Ultrasone nanostructurering van antibiotica

Ultrasoon ondersteunde productie van antibiotica kan hun werkzaamheid verhogen, zelfs tegen geneesmiddelresistente bacteriën: het toenemende aantal antibioticaresistente bacteriestammen is een nog altijd onopgelost probleem, waardoor bacteriële infecties, die de afgelopen decennia succesvol met antibiotica zijn behandeld, opnieuw een wereldwijde bedreiging voor de gezondheid vormen. Ultrasone nanostructurering van antibiotica is een veelbelovende techniek om de werkzaamheid van antibiotica zoals tetracycline tegen geneesmiddelresistente bacteriën te verhogen.

Antibiotica en antibioticaresistente bacteriën

Antibioticaresistentie ontstaat wanneer ziektekiemen zoals bacteriën en schimmels het vermogen ontwikkelen om de geneesmiddelen die bedoeld zijn om ze te doden, te weerstaan. Dit betekent dat de ziektekiemen niet worden gedood en blijven groeien. Infecties veroorzaakt door antibioticaresistente ziektekiemen zijn moeilijk en soms onmogelijk te behandelen.
Antibioticaresistentie bij bacteriën wordt toegeschreven aan zowel overmatig als onjuist gebruik van antibiotica. Overmatig en onjuist gebruik hebben voornamelijk betrekking op ongeschikte voorschriften en grootschalig gebruik in de landbouw
Bij veelgebruikte antibiotica zoals penicilin, tetracycline, meticilline, erytromycine, gentamicine, vancomycine, imipemen, ceftazidim, levofloxacine, linezolid, daptomycine en ceftraroline zijn bepaalde bacteriestammen gemuteerd en hebben ze antibioticaresistentie ontwikkeld.
De belangrijkste oorzaak van het ontstaan van antibioticaresistente bacteriën ligt in het overmatige en onjuiste gebruik van antibiotica. Telkens wanneer een patiënt antibiotica krijgt toegediend, worden gevoelige bacteriën gedood. Als er echter resistente bacteriën aanwezig zijn die niet door de medicamenteuze behandeling worden uitgeroeid, groeien en vermenigvuldigen deze zich. Zo veroorzaakt herhaald en onjuist gebruik van antibiotica een toename van geneesmiddelresistente bacteriën.
Multiresistente (MDR) bacteriën vormen een ernstige bedreiging voor de gezondheid, omdat ze niet reageren op de gebruikelijke behandeling met antibiotica, die de ziektekiemen zou moeten doden.
Onder grampositieve pathogenen vormt een wereldwijde pandemie van resistente S. aureus (bijvoorbeeld meticillineresistente Staphylococcus aureus; MRSA) en Enterococcus-soorten momenteel de grootste bedreiging. Gramnegatieve pathogenen zoals Enterobacteriaceae (bijvoorbeeld Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa en Acinetobacter worden resistent tegen vrijwel alle beschikbare antibiotica.

Antibiotica op nanoschaal door ultrasone behandeling

Het is bekend dat farmaceutische middelen op nanoschaal vaak beter presteren dan geneesmiddelmoleculen op micrometerschaal dankzij een verhoogde absorptiesnelheid, een hogere biologische beschikbaarheid en een superieure werkzaamheid. Antibiotica worden veelvuldig gebruikt om bacteriële infecties te behandelen. De snelle ontwikkeling van steeds meer geneesmiddelresistente bacteriestammen maakt echter de ontwikkeling van nieuwe antibiotica of de aanpassing van bestaande antibiotica noodzakelijk. Het verkleinen van de deeltjesgrootte van antibiotica zoals tetracycline door sonicatie is een eenvoudige, snelle en veelbelovende strategie om de werkzaamheid van antibiotica tegen niet-resistente en resistente bacteriestammen te verbeteren.
Lees meer over ultrasone nanosuspensies van farmaceutische werkzame bestanddelen (API’s)!

Ultrasoon nanogestructureerde tetracycline

Kassirov et al. (2018) behandelden tetracycline ultrasoon om de werkzaamheid van het geneesmiddel tegen pathogenen te verbeteren. In hun onderzoek gebruikten ze Escherichia coli Nova Blue TcR, een stam met antibioticaresistentie, en E. coli 292–116 (zonder geneesmiddelresistentie). Tetracycline, een veelgebruikt breedspectrumantibioticum, werd gemodificeerd met de industriële sonicator UIP1000hdT (Hielscher, Duitsland; zie afbeelding links). Het onderzoeksteam stelde vast dat de sonochemische behandeling met de UIP1000hdT de werkzaamheid van de antibacteriële eigenschappen met maximaal 25% tegen de resistente stam en met maximaal 100% tegen de gevoelige stam verhoogt. Zelfs langdurige opslag van de nanogestructureerde tetracycline bij +4ºC vermindert de antimicrobiële eigenschappen niet.
De ultrasone procesparameters, zoals amplitude, energietoevoer en sonicatieduur, werden aangemerkt als kritische factoren die de verandering in antimicrobiële eigenschappen tegen zowel gevoelige als resistente cellen beïnvloeden.
De ultrasone behandeling resulteert in een uniformere deeltjesgrootteverdeling van geneesmiddeldeeltjes op nanoschaal, wat zou kunnen leiden tot een hogere biologische beschikbaarheid, biotoegankelijkheid en daarmee werkzaamheid van de tetracyclinemoleculen.
De verkregen gegevens tonen aan dat sonochemische modificatie van antibiotica een nieuwe, veelbelovende en goedkope benadering kan zijn voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen die effectief zijn bij antibioticatherapie tegen geneesmiddelresistente stammen.

Sonicatie van tetracycline met de UIP1000hdT.
A – FTIR-spectra van “vrije” tetracycline; B – FTIR-spectra van SN-tetracycline na 5 min sonicatie; C – Histogram van de grootteverdeling van “vrije” tetracycline; D – Histogram van de grootteverdeling van SN-tetracycline na 5 min sonicatie.
Onderzoek en figuur van Kassirov et al. 2018.

Voordelen van ultrasoon nanogestructureerde geneesmiddelen

Ultrasone behandeling biedt enorme mogelijkheden voor de synthese van een breed spectrum aan nanogestructureerde materialen en wordt in veel industrieën gebruikt. De ultrasone productie van farmaceutische middelen op nanoschaal, zoals antibiotica, antivirale middelen en andere geneesmiddelen, is zeer veelbelovend, omdat deze geneesmiddelen op nanoschaal vaak een aanzienlijk hogere absorptiesnelheid, biologische beschikbaarheid en werkzaamheid vertonen. Daarom wordt bij veel verbeterde geneesmiddelformuleringen ultrasone behandeling toegepast om geneesmiddelmoleculen te nanostructureren en geneesmiddelen in te kapselen in nano-emulsies, nanoliposomen, niosomen, vaste lipidenanodeeltjes (SLNs), nanogestructureerde lipidedragers (NLCs) en andere inclusiecomplexen op nanoschaal.

Ultrasone behandeling van nanomaterialen met antibacteriële eigenschappen wordt ook gebruikt om nanogestructureerde materialen (bijvoorbeeld nanozilver, nano-ZnO) te synthetiseren en deze op textiel aan te brengen voor de vervaardiging van antibacterieel medisch textiel en andere functionele stoffen. Zo wordt een ultrasoon proces in één stap gebruikt om duurzame coatings met antibacteriële ZnO-nanodeeltjes op katoenen stoffen aan te brengen.

Hoe werkt ultrasone synthese van nanogestructureerde materialen?

Ultrasone behandeling en sonochemie, de toepassing van ultrageluid met hoog vermogen op chemische systemen, worden veelvuldig gebruikt om hoogwaardige materialen op nanoschaal te produceren (bijvoorbeeld nanodeeltjes, nano-emulsies). Sonicatie en sonochemie maken de productie van materialen op nanoschaal met hoge prestaties mogelijk of vergemakkelijken deze. Het voordeel van ultrasone synthese van nanodeeltjes is de eenvoud en effectiviteit. Terwijl alternatieve productiemethoden voor nanogestructureerde materialen hoge temperaturen in het gehele medium, hoge drukken en / of lange reactietijden vereisen, maakt ultrasone synthese vaak een eenvoudige, snelle en efficiënte productie van nanomaterialen mogelijk. Zowel sonochemische als sonomechanische effecten die door ultrageluid met hoge intensiteit worden opgewekt, zijn verantwoordelijk voor de synthese of functionalisering/modificatie van deeltjes op nanoschaal. Het koppelen van ultrasone golven met hoog vermogen aan vloeistoffen resulteert in akoestische cavitatie: de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen, en kan worden ingedeeld in primaire sonochemie (chemie in de gasfase die binnen instortende bellen plaatsvindt), secundaire sonochemie (chemie in de oplossingsfase die buiten de bellen plaatsvindt) en sonomechanische / fysische modificaties (veroorzaakt door vloeistofstralen met hoge snelheid, schokgolven en/of botsingen tussen deeltjes in slurries). (vgl. Hinman en Suslick, 2017) De invloed van cavitatie op deeltjes resulteert in grootteverkleining, nanostructurering (nanodispersie, nano-emulgering), evenals in functionalisering en modificatie van deeltjes.
Lees meer over ultrasoon malen en dispergeren van deeltjes!

Ultrasone sondes voor de synthese van nanogestructureerde farmaceutische middelen

Hielscher Ultrasonic heeft jarenlange ervaring met het ontwerpen, vervaardigen en distribueren van ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor de farmaceutische industrie en de voedingsmiddelenindustrie, en met de bijbehorende dienstverlening.
De bereiding van hoogwaardige geneesmiddeldeeltjes op nanoschaal, liposomen, vaste lipidenanodeeltjes, polymere nanodeeltjes, cyclodextrinecomplexen en vaccins zijn processen waarin ultrasone systemen van Hielscher veelvuldig worden gebruikt en worden gewaardeerd om hun hoge betrouwbaarheid en de superieure kwaliteit van het resultaat. De sonicatoren van Hielscher maken nauwkeurige controle over alle procesparameters mogelijk, zoals amplitude, temperatuur, druk en sonicatie-energie. De intelligente software registreert automatisch alle sonicatieparameters (tijd, datum, amplitude, netto-energie, totale energie, temperatuur, druk) op de ingebouwde SD-kaart. Dit vergemakkelijkt de proces- en kwaliteitscontrole aanzienlijk en helpt bij het naleven van de Goede Manieren van Produceren (GMP).

Ultrasone mengers voor elke productiecapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte laboratoriumsonicatoren via tafelmodellen en pilotsystemen tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen we u de meest geschikte ultrasone menger met afschuiving aanbieden voor uw procescapaciteit en doelstellingen. Hiermee kunt u uw toepassing op kleine laboratoriumschaal ontwikkelen en testen en deze vervolgens lineair opschalen naar productiecapaciteit. Het opschalen van een kleinere ultrasone menger naar hogere verwerkingscapaciteiten is zeer eenvoudig, omdat het ultrasone mengproces volledig lineair kan worden opgeschaald op basis van uw vastgestelde procesparameters. Opschaling kan worden uitgevoerd door een krachtigere ultrasone mengeenheid te installeren of door meerdere sonicatoren parallel te clusteren.
Ultrasone roerders worden ook gebruikt voor steriele homogenisatie van vloeistof-vloeistof- en vaste stof-vloeistofsuspensies.

Hoge amplitudes om deeltjes met hoge efficiëntie te nanostructureren

De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. Ultrasone sonotrodes (hoorns, sondes) en reactoren zijn autoclaveerbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.

Eenvoudig, risicovrij testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden opgeschaald. Dit betekent dat elk resultaat dat u met een laboratoriumsonicator of tafelmodel hebt bereikt, kan worden opgeschaald naar exact hetzelfde resultaat met exact dezelfde procesparameters. Dit maakt ultrasone behandeling ideaal voor productontwikkeling en de daaropvolgende implementatie in commerciële productie.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en vervaardigd in Duitsland

Als familiebedrijf dat door de familie wordt geleid, geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors. Alle sonicatoren worden ontworpen, vervaardigd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekend kenmerk van de sonicatoren met hoge prestaties van Hielscher.

U kunt ultrasone processors van Hielscher in allerlei formaten kopen, exact geconfigureerd volgens uw procesvereisten. Van het behandelen van vloeistoffen in een klein laboratoriumbekerglas tot het continu mengen van slurries en pasta’s in doorstroming op industriële schaal: Hielscher Ultrasonics biedt u een geschikte homogenisator met hoge prestaties! Neem contact met ons op – wij adviseren u graag over de ideale ultrasone opstelling!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: