Ultraljud nanostrukturering av antibiotika

Ultraljudsassisterad produktion av antibiotika kan öka deras effektivitet, även mot läkemedelsresistenta bakterier: Det ökande antalet antibiotikaresistenta bakteriestammar är ett fortfarande olöst problem som gör bakterieinfektioner, som framgångsrikt har behandlats med antibiotika under de senaste decennierna, till ett världsomspännande hälsohot igen. Ultraljud nanostrukturering av antibiotika är en lovande teknik för att öka effektiviteten av antibiotika som tetracyklin mot läkemedelsresistenta bakterier.

Antibiotika och antibiotikaresistenta bakterier

Antibiotikaresistens uppstår när bakterier som bakterier och svampar utvecklar förmågan att besegra de läkemedel som är utformade för att döda dem. Det betyder att bakterierna inte dödas och fortsätter att växa. Infektioner som orsakas av antibiotikaresistenta bakterier är svåra, och ibland omöjliga, att behandla.
Bakteriers antibiotikaresistens tillskrivs överanvändning och felaktig användning av antibiotika. Med överanvändning och missbruk avses främst osaklig förskrivning och omfattande användning inom jordbruket
För vanliga antibiotika som penicilin, tetracyklin, meticillin, erytromycin, gentamicin, vankomycin, imipemen, ceftazidim, levofloxacin, linezolid, daptomycin och ceftrarolin har vissa bakteriestammar muterat och utvecklat antibiotikaresistens.
Den främsta orsaken till utvecklingen av antibiotikaresistenta bakterier ligger i överanvändning och missbruk av antibiotika. Varje gång en patient får antibiotika dödas känsliga bakterier. Men om det finns resistenta bakterier, som inte utrotas av läkemedelsbehandlingen, växer de och förökar sig. Upprepad och olämplig användning av antibiotika leder till en ökning av läkemedelsresistenta bakterier.
Multiresistenta bakterier (MDR) är ett allvarligt hälsohot eftersom de inte svarar på vanlig antibiotikabehandling, som är tänkt att döda bakterierna.
Bland grampositiva patogener har en global pandemi av resistent S. aureus (t.ex. meticillinresistenta Staphylococcus aureus; MRSA) och Enterococcus utgör för närvarande det största hotet. Gramnegativa patogener som Enterobacteriaceae (t.ex. Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa och Acinetobacter blir resistenta mot nästan alla tillgängliga antibiotikaalternativ.

Ultraljudsantibiotika i nanostorlek

Läkemedel i nanostorlek är kända för att överträffa läkemedelsmolekyler i mikronstorlek, ofta på grund av ökade absorptionshastigheter, högre biotillgänglighet och överlägsen effektivitet. Antibiotika används i stor utsträckning för att behandla bakteriella infektioner. Den snabba utvecklingen av fler och fler läkemedelsresistenta bakteriestammar gör det dock nödvändigt att utveckla nya eller modifiera befintliga antibiotika. Att minska partikelstorleken hos antibiotika såsom tetracyklin via ultraljudsbehandling är en enkel, snabb och lovande strategi för att förbättra effektiviteten av antibiotika mot icke-resistenta och resistenta bakteriestammar.
Läs mer om ultraljudsnanosuspensioner av farmaceutiska API:er!

Ultraljud nanostrukturerad tetracyklin

Kassirov et al. (2018) behandlade tetracyklin ultraljud för att förbättra läkemedlets effektivitet mot patogener. I studien använde de Escherichia coli Nova Blue TcR, en stam med antibiotikaresistens, och E. coli 292–116 (utan läkemedelsresistens). Tetracyklin, ett vanligt bredspektrum antibiotikum, modifierades med hjälp av industriell ultraljudsapparat UIP1000hdT (Hielscher, Tyskland; se bild till vänster). Forskargruppen fann att den sonokemiska behandlingen med UIP1000hdT ökar effektiviteten av antibakteriella egenskaper med upp till 25 % mot den resistenta stammen och upp till 100 % mot den känsliga stammen. Inte ens en långvarig lagring av den nanostrukturerade tetracyklinen vid +4ºC minskar de antimikrobiella egenskaperna.
Ultraljudsbearbetningsparametrarna såsom amplitud, energitillförsel och ultraljudsbehandling tid bestämdes som kritiska faktorer som påverkar förändringen i antimikrobiella egenskaper mot både känsliga och resistenta celler.
Ultraljudsbehandlingen resulterar i en mer enhetlig partikelstorleksfördelning av läkemedelspartiklar i nanostorlek, vilket kan leda till en högre biotillgänglighet, biotillgänglighet och därmed effektivitet hos tetracyklinmolekylerna.
De erhållna resultaten visar att sonokemisk modifiering av antibiotika kan vara ett nytt lovande och billigt tillvägagångssätt för utveckling av nya läkemedel som är effektiva för antibiotikabehandling mot läkemedelsresistenta stammar.

Ultraljudsbehandling av tetracyklin med UIP1000hdT.
A – FTIR-spektra av "fri" tetracyklin; B - FTIR-spektra av SN-tetracyklin efter 5 minuters ultraljudsbehandling; C – Histogram för storleksfördelning av "fri" tetracyklin. D – Storleksfördelning histogram av SN tetracyklin efter 5 min ultraljudsbehandling.
Studie och figur av Kassirov et al. 2018.

Fördelar med ultraljud nanostrukturerade läkemedel

Ultraljud erbjuder enorma möjligheter för syntes av ett brett spektrum av nanostrukturerade material och används i många industrier. Ultraljudsproduktion av läkemedel i nanostorlek som antibiotika, antivirala medel och andra läkemedel är mycket lovande eftersom dessa läkemedel i nanostorlek ofta visar en betydligt högre absorptionshastighet, biotillgänglighet och effektivitet. Därför innebär många förbättrade läkemedelsformuleringar ultraljud för att nanostrukturera läkemedelsmolekyler, kapsla in läkemedel i nano-emulsioner, nano-liposomer, niosomer, fasta lipid nanopartiklar (SLN), nano-strukturerade lipid bär (NLC), och andra nano-storlek inklusionskomplex.

Ultraljudsbehandling av nanomaterial med antibakteriella egenskaper används också för att syntetisera nanostrukturerade material (t.ex. nanosilver, nano ZnO) och för att tillämpa dem på textilier för att tillverka antibakteriella medicinska textilier och andra funktionella tyger. Till exempel används en ultraljudsprocess i ett steg för att tillverka hållbara beläggningar av bomullstyger med antibakteriella ZnO-nanopartiklar.

Hur fungerar ultraljudssyntes av nanostrukturerade material?

Ultraljud och sonokemi, som är tillämpningen av ultraljud med hög effekt på kemiska system, används i stor utsträckning för att producera högkvalitativa material i nanostorlek (t.ex. nanopartiklar, nanoemulsioner). Ultraljudsbehandling och sonokemi möjliggör eller underlättar produktionen av högpresterande material i nanostorlek. Fördelen med ultraljudssyntes av nanopartiklar är enkelheten och effektiviteten. Medan alternativa produktionsmetoder för nanostrukturerade material kräver höga bulktemperaturer, tryck och / eller långa reaktionstider, möjliggör ultraljudssyntes ofta en enkel, snabb och effektiv produktion av nanomaterial. Både sonokemiska och sonomekaniska effekter som genereras av högintensiva ultraljud är ansvariga för syntes eller funktionalisering/modifiering av partiklar i nanostorlek. Koppling av ultraljudsvågor med hög effekt till vätskor resulterar i akustisk kavitation: bildning, tillväxt och implosiv kollaps av bubblor, och kan kategoriseras som primär sonokemi (gasfaskemi som förekommer inuti kollapsande bubblor), sekundär sonokemi (lösningsfaskemi som förekommer utanför bubblorna) och sonomekaniska / fysiska modifieringar (orsakade av höghastighetsvätskestrålar, stötvågor och/eller kollisioner mellan partiklar i uppslamningar). (jfr Hinman och Suslick, 2017) Den kavitationella effekten på partiklar resulterar i storleksminskning, nanostrukturering (nanodispersion, nanoemulgering), såväl som i partikelfunktionalisering och modifiering.
Läs mer om ultraljudsfräsning och dispergering av partiklar!

Ultraljudssonder för syntes av nanostrukturerade läkemedel

Hielscher Ultrasonic har lång erfarenhet av design, tillverkning, distribution och service av högpresterande ultraljudshomogenisatorer för läkemedels- och livsmedelsindustrin.
Framställningen av högkvalitativa läkemedelspartiklar i nanostorlek, liposomer, fasta lipidnanopartiklar, polymera nanopartiklar, cyklodextrinkomplex och vacciner är processer där Hielscher ultraljudssystem används i stor utsträckning och värderas för sin höga tillförlitlighet och överlägsna kvalitet. Hielscher ultraljudsapparater möjliggör exakt kontroll över alla processparametrar, såsom amplitud, temperatur, tryck och ultraljudsbehandling energi. Den intelligenta programvaran automatiskt protokoll alla ultraljudsbehandling parametrar (tid, datum, amplitud, nettoenergi, total energi, temperatur, tryck) på det inbyggda SD-kortet. Detta underlättar process- och kvalitetskontroll avsevärt och hjälper till att uppfylla god tillverkningspraxis (GMP).

Ultraljudsmixers för alla produktkapaciteter

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer från kompakta labb ultraljudsapparater över bänk-top och pilotsystem till fullt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudsmixern för din processkapacitet och dina mål. På så sätt kan du utveckla och testa ditt program i en liten labbstorlek och skala det sedan linjärt till produktionskapacitet. Uppskalningen från en mindre ultraljudsmixer till högre bearbetningskapacitet är mycket enkel eftersom ultraljudsblandningsprocessen kan skalas helt linjärt från dina etablerade processparametrar. Uppskalning kan göras genom att antingen installera en kraftfullare ultraljudsmixerenhet eller klustra flera ultraljudsapparater parallellt.
Ultraljudsomrörare används också för steril homogenisering av flytande-vätska och fast-vätske suspensioner.

Höga amplituder till nanostrukturpartiklar med hög effektivitet

Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Ultraljudssonotroder (horn, sonder) och reaktorer är autoklaverbara. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.

Enkel, riskfri testning

Ultraljudsprocesser kan vara helt linjärt skalade. Detta innebär att varje resultat som du har uppnått med hjälp av ett laboratorium eller bänkskiva ultraljud, kan skalas till exakt samma utdata med exakt samma processparametrar. Detta gör ultraljud idealiskt för produktutveckling och efterföljande implementering i kommersiell tillverkning.

Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och grundligt testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. 24/7 drift under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande ultraljudsapparater.

Du kan köpa Hielscher ultraljudsprocessorer i vilken annan storlek som helst och exakt konfigurerade efter dina processkrav. Från behandling av vätskor i en liten labbbägare till kontinuerlig genomströmningsblandning av slam och pastor på industriell nivå, erbjuder Hielscher Ultrasonics en lämplig högpresterande homogenisator för dig! Kontakta oss gärna – Vi är glada att kunna rekommendera dig den perfekta ultraljudsinställningen!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: