Ултразвуково утаяване на суперчастици от куркумин
- Тъй като куркумата съдържа само 2–9 wt% куркуминоиди, е необходима ефективна техника за екстракция или синтез, за да се получи прах с мощно лечебно действие.
- Утаяването с антиразтворител, подпомагано с ултразвук, е високоефективен метод за синтез на частици от куркумин.
- Ултразвуковото утаяване с антиразтворител може лесно да се мащабира за производство на големи количества висококачествен куркумин.
Куркумин
Куркуминът е полифенол и слабо разтворимо във вода лекарствено вещество, което се съдържа в растителната подправка куркума (Curcuma longa). Той съдържа антиоксиданти с много мощно действие и е известен със своите противовъзпалителни, противоракови, противогъбични и антимикробни свойства. Куркуминът се използва като предпочитано лекарствено съединение особено заради широкия си спектър от химиопрофилактични и химиотерапевтични действия.
Като мощен антиоксидант куркуминът повишава серумната активност на антиоксиданти като супероксиддисмутаза (SOD) и улавя и неутрализира свободни радикали като реактивните кислородни и азотни видове (ROS и RNS). Освен това той повишава активността на собствените антиоксидантни ензими на организма. Известно е също, че куркуминът намалява сърдечните заболявания и подобрява мозъчната функция. Поради тези многобройни полезни лечебни свойства куркуминът се използва широко като подправка, добавка и лекарство.
Ултразвуково утаяване с течен антиразтворител
Утаяването с течен антиразтворител (LAS), подпомагано с ултразвук, е проста и бърза техника за синтез в един съд за получаване на наночастици от куркумин с орторомбична суперструктура. Ултразвуковото утаяване с антиразтворител е прост, бърз и мащабируем процес, който позволява утаяването на висококачествен куркумин във фармацевтичната и хранителната промишленост.
Предполагаем механизъм на образуване на суперчастици от куркумин при отсъствие и наличие на ултразвук без стабилизатори. Изображение © 2014 Thorat et al.
Протокол за ултразвуково утаяване:
За ултразвуковото утаяване на частици от куркумин органичен разтвор на куркумин в етанол (5 mg/mL) се добавя към 100mL вода, съдържаща повърхностноактивно вещество (0,02 wt% във вода), или към вода без повърхностноактивно вещество. Като реакционен съд се използва стъклен съд с риза с обем приблизително 500mL, диаметър 7cm и съотношение L/D 1,7. Температурата на сместа се поддържа постоянно на 1ºC. За процеса на ултразвуково утаяване сонотродът на ултразвуков хомогенизатор като UP200Ht или UP200St със сонотрод S26d14 се потапя в сместа от разтворител и антиразтворител. При настройка на амплитудата 100% и ултразвукова обработка в продължение на 10min. сместа се диспергира.
Времето на ултразвукова обработка позволява контролиране на полиморфизма на кристалите на куркумина. Когато продължителността на ултразвуковата обработка се увеличава, процентът на орторомбичните частици нараства. Това показва, че увеличаването на ултразвуковата енергия благоприятства образуването на орторомбичната форма спрямо моноклинната форма, независимо от използваната добавка.
[вж. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – ултразвуков процесор с мощност 1kW за утаяване на активни фармацевтични съставки (API)
Подобрена бионаличност чрез ултразвуково капсулиране
Тъй като куркуминът е липофилна молекула и е слабо разтворим във вода (= хидрофобен), той има ниска системна бионаличност. Затова е необходимо да се приготвят формулации на куркумин, които повишават неговата бионаличност. За приготвяне на водни разтвори на куркумин се добавят повърхностноактивни вещества, липиди, албумини, циклодекстрини, биополимери и др., за да се капсулират или включат молекулите на куркумина в липозоми, наночастици и други лекарствени носители.
Ултразвуковата обработка е високоефективна и надеждна техника за приготвяне на лекарствени носители като липозоми, наночастици тип „ядро–обвивка“, биополимери и двойни емулсии! По-долу е представен примерен протокол за ултразвуково капсулиране на куркумин.
Протокол за ултразвуково капсулиране на куркумин:
Наночастици от съполимер на млечна и гликолова киселина (PLGA), заредени с куркумин
- Първо полимерът PLGA се разтваря в етилацетат. Добавя се куркумин (15% w/w) и се оставя да се разтвори, като разтворът периодично се разбърква с вортекс.
- Сместа от твърдо вещество в масло се добавя към водна фаза на PVA (w/v), за да се образува емулсия S-O/W. След това разтворът на лекарството/полимера в PVA се разбърква с вортекс при 8 000 rpm.
- Полученият разтвор се обработва с ултразвук за приблизително 300sec при амплитуда 45% с ултразвуков хомогенизатор като UP200Ht или UP200St (200W, 26kHz). Непосредствено след ултразвуковата обработка емулсията се излива във водната фаза (0,1% PVA във вода; 200mL) за дифузия при бързо разбъркване с магнитна бъркалка.
- Тази колоидна суспензия се разбърква непрекъснато с магнитна бъркалка до пълното изпаряване на разтворителя. След това наночастиците се събират чрез центрофугиране и се промиват 3 пъти с дестилирана вода Milli Q. Накрая те се ресуспендират в разтвор на криопротектори (захароза (2 %w/w) и трехалоза (5% w/w)), изсушават се в лиофилизатор ATR FD3.0 и могат да се съхраняват при 4°C в продължение на поне 6 месеца.
[вж. Ranjan et al. 2012]
Ултразвукови процесори за утаяване и формулиране на куркумин
Hielscher Ultrasonics предлага високопроизводително ултразвуково оборудване за синтез на наночастици (напр. активни фармацевтични съставки (API)) и екстракция на съединения от растения. Нашата продуктова гама включва усъвършенствани лабораторни, настолни и промишлени ултразвукови устройства, което позволява разработването на приложения от малък до промишлен мащаб. Всички резултати, получени при лабораторни и пилотни изпитвания, могат да бъдат мащабирани напълно линейно до ниво на промишлено производство. Всички системи са проектирани за работа 24/7, здрави са и са лесни за използване.
Серията UIPxxxxhdT обхваща нашите ултразвукови системи от промишлен клас, които могат да се използват за работа в настолен мащаб, оптимизиране на процеси и промишлено производство. Нашите промишлени системи се предлагат във варианти 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) и 16 000W (UIP16000, най-мощното ултразвуково устройство в света). Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да работят непрекъснато 24/7 при много високи амплитуди до 200µm. За още по-високи амплитуди Hielscher предлага ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява надеждна денонощна работа при тежки натоварвания и в среда с високи изисквания.
За всички наши ултразвукови системи предлагаме широк спектър от принадлежности, като сонотроди, усилващи рупори, проточни клетки и реактори с различни размери, форми и геометрии. С тези принадлежности нашите ултразвукови процесори могат лесно да бъдат оптимално адаптирани към необходимите условия на процеса.
За утаяване и синтез по подхода „отдолу нагоре“ Hielscher предлага уникална вложка за проточна клетка – MultiphaseCavitator MPC48. С MultiphaseCavitator втората фаза (антиразтворителят) се инжектира през 48 тънки канюли директно в зоната на ултразвукова кавитация, където в рамките на милисекунди се смесва с първата фаза. В резултат се утаяват хомогенни наночастици.
Мощна ултразвукова обработка от лабораторен и настолен мащаб до промишлено производство.
Литература/Източници
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Куркумин: преглед на неговите ефекти върху човешкото здраве. Foods. 2017 окт.; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Пътища на образуване на частици и полиморфизъм на куркумина, предизвикани от ултразвук и добавки при утаяване с течен антиразтворител. CrystEngComm, 2014, 16, 11 102–11 114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Мащабиране, оптимизиране и анализ на стабилността на наночастици, заредени с Curcumin C3 complex, за терапия на рак. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Полезни факти
Куркумин
Куркуминът е химично съединение с жълт цвят, което се съдържа в куркумата. Куркумата е коренищно многогодишно тревисто растение (Curcuma longa) от семейство Джинджифилови. Куркуминът е полифенол, който се извлича от коренищата и се използва широко като подправка. В зависимост от произхода си и почвените условия, при които се отглежда, куркумата съдържа 2%–9% куркуминоиди. Куркуминът е основният куркуминоид в куркумата (Curcuma longa, Zingiberaceae). Той се използва като добавка, лекарствено съединение, добавка за овкусяване и оцветяване на храни, както и като козметична съставка.
Пречистена форма на куркумин, която се състои само от следните три основни компонента – куркумин, бисдеметоксикуркумин и деметоксикуркумин – се нарича също комплекс куркумин C3. Чистият куркумин може да бъде отделен от сместа C3 от куркумин, бисдеметоксикуркумин и деметоксикуркумин чрез колонна хроматография.
По отношение на фармакологичните си свойства чистият, немодифициран куркумин има сериозен проблем: поради слабата си разтворимост във вода и произтичащата от това ниска бионаличност немодифицираният куркумин не може да разгърне терапевтичните си ефекти, а се метаболизира бързо в черния дроб и чревната стена. За да се преодолее ниската степен на абсорбция на куркумина, активните молекули се капсулират в наноносители (напр. липозоми, наносфери) или се зареждат върху нанокомплекси (напр. наночастици, комплекси на фосфолипиди, циклодекстрини и твърди дисперсии). Освен това бионаличността на куркумина може да се увеличи с приблизително 2000%, когато дозата му се комбинира с пиперин, който е екстракт от черен пипер.
Поради тези факти куркуминът в наноформулация (нанокуркумин) е предпочитаната лекарствена форма на куркумин, тъй като куркуминът в наноформа преодолява гореспоменатите проблеми с доставянето на лекарството. Нанокуркуминът може да разгърне терапевтичните си свойства благодарение на подобреното доставяне до болната тъкан, по-доброто навлизане в клетките и намаленото системно елиминиране.
Куркуминът се предлага в множество форми за прилагане, включително прахове, капсули, таблетки, мехлеми, хранителни напитки и козметични кремове.
Медицински приложения на куркумина
Куркуминът е широко изследван заради многобройните си форми на употреба в медицината и храненето. Изследванията показват, че куркуминът има висока антиоксидантна активност, която предизвиква клетъчна апоптоза, потиска клетъчната пролиферация, противодейства на клетъчната адхезия и подвижност и проявява антиангиогенни и антимикробни свойства. Поради тези ефекти куркуминът се прилага като лекарство за лечение на различни възпалителни заболявания, ракови заболявания, невродегенеративни заболявания, сърдечносъдови заболявания, както и диабет.
Приготвените с ултразвук наноформи за прилагане на куркумин за медицинска терапия включват наночастици, липозоми, мицели, наноемулсии, циклодекстринови комплекси, нанодискове, нановлакна, твърди липидни наночастици и конюгати на куркумин. Тези лекарствени форми с нанометрични размери преодоляват ниската бионаличност на куркумина и позволяват целево и ефективно доставяне на лекарство с куркумин с мощно действие.
Химична структура на куркумина
Куркуминът е симетрична молекула, известна също като диферулоилметан. Наименованието на куркумина по IUPAC е (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, с химична формула C21H20O6. Кристалите на куркумина могат да се срещат в различни форми, като моноклинна (игловидна), орторомбична (подобна на оризово зърно) и аморфна форма.