Ultradźwiękowa nanostrukturyzacja antybiotyków

Wspomagana ultradźwiękami produkcja antybiotyków może zwiększyć ich skuteczność, nawet wobec bakterii lekoopornych: Rosnąca liczba szczepów bakterii opornych na antybiotyki jest wciąż nierozwiązanym problemem sprawiającym, że infekcje bakteryjne, które były skutecznie leczone antybiotykami w ciągu ostatnich dziesięcioleci, ponownie stają się zagrożeniem dla zdrowia na całym świecie. Ultradźwiękowa nanostrukturyzacja antybiotyków jest obiecującą techniką zwiększania skuteczności antybiotyków, takich jak tetracyklina, przeciwko lekoopornym bakteriom.

Antybiotyki i bakterie oporne na antybiotyki

Oporność na antybiotyki ma miejsce, gdy zarazki, takie jak bakterie i grzyby, rozwijają zdolność do pokonywania leków zaprojektowanych w celu ich zabicia. Oznacza to, że zarazki nie są zabijane i nadal się rozwijają. Infekcje wywołane przez zarazki oporne na antybiotyki są trudne, a czasami niemożliwe do wyleczenia.
Oporność bakterii na antybiotyki przypisuje się zarówno nadużywaniu, jak i niewłaściwemu stosowaniu antybiotyków. Nadmierne i niewłaściwe stosowanie odnosi się głównie do nieodpowiednich recept i ekstensywnego stosowania w rolnictwie
W przypadku popularnych antybiotyków, takich jak penicylina, tetracyklina, metycylina, erytromycyna, gentamycyna, wankomycyna, imipemen, ceftazydym, lewofloksacyna, linezolid, daptomycyna i ceftrarolina, niektóre szczepy bakterii zmutowały i rozwinęły oporność na antybiotyki.
Główną przyczyną rozwoju bakterii opornych na antybiotyki jest nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków. Za każdym razem, gdy pacjentowi podaje się antybiotyki, wrażliwe bakterie są zabijane. Jeśli jednak istnieją bakterie oporne, które nie zostały wyeliminowane przez leczenie farmakologiczne, rozwijają się i namnażają. W ten sposób wielokrotne i niewłaściwe stosowanie antybiotyków powoduje wzrost liczby bakterii lekoopornych.
Bakterie wielolekooporne (MDR) stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia, ponieważ nie reagują na powszechne leczenie antybiotykami, które powinno zabijać zarazki.
Wśród patogenów Gram-dodatnich największe zagrożenie stanowi obecnie globalna pandemia opornych szczepów S. aureus (np. Staphylococcus aureus oporny na metycylinę; MRSA) i Enterococcus. Patogeny Gram-ujemne, takie jak Enterobacteriaceae (np. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter stają się oporne na prawie wszystkie dostępne opcje antybiotyków.

Antybiotyki w nanorozmiarach ultradźwiękowych

Nanocząsteczki leków są znane z tego, że przewyższają mikronowe cząsteczki leków często ze względu na zwiększoną szybkość wchłaniania, wyższą biodostępność i wyższą skuteczność. Antybiotyki są powszechnie stosowane w leczeniu infekcji bakteryjnych. Jednak szybki rozwój coraz większej liczby lekoopornych szczepów bakterii sprawia, że konieczne jest opracowanie nowych lub modyfikacja istniejących antybiotyków. Zmniejszenie wielkości cząstek antybiotyków, takich jak tetracyklina poprzez sonikację, jest jedną z łatwych, szybkich i obiecujących strategii poprawy skuteczności antybiotyków przeciwko nieopornym i opornym szczepom bakterii.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowych nanozawiesinach farmaceutycznych API!

Tetracyklina o nanostrukturze ultradźwiękowej

Kassirov et al. (2018) poddali tetracyklinę działaniu ultradźwięków w celu poprawy skuteczności leku przeciwko patogenom. W swoich badaniach wykorzystali szczep Escherichia coli Nova Blue TcR, oporny na antybiotyki, oraz E. coli 292-116 (bez oporności na lek). Tetracyklina, powszechny antybiotyk o szerokim spektrum działania, została zmodyfikowana przy użyciu przemysłowego ultrasonografu UIP1000hdT (Hielscher, Niemcy; patrz zdjęcie po lewej). Zespół badawczy stwierdził, że obróbka sonochemiczna za pomocą UIP1000hdT zwiększa skuteczność właściwości przeciwbakteryjnych do 25% w stosunku do szczepu opornego i do 100% w stosunku do szczepu wrażliwego. Nawet długotrwałe przechowywanie nanostrukturalnej tetracykliny w temperaturze +4ºC nie zmniejsza jej właściwości przeciwdrobnoustrojowych.
Parametry przetwarzania ultradźwiękowego, takie jak amplituda, pobór energii i czas sonikacji, zostały określone jako krytyczne czynniki wpływające na zmianę właściwości przeciwdrobnoustrojowych zarówno wobec wrażliwych, jak i opornych komórek.
Obróbka ultradźwiękowa skutkuje bardziej jednolitym rozkładem wielkości cząstek nanocząstek leku, co może prowadzić do wyższej biodostępności, biodostępności, a tym samym skuteczności cząsteczek tetracykliny.
Uzyskane dane pokazują, że sonochemiczna modyfikacja antybiotyków może być nowym obiecującym i tanim podejściem do rozwoju nowych leków skutecznych w antybiotykoterapii przeciwko szczepom lekoopornym.

Sonikacja tetracykliny za pomocą UIP1000hdT.
A - Widma FTIR "wolnej" tetracykliny; B - Widma FTIR tetracykliny SN po 5-minutowej sonikacji; C - Histogram rozkładu wielkości "wolnej" tetracykliny; D – Histogram rozkładu wielkości tetracykliny SN po 5 minutach sonikacji.
Badanie i rysunek Kassirova et al. 2018.

Zalety ultradźwiękowych leków nanostrukturalnych

Ultradźwięki oferują ogromne możliwości syntezy szerokiego spektrum materiałów nanostrukturalnych i są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. Ultradźwiękowa produkcja nanowymiarowych farmaceutyków, takich jak antybiotyki, leki przeciwwirusowe i inne leki, jest bardzo obiecująca, ponieważ te nanowymiarowe leki wykazują często znacznie wyższą szybkość wchłaniania, biodostępność i skuteczność. Dlatego też wiele ulepszonych preparatów leków obejmuje ultradźwięki w celu nanostrukturyzacji cząsteczek leków, enkapsulacji leków w nano-emulsje, nano-liposomy, niosomy, nanocząstki stałe-lipidowe (SLN), nano-strukturalne nośniki lipidowe (NLC) i inne nano-wielkości kompleksy inkluzyjne.

Ultradźwiękowa obróbka nanomateriałów o właściwościach antybakteryjnych jest również stosowana do syntezy materiałów nanostrukturalnych (np. nanosrebra, nano ZnO) i nakładania ich na tekstylia w celu wytworzenia antybakteryjnych tekstyliów medycznych i innych tkanin funkcjonalnych. Na przykład, jednoetapowy proces ultradźwiękowy jest stosowany do wytwarzania trwałych powłok tkanin bawełnianych z antybakteryjnymi nanocząstkami ZnO.

Jak działa ultradźwiękowa synteza materiałów nanostrukturalnych?

Ultradźwięki i sonochemia, czyli zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy w układach chemicznych, są szeroko stosowane do produkcji wysokiej jakości materiałów o rozmiarach nano (np. nanocząstek, nanoemulsji). Sonikacja i sonochemia umożliwiają lub ułatwiają produkcję wysokowydajnych materiałów o nanorozmiarach. Zaletą ultradźwiękowej syntezy nanocząstek jest prostota i skuteczność. Podczas gdy alternatywne metody produkcji materiałów nanostrukturalnych wymagają wysokich temperatur, ciśnień i / lub długich czasów reakcji, synteza ultradźwiękowa często pozwala na łatwą, szybką i wydajną produkcję nanomateriałów. Zarówno efekty sonochemiczne, jak i sonomechaniczne generowane przez ultradźwięki o wysokiej intensywności są odpowiedzialne za syntezę lub funkcjonalizację / modyfikację cząstek o rozmiarach nano. Sprzężenie fal ultradźwiękowych o dużej mocy z cieczami powoduje kawitację akustyczną: powstawanie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków i może być sklasyfikowane jako pierwotna sonochemia (chemia fazy gazowej zachodząca wewnątrz zapadających się pęcherzyków), wtórna sonochemia (chemia fazy roztworu zachodząca poza pęcherzykami) oraz sonomechaniczne / fizyczne modyfikacje (spowodowane przez szybkie strumienie cieczy, fale uderzeniowe i / lub zderzenia międzycząsteczkowe w zawiesinach). (por. Hinman i Suslick, 2017) Wpływ kawitacji na cząstki powoduje zmniejszenie ich wielkości, nanostrukturyzację (nanodyspersję, nanoemulsyfikację), a także funkcjonalizację i modyfikację cząstek.
Przeczytaj więcej o frezowaniu ultradźwiękowym i rozpraszaniu cząstek!

Sondy ultradźwiękowe do syntezy nanostrukturalnych farmaceutyków

Firma Hielscher Ultrasonic posiada wieloletnie doświadczenie w projektowaniu, produkcji, dystrybucji i serwisie wysokowydajnych homogenizatorów ultradźwiękowych dla przemysłu farmaceutycznego i spożywczego.
Przygotowanie wysokiej jakości nanocząstek leków, liposomów, stałych nanocząstek lipidowych, nanocząstek polimerowych, kompleksów cyklodekstrynowych i szczepionek to procesy, w których systemy ultradźwiękowe Hielscher są szeroko stosowane i cenione za wysoką niezawodność i najwyższą jakość produkcji. Ultradźwięki Hielscher pozwalają na precyzyjną kontrolę wszystkich parametrów procesu, takich jak amplituda, temperatura, ciśnienie i energia sonikacji. Inteligentne oprogramowanie automatycznie zapisuje wszystkie parametry sonikacji (czas, datę, amplitudę, energię netto, energię całkowitą, temperaturę, ciśnienie) na wbudowanej karcie SD. Ułatwia to znacznie kontrolę procesu i jakości oraz pomaga spełnić Dobre Praktyki Produkcyjne (GMP).

Miksery ultradźwiękowe dla każdej pojemności produktu

Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych, przez systemy stacjonarne i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności przetwarzania ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiedni ultradźwiękowy mikser ścinający dla wydajności procesu i celów. Pozwala to na opracowanie i przetestowanie aplikacji w małym laboratorium i skalowanie jej liniowo do wydajności produkcyjnej. Skalowanie z mniejszego mieszalnika ultradźwiękowego do wyższych wydajności przetwarzania jest bardzo proste, ponieważ proces mieszania ultradźwiękowego może być całkowicie skalowany liniowo z ustalonych parametrów procesu. Skalowanie w górę można wykonać, instalując mocniejszy mikser ultradźwiękowy lub grupując równolegle kilka ultrasonicatorów.
Mieszadła ultradźwiękowe są również wykorzystywane do sterylnej homogenizacji zawiesin ciecz-ciecz i ciało stałe-ciecz.

Wysokie amplitudy do cząstek nanostrukturalnych z wysoką wydajnością

Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Sonotrody ultradźwiękowe (rogi, sondy) i reaktory są autoklawowalne. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.

Łatwe testowanie bez ryzyka

Procesy ultradźwiękowe można skalować całkowicie liniowo. Oznacza to, że każdy wynik osiągnięty przy użyciu ultrasonografu laboratoryjnego lub stacjonarnego może być skalowany do dokładnie tej samej wydajności przy użyciu dokładnie tych samych parametrów procesu. Sprawia to, że ultradźwięki są idealne do opracowywania produktów, a następnie wdrażania ich do produkcji komercyjnej.

Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech

Jako firma rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych ultrasonografów firmy Hielscher.

Procesory ultradźwiękowe Hielscher można kupić w dowolnym rozmiarze i dokładnie skonfigurowane do wymagań procesu. Od obróbki płynów w małej zlewce laboratoryjnej do ciągłego mieszania przepływowego zawiesin i past na poziomie przemysłowym, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni wysokowydajny homogenizator dla Ciebie! Prosimy o kontakt – z przyjemnością polecimy Ci idealną konfigurację ultradźwiękową!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: