Ультразвуковое наноструктурирование антибиотиков

Производство антибиотиков с помощью ультразвука может повысить их эффективность даже против бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам: растущее число штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам, остаётся нерешённой проблемой, из-за которой бактериальные инфекции, успешно лечившиеся антибиотиками в последние десятилетия, вновь становятся угрозой для здоровья во всём мире. Ультразвуковое наноструктурирование антибиотиков – перспективный метод повышения эффективности таких антибиотиков, как тетрациклин, против бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам.

Антибиотики и бактерии, устойчивые к антибиотикам

Устойчивость к антибиотикам возникает, когда такие микроорганизмы, как бактерии и грибы, приобретают способность противостоять препаратам, предназначенным для их уничтожения. Это означает, что микроорганизмы не погибают и продолжают расти. Инфекции, вызванные микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам, трудно, а иногда невозможно лечить.
Устойчивость бактерий к антибиотикам связывают с чрезмерным, а также неправильным применением антибиотиков. Под чрезмерным и неправильным применением понимают главным образом необоснованные назначения и широкое использование в сельском хозяйстве.
В отношении таких распространённых антибиотиков, как penicilin, тетрациклин, метициллин, эритромицин, гентамицин, ванкомицин, imipemen, цефтазидим, левофлоксацин, линезолид, даптомицин и ceftraroline, некоторые штаммы бактерий мутировали и приобрели устойчивость к антибиотикам.
Основная причина появления бактерий, устойчивых к антибиотикам, заключается в чрезмерном и неправильном применении антибиотиков. Каждый раз, когда пациенту назначают антибиотики, чувствительные бактерии погибают. Однако если имеются устойчивые бактерии, которые не уничтожаются при медикаментозном лечении, они растут и размножаются. Таким образом, повторное и ненадлежащее применение антибиотиков приводит к увеличению числа бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам.
Бактерии с множественной лекарственной устойчивостью (MDR) представляют серьёзную угрозу для здоровья, поскольку они не реагируют на обычное лечение антибиотиками, которое должно уничтожать микроорганизмы.
Среди грамположительных патогенов наибольшую угрозу в настоящее время представляет глобальная пандемия устойчивых S. aureus (например, метициллин-резистентного Staphylococcus aureus; MRSA) и видов Enterococcus. Грамотрицательные патогены, такие как Enterobacteriaceae (например, Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter, становятся устойчивыми почти ко всем доступным вариантам антибиотикотерапии.

Антибиотики, уменьшенные до наноразмеров с помощью ультразвука

Известно, что наноразмерные лекарственные препараты часто превосходят молекулы лекарственных веществ микронного размера благодаря повышенной скорости всасывания, более высокой биодоступности и превосходящей эффективности. Антибиотики широко используются для лечения бактериальных инфекций. Однако быстрое появление всё большего числа штаммов бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам, делает необходимой разработку новых или модификацию существующих антибиотиков. Уменьшение размера частиц таких антибиотиков, как тетрациклин, путём обработки ультразвуком – одна из простых, быстрых и перспективных стратегий повышения эффективности антибиотиков против чувствительных и устойчивых штаммов бактерий.
Узнайте больше об ультразвуковом получении наносуспензий активных фармацевтических ингредиентов!

Тетрациклин, наноструктурированный с помощью ультразвука

Kassirov и соавт. (2018) обрабатывали тетрациклин ультразвуком для повышения эффективности препарата против патогенов. В своём исследовании они использовали Escherichia coli Nova Blue TcR – штамм с устойчивостью к антибиотикам – и E. coli 292–116 (без устойчивости к лекарственным препаратам). Тетрациклин, распространённый антибиотик широкого спектра действия, модифицировали с помощью промышленного ультразвукового аппарата UIP1000hdT (Hielscher, Германия; см. изображение слева). Исследовательская группа установила, что сонохимическая обработка с помощью UIP1000hdT повышает эффективность антибактериальных свойств на величину до 25% против устойчивого штамма и на величину до 100% против чувствительного штамма. Даже длительное хранение наноструктурированного тетрациклина при +4ºC не снижает его антимикробных свойств.
Параметры ультразвуковой обработки, такие как амплитуда, подводимая энергия и продолжительность обработки ультразвуком, были определены как критически важные факторы, влияющие на изменение антимикробных свойств в отношении как чувствительных, так и устойчивых клеток.
Ультразвуковая обработка обеспечивает более равномерное распределение наноразмерных частиц лекарственного вещества по размерам, что может привести к повышению биодоступности, биодоступности для всасывания и, следовательно, эффективности молекул тетрациклина.
Полученные данные показывают, что сонохимическая модификация антибиотиков может стать новым перспективным и недорогим подходом к разработке новых препаратов, эффективных для антибиотикотерапии против штаммов, устойчивых к лекарственным препаратам.

Обработка тетрациклина ультразвуком с помощью UIP1000hdT.
A – ИК-спектры с преобразованием Фурье «свободного» тетрациклина; B – ИК-спектры с преобразованием Фурье тетрациклина SN после 5 min обработки ультразвуком; C – гистограмма распределения «свободного» тетрациклина по размерам; D – гистограмма распределения тетрациклина SN по размерам после 5 min обработки ультразвуком.
Исследование и рисунок: Kassirov и соавт., 2018.

Преимущества лекарственных препаратов, наноструктурированных с помощью ультразвука

Обработка ультразвуком открывает огромные возможности для синтеза широкого спектра наноструктурированных материалов и применяется во многих отраслях промышленности. Ультразвуковое производство наноразмерных лекарственных препаратов, таких как антибиотики, противовирусные средства и другие лекарства, весьма перспективно, поскольку эти наноразмерные препараты часто демонстрируют значительно более высокую скорость всасывания, биодоступность и эффективность. Поэтому при получении многих усовершенствованных лекарственных составов применяют обработку ультразвуком для наноструктурирования молекул лекарственных веществ и инкапсулирования препаратов в наноэмульсии, нанолипосомы, ниосомы, твёрдые липидные наночастицы (SLNs), наноструктурированные липидные носители (NLCs) и другие наноразмерные комплексы включения.

Ультразвуковая обработка наноматериалов с антибактериальными свойствами также используется для синтеза наноструктурированных материалов (например, наносеребра, наноразмерного ZnO) и нанесения их на текстиль для производства антибактериального медицинского текстиля и других функциональных тканей. Например, одностадийный ультразвуковой процесс используется для создания долговечных покрытий хлопчатобумажных тканей с антибактериальными наночастицами ZnO.

Как работает ультразвуковой синтез наноструктурированных материалов?

Обработка ультразвуком и сонохимия, то есть применение ультразвука высокой мощности к химическим системам, широко используются для получения высококачественных наноразмерных материалов (например, наночастиц, наноэмульсий). Обработка ультразвуком и сонохимия позволяют получать высокоэффективные наноразмерные материалы или облегчают их получение. Преимущество ультразвукового синтеза наночастиц заключается в простоте и эффективности. В то время как альтернативные методы производства наноструктурированных материалов требуют высоких температур во всём объёме среды, высокого давления и/или длительного времени реакции, ультразвуковой синтез часто позволяет получать наноматериалы просто, быстро и эффективно. Как сонохимические, так и сономеханические эффекты, создаваемые ультразвуком высокой интенсивности, обеспечивают синтез или функционализацию/модификацию наноразмерных частиц. Передача ультразвуковых волн высокой мощности в жидкости приводит к акустической кавитации: образованию, росту и имплозивному схлопыванию пузырьков; при этом возможна классификация на первичную сонохимию (химические процессы в газовой фазе, происходящие внутри схлопывающихся пузырьков), вторичную сонохимию (химические процессы в фазе раствора, происходящие вне пузырьков) и сономеханические / физические модификации (вызванные высокоскоростными струями жидкости, ударными волнами и/или столкновениями частиц в суспензиях). (Ср. Hinman и Suslick, 2017.) Кавитационное воздействие на частицы приводит к уменьшению их размера, наноструктурированию (нанодиспергированию, наноэмульгированию), а также к функционализации и модификации частиц.
Узнайте больше об ультразвуковом измельчении и диспергировании частиц!

Ультразвуковые зонды для синтеза наноструктурированных лекарственных препаратов

Hielscher Ultrasonic обладает многолетним опытом проектирования, производства, поставки и обслуживания высокопроизводительных ультразвуковых гомогенизаторов для фармацевтической и пищевой промышленности.
Получение высококачественных наноразмерных частиц лекарственных веществ, липосом, твёрдых липидных наночастиц, полимерных наночастиц, циклодекстриновых комплексов и вакцин – процессы, в которых ультразвуковые системы Hielscher широко используются и ценятся за высокую надёжность и превосходное качество получаемой продукции. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно контролировать все параметры процесса, такие как амплитуда, температура, давление и энергия обработки ультразвуком. Интеллектуальное программное обеспечение автоматически записывает все параметры обработки ультразвуком (время, дату, амплитуду, полезную энергию, общую энергию, температуру, давление) на встроенную SD-карту. Это значительно облегчает контроль процесса и качества и помогает соблюдать требования надлежащей производственной практики (GMP).

Ультразвуковые смесители для любой производительности

Ассортимент Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр ультразвуковых процессоров: от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов, настольных и пилотных систем до полностью промышленных ультразвуковых процессоров, способных за час обрабатывать объёмы, соответствующие загрузке грузовых автомобилей. Полный ассортимент продукции позволяет нам предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой смеситель сдвигового действия с учётом производительности и целей вашего процесса. Это позволяет разрабатывать и испытывать ваш процесс в малом лабораторном масштабе, а затем линейно масштабировать его до производственной мощности. Переход от небольшого ультразвукового смесителя к более высокой производительности обработки очень прост, поскольку процесс ультразвукового смешивания можно полностью линейно масштабировать на основе установленных вами параметров процесса. Увеличение масштаба возможно либо путём установки более мощного ультразвукового смесителя, либо путём объединения нескольких ультразвуковых аппаратов для параллельной работы.
Ультразвуковые мешалки также используются для стерильной гомогенизации суспензий типа «жидкость–жидкость» и «твёрдое вещество–жидкость».

Высокие амплитуды для высокоэффективного наноструктурирования частиц

Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются непрерывно в режиме работы 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Ультразвуковые сонотроды (рупоры, зонды) и реакторы допускают автоклавирование. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.

Простые испытания без риска

Ультразвуковые процессы можно полностью линейно масштабировать. Это означает, что любой результат, достигнутый с помощью лабораторного или настольного ультразвукового аппарата, можно воспроизвести в увеличенном масштабе с точно таким же результатом, используя точно такие же параметры процесса. Благодаря этому обработка ультразвуком идеально подходит для разработки продукции и последующего внедрения в промышленное производство.

Высочайшее качество – разработано и произведено в Германии

Будучи предприятием, находящимся в семейной собственности и под семейным управлением, Hielscher отдаёт приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты проектируются, производятся и тщательно испытываются в нашей штаб-квартире в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надёжность ультразвукового оборудования Hielscher делают его рабочей лошадкой на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях – естественная характеристика высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов Hielscher.

Вы можете приобрести ультразвуковые процессоры Hielscher различных размеров, точно сконфигурированные под требования вашего процесса. От обработки жидкостей в небольшом лабораторном стакане до непрерывного смешивания суспензий и паст в проточном режиме в промышленных масштабах – Hielscher Ultrasonics предлагает подходящий для вас высокопроизводительный гомогенизатор! Свяжитесь с нами – мы будем рады порекомендовать вам идеальную ультразвуковую установку!

В таблице ниже приведены ориентировочные значения производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: