Ultrazvučna precipitacija superčestica kurkumina
- Budući da kurkuma sadrži samo 2-9 wt% kurkuminoida, potrebna je efikasna tehnika ekstrakcije ili sinteze kako bi se dobio medicinski potentan prah.
- Antiotapalska precipitacija potpomognuta ultrazvukom vrlo je efikasna metoda za sintezu čestica kurkumina.
- Ultrazvučna antiotapalska precipitacija može se lako povećati na proizvodnju velikih količina visokokvalitetnog kurkumina.
Kurkumin
Kurkumin, polifenol, lijek je slabo topiv u vodi koji se nalazi u biljnom začinu kurkumi (Curcuma longa). Sadrži vrlo potentne antioksidanse i poznat je po svojim protuupalnim, protutumorskim, antifungalnim i antimikrobnim svojstvima. Kurkumin se kao preferirani ljekoviti spoj koristi naročito zbog širokog spektra kemopreventivnih i kemoterapijskih aktivnosti.
Kao potentan antioksidans, kurkumin povećava serumsku aktivnost antioksidanasa kao što je superoksid dismutaza (SOD) te uklanja i neutralizira slobodne radikale kao što su reaktivne vrste kisika i dušika (ROS i RNS). Osim toga, pojačava aktivnost tjelesnih antioksidativnih enzima. Poznato je i da kurkumin smanjuje srčane bolesti i poboljšava funkciju mozga. Zbog ovih brojnih povoljnih ljekovitih svojstava kurkumin se široko koristi kao začin, dodatak prehrani i lijek.
Ultrazvučna precipitacija tekućim antiotapalom
Precipitacija tekućim antiotapalom (LAS) potpomognuta ultrazvukom jednostavna je i brza tehnika sinteze u jednom koraku za proizvodnju nanočestica kurkumina s ortorombskom superstrukturom. Ultrazvučna antiotapalska precipitacija jednostavan je, brz i skalabilan proces koji omogućava precipitaciju visokokvalitetnog kurkumina u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji.
Hipotetizirani mehanizam nastanka superčestica kurkumina u odsustvu i prisustvu ultrazvuka bez stabilizatora. Slika © 2014 Thorat et al.
Protokol ultrazvučne precipitacije:
Za ultrazvučnu precipitaciju čestica kurkumina organska otopina kurkumina u etanolu (5 mg/mL) dodaje se u 100mL vode koja sadrži surfaktant (0,02 wt% u vodi) ili ne sadrži surfaktant. Kao reakcijska posuda koristi se staklena posuda s košuljicom volumena oko 500mL, promjera 7cm i omjera L/D od 1,7. Temperatura smjese se stalno održava na 1ºC. Za proces ultrazvučne precipitacije sonotroda ultrazvučnog homogenizatora, kao što je UP200Ht ili UP200St opremljenog sonotrodom S26d14, uranja se u smjesu otapala i antiotapala. Pri postavci amplitude od 100% i 10min ultrazvučne obrade smjesa je dispergirana.
Vrijeme ultrazvučne obrade omogućava manipulaciju polimorfizmom kristala kurkumina. Kada se trajanje ultrazvučne obrade produži, povećava se udio ortorombskih čestica. To ukazuje da povećanje ultrazvučne energije pospješuje nastanak ortorombskog oblika u odnosu na monoklinski, bez obzira na korišteni aditiv.
[usp. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultrazvučni procesor za precipitaciju API-ja
Poboljšana bioraspoloživost ultrazvučnom enkapsulacijom
Budući da je kurkumin lipofilna molekula i slabo topiv u vodi (= hidrofoban), ima nisku sistemsku bioraspoloživost. Stoga je potrebno pripremiti formulacije kurkumina koje poboljšavaju njegovu bioraspoloživost. Za pripremu vodenih otopina kurkumina dodaju se surfaktanti, lipidi, albumini, ciklodekstrini, biopolimeri itd. kako bi se molekule kurkumina enkapsulirale ili učitale u liposome, nanočestice i druge nosače lijekova.
Ultrazvučna obrada je vrlo efikasna i pouzdana tehnika za formuliranje nosača lijekova kao što su liposomi, jezgro-ljuska nanočestice, biopolimeri i dvostruke emulzije! U nastavku se nalazi primjer protokola za ultrazvučnu enkapsulaciju kurkumina.
Protokol ultrazvučne enkapsulacije kurkumina:
Nanočestice poli(mliječne-ko-glikolne kiseline) (PLGA) napunjene kurkuminom
- Prvo se PLGA polimer otapa u etil-acetatu. Dodaje se kurkumin (15% w/w) i ostavlja da se otopi uz povremeno vorteksiranje otopine.
- Smjesa čvrste tvari u ulju dodaje se u vodenu fazu PVA (w/v) kako bi se formirala S-O/W emulzija. Zatim se otopina lijeka/polimera u PVA vorteksira pri 8.000 rpm.
- Dobivena otopina se ultrazvučno obrađuje približno 300sec pri amplitudi od 45% ultrazvučnim homogenizatorom kao što je UP200Ht ili UP200St (200W, 26kHz). Odmah nakon ultrazvučne obrade emulzija se ulijeva u vodenu fazu (0,1% PVA u vodi; 200mL) radi difuzije uz brzo miješanje magnetnom mješalicom.
- Ova koloidna suspenzija se kontinuirano miješa magnetnom mješalicom dok se ne završi isparavanje otapala. Zatim se nanočestice prikupljaju centrifugiranjem i ispiru 3 puta destilovanom Milli Q vodom. Na kraju se resuspendiraju u otopini krioprotektanta (saharoza (2 %w/w) i trehaloza (5% w/w)), suše na liofilizatoru ATR FD3.0 i mogu se čuvati na 4°C najmanje 6 mjeseci.
[usp. Ranjan et al. 2012]
Ultrazvučni procesori za precipitaciju i formulaciju kurkumina
Hielscher Ultrasonics nudi visokoučinkovitu ultrazvučnu opremu za sintezu nanočestica (npr. API-ja) i ekstrakciju botaničkih spojeva. Naš asortiman obuhvata sofisticirane laboratorijske, stolne i industrijske ultrazvučne uređaje, koji omogućavaju razvoj primjena od malog do komercijalnog obima. Svi rezultati dobiveni u laboratorijskim i pilot ispitivanjima mogu se potpuno linearno povećati na nivo komercijalne proizvodnje. Svi sistemi su građeni za rad 24/7, robusni su i jednostavni za upotrebu.
Serija UIPxxxxhdT obuhvata naše ultrazvučne sisteme industrijske klase, koji se mogu koristiti za stolne primjene, optimizaciju procesa i industrijsku proizvodnju. Naši industrijski sistemi dostupni su kao 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) i 16.000W (UIP16000, najsnažniji ultrazvučni uređaj na svijetu). Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu raditi kontinuirano 24/7 pri vrlo visokim amplitudama do 200µm. Za još veće amplitude Hielscher nudi sonotrode izrađene po narudžbi. Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava pouzdan rad danonoćno pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Za sve naše ultrazvučne sisteme nudimo širok spektar pribora kao što su sonotrode, booster sonotrode, protočne ćelije i reaktori različitih veličina, oblika i geometrija. Pomoću ovih alata ultrazvučne procesore lako je optimalno prilagoditi traženim uvjetima procesa.
Za precipitaciju i sintezu odozdo prema gore Hielscher nudi jedinstveni umetak za protočnu ćeliju – MultiPhaseCavitator MPC48. Pomoću MultiPhaseCavitatora druga faza (antiotapalo) se kroz 48 finih kanila ubrizgava direktno u zonu ultrazvučne kavitacije, gdje se u roku od nekoliko milisekundi miješa s prvom fazom. Kao rezultat, precipitiraju homogene nanočestice.
Snažna ultrazvučna obrada od laboratorija i stolnih uređaja do industrijske proizvodnje.
Literatura/reference
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumin: pregled njegovih učinaka na zdravlje ljudi. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Putevi nastanka čestica i polimorfizam kurkumina izazvani ultrazvukom i aditivima tokom precipitacije tekućim antiotapalom. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Povećanje obima, optimizacija i analiza stabilnosti nanočestica napunjenih kompleksom kurkumina C3 za terapiju raka. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Činjenice vrijedne znanja
Kurkumin
Kurkumin je žuto obojeno hemijsko jedinjenje koje se nalazi u kurkumi. Kurkuma je rizomatska zeljasta višegodišnja biljka (Curcuma longa) iz porodice đumbira. Kurkumin je polifenol koji se ekstrahira iz rizoma i široko se koristi kao začin. Ovisno o porijeklu i uvjetima tla u kojem se uzgaja, kurkuma sadrži 2%–9% kurkuminoida. Kurkumin je glavni kurkuminoid kurkume (Curcuma longa, Zingiberaceae). Koristi se kao dodatak prehrani, ljekoviti spoj, aditiv za aromatiziranje i bojenje hrane te kao kozmetički sastojak.
Prečišćeni oblik kurkumina, koji se sastoji samo od sljedeće tri glavne komponente – kurkumina, bisdemetoksikurkumina i demetoksikurkumina – naziva se i kompleks kurkumina C3. Čisti kurkumin može se izdvojiti iz C3 smjese kurkumina, bisdemetoksi kurkumina i demetoksi kurkumina kolonskom hromatografijom.
Što se tiče farmakoloških svojstava, čisti, nemodificirani kurkumin ima veliki problem: zbog slabe topivosti u vodi, a time i slabe bioraspoloživosti, nemodificirani kurkumin ne može ispoljiti svoje terapijske učinke, nego se brzo metabolizira u jetri i crijevnom zidu. Kako bi se prevazišla niska stopa apsorpcije kurkumina, aktivne molekule se enkapsuliraju u nanonosače (npr. liposome, nanosfere) ili se vežu na nanokomplekse (npr. nanočestice, komplekse fosfolipida, ciklodekstrina i čvrste disperzije). Osim toga, bioraspoloživost kurkumina može se povećati za približno 2000% kada se njegova doza kombinira s piperinom, koji je ekstrakt crnog papra.
Zbog ovih činjenica nanoformulirani kurkumin (nanokurkumin) preferirani je oblik doziranja kurkumina, jer kurkumin u nanoobliku prevazilazi ranije spomenute probleme isporuke lijeka. Nanokurkumin može ispoljiti svoja terapijska svojstva zahvaljujući poboljšanoj isporuci do oboljelog tkiva, boljoj internalizaciji i smanjenoj sistemskoj eliminaciji.
Kurkumin je dostupan u više oblika isporuke, uključujući prahove, kapsule, tablete, masti, prehrambene napitke i kozmetičke kreme.
Medicinske primjene kurkumina
Kurkumin se široko istražuje zbog svojih brojnih oblika upotrebe u medicini i prehrani. Istraživanja su pokazala da kurkumin ima visoku antioksidativnu aktivnost, koja izaziva apoptozu ćelija, inhibira proliferaciju ćelija, adheziju i pokretljivost ćelija te nudi antiangiogena i antimikrobna svojstva. Zbog ovih učinaka kurkumin se primjenjuje kao lijek za liječenje raznih upalnih bolesti, raka, neurodegenerativnih bolesti, kardiovaskularnih bolesti te dijabetesa.
Ultrazvučno pripremljeni nanooblici primjene kurkumina u medicinskoj terapiji obuhvataju nanočestice, liposome, micele, nanoemulzije, komplekse ciklodekstrina, nanodiskove, nanovlakna, čvrste lipidne nanočestice i konjugate kurkumina. Ovi nanodimenzionirani oblici doziranja prevazilaze slabu bioraspoloživost kurkumina i omogućavaju ciljanu i efikasnu isporuku visokopotentnog lijeka kurkumina.
Hemijska struktura kurkumina
Kurkumin je simetrična molekula, poznata i kao diferuloilmetan. IUPAC naziv kurkumina je (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, s hemijskom formulom C21H20O6. Kristali kurkumina mogu se pojaviti u različitim oblicima, kao što su monoklinski (igličasti), ortorombski (nalik zrnu riže) i amorfni oblik.