抗生物質の超音波ナノ構造化

超音波を利用した抗生物質の製造は、薬剤耐性菌に対してもその有効性を高めることができます。抗生物質耐性菌株の増加は、依然として未解決の問題です。そのため、過去数十年間にわたり抗生物質で治療に成功してきた細菌感染症が、再び世界的な健康上の脅威となっています。抗生物質の超音波ナノ構造化は、テトラサイクリンなどの抗生物質の薬剤耐性菌に対する有効性を高めるための有望な技術です。

抗生物質と抗生物質耐性菌

抗生物質耐性は、細菌や真菌などの微生物が、それらを殺すために開発された薬剤に対抗する能力を獲得したときに生じます。これは、微生物が死滅せず、増殖を続けることを意味します。抗生物質耐性を持つ微生物による感染症は、治療が困難であり、ときには治療できないこともあります。
細菌の抗生物質耐性は、抗生物質の過剰使用と誤用に起因します。過剰使用と誤用は、主に不適切な処方と農業での広範な使用を指します。
penicilin、テトラサイクリン、メチシリン、エリスロマイシン、ゲンタマイシン、バンコマイシン、imipemen、セフタジジム、レボフロキサシン、リネゾリド、ダプトマイシン、ceftrarolineなどの一般的な抗生物質に対し、特定の細菌株が変異し、抗生物質耐性を獲得しています。
抗生物質耐性菌が発生する主な原因は、抗生物質の過剰使用と誤用にあります。患者に抗生物質が投与されるたびに、感受性のある細菌は死滅します。しかし、薬物治療で除去されない耐性菌が存在する場合、それらは増殖します。このように、抗生物質の反復使用と不適切な使用により、薬剤耐性菌が増加します。
多剤耐性（MDR）菌は、微生物を殺すはずの一般的な抗生物質治療に反応しないため、深刻な健康上の脅威となっています。
グラム陽性病原体の中では、耐性S. aureus（例：メチシリン耐性黄色ブドウ球菌、MRSA）およびエンテロコッカス属菌の世界的な流行が、現在最大の脅威となっています。腸内細菌科の細菌（例：肺炎桿菌）、緑膿菌、アシネトバクターなどのグラム陰性病原体は、利用可能なほぼすべての抗生物質に対して耐性を獲得しつつあります。

超音波でナノサイズ化した抗生物質

ナノサイズの医薬品は、吸収率の増加、より高い生物学的利用能、優れた有効性により、マイクロメートルサイズの薬物分子を上回ることが多いと知られています。抗生物質は、細菌感染症の治療に広く使用されています。しかし、薬剤耐性菌株が急速に増え続けているため、新しい抗生物質の開発、または既存の抗生物質の改変が必要となっています。超音波処理によってテトラサイクリンなどの抗生物質の粒子径を小さくすることは、非耐性菌株および耐性菌株に対する抗生物質の有効性を高めるための、簡単で迅速かつ有望な戦略のひとつです。
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超音波でナノ構造化したテトラサイクリン

Kassirov et al. (2018)は、病原体に対する薬剤の有効性を高めるために、テトラサイクリンを超音波処理しました。この研究では、抗生物質耐性を持つ菌株であるEscherichia coli Nova Blue TcRと、E. coli 292–116（薬剤耐性なし）を使用しました。一般的な広域抗生物質であるテトラサイクリンの改変には、産業用超音波装置 UIP1000hdT （Hielscher、ドイツ、左の写真を参照）を使用しました。研究チームは、UIP1000hdTによるソノケミカル処理により、耐性菌株に対する抗菌作用の有効性が最大25%、感受性菌株に対する有効性が最大100%向上することを確認しました。ナノ構造化したテトラサイクリンは、+4ºCで長期間保存しても抗菌特性が低下しません。
振幅、投入エネルギー、超音波処理時間などの超音波処理パラメーターは、感受性細胞と耐性細胞の両方に対する抗菌特性の変化に影響する重要な要因であると特定されました。
超音波処理により、ナノサイズの薬物粒子の粒径分布がより均一になります。これにより、テトラサイクリン分子の生物学的利用能と生体アクセス性が高まり、その結果、有効性も高まる可能性があります。
得られたデータは、抗生物質のソノケミカル改変が、薬剤耐性菌株に対する抗生物質治療に有効な新薬を開発するための、新しく有望で低コストなアプローチとなり得ることを示しています。

UIP1000hdTによるテトラサイクリンの超音波処理。
A – 「遊離」テトラサイクリンのFTIRスペクトル；B – 5 minの超音波処理後のSNテトラサイクリンのFTIRスペクトル；C – 「遊離」テトラサイクリンの粒径分布ヒストグラム；D – 5 minの超音波処理後のSNテトラサイクリンの粒径分布ヒストグラム。
研究および図：Kassirov et al. 2018。

超音波でナノ構造化した薬剤の利点

超音波処理は、幅広いナノ構造材料の合成に非常に大きな可能性をもたらし、多くの産業で使用されています。抗生物質、抗ウイルス薬、その他の医薬品などを超音波でナノサイズ化して製造する方法は、非常に有望です。これらのナノサイズの薬剤は、吸収率、生物学的利用能、有効性が大幅に高くなることが多いためです。そのため、多くの改良された薬剤製剤では、薬物分子のナノ構造化や、ナノエマルション、ナノリポソーム、ニオソーム、固体脂質ナノ粒子（SLNs）、ナノ構造脂質キャリア（NLCs）、その他のナノサイズの包接複合体への薬剤の封入に超音波処理が利用されています。

抗菌特性を持つナノ材料の超音波処理は、ナノ構造材料（例：ナノ銀、ナノZnO）を合成し、繊維に付与して抗菌性医療用繊維やその他の機能性織物を製造するためにも使用されます。例えば、単一工程の超音波プロセスにより、抗菌性ZnOナノ粒子を用いて綿織物に耐久性のあるコーティングを形成します。

超音波によるナノ構造材料の合成はどのように機能するのでしょうか？

超音波処理と、化学系に高出力超音波を適用するソノケミストリーは、高品質のナノサイズ材料（例：ナノ粒子、ナノエマルション）の製造に広く使用されています。超音波処理とソノケミストリーは、高性能なナノサイズ材料の製造を可能にしたり、促進したりします。超音波によるナノ粒子合成の利点は、その簡便さと有効性です。ナノ構造材料を製造する他の方法では、バルク全体の高温、高圧、および／または長い反応時間が必要なのに対し、超音波合成では、ナノ材料を簡単、迅速かつ効率的に製造できることが多くあります。高強度超音波によって生じるソノケミカル効果とソノメカニカル効果の両方が、ナノサイズ粒子の合成や機能化／改変に寄与します。高出力超音波を液体に結合させると、気泡の形成、成長、内向きの急激な崩壊からなる音響キャビテーションが発生します。また、一次ソノケミストリー（崩壊する気泡の内部で起こる気相化学）、二次ソノケミストリー（気泡の外部で起こる溶液相化学）、ソノメカニカル／物理的改変（高速液体ジェット、衝撃波、および／またはスラリー中の粒子間衝突によって生じるもの）に分類することができます。（参照：Hinman and Suslick, 2017）粒子に対するキャビテーションの作用は、粒子径の低減、ナノ構造化（ナノ分散、ナノ乳化）、さらに粒子の機能化と改変をもたらします。
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ナノ構造医薬品の合成用超音波プローブ

Hielscher Ultrasonicは、製薬業界および食品業界向けの高性能超音波ホモジナイザーの設計、製造、販売、サービスにおいて長年の経験を有しています。
高品質なナノサイズの薬物粒子、リポソーム、固体脂質ナノ粒子、高分子ナノ粒子、シクロデキストリン複合体、ワクチンの調製では、Hielscherの超音波システムが広く使用されており、その高い信頼性と優れた品質の生成物が評価されています。Hielscherの超音波装置では、振幅、温度、圧力、超音波処理エネルギーなど、すべてのプロセスパラメーターを精密に制御できます。インテリジェントソフトウェアは、すべての超音波処理パラメーター（時刻、日付、振幅、正味エネルギー、総エネルギー、温度、圧力）を内蔵SDカードに自動記録します。これにより、プロセス管理と品質管理が大幅に容易になり、医薬品の製造管理および品質管理に関する基準（GMP）への適合を支援します。

あらゆる生産能力に対応する超音波ミキサー

Hielscher Ultrasonicsの製品ラインアップは、コンパクトな実験室用超音波装置から、卓上型およびパイロットシステム、さらに毎時トラック何台分もの量を処理できる本格的な産業用超音波プロセッサーまで、全範囲を網羅しています。この充実した製品ラインアップにより、お客様の処理能力と目標に最も適した超音波せん断ミキサーをご提供できます。これにより、小規模な実験室サイズで用途を開発・試験し、その後、生産能力に合わせて線形にスケールアップできます。超音波混合プロセスは、確立したプロセスパラメーターに基づいて完全に線形にスケールアップできるため、小型の超音波ミキサーからより高い処理能力への拡張は非常に簡単です。スケールアップは、より高出力の超音波ミキサーユニットを設置するか、複数の超音波装置を並列に構成することで行えます。
超音波撹拌装置は、液体–液体および固体–液体懸濁液の無菌均質化にも使用されています。

高振幅による高効率な粒子のナノ構造化

Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。超音波ソノトロード（ホーン、プローブ）およびリアクターは、オートクレーブ滅菌が可能です。Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷かつ過酷な環境でも24/7の運転が可能です。

簡単でリスクのない試験

超音波プロセスは、完全に線形にスケールアップできます。つまり、実験室用または卓上型の超音波装置で得られたすべての結果を、まったく同じプロセスパラメーターを使用して、まったく同じ処理結果が得られるようにスケールアップできます。このため、超音波処理は、製品開発と、その後の商業生産への導入に最適です。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族所有・家族経営の企業として、Hielscherは超音波プロセッサーにおいて最高の品質基準を最優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊にあるテルトウの本社で設計、製造され、徹底的に試験されています。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性により、お客様の生産現場で頼れる主力装置となります。全負荷かつ過酷な環境での24/7運転は、Hielscherの高性能超音波装置に当然備わっている特性です。

Hielscherの超音波プロセッサーは、さまざまなサイズで、お客様のプロセス要件に正確に合わせた構成でご購入いただけます。小さな実験室用ビーカー内の流体処理から、産業規模でのスラリーやペーストの連続フロー混合まで、Hielscher Ultrasonicsはお客様に適した高性能ホモジナイザーをご提供します！ぜひお問い合わせください – 最適な超音波装置構成をご提案いたします！

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。