Ultrasone nanostructurering van antibiotica

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

Antibiotica en antibioticaresistente bacteriën

Antibioticaresistentie treedt op wanneer ziektekiemen zoals bacteriën en schimmels het vermogen ontwikkelen om de medicijnen te verslaan die bedoeld zijn om ze te doden. Dat betekent dat de ziektekiemen niet worden gedood en blijven groeien. Infecties veroorzaakt door antibiotica-resistente kiemen zijn moeilijk, en soms onmogelijk, te behandelen.
Antibioticaresistentie van bacteriën wordt toegeschreven aan zowel overmatig als verkeerd gebruik van antibiotica. Overmatig gebruik en misbruik hebben voornamelijk betrekking op ongepast voorschrijven en extensief gebruik in de landbouw.
Voor veelgebruikte antibiotica zoals peniciline, tetracycline, methicilline, erytromycine, gentamicine, vancomycine, imipemen, ceftazidime, levofloxacine, linezolid, daptomycine en ceftraroline zijn bepaalde bacteriestammen gemuteerd en hebben antibioticaresistentie ontwikkeld.
De belangrijkste oorzaak van de ontwikkeling van antibioticaresistente bacteriën is overmatig en verkeerd gebruik van antibiotica. Elke keer dat een patiënt antibiotica krijgt toegediend, worden gevoelige bacteriën gedood. Als er echter resistente bacteriën zijn, die niet worden uitgeroeid door de behandeling met antibiotica, groeien ze en vermenigvuldigen ze zich. Het herhaalde en ongepaste gebruik van antibiotica leidt dus tot een toename van resistente bacteriën.
Multi-Drug Resistente (MDR) bacteriën vormen een ernstige bedreiging voor de gezondheid omdat ze niet reageren op de gebruikelijke antibioticabehandeling, die de ziektekiemen zou moeten doden.
Onder de Gram-positieve ziekteverwekkers vormt een wereldwijde pandemie van resistente S. aureus (bijv. methicillineresistente Staphylococcus aureus; MRSA) en Enterococcus-soorten momenteel de grootste bedreiging. Gramnegatieve ziekteverwekkers zoals Enterobacteriaceae (bijv. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa en Acinetobacter worden resistent tegen bijna alle beschikbare antibiotica.

Ultrasoon genanobotiseerde antibiotica

Farmaceutische producten van nanogrootte staan erom bekend dat ze beter zijn dan micromoleculen, vaak vanwege de hogere absorptiesnelheid, hogere biologische beschikbaarheid en superieure effectiviteit. Antibiotica worden veel gebruikt om bacteriële infecties te behandelen. De snelle ontwikkeling van steeds meer bacteriestammen die resistent zijn tegen geneesmiddelen maakt de ontwikkeling van nieuwe of de aanpassing van bestaande antibiotica noodzakelijk. Het verkleinen van de deeltjesgrootte van antibiotica zoals tetracycline via sonicatie is een eenvoudige, snelle en veelbelovende strategie om de effectiviteit van antibiotica tegen niet resistente en resistente bacteriestammen te verbeteren.
Lees meer over ultrasone nanosuspensies van farmaceutische API's!

Ultrasoon nanogestructureerde tetracycline

Kassirov et al. (2018) behandelden tetracycline ultrasonisch om de effectiviteit van het medicijn tegen ziekteverwekkers te verbeteren. In hun studie gebruikten ze Escherichia coli Nova Blue TcR, een stam met antibioticaresistentie, en E. coli 292-116 (zonder medicijnresistentie). Tetracycline, een veelgebruikt breedspectrumantibioticum, werd gemodificeerd met behulp van industriële ultrasone trillers. UIP1000hdT (Hielscher, Duitsland; zie afbeelding links). Het onderzoeksteam ontdekte dat de sonochemische behandeling met de UIP1000hdT de effectiviteit van de antibacteriële eigenschappen tot 25% verhoogt tegen de resistente stam en tot 100% tegen de gevoelige stam. Zelfs langdurige opslag van de nanogestructureerde tetracycline bij +4ºC vermindert de antimicrobiële eigenschappen niet.
De ultrasone verwerkingsparameters zoals amplitude, energietoevoer en sonificatietijd werden bepaald als kritieke factoren die de verandering in antimicrobiële eigenschappen tegen zowel gevoelige als resistente cellen beïnvloeden.
De ultrasone behandeling resulteert in een meer uniforme deeltjesgrootteverdeling van nano-omvang medicijndeeltjes, wat zou kunnen leiden tot een hogere biologische beschikbaarheid, biotoegankelijkheid en daardoor effectiviteit van de tetracycline moleculen.
De verkregen gegevens tonen aan dat sonochemische modificatie van antibiotica een nieuwe veelbelovende en goedkope aanpak kan zijn voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen die effectief zijn voor antibioticatherapie tegen resistente stammen.

Sonificatie van tetracycline met de UIP1000hdT.
A - FTIR-spectra van "vrije" tetracycline; B - FTIR-spectra van SN tetracycline na 5 minuten sonicatie; C - Histogram van de grootteverdeling van "vrije" tetracycline; D – Grootteverdeling histogram van SN tetracycline na 5 minuten sonicatie.
Studie en figuur van Kassirov et al. 2018.

Voordelen van ultrasone nanogestructureerde geneesmiddelen

Ultrasoontechniek biedt enorme mogelijkheden voor de synthese van een breed spectrum van nanogestructureerde materialen en wordt in veel industrieën gebruikt. Ultrasone productie van geneesmiddelen van nanogrootte, zoals antibiotica, antivirale middelen en andere geneesmiddelen, is veelbelovend omdat geneesmiddelen van nanogrootte vaak een aanzienlijk hogere absorptiesnelheid, biologische beschikbaarheid en effectiviteit hebben. Daarom wordt bij veel verbeterde geneesmiddelformuleringen gebruikgemaakt van ultrasoontechnologie om de moleculen van geneesmiddelen te nanostructureren en geneesmiddelen in te kapselen in nano-emulsies, nano-liposomen, niosomen, vaste lipiden-nanodeeltjes (SLN's), nano-gestructureerde lipidendragers (NLC's) en andere inclusiecomplexen van nanoformaat.

Ultrasone behandeling van nanomaterialen met antibacteriële eigenschappen wordt ook gebruikt om nanogestructureerde materialen te synthetiseren (bijv. nanozilver, nanoZnO) en deze toe te passen op textiel om antibacterieel medisch textiel en andere functionele weefsels te maken. Er wordt bijvoorbeeld een eenstaps ultrasoon proces gebruikt om duurzame coatings van katoenen weefsels met antibacteriële ZnO nanodeeltjes te maken.

Hoe werkt ultrasone synthese van nanogestructureerde materialen?

Ultrasoon en sonochemie, de toepassing van ultrageluid met hoog vermogen op chemische systemen, worden op grote schaal gebruikt om hoogwaardige materialen van nanoformaat te produceren (bijv. nanodeeltjes, nano-emulsies). Sonicatie en sonochemie maken de productie van hoogwaardige nanomaterialen mogelijk of vergemakkelijken deze. Het voordeel van ultrasone synthese van nanodeeltjes is de eenvoud en doeltreffendheid. Terwijl alternatieve productiemethoden voor nanogestructureerde materialen hoge bulktemperaturen, drukken en/of lange reactietijden vereisen, maakt ultrasone synthese vaak een eenvoudige, snelle en efficiënte productie van nanomaterialen mogelijk. Zowel sonochemische als sonomechanische effecten, gegenereerd door ultrageluid met hoge intensiteit, zijn verantwoordelijk voor de synthese of functionalisering/wijziging van nanodeeltjes. Het koppelen van ultrasone golven met een hoog vermogen in vloeistoffen resulteert in akoestische cavitatie: de vorming, groei en implosieve instorting van bellen, en kan worden gecategoriseerd als primaire sonochemie (gasfase chemie die optreedt binnen de instortende bellen), secundaire sonochemie (oplossing-fase chemie die optreedt buiten de bellen), en sonomechanische / fysische modificaties (veroorzaakt door hogesnelheids vloeistofstralen, schokgolven, en/of botsingen tussen deeltjes in slurries). (cf. Hinman en Suslick, 2017) De cavitatie-impact op deeltjes resulteert in de verkleining van de deeltjesgrootte, nano-structurering (nano-dispersie, nano-emulgering), maar ook in de functionalisering en modificatie van de deeltjes.
Lees meer over ultrasoon frezen en dispergeren van deeltjes!

Ultrasone sondes voor de synthese van geneesmiddelen met nanostructuur

Hielscher Ultrasonic heeft jarenlange ervaring in het ontwerpen, produceren, distribueren en onderhouden van hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie.
De bereiding van hoogwaardige nanodeeltjes van geneesmiddelen, liposomen, vaste lipidenanodeeltjes, polymere nanodeeltjes, cyclodextrinecomplexen en vaccins zijn processen waarbij Hielscher ultrasone systemen op grote schaal worden gebruikt en die worden gewaardeerd om hun hoge betrouwbaarheid en superieure kwaliteit. Hielscher ultrasone systemen bieden nauwkeurige controle over alle procesparameters, zoals amplitude, temperatuur, druk en sonische energie. De intelligente software registreert automatisch alle sonicatieparameters (tijd, datum, amplitude, netto-energie, totale energie, temperatuur, druk) op de ingebouwde SD-kaart. Dit vereenvoudigt proces- en kwaliteitscontrole aanzienlijk en helpt te voldoen aan Good Manufacturing Practices (GMP).

Ultrasone mengers voor elke productcapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte laboratorium-ultrasoneersystemen via bench-top en pilot-systemen tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Het volledige productassortiment stelt ons in staat om u de meest geschikte ultrasone shear mixer voor uw procescapaciteit en doelstellingen aan te bieden. Zo kunt u uw toepassing ontwikkelen en testen in een klein laboratoriumformaat en vervolgens lineair opschalen naar productiecapaciteit. Het opschalen van een kleinere ultrasone menger naar een hogere verwerkingscapaciteit is heel eenvoudig omdat het ultrasone mengproces volledig lineair kan worden geschaald op basis van uw vastgestelde procesparameters. Opschalen kan door een krachtigere ultrasone menger te installeren of door meerdere ultrasone mengers parallel te schakelen.
Ultrasone roerders worden ook gebruikt voor het steriel homogeniseren van vloeistof-vloeistof en vaste stof-vloeistof suspensies.

Hoge amplitudes naar nanogestructureerde deeltjes met hoge efficiëntie

Hielscher Ultrasonics’ Industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar. Ultrasone sonotroden (hoorns, sondes) en reactoren zijn autoclaveerbaar. De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.

Gemakkelijk en zonder risico testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden geschaald. Dit betekent dat elk resultaat dat u hebt bereikt met een laboratorium- of tafelmodel ultrasoonapparaat, kan worden geschaald naar exact dezelfde uitvoer met exact dezelfde procesparameters. Dit maakt ultrasoontechniek ideaal voor productontwikkeling en de daaropvolgende implementatie in commerciële productie.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher's hoogwaardige ultrasoonapparatuur.

U kunt Hielscher ultrasone processors kopen in elke maat en precies geconfigureerd volgens uw procesvereisten. Van het behandelen van vloeistoffen in een klein labbekerglas tot het continu mengen van slurries en pasta's op industrieel niveau, Hielscher Ultrasonics biedt een geschikte hoogwaardige homogenisator voor u! Neem contact met ons op – We bevelen je graag de ideale ultrasone opstelling aan!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: