Ультразвукове наноструктурування антибіотиків

Виробництво антибіотиків із застосуванням ультразвуку може підвищити їхню ефективність навіть проти бактерій, стійких до лікарських засобів: зростання кількості штамів бактерій, стійких до антибіотиків, залишається невирішеною проблемою, через яку бактеріальні інфекції, що протягом останніх десятиліть успішно лікували антибіотиками, знову стають загрозою здоров’ю в усьому світі. Ультразвукове наноструктурування антибіотиків – перспективний метод підвищення ефективності антибіотиків, таких як тетрациклін, проти бактерій, стійких до лікарських засобів.

Антибіотики та бактерії, стійкі до антибіотиків

Стійкість до антибіотиків виникає, коли мікроорганізми, такі як бактерії та гриби, розвивають здатність протистояти препаратам, призначеним для їх знищення. Це означає, що мікроорганізми не гинуть і продовжують рости. Інфекції, спричинені стійкими до антибіотиків мікроорганізмами, важко, а іноді й неможливо лікувати.
Стійкість бактерій до антибіотиків пов’язують із надмірним, а також неправильним застосуванням антибактеріальних препаратів. Під надмірним і неправильним застосуванням мають на увазі переважно неналежне призначення та широке використання в сільському господарстві
Певні штами бактерій мутували й розвинули стійкість до таких поширених антибіотиків, як penicilin, тетрациклін, метицилін, еритроміцин, гентаміцин, ванкоміцин, imipemen, цефтазидим, левофлоксацин, лінезолід, даптоміцин і ceftraroline.
Основна причина появи бактерій, стійких до антибіотиків, полягає в надмірному та неправильному застосуванні антибактеріальних препаратів. Щоразу, коли пацієнтові вводять антибіотики, чутливі бактерії гинуть. Проте якщо є стійкі бактерії, які не знищуються медикаментозним лікуванням, вони ростуть і розмножуються. Отже, повторне та неналежне застосування антибіотиків призводить до збільшення кількості бактерій, стійких до лікарських засобів.
Бактерії з множинною лікарською стійкістю (MDR) становлять серйозну загрозу здоров’ю, оскільки не реагують на звичайне лікування антибіотиками, яке має знищувати ці мікроорганізми.
Серед грампозитивних патогенів найбільшу загрозу наразі становить глобальна пандемія, спричинена стійкими S. aureus (наприклад, метицилінорезистентним Staphylococcus aureus; MRSA) та видами Enterococcus. Грамнегативні патогени, такі як Enterobacteriaceae (наприклад, Klebsiella pneumoniae), Pseudomonas aeruginosa та Acinetobacter, стають стійкими майже до всіх доступних антибактеріальних препаратів.

Антибіотики, зменшені до нанорозміру за допомогою ультразвуку

Відомо, що нанорозмірні фармацевтичні препарати часто перевершують молекули лікарських засобів мікронного розміру завдяки вищій швидкості всмоктування, більшій біодоступності та вищій ефективності. Антибіотики широко застосовують для лікування бактеріальних інфекцій. Проте швидка поява дедалі більшої кількості штамів бактерій, стійких до лікарських засобів, зумовлює необхідність розроблення нових або модифікації наявних антибактеріальних препаратів. Зменшення розміру частинок антибіотиків, таких як тетрациклін, за допомогою ультразвукової обробки – одна з простих, швидких і перспективних стратегій підвищення ефективності антибіотиків проти нестійких і стійких штамів бактерій.
Дізнайтеся більше про ультразвукове отримання наносуспензій активних фармацевтичних інгредієнтів!

Тетрациклін, наноструктурований за допомогою ультразвуку

Kassirov та співавт. (2018) обробляли тетрациклін ультразвуком, щоб підвищити ефективність препарату проти патогенів. У своєму дослідженні вони використовували Escherichia coli Nova Blue TcR, штам зі стійкістю до антибіотиків, та E. coli 292–116 (без стійкості до лікарських засобів). Тетрациклін, поширений антибіотик широкого спектра дії, модифікували за допомогою промислового ультразвукового процесора UIP1000hdT (Hielscher, Німеччина; див. зображення ліворуч). Дослідницька група встановила, що сонохімічна обробка за допомогою UIP1000hdT підвищує ефективність антибактеріальних властивостей до 25% проти резистентного штаму та до 100% проти чутливого штаму. Навіть тривале зберігання наноструктурованого тетрацикліну за температури +4ºC не знижує його антимікробних властивостей.
Такі параметри ультразвукової обробки, як амплітуда, підведена енергія та тривалість ультразвукової обробки, були визначені як критичні чинники, що впливають на зміну антимікробних властивостей щодо як чутливих, так і резистентних клітин.
Ультразвукова обробка забезпечує більш рівномірний розподіл нанорозмірних частинок лікарського засобу за розмірами, що може сприяти підвищенню біодоступності, біодоступності для всмоктування і, відповідно, ефективності молекул тетрацикліну.
Отримані дані свідчать, що сонохімічна модифікація антибіотиків може стати новим перспективним і дешевим підходом до розроблення нових лікарських засобів, ефективних для антибіотикотерапії проти стійких до лікарських засобів штамів.

Ультразвукова обробка тетрацикліну за допомогою UIP1000hdT.
A – ІЧ-спектри з перетворенням Фур’є (FTIR) «вільного» тетрацикліну; B – ІЧ-спектри з перетворенням Фур’є (FTIR) тетрацикліну SN після 5 min ультразвукової обробки; C – гістограма розподілу «вільного» тетрацикліну за розмірами; D – гістограма розподілу тетрацикліну SN за розмірами після 5 min ультразвукової обробки.
Дослідження та рисунок: Kassirov et al. 2018.

Переваги лікарських засобів, наноструктурованих за допомогою ультразвуку

Ультразвукова обробка відкриває величезні можливості для синтезу широкого спектра наноструктурованих матеріалів і застосовується в багатьох галузях промисловості. Ультразвукове виробництво нанорозмірних фармацевтичних препаратів, таких як антибіотики, противірусні та інші лікарські засоби, є надзвичайно перспективним, оскільки ці нанорозмірні препарати часто демонструють значно вищі швидкість всмоктування, біодоступність та ефективність. Тому під час розроблення багатьох удосконалених лікарських форм застосовують ультразвукову обробку для наноструктурування молекул лікарських речовин, інкапсулювання лікарських засобів у наноемульсії, наноліпосоми, ніосоми, тверді ліпідні наночастинки (SLNs), наноструктуровані ліпідні носії (NLCs) та інші нанорозмірні комплекси включення.

Ультразвукову обробку наноматеріалів з антибактеріальними властивостями також застосовують для синтезу наноструктурованих матеріалів (наприклад, наносрібла, нано-ZnO) та їх нанесення на текстиль для виготовлення антибактеріального медичного текстилю й інших функціональних тканин. Наприклад, одностадійний ультразвуковий процес використовують для створення стійких покриттів бавовняних тканин з антибактеріальними наночастинками ZnO.

Як працює ультразвуковий синтез наноструктурованих матеріалів?

Ультразвукова обробка та сонохімія, тобто застосування ультразвуку високої потужності до хімічних систем, широко використовуються для отримання високоякісних нанорозмірних матеріалів (наприклад, наночастинок, наноемульсій). Ультразвукова обробка та сонохімія уможливлюють або полегшують виробництво нанорозмірних матеріалів із високими експлуатаційними характеристиками. Перевагами ультразвукового синтезу наночастинок є простота та ефективність. Тоді як альтернативні методи виробництва наноструктурованих матеріалів потребують високих температур у всьому об’ємі середовища, високого тиску та / або тривалого часу реакції, ультразвуковий синтез часто дає змогу легко, швидко й ефективно отримувати наноматеріали. Як сонохімічні, так і сономеханічні ефекти, що виникають під дією високоінтенсивного ультразвуку, зумовлюють синтез або функціоналізацію/модифікацію нанорозмірних частинок. Введення ультразвукових хвиль високої потужності в рідини спричиняє акустичну кавітацію: утворення, ріст та імплозійне схлопування бульбашок, і може класифікуватися як первинна сонохімія (хімічні процеси в газовій фазі всередині бульбашок, що схлопуються), вторинна сонохімія (хімічні процеси у фазі розчину поза бульбашками) та сономеханічні / фізичні модифікації (спричинені високошвидкісними струменями рідини, ударними хвилями та/або зіткненнями частинок у суспензіях). (Див. Hinman and Suslick, 2017) Кавітаційний вплив на частинки спричиняє зменшення їхнього розміру, наноструктурування (нанодиспергування, наноемульгування), а також функціоналізацію та модифікацію частинок.
Дізнайтеся більше про ультразвукове подрібнення та диспергування частинок!

Ультразвукові зонди для синтезу наноструктурованих фармацевтичних препаратів

Hielscher Ultrasonic має багаторічний досвід проєктування, виробництва, постачання та сервісного обслуговування високопродуктивних ультразвукових гомогенізаторів для фармацевтичної та харчової промисловості.
Отримання високоякісних нанорозмірних частинок лікарських засобів, ліпосом, твердих ліпідних наночастинок, полімерних наночастинок, циклодекстринових комплексів і вакцин – це процеси, у яких широко використовуються ультразвукові системи Hielscher, що цінуються за високу надійність і виняткову якість кінцевої продукції. Ультразвукові апарати Hielscher дають змогу точно контролювати всі параметри процесу, як-от амплітуду, температуру, тиск та енергію ультразвукової обробки. Інтелектуальне програмне забезпечення автоматично реєструє всі параметри ультразвукової обробки (час, дату, амплітуду, чисту енергію, загальну енергію, температуру, тиск) на вбудованій SD-карті. Це значно полегшує контроль процесу та якості й допомагає дотримуватися вимог належної виробничої практики (GMP).

Ультразвукові змішувачі для будь-якої виробничої потужності

Асортимент Hielscher Ultrasonics охоплює весь спектр ультразвукових процесорів – від компактних лабораторних ультразвукових апаратів, настільних і пілотних систем до повністю промислових ультразвукових процесорів, здатних за годину обробляти обсяги, що дорівнюють вантажу кількох вантажівок. Повний асортимент дає нам змогу запропонувати вам ультразвуковий змішувач зі зсувною дією, який найкраще відповідає продуктивності та цілям вашого процесу. Це дає вам змогу розробляти й випробовувати свій технологічний процес у малому лабораторному масштабі, а потім лінійно масштабувати його до виробничої потужності. Перехід від меншого ультразвукового змішувача до вищої продуктивності обробки дуже простий, оскільки процес ультразвукового змішування можна масштабувати цілком лінійно на основі вже встановлених вами параметрів процесу. Збільшити масштаб можна, установивши потужніший ультразвуковий змішувач або об’єднавши кілька ультразвукових апаратів у кластер для паралельної роботи.
Ультразвукові мішалки також використовуються для стерильної гомогенізації суспензій типу рідина–рідина та тверде тіло–рідина.

Високі амплітуди для високоефективного наноструктурування частинок

Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Роботу з амплітудами до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні ультразвукові сонотроди, виготовлені на замовлення. Ультразвукові сонотроди (рупори, зонди) та реактори можна автоклавувати. Міцність ультразвукового обладнання Hielscher дає змогу працювати в режимі 24/7 за високих навантажень і в складних умовах.

Просте випробування без ризику

Ультразвукові процеси можна масштабувати повністю лінійно. Це означає, що кожен результат, якого ви досягли за допомогою лабораторного або настільного ультразвукового апарата, можна відтворити в іншому масштабі з точно таким самим результатом, використовуючи точно такі самі параметри процесу. Це робить ультразвукову обробку ідеальною для розроблення продукції та подальшого впровадження в комерційне виробництво.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як підприємство, що перебуває в сімейній власності та під сімейним управлінням, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові апарати розробляють, виготовляють і ретельно випробовують у нашому головному офісі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність і надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його «робочою конячкою» вашого виробництва. Робота в режимі 24/7 за повного навантаження та в складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних ультразвукових апаратів Hielscher.

Ви можете придбати ультразвукові процесори Hielscher будь-якого розміру, точно сконфігуровані відповідно до вимог вашого процесу. Від обробки рідин у невеликій лабораторній склянці до безперервного проточного змішування суспензій і паст у промислових масштабах – Hielscher Ultrasonics пропонує відповідний високопродуктивний гомогенізатор для вас! Зв’яжіться з нами – ми радо порекомендуємо вам ідеальну ультразвукову установку!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів: