Ultrazvuková precipitace superčástic kurkuminu
- Protože kurkuma obsahuje pouze 2–9 wt% kurkuminoidů, je k získání léčebně účinného prášku nezbytná efektivní extrakční nebo syntézní technika.
- Ultrazvukem asistovaná antisolventní precipitace je vysoce účinná metoda syntézy částic kurkuminu.
- Ultrazvukovou antisolventní precipitaci lze snadno převést do měřítka výroby velkých množství vysoce kvalitního kurkuminu.
Kurkumin
Kurkumin, polyfenol, je ve vodě špatně rozpustné léčivo, které se nachází v bylinném koření kurkumě (Curcuma longa). Obsahuje vysoce účinné antioxidanty a je známý svými protizánětlivými, protinádorovými, protiplísňovými a antimikrobiálními vlastnostmi. Zejména pro své široké spektrum chemopreventivních a chemoterapeutických účinků se kurkumin používá jako preferovaná léčivá látka.
Jako silný antioxidant kurkumin zvyšuje sérovou aktivitu antioxidantů, jako je superoxiddismutáza (SOD), a vychytává a neutralizuje volné radikály, jako jsou reaktivní formy kyslíku a dusíku (ROS a RNS). Dále zvyšuje aktivitu tělu vlastních antioxidačních enzymů. Kurkumin je také známý tím, že omezuje srdeční onemocnění a zlepšuje funkci mozku. Díky těmto rozmanitým prospěšným léčivým vlastnostem se kurkumin široce používá jako koření, doplněk stravy a léčivo.
Ultrazvuková kapalinová antisolventní precipitace
Ultrazvukem asistovaná kapalinová antisolventní (LAS) precipitace je jednoduchá a rychlá technika syntézy v jedné nádobě (one-pot) pro výrobu nanočástic kurkuminu s ortorombickou superstrukturou. Ultrazvuková antisolventní precipitace je jednoduchý, rychlý a škálovatelný proces, který umožňuje precipitaci vysoce kvalitního kurkuminu ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu.
Předpokládaný mechanismus tvorby superčástic kurkuminu bez ultrazvuku a za přítomnosti ultrazvuku bez stabilizátorů. Obrázek © 2014 Thorat et al.
Protokol ultrazvukové precipitace:
Pro ultrazvukovou precipitaci částic kurkuminu se organický roztok kurkuminu v ethanolu (5 mg/mL) přidá do 100mL vody obsahující povrchově aktivní látku (0,02 wt% ve vodě) nebo bez povrchově aktivní látky. Jako reakční nádoba se používá skleněná nádoba s pláštěm o objemu cca 500mL, průměru 7cm a poměru L/D 1,7. Teplota směsi se trvale udržuje na 1ºC. Pro proces ultrazvukové precipitace se sonotroda ultrazvukového homogenizátoru, jako je UP200Ht nebo UP200St vybaveného sonotrodou S26d14, ponoří do směsi rozpouštědla a antisolventu. Při nastavení amplitudy 100% a 10min. sonikaci byla směs dispergována.
Doba sonikace umožňuje ovlivňovat polymorfismus krystalů kurkuminu. Při prodloužení doby sonikace se zvyšuje podíl ortorombických částic. To naznačuje, že zvýšení ultrazvukové energie podporuje tvorbu ortorombické formy oproti monoklinické formě bez ohledu na použité aditivum.
[srov. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultrazvukový procesor pro precipitaci API
Zlepšená biologická dostupnost díky ultrazvukové enkapsulaci
Protože kurkumin je lipofilní molekula a je ve vodě špatně rozpustný (= hydrofobní), má nízkou systémovou biologickou dostupnost. Proto je nutné připravovat formulace kurkuminu, které zvyšují jeho biologickou dostupnost. Pro přípravu vodných roztoků kurkuminu se přidávají povrchově aktivní látky, lipidy, albuminy, cyklodextriny, biopolymery atd., aby se molekuly kurkuminu enkapsulovaly nebo navázaly do lipozomů, nanočástic a jiných nosičů léčiv.
Ultrazvuková úprava je vysoce účinná a spolehlivá technika pro formulaci nosičů léčiv, jako jsou lipozomy, jádro-obalové nanočástice, biopolymery a dvojité emulze! Níže naleznete příkladový protokol ultrazvukové enkapsulace kurkuminu.
Protokol ultrazvukové enkapsulace kurkuminu:
Nanočástice z kyseliny poly(mléčné-co-glykolové) (PLGA) nesoucí kurkumin
- Nejprve se polymer PLGA rozpustí v ethylacetátu. Přidá se kurkumin (15% w/w) a nechá se rozpustit za občasného vortexování roztoku.
- Směs pevné látky v oleji se přidá do vodné fáze PVA (w/v) za vzniku emulze S-O/W. Poté se roztok léčiva/polymeru v PVA vortexuje při 8 000 rpm.
- Výsledný roztok se sonikuje po dobu cca 300sec při amplitudě 45% ultrazvukovým homogenizátorem, jako je UP200Ht nebo UP200St (200W, 26kHz). Bezprostředně po sonikaci se emulze vlije do vodné fáze (0,1% PVA ve vodě; 200mL) k difuzi za rychlého míchání magnetickým míchadlem.
- Tato koloidní suspenze se nepřetržitě míchá magnetickým míchadlem, dokud se rozpouštědlo zcela neodpaří. Poté se nanočástice oddělí odstředěním a 3krát promyjí destilovanou vodou Milli Q. Nakonec se resuspendují v kryoprotektivním roztoku (sacharóza (2 %w/w) a trehalóza (5% w/w)), vysuší se na lyofilizačním systému ATR FD3.0 a lze je skladovat při 4°C po dobu nejméně 6 měsíců.
[srov. Ranjan et al. 2012]
Ultrazvukové procesory pro precipitaci a formulaci kurkuminu
Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro syntézu nanočástic (např. API) a extrakci rostlinných látek. Náš sortiment zahrnuje sofistikované laboratorní, stolní a průmyslové ultrazvukové přístroje, které umožňují vývoj aplikací od malého až po komerční měřítko. Všechny výsledky získané při laboratorních a pilotních testech lze zcela lineárně převést na úroveň komerční výroby. Všechny systémy jsou konstruovány pro provoz 24/7, jsou robustní a snadno se obsluhují.
Řada UIPxxxxhdT zahrnuje naše ultrazvukové systémy průmyslové třídy, které lze použít pro stolní aplikace, optimalizaci procesů a průmyslovou výrobu. Naše průmyslové systémy jsou k dispozici ve výkonech 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) a 16 000W (UIP16000, nejvýkonnější ultrazvukový přístroj na světě). Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics mohou pracovat nepřetržitě 24/7 při velmi vysokých amplitudách až 200µm. Pro ještě vyšší amplitudy nabízí Hielscher zákaznické ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje spolehlivý nepřetržitý provoz při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Pro všechny naše ultrazvukové systémy nabízíme široké spektrum příslušenství, jako jsou sonotrody, boostery, průtokové cely a reaktory různých velikostí, tvarů a geometrií. Pomocí těchto nástrojů lze naše ultrazvukové procesory snadno a optimálně přizpůsobit požadovaným procesním podmínkám.
Pro precipitaci a syntézu bottom-up nabízí Hielscher unikátní vložku průtokové cely – MultiPhaseCavitator MPC48. U MultiPhaseCavitatoru se druhá fáze (antisolvent) vstřikuje 48 jemnými kanylami přímo do zóny ultrazvukové kavitace, kde se během milisekund vmísí do první fáze. Výsledkem je precipitace homogenních nanočástic.
Výkonná sonikace od laboratoře a stolních zařízení po průmyslovou výrobu.
Literatura a reference
- Hewlings, S.J.; Kalman, DS (2017): Kurkumin: Přehled jeho účinků na lidské zdraví. Jídla. 2017 říjen; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Particle formation pathways and polymorphism of curcumin induced by ultrasound and additives during liquid antisolvent precipitation. CrystEngComm, 2014, 16, 11 102-11 114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Škálování, optimalizace a analýza stability nanočástic s komplexem kurkuminu C3 pro léčbu rakoviny. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Zajímavá fakta
Kurkumin
Kurkumin je žlutě zbarvená chemická sloučenina obsažená v kurkumě. Kurkuma je oddenková bylinná vytrvalá rostlina (Curcuma longa) z čeledi zázvorovitých. Kurkumin je polyfenol, který se extrahuje z oddenků a široce se používá jako koření. V závislosti na původu a půdních podmínkách, v nichž je pěstována, obsahuje kurkuma 2%–9% kurkuminoidů. Kurkumin je hlavním kurkuminoidem kurkumy (Curcuma longa, Zingiberaceae). Používá se jako doplněk stravy, léčivá látka, potravinářské aromatizační a barvicí aditivum i jako kosmetická složka.
Purifikovaná forma kurkuminu, která se skládá pouze z následujících tří hlavních složek – kurkuminu, bisdemethoxykurkuminu a demethoxykurkuminu –, se také označuje jako komplex kurkuminu C3. Čistý kurkumin lze oddělit ze směsi C3 kurkuminu, bisdemethoxykurkuminu a demethoxykurkuminu sloupcovou chromatografií.
Z hlediska farmakologických vlastností má čistý, nemodifikovaný kurkumin velký problém: kvůli své špatné rozpustnosti ve vodě, a tím i špatné biologické dostupnosti nemůže nemodifikovaný kurkumin rozvinout své terapeutické účinky, ale je rychle metabolizován v játrech a ve střevní stěně. K překonání nízké míry absorpce kurkuminu se účinné molekuly enkapsulují do nanonosičů (např. lipozomů, nanosfér) nebo se navazují na nanokomplexy (např. nanočástice, komplexy fosfolipidů, cyklodextriny a pevné disperze). Dále lze biologickou dostupnost kurkuminu zvýšit přibližně o 2000%, pokud se jeho dávka kombinuje s piperinem, což je extrakt z černého pepře.
Z těchto důvodů je nanoformulovaný kurkumin (nanokurkumin) preferovanou lékovou formou kurkuminu, protože kurkumin v nanoformě překonává výše uvedené problémy s dodáváním léčiva. Nanokurkumin může rozvinout své terapeutické vlastnosti díky lepšímu dodání do nemocné tkáně, lepší internalizaci a snížené systémové eliminaci.
Kurkumin je k dispozici v mnoha lékových formách, včetně prášků, kapslí, tablet, mastí, nutričních nápojů a kosmetických krémů.
Lékařské aplikace kurkuminu
Kurkumin byl široce zkoumán z hlediska rozmanitých forem využití v medicíně a výživě. Výzkum ukázal, že kurkumin má vysokou antioxidační aktivitu, která indukuje apoptózu buněk, inhibuje proliferaci buněk, působí proti adhezi a motilitě buněk a poskytuje antiangiogenní a antimikrobiální vlastnosti. Díky těmto účinkům se kurkumin používá jako léčivo k léčbě různých zánětlivých onemocnění, nádorových onemocnění, neurodegenerativních onemocnění, kardiovaskulárních onemocnění i diabetu.
Ultrazvukem připravené nanoaplikační formy kurkuminu pro lékařskou terapii zahrnují nanočástice, lipozomy, micely, nanoemulze, cyklodextrinové komplexy, nanodisky, nanovlákna, pevné lipidové nanočástice a konjugáty kurkuminu. Tyto lékové formy nanometrové velikosti překonávají špatnou biologickou dostupnost kurkuminu a umožňují cílené a účinné dodání vysoce účinného kurkuminového léčiva.
Chemická struktura kurkuminu
Kurkumin je symetrická molekula, známá také jako diferuloylmethan. Název kurkuminu podle IUPAC je (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, s chemickým vzorcem C21H20O6. Krystaly kurkuminu se mohou vyskytovat v různých tvarech, jako je monoklinická (jehlicovitá), ortorombická (podobná rýžovým zrnům) a amorfní forma.