Nanostrutturazione ultrasonica degli antibiotici

La produzione di antibiotici assistita dagli ultrasuoni può aumentarne l'efficacia, anche contro i batteri resistenti ai farmaci: Il numero crescente di ceppi batterici resistenti agli antibiotici è un problema ancora irrisolto che rende le infezioni batteriche, che negli ultimi decenni sono state trattate con successo con gli antibiotici, una nuova minaccia per la salute a livello mondiale. La nano-strutturazione 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 germi come batteri e funghi sviluppano la capacità di sconfiggere i farmaci progettati per ucciderli. Ciò significa che i germi non vengono uccisi e continuano a crescere. Le infezioni causate da germi resistenti agli antibiotici sono difficili, e talvolta impossibili, da trattare.
La resistenza agli antibiotici dei batteri è attribuita all'uso eccessivo e all'uso improprio dei farmaci antibiotici. L'uso eccessivo e l'uso improprio si riferiscono principalmente a prescrizioni inappropriate e all'uso agricolo estensivo.
Per gli antibiotici più comuni, come penicilina, tetraciclina, meticillina, eritromicina, gentamicina, vancomicina, imipemen, ceftazidime, levofloxacina, linezolid, daptomicina e ceftrarolina, alcuni ceppi batterici sono mutati e hanno sviluppato resistenza agli antibiotici.
La causa principale dello sviluppo di batteri resistenti agli antibiotici risiede nell'uso eccessivo e scorretto di farmaci antibiotici. Ogni volta che a un paziente vengono somministrati antibiotici, i batteri sensibili vengono uccisi. Tuttavia, se ci sono batteri resistenti, che non vengono debellati dal trattamento farmacologico, crescono e si moltiplicano. Pertanto, l'uso ripetuto e inappropriato di antibiotici causa l'aumento dei batteri resistenti ai farmaci.
I batteri multiresistenti (MDR) rappresentano una grave minaccia per la salute, poiché non rispondono ai comuni trattamenti antibiotici, che dovrebbero uccidere i germi.
Tra i patogeni gram-positivi, una pandemia globale di S. aureus resistente (ad esempio, Staphylococcus aureus meticillino-resistente; MRSA) e di specie di Enterococcus rappresenta attualmente la minaccia maggiore. I patogeni Gram-negativi come le Enterobacteriaceae (ad esempio, Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa e Acinetobacter stanno diventando resistenti a quasi tutte le opzioni di farmaci antibiotici disponibili.

Antibiotici nano-dimensionati con gli ultrasuoni

I farmaci di dimensioni nanometriche sono noti per superare le molecole di farmaci di dimensioni microniche, spesso grazie a tassi di assorbimento più elevati, maggiore biodisponibilità ed efficacia superiore. Gli antibiotici sono ampiamente utilizzati per trattare le infezioni batteriche. Tuttavia, il rapido sviluppo di ceppi batterici sempre più resistenti ai farmaci rende necessario lo sviluppo di nuovi farmaci antibiotici o la modifica di quelli esistenti. La riduzione delle 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 nano-strutturata a ultrasuoni

Kassirov et al. (2018) hanno trattato la tetraciclina con ultrasuoni per migliorare l'efficacia del farmaco contro gli agenti patogeni. Nel loro studio hanno utilizzato Escherichia coli Nova Blue TcR, un ceppo con resistenza agli antibiotici, ed E. coli 292-116 (senza resistenza al farmaco). La tetraciclina, un comune antibiotico ad ampio spettro, è stata modificata utilizzando un ultrasuonatore industriale. UIP1000hdT (Hielscher, Germania; vedi foto a sinistra). Il team di ricerca ha scoperto che il trattamento sonochemico con la 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 riduce le proprietà antimicrobiche.
I parametri del trattamento a ultrasuoni, come l'ampiezza, l'energia immessa e il tempo di sonicazione, sono stati determinati come fattori critici che influenzano il cambiamento delle proprietà antimicrobiche contro le cellule sensibili e resistenti.
Il trattamento a ultrasuoni determina una distribuzione granulometrica più uniforme delle particelle di farmaco di dimensioni nanometriche, che potrebbe portare a una maggiore biodisponibilità, bioaccessibilità e quindi efficacia delle molecole di tetraciclina.
I dati ottenuti dimostrano che la modificazione sonochemica degli antibiotici può essere un nuovo approccio promettente ed economico per lo sviluppo di nuovi farmaci efficaci per la terapia antibiotica contro i ceppi resistenti ai farmaci.

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

Vantaggi dei farmaci nanostrutturati a ultrasuoni

L'ultrasonicazione offre enormi possibilità per la sintesi di un ampio spettro di materiali nanostrutturati ed è utilizzata in molti settori. La produzione con ultrasuoni di farmaci di dimensioni nanometriche, come antibiotici, antivirali e altri farmaci, è molto promettente, poiché questi farmaci di dimensioni nanometriche mostrano spesso un tasso di assorbimento, una biodisponibilità e un'efficacia significativamente più elevati. Pertanto, molte formulazioni farmacologiche avanzate prevedono l'uso degli ultrasuoni per nanostrutturare le molecole di farmaco, incapsulare i farmaci in nano-emulsioni, nano-liposomi, niosomi, nanoparticelle solido-lipidiche (SLNs), trasporti lipidici nano-strutturati (NLCs) e altri complessi di inclusione di dimensioni nanometriche.

Il trattamento a ultrasuoni di nanomateriali con proprietà antibatteriche viene utilizzato anche per sintetizzare materiali nano-strutturati (ad esempio nano-argento, nano ZnO) e per applicarli ai tessuti al fine di produrre tessuti medici antibatterici e altri tessuti funzionali. Ad esempio, un processo a ultrasuoni in un solo passaggio è utilizzato per fabbricare rivestimenti durevoli di tessuti di cotone con nanoparticelle di ZnO antibatteriche.

Come funziona la sintesi a ultrasuoni di materiali nanostrutturati?

L'ultrasonicazione e la sicochimica, ovvero l'applicazione di ultrasuoni ad alta potenza a sistemi chimici, sono ampiamente utilizzate per produrre materiali di alta qualità di dimensioni nanometriche (ad esempio, nanoparticelle, nanoemulsioni). La sonicazione e la sicochimica consentono o facilitano la produzione di materiali di dimensioni nanometriche ad alte prestazioni. Il vantaggio della sintesi ultrasonica di nanoparticelle è la semplicità e l'efficacia. Mentre i metodi di produzione alternativi di materiali nanostrutturati richiedono temperature e pressioni elevate e/o lunghi tempi di reazione, la sintesi a ultrasuoni consente spesso una produzione facile, rapida ed efficiente di nanomateriali. Entrambi gli effetti, sonochemico e sonomeccanico, generati dagli ultrasuoni ad alta intensità, sono responsabili della sintesi o della funzionalizzazione/modifica di particelle di dimensioni nanometriche. L'accoppiamento di onde ultrasoniche ad alta potenza nei liquidi provoca la cavitazione acustica: la formazione, la crescita e il collasso implosivo di bolle, che possono essere classificate come sicochimica primaria (chimica in fase gassosa che si verifica all'interno delle bolle che collassano), sicochimica secondaria (chimica in fase di soluzione che si verifica all'esterno delle bolle) e sonomeccanica / modifiche fisiche (causate da getti di liquido ad alta velocità, onde d'urto, e/o collisioni interparticellari negli slurry). (L'impatto cavitazionale sulle particelle si traduce in riduzione dimensionale, nano-strutturazione (nano-dispersione, nano-emulsificazione), nonché in funzionalizzazione e modifica delle particelle.
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Sonde a ultrasuoni per la sintesi di prodotti farmaceutici 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 farmaci di dimensioni nanometriche di alta qualità, liposomi, nanoparticelle lipidiche solide, nanoparticelle polimeriche, complessi di ciclodestrine e vaccini sono processi in cui i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono ampiamente utilizzati e sono apprezzati per l'elevata affidabilità e la qualità superiore dei risultati. I sistemi a ultrasuoni Hielscher consentono un controllo preciso di tutti i parametri di processo, come ampiezza, temperatura, pressione ed energia di sonicazione. Il software intelligente protocolla 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 a soddisfare le buone pratiche di fabbricazione (GMP).

Miscelatori a ultrasuoni per ogni capacità di prodotto

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di lavorare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi il miscelatore a taglio ultrasonico più adatto alla vostra capacità e ai vostri obiettivi di processo. Questo vi permette di sviluppare e testare la vostra applicazione in piccole dimensioni in laboratorio e di scalarla poi linearmente fino alla capacità di produzione. La scalabilità da un miscelatore a ultrasuoni più piccolo a capacità di lavorazione più elevate è molto semplice, poiché il processo di miscelazione a ultrasuoni può essere scalato in modo completamente lineare a partire dai parametri di processo stabiliti. L'aumento di scala può essere effettuato installando un'unità di miscelazione a ultrasuoni più potente o raggruppando diversi miscelatori a ultrasuoni in parallelo.
Gli agitatori a ultrasuoni sono utilizzati anche per l'omogeneizzazione sterile di sospensioni liquido-liquido e solido-liquido.

Ampiezze elevate a particelle nanostrutturate ad alta efficienza

Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. I sonotrodi a ultrasuoni (corna, sonde) e i reattori sono autoclavabili. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.

Test facili e senza rischi

I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto con un ultrasuonatore da laboratorio o da banco può essere scalato per ottenere esattamente lo stesso risultato utilizzando esattamente gli stessi parametri di processo. Ciò rende l'ultrasuonoterapia ideale per lo sviluppo del prodotto e la successiva implementazione nella produzione commerciale.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale degli ultrasonori ad alte prestazioni di Hielscher.

È possibile acquistare processori a ultrasuoni Hielscher di qualsiasi dimensione e configurati esattamente in base alle esigenze del processo. Dal trattamento di fluidi in un piccolo becher da laboratorio alla miscelazione continua di impasti e paste a livello industriale, Hielscher Ultrasonics offre un omogeneizzatore ad alte prestazioni adatto a voi! Contattateci – siamo lieti di consigliarvi la configurazione ad ultrasuoni ideale!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: