Ultrazvukové nanoštruktúrovanie antibiotík

Výroba antibiotík s podporou ultrazvuku môže zvýšiť ich účinnosť aj proti baktériám rezistentným voči liečivám: Rastúci počet bakteriálnych kmeňov rezistentných voči antibiotikám je stále nevyriešeným problémom, v dôsledku ktorého sa bakteriálne infekcie, ktoré sa v posledných desaťročiach úspešne liečili antibiotikami, opäť stávajú celosvetovou zdravotnou hrozbou. Ultrazvukové nanoštruktúrovanie antibiotík je sľubnou technikou na zvýšenie účinnosti antibiotík, ako je tetracyklín, proti baktériám rezistentným voči liečivám.

Antibiotiká a baktérie rezistentné voči antibiotikám

Antibiotická rezistencia vzniká vtedy, keď si mikroorganizmy, ako sú baktérie a huby, vyvinú schopnosť odolávať liečivám určeným na ich usmrtenie. To znamená, že mikroorganizmy nie sú usmrtené a naďalej rastú. Infekcie spôsobené mikroorganizmami rezistentnými voči antibiotikám sa liečia ťažko a niekedy je ich liečba nemožná.
Antibiotická rezistencia baktérií sa pripisuje nadmernému aj nesprávnemu používaniu antibiotík. Nadmerné a nesprávne používanie sa týka najmä nevhodného predpisovania a rozsiahleho používania v poľnohospodárstve
Pri bežných antibiotikách, ako sú penicilín, tetracyklín, meticilín, erytromycín, gentamicín, vankomycín, imipemen, ceftazidím, levofloxacín, linezolid, daptomycín a ceftraroline, určité bakteriálne kmene zmutovali a vyvinuli si antibiotickú rezistenciu.
Hlavná príčina vzniku baktérií rezistentných voči antibiotikám spočíva v nadmernom a nesprávnom používaní antibiotík. Pri každom podaní antibiotík pacientovi sa citlivé baktérie usmrtia. Ak sú však prítomné rezistentné baktérie, ktoré liečba liečivom neodstráni, rastú a množia sa. Opakované a nevhodné používanie antibiotík tak spôsobuje nárast počtu baktérií rezistentných voči liečivám.
Baktérie rezistentné voči viacerým liečivám (MDR) predstavujú vážnu zdravotnú hrozbu, pretože nereagujú na bežnú antibiotickú liečbu, ktorá má mikroorganizmy usmrtiť.
Spomedzi grampozitívnych patogénov v súčasnosti predstavuje najväčšiu hrozbu celosvetová pandémia rezistentných baktérií S. aureus (napr. meticilín-rezistentný Staphylococcus aureus; MRSA) a druhov rodu Enterococcus. Gramnegatívne patogény, ako sú Enterobacteriaceae (napr. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa a Acinetobacter, sa stávajú rezistentnými voči takmer všetkým dostupným možnostiam antibiotickej liečby.

Antibiotiká zmenšené ultrazvukom na nanometrovú veľkosť

Je známe, že liečivá s nanometrovou veľkosťou často prekonávajú molekuly liečiv s mikrometrovou veľkosťou vďaka rýchlejšiemu vstrebávaniu, vyššej biologickej dostupnosti a vyššej účinnosti. Antibiotiká sa široko používajú na liečbu bakteriálnych infekcií. Rýchly vznik čoraz väčšieho počtu bakteriálnych kmeňov rezistentných voči liečivám si však vyžaduje vývoj nových antibiotík alebo úpravu existujúcich antibiotík. Zmenšovanie veľkosti častíc antibiotík, ako je tetracyklín, pomocou sonikácie je jednou z jednoduchých, rýchlych a sľubných stratégií na zlepšenie účinnosti antibiotík proti nerezistentným aj rezistentným bakteriálnym kmeňom.
Prečítajte si viac o ultrazvukových nanosuspenziách účinných farmaceutických látok!

Ultrazvukom nanoštruktúrovaný tetracyklín

Kassirov et al. (2018) ošetrili tetracyklín ultrazvukom s cieľom zlepšiť účinnosť liečiva proti patogénom. Vo svojej štúdii použili Escherichia coli Nova Blue TcR, kmeň s antibiotickou rezistenciou, a E. coli 292–116 (bez rezistencie voči liečivám). Tetracyklín, bežné širokospektrálne antibiotikum, upravili pomocou priemyselného ultrazvukového prístroja UIP1000hdT (Hielscher, Nemecko; pozri obrázok vľavo). Výskumný tím zistil, že sonochemické spracovanie pomocou UIP1000hdT zvyšuje účinnosť antibakteriálnych vlastností až o 25% proti rezistentnému kmeňu a až o 100% proti citlivému kmeňu. Ani dlhodobé skladovanie nanoštruktúrovaného tetracyklínu pri +4ºC neznižuje jeho antimikrobiálne vlastnosti.
Parametre ultrazvukového spracovania, ako sú amplitúda, prívod energie a čas sonikácie, boli určené ako kritické faktory, ktoré ovplyvňujú zmenu antimikrobiálnych vlastností proti citlivým aj rezistentným bunkám.
Ultrazvukové spracovanie vedie k rovnomernejšiemu rozdeleniu veľkosti nanočastíc liečiva, čo by mohlo viesť k vyššej biologickej dostupnosti, biologickej prístupnosti a tým aj účinnosti molekúl tetracyklínu.
Získané údaje ukazujú, že sonochemická modifikácia antibiotík môže predstavovať nový sľubný a lacný prístup k vývoju nových liečiv účinných pri antibiotickej liečbe proti kmeňom rezistentným voči liekom.

Sonikácia tetracyklínu pomocou UIP1000hdT.
A – FTIR spektrá „voľného“ tetracyklínu; B – FTIR spektrá SN tetracyklínu po 5 min sonikácie; C – Histogram rozdelenia veľkosti „voľného“ tetracyklínu; D – Histogram rozdelenia veľkosti SN tetracyklínu po 5 min sonikácie.
Štúdia a obrázok od Kassirov et al. 2018.

Výhody liečiv nanoštruktúrovaných ultrazvukom

Ultrazvukové spracovanie ponúka obrovské možnosti syntézy širokého spektra nanoštruktúrovaných materiálov a využíva sa v mnohých priemyselných odvetviach. Ultrazvuková výroba farmaceutických prípravkov s nanometrovými rozmermi, ako sú antibiotiká, antivirotiká a iné lieky, je veľmi sľubná, pretože tieto liečivá s nanometrovými rozmermi často vykazujú výrazne vyššiu rýchlosť vstrebávania, biologickú dostupnosť a účinnosť. Preto príprava mnohých zdokonalených liekových formulácií zahŕňa ultrazvukové spracovanie s cieľom nanoštruktúrovať molekuly liečiv a zapuzdrovať liečivá do nanoemulzií, nanolipozómov, niozómov, pevných lipidových nanočastíc (SLNs), nanoštruktúrovaných lipidových nosičov (NLCs) a iných inklúznych komplexov s nanometrovými rozmermi.

Ultrazvukové spracovanie nanomateriálov s antibakteriálnymi vlastnosťami sa používa aj na syntézu nanoštruktúrovaných materiálov (napr. nanostriebra, nano ZnO) a na ich nanášanie na textílie s cieľom vyrábať antibakteriálne zdravotnícke textílie a iné funkčné tkaniny. Napríklad jednostupňový ultrazvukový proces sa používa na vytváranie trvanlivých povlakov bavlnených tkanín s antibakteriálnymi nanočasticami ZnO.

Ako funguje ultrazvuková syntéza nanoštruktúrovaných materiálov?

Pôsobenie ultrazvuku a sonochémia, ktorá predstavuje aplikáciu vysokovýkonného ultrazvuku na chemické systémy, sa široko využívajú na výrobu vysokokvalitných materiálov s nanometrovými rozmermi (napr. nanočastíc, nanoemulzií). Sonikácia a sonochémia umožňujú alebo uľahčujú výrobu materiálov s nanometrovými rozmermi a vynikajúcimi úžitkovými vlastnosťami. Výhodou ultrazvukovej syntézy nanočastíc je jednoduchosť a účinnosť. Zatiaľ čo alternatívne metódy výroby nanoštruktúrovaných materiálov vyžadujú vysoké teploty v celom objeme, vysoké tlaky a/alebo dlhé reakčné časy, ultrazvuková syntéza často umožňuje jednoduchú, rýchlu a efektívnu výrobu nanomateriálov. Za syntézu alebo funkcionalizáciu/modifikáciu častíc s nanometrovými rozmermi sú zodpovedné sonochemické aj sonomechanické účinky vyvolané ultrazvukom s vysokou intenzitou. Vnášanie vysokovýkonných ultrazvukových vĺn do kvapalín vedie k akustickej kavitácii: tvorbe, rastu a implozívnemu kolapsu bublín, pričom príslušné účinky možno rozdeliť na primárnu sonochémiu (chemické deje v plynnej fáze prebiehajúce vo vnútri kolabujúcich bublín), sekundárnu sonochémiu (chemické deje v roztoku prebiehajúce mimo bublín) a sonomechanické/fyzikálne modifikácie (spôsobené vysokorýchlostnými prúdmi kvapaliny, rázovými vlnami a/alebo zrážkami medzi časticami v suspenziách). (porov. Hinman a Suslick, 2017) Kavitačné pôsobenie na častice vedie k zmenšovaniu ich veľkosti, nanoštruktúrovaniu (nanodispergovaniu, nanoemulgácii), ako aj k funkcionalizácii a modifikácii častíc.
Prečítajte si viac o ultrazvukovom mletí a dispergovaní častíc!

Ultrazvukové sondy na syntézu nanoštruktúrovaných liečiv

Hielscher Ultrasonic má dlhoročné skúsenosti s navrhovaním, výrobou, distribúciou a servisom vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátorov pre farmaceutický a potravinársky priemysel.
Príprava vysokokvalitných častíc liečiv s nanometrovými rozmermi, lipozómov, tuhých lipidových nanočastíc, polymérnych nanočastíc, cyklodextrínových komplexov a vakcín patrí medzi procesy, pri ktorých sa ultrazvukové systémy Hielscher široko využívajú a sú cenené pre svoju vysokú spoľahlivosť a vynikajúcu kvalitu výsledných produktov. Ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú presné riadenie všetkých procesných parametrov, ako sú amplitúda, teplota, tlak a energia sonikácie. Inteligentný softvér automaticky zaznamenáva všetky parametre sonikácie (čas, dátum, amplitúdu, čistú energiu, celkovú energiu, teplotu, tlak) na zabudovanú SD kartu. To výrazne uľahčuje kontrolu procesu a kvality a pomáha plniť požiadavky správnej výrobnej praxe (GMP).

Ultrazvukové miešače pre každú výrobnú kapacitu

Sortiment spoločnosti Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov cez stolové a poloprevádzkové systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovania nákladných áut materiálu za hodinu. Kompletný sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejší ultrazvukový šmykový miešač pre kapacitu a ciele vášho procesu. Vďaka tomu môžete svoju aplikáciu vyvíjať a testovať v malom laboratórnom meradle a potom ju lineárne škálovať na výrobnú kapacitu. Zvyšovanie kapacity z menšieho ultrazvukového miešača na vyššie kapacity spracovania je veľmi jednoduché, pretože proces ultrazvukového miešania možno škálovať úplne lineárne na základe vašich zavedených procesných parametrov. Kapacitu možno zvýšiť buď inštaláciou výkonnejšieho ultrazvukového miešača, alebo paralelným zoskupením viacerých ultrazvukových prístrojov.
Ultrazvukové miešadlá sa využívajú aj na sterilnú homogenizáciu suspenzií typu kvapalina–kvapalina a tuhá látka–kvapalina.

Vysoké amplitúdy na nanoštruktúrovanie častíc s vysokou účinnosťou

Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Ultrazvukové sonotródy (akustické rohy, sondy) a reaktory možno sterilizovať v autokláve. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.

Jednoduché testovanie bez rizika

Ultrazvukové procesy možno škálovať úplne lineárne. To znamená, že každý výsledok, ktorý ste dosiahli pomocou laboratórneho alebo stolového ultrazvukového zariadenia, možno pri zvýšení kapacity reprodukovať s presne rovnakým výstupom pri použití presne rovnakých procesných parametrov. Vďaka tomu je ultrazvukové spracovanie ideálne na vývoj produktov a následné zavedenie do komerčnej výroby.

Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný podnik vlastnený a riadený rodinou kladie Hielscher pri svojich ultrazvukových procesoroch dôraz na najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové zariadenia sa navrhujú, vyrábajú a dôkladne testujú v našom sídle v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robia spoľahlivých pomocníkov vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou vlastnosťou vysokovýkonných ultrazvukových zariadení Hielscher.

Ultrazvukové procesory Hielscher si môžete kúpiť v rôznych veľkostiach a s konfiguráciou presne podľa požiadaviek vášho procesu. Od spracovania kvapalín v malej laboratórnej kadičke až po kontinuálne prietokové miešanie suspenzií a pást v priemyselnom meradle vám Hielscher Ultrasonics ponúka vhodný vysokovýkonný homogenizátor! Kontaktujte nás – radi vám odporučíme ideálnu ultrazvukovú zostavu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: