抗生物質の超音波ナノ構造化

超音波アシストによる抗生物質の生産は、薬剤耐性菌に対してもその効果を高めることができる：抗生物質耐性菌の増加は未だ解決されていない問題であり、過去数十年の間に抗生物質による治療が成功した細菌感染症が再び世界的な健康脅威となっている。抗生物質の超音波ナノ構造化は、薬剤耐性菌に対するテトラサイクリンのような抗生物質の有効性を高める有望な技術である。

抗生物質と耐性菌

抗生物質耐性は、細菌や真菌のような細菌が、それらを殺すために設計された薬剤に打ち勝つ能力を身につけることで起こる。つまり、細菌は死滅することなく増殖し続けるのだ。抗生物質耐性菌による感染症は治療が難しく、時には不可能なこともある。
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する。過剰使用と誤用とは、主に不適切な処方と広範囲な農業使用である。
ペニシリン、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、イミペメン、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、セフトラロリンなどの一般的な抗生物質については、特定の菌株が変異して抗生物質耐性を獲得している。
抗生物質耐性菌発生の主な原因は、抗生物質の過剰使用と誤用にある。患者に抗生物質を投与するたびに、感受性のある細菌は死滅する。しかし、耐性菌が存在すると、薬物治療で駆除しきれずに増殖する。こうして、抗生物質の不適切な使用が繰り返されることにより、薬剤耐性菌が増加するのである。
多剤耐性（MDR）細菌は、細菌を死滅させる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る。
グラム陽性病原体の中では、耐性黄色ブドウ球菌（例えばメチシリン耐性黄色ブドウ球菌；MRSA）や腸球菌の世界的大流行が現在最大の脅威となっている。腸内細菌科（Klebsiella pneumoniaeなど）、緑膿菌、アシネトバクターなどのグラム陰性病原体は、使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る。

超音波でナノ化した抗生物質

ナノサイズの医薬品は、吸収率の向上、高い生物学的利用能、優れた有効性により、しばしばミクロンサイズの医薬品分子を凌駕することが知られている。抗生物質は細菌感染症の治療に広く使われている。しかし、薬剤耐性菌の急速な増加により、新しい抗生物質の開発や既存の抗生物質の改良が必要となっている。超音波処理によってテトラサイクリンのような抗生物質の粒子径を小さくすることは、非耐性菌や耐性菌に対する抗生物質の有効性を向上させるための、簡単で迅速かつ有望な戦略の一つである。
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超音波ナノ構造テトラサイクリン

Kassirovら（2018）は、テトラサイクリンを超音波処理して、病原体に対する薬剤の効果を向上させた。彼らの研究では、大腸菌ノバブルーTcR（抗生物質耐性株）と大腸菌292-116（薬剤耐性なし）を使用した。一般的な広域抗生物質であるテトラサイクリンは、工業用超音波処理装置を用いて改良された。 UIP1000hdT (Hielscher、ドイツ；左写真参照）。研究チームは、UIP1000hdTを用いた超音波化学処理により、耐性株に対しては最大25％、感受性株に対しては最大100％の抗菌効果が向上することを発見した。ナノ構造のテトラサイクリンを＋4℃で長期保存しても、抗菌性は低下しない。
振幅、エネルギー入力、超音波処理時間などの超音波処理パラメータは、感受性細胞および耐性細胞の両方に対する抗菌特性の変化に影響を与える重要な因子として決定された。
超音波処理により、ナノサイズの薬物粒子の粒度分布がより均一になり、テトラサイクリン分子のバイオアベイラビリティ、バイオアクセシビリティ、ひいては有効性が高まる可能性がある。
得られたデータは、抗生物質の超音波化学的修飾が、薬剤耐性株に対する抗生物質治療に有効な新薬開発のための、新たな有望かつ安価なアプローチになり得ることを示している。

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分間超音波処理後の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度分布ヒストグラム； D – 5分間の超音波処理後のSNテトラサイクリンの粒度分布ヒストグラム。
Kassirov et al. 2018による研究と図。

超音波ナノ構造医薬品の利点

超音波処理は、広範なナノ構造材料の合成に多大な可能性を提供し、多くの産業で利用されている。抗生物質、抗ウイルス剤、その他の医薬品のようなナノサイズの医薬品を超音波で製造することは、これらのナノサイズの医薬品がしばしば著しく高い吸収率、生物学的利用能、有効性を示すことから、非常に有望である。そのため、薬物分子をナノ構造化し、薬物をナノエマルション、ナノリポソーム、ニオソーム、固体脂質ナノ粒子（SLN）、ナノ構造脂質キャリー（NLC）、その他のナノサイズの包接複合体にカプセル化するために、多くの強化された薬物製剤が超音波処理に関与している。

抗菌特性を持つナノ材料の超音波処理は、ナノ構造材料（ナノ銀、ナノZnOなど）を合成し、抗菌医療用繊維やその他の機能性繊維を製造するために繊維製品に適用するためにも使用される。例えば、抗菌性ZnOナノ粒子による綿織物の耐久性コーティングを製造するために、シングルステップの超音波プロセスが使用されている。

ナノ構造材料の超音波合成はどのように機能するのか？

高出力超音波を化学システムに応用する超音波処理とソノケミストリーは、高品質のナノサイズ材料（ナノ粒子、ナノエマルションなど）を製造するために広く使用されている。ソニケーションとソノケミストリーは、高性能ナノサイズ材料の製造を可能にし、あるいは容易にする。ナノ粒子の超音波合成の利点は、シンプルで効果的であることです。ナノ構造材料の他の製造法では、高いバルク温度、圧力、および／または長い反応時間が必要ですが、超音波合成では、多くの場合、ナノ材料の簡便、迅速かつ効率的な製造が可能です。高強度の超音波によって発生す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・修飾に関与している。高出力の超音波を液体に結合させると、音響キャビテーション（気泡の形成、成長、内破）が生じ、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／物理的修飾（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引き起こされる）に分類することができる。(Hinman and Suslick, 2017参照）粒子へのキャビテーションの影響は、粒子径の縮小、ナノ構造化（ナノ分散、ナノ乳化）、粒子の機能化および修飾をもたらす。
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ナノ構造医薬品合成のための超音波プローブ

Hielscher Ultrasonic社は、製薬・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。
高品質のナノサイズの薬物粒子、リポソーム、固体脂質ナノ粒子、ポリマーナノ粒子、シクロデキストリン複合体、ワクチンの調製は、Hielscher超音波システムが広く使用されているプロセスであり、その高い信頼性と優れた品質の出力が評価されています。Hielscherの超音波装置は、振幅、温度、圧力、超音波エネルギーなど、すべてのプロセスパラメーターを正確に制御できます。インテリジェントなソフトウェアは、全ての超音波処理パラメーター（時間、日付、振幅、正味エネルギー、総エネルギー、温度、圧力）を自動的に内蔵SDカードに記録します。これにより、プロセスと品質管理が大幅に容易になり、適正製造基準（GMP）の遵守に役立ちます。

超音波ミキサー

Hielscher Ultrasonicsの製品レンジは、コンパクトなラボ用超音波処理装置から、ベンチトップやパイロットシステム、そしてトラック1台分の処理能力を持つ産業用超音波処理装置まで、あらゆる超音波処理装置をカバーしています。このような幅広い製品ラインアップにより、お客様の処理能力や目標に最適な超音波シャーミキサーを提供することができます。これにより、小さなラボサイズでアプリケーションを開発・テストし、生産能力までリニアにスケールアップすることができます。小型の超音波ミキサーから高い処理能力へのスケールアップは、超音波ミキシングプロセスが確立されたプロセスパラメーターから完全にリニアにスケールアップできるため、非常に簡単です。スケールアップは、より強力な超音波ミキサーユニットを設置するか、複数の超音波ミキサーを並列にクラスター化することで可能です。
超音波攪拌機は、液体-液体および固体-液体懸濁液の無菌ホモジナイゼーションにも利用される。

高効率でナノ構造粒子に高振幅を与える

Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を実現するために、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。超音波ソノトロード（ホーン、プローブ）とリアクターはオートクレーブ可能です。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の連続運転が可能です。

簡単でリスクのないテスト

超音波プロセスは、完全にリニアなスケーリングが可能です。つまり、実験室やベンチトップの超音波発生装置を使用して達成したすべての結果は、まったく同じプロセス・パラメーターを使用して、まったく同じ出力にスケールアップすることができます。このため、超音波処理は、製品開発やその後の商業生産への導入に理想的です。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族経営の企業として、Hielscher社は超音波プロセッサーの最高品質基準を優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツ・ベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的なテストが行われています。Hielscherの超音波装置は、頑丈で信頼性が高いため、お客様の生産現場で活躍します。全負荷、過酷な環境下での24時間365日の稼働は、Hielscherの高性能超音波装置の当然の特徴です。

Hielscher 社の超音波プロセッサーは、お客様のプロセス要件に合わせて、様々なサイズや構成でご購入いただけます。小さな実験用ビーカー内の流体の処理から、工業レベルでのスラリーやペーストの連続フロースルー混合まで、Hielscher Ultrasonicsはお客様に適した高性能ホモジナイザーを提供します！お問い合わせ – 理想的な超音波セットアップをご提案させていただきます！

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：