquidi produce cavitazione acustica: la formazione, la crescita e il collasso implosivo di bolle. Gli effetti possono essere classificati come sonochimica primaria (chimica in fase gassosa che avviene all’interno delle bolle che collassano), sonochimica secondaria (chimica in fase di soluzione che avviene all’esterno delle bolle) e modifiche sonomeccaniche / fisiche (causate da getti di liquido ad alta velocità, onde d’urto e/o collisioni tra particelle nelle sospensioni). (cfr. Hinman e Suslick, 2017) L’impatto della cavitazione sulle particelle determina una riduzione delle dimensioni, la nanostrutturazione (nanodispersione, nanoemulsificazione), nonché la funzionalizzazione e la modifica delle particelle.
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Sonde a ultrasuoni per la sintesi di farmaci nanostrutturati

Hielscher Ultrasonic vanta una lunga esperienza nella progettazione, produzione, distribuzione e assistenza di omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per l’industria farmaceutica e alimentare.
La preparazione di particelle di farmaco di dimensioni nanometriche di alta qualità, liposomi, nanoparticelle lipidiche solide, nanoparticelle polimeriche, complessi di ciclodestrine e vaccini rientra tra i processi nei quali i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono ampiamente utilizzati e apprezzati per la loro elevata affidabilità e la qualità superiore dei risultati. I sonicatori Hielscher consentono un controllo preciso di tutti i parametri di processo, come ampiezza, temperatura, pressione ed energia di sonicazione. Il software intelligente registra automaticamente tutti i parametri di sonicazione (ora, data, ampiezza, energia netta, energia totale, temperatura, pressione) sulla scheda SD integrata. Ciò facilita notevolmente il controllo del processo e della qualità e contribuisce al rispetto delle buone pratiche di fabbricazione (GMP).

Miscelatori a ultrasuoni per ogni capacità produttiva

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l’intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai sonicatori compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi di camion ogni ora. La gamma completa di prodotti ci consente di offrirvi il miscelatore a taglio a ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di trattamento e ai vostri obiettivi. Questo vi permette di sviluppare e testare la vostra applicazione su piccola scala in laboratorio e quindi di portarla linearmente alla capacità produttiva. Il passaggio da un miscelatore a ultrasuoni più piccolo a capacità di trattamento maggiori è molto semplice, poiché il processo di miscelazione a ultrasuoni può essere scalato in modo completamente lineare a partire dai parametri di processo già definiti. L’aumento di scala può essere realizzato installando un’unità di miscelazione a ultrasuoni più potente oppure raggruppando più sonicatori in parallelo.
Gli agitatori a ultrasuoni vengono utilizzati anche per l’omogeneizzazione sterile di sospensioni liquido-liquido e solido-liquido.

Ampiezze elevate per nanostrutturare le particelle con alta efficienza

I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere mantenute facilmente e continuamente durante il funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. I sonotrodi a ultrasuoni (corni, sonde) e i reattori sono autoclavabili. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di impiego gravose e in ambienti impegnativi.

Test semplici e senza rischi

I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto utilizzando un sonicatore da laboratorio o da banco può essere trasferito su scala maggiore ottenendo esattamente lo stesso risultato con gli stessi identici parametri di processo. Questo rende il trattamento a ultrasuoni ideale per lo sviluppo di prodotti e la successiva implementazione nella produzione commerciale.

Massima qualità – Progettati e prodotti in Germania

In quanto azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard di qualità per i propri processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori sono progettati, prodotti e sottoposti a test approfonditi presso la nostra sede centrale a Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher le rendono strumenti instancabili per la vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti impegnativi è una caratteristica naturale dei sonicatori Hielscher ad alte prestazioni.

Potete acquistare processori a ultrasuoni Hielscher di varie dimensioni, configurati esattamente in base alle vostre esigenze di processo. Dal trattamento di fluidi in un piccolo becher da laboratorio alla miscelazione continua in flusso di sospensioni e paste su scala industriale, Hielscher Ultrasonics vi offre un omogeneizzatore ad alte prestazioni adatto alle vostre esigenze! Contattateci – saremo lieti di consigliarvi la configurazione a ultrasuoni ideale!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: