Ultralydsudfældning af curcumin-superpartikler
- Da gurkemeje kun indeholder 2–9 wt% curcuminoider, er en effektiv ekstraktions- eller synteseteknik nødvendig for at opnå et medicinsk potent pulver.
- Ultralydsassisteret antisolventudfældning er en yderst effektiv metode til at syntetisere curcuminpartikler.
- Antisolventudfældning med ultralyd kan let opskaleres til produktion af store mængder curcumin af høj kvalitet.
Curcumin
Curcumin, en polyfenol, er et lægemiddelstof med lav vandopløselighed, som findes i krydderiet gurkemeje (Curcuma longa). Det indeholder meget potente antioxidanter og er kendt for sine antiinflammatoriske, kræfthæmmende, svampehæmmende og antimikrobielle egenskaber. Curcumin anvendes som et foretrukket lægemiddelstof især på grund af dets brede spektrum af kemopræventive og kemoterapeutiske virkninger.
Som en potent antioxidant øger curcumin serumaktiviteten af antioxidanter såsom superoxiddismutase (SOD) og opfanger og neutraliserer frie radikaler såsom reaktive ilt- og kvælstofforbindelser (ROS og RNS). Desuden øger det aktiviteten af kroppens egne antioxidative enzymer. Curcumin er også kendt for at mindske hjertesygdomme og forbedre hjernefunktionen. På grund af disse mange gavnlige medicinske egenskaber anvendes curcumin i vid udstrækning som krydderi, kosttilskud og lægemiddel.
Udfældning med flydende antisolvent ved hjælp af ultralyd
Ultralydsassisteret udfældning med flydende antisolvent (LAS) er en enkel og hurtig synteseteknik i én beholder til fremstilling af curcumin-nanopartikler med ortorombisk superstruktur. Antisolventudfældning med ultralyd er en enkel, hurtig og skalerbar proces, som muliggør udfældning af curcumin af høj kvalitet i lægemiddel- og fødevareindustrien.
Hypotetisk mekanisme for dannelsen af curcumin-superpartikler uden og med ultralyd uden stabilisatorer. Billede © 2014 Thorat et al.
Protokol for ultralydsudfældning:
Til ultralydsudfældning af curcuminpartikler tilsættes en organisk opløsning af curcumin i ethanol (5 mg/mL) til 100mL vand med et overfladeaktivt stof (0,02 wt% i vand) eller uden overfladeaktivt stof. Som reaktionsbeholder anvendes en glasbeholder med kappe med et volumen på ca. 500mL, en diameter på 7cm og et L/D-forhold på 1,7. Blandingens temperatur holdes konstant på 1ºC. Til ultralydsudfældningen nedsænkes sonotroden på en ultralydshomogenisator såsom UP200Ht eller UP200St udstyret med en S26d14-sonotrode i blandingen af solvent og antisolvent. Ved en amplitudeindstilling på 100% og 10min. sonikering dispergeres blandingen.
Sonikeringstiden gør det muligt at påvirke curcuminkrystallernes polymorfi. Når sonikeringstiden forlænges, øges procentdelen af ortorombiske partikler. Dette indikerer, at en stigning i ultralydsenergien fremmer dannelsen af den ortorombiske form frem for den monokline form, uanset hvilket tilsætningsstof der anvendes.
[jf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultralydsprocessor til udfældning af aktive lægemiddelstoffer (API)
Forbedret biotilgængelighed ved ultralydsindkapsling
Da curcumin er et lipofilt molekyle og kun er lidt opløseligt i vand (= hydrofobt), har det en lav systemisk biotilgængelighed. Derfor er det nødvendigt at fremstille curcuminformuleringer, som forbedrer dets biotilgængelighed. Til fremstilling af vandige curcuminopløsninger tilsættes overfladeaktive stoffer, lipider, albuminer, cyclodextriner, biopolymerer osv. for at indkapsle eller inkorporere curcuminmolekylerne i liposomer, nanopartikler og andre lægemiddelbærere.
Sonikering er en yderst effektiv og pålidelig teknik til at formulere lægemiddelbærere såsom liposomer, kerne-skal-nanopartikler, biopolymerer og dobbeltemulsioner! Nedenfor findes et eksempel på en protokol for ultralydsindkapsling af curcumin.
Protokol for ultralydsindkapsling af curcumin:
Curcuminholdige nanopartikler af poly(mælkesyre-co-glykolsyre) (PLGA)
- Først opløses PLGA-polymeren i ethylacetat. Curcumin (15% w/w) tilsættes og får lov til at opløses, mens opløsningen vortexblandes med mellemrum.
- Blandingen af fast stof i olie tilsættes til en vandig fase af PVA (w/v) for at danne en S-O/W-emulsion. Derefter vortexblandes opløsningen af lægemidlet/polymeren i PVA ved 8.000 rpm.
- Den resulterende opløsning sonikeres i ca. 300sec ved 45% amplitude med en ultralydshomogenisator såsom UP200Ht eller UP200St (200W, 26kHz). Umiddelbart efter sonikering hældes emulsionen i den vandige fase (0,1% PVA i vand; 200mL) med henblik på diffusion under hurtig omrøring med en magnetomrører.
- Denne kolloide suspension omrøres kontinuerligt med en magnetomrører, indtil fordampningen af opløsningsmidlet er afsluttet. Derefter opsamles nanopartiklerne ved centrifugering og vaskes 3 gange med destilleret Milli Q-vand. Til sidst resuspenderes de i en kryobeskyttende opløsning (saccharose (2 %w/w) og trehalose (5% w/w)), tørres i et ATR FD3.0-frysetørringssystem og kan opbevares ved 4°C i mindst 6 måneder.
[jf. Ranjan et al. 2012]
Ultralydsprocessorer til udfældning og formulering af curcumin
Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende ultralydsudstyr til syntese af nanopartikler (f.eks. APIs) og ekstraktion af forbindelser fra planter. Vores produktsortiment omfatter avancerede ultralydsapparater til laboratorier, bordopstilling og industri, som muliggør udvikling af anvendelser fra lille til kommerciel skala. Alle resultater opnået ved laboratorie- og pilotforsøg kan opskaleres fuldstændig lineært til kommercielt produktionsniveau. Alle systemer er bygget til drift 24/7, er robuste og nemme at bruge.
Serien UIPxxxxhdT omfatter vores ultralydssystemer i industrikvalitet, som kan anvendes til bordopstilling, procesoptimering og industriel produktion. Vores industrielle systemer fås som 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) og 16.000W (UIP16000, verdens kraftigste ultralydsapparat). Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan køre kontinuerligt 24/7 ved meget høje amplituder på op til 200µm. Til endnu højere amplituder tilbyder Hielscher kundetilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør pålidelig drift døgnet rundt under høj belastning og i krævende miljøer.
Til alle vores ultralydssystemer tilbyder vi et bredt udvalg af tilbehør såsom sonotroder, boosterhorn, flowceller og reaktorer i forskellige størrelser, former og geometrier. Med dette tilbehør er det nemt at tilpasse vores ultralydsprocessorer optimalt til de krævede procesbetingelser.
Til udfældning og bottom-up-syntese tilbyder Hielscher en unik flowcelleindsats – MultiPhaseCavitator MPC48. Med MultiPhaseCavitator injiceres den anden fase (antisolvent) via 48 fine kanyler direkte i ultralydens kavitationszone, hvor den blandes ind i den første fase inden for millisekunder. Som resultat udfældes homogene nanopartikler.
Kraftig sonikering fra laboratoriet og bordopstilling til industriel produktion.
Litteratur/referencer
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: En gennemgang af dets virkninger på menneskers sundhed. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Partikeldannelsesforløb og polymorfi af curcumin induceret af ultralyd og tilsætningsstoffer under udfældning med flydende antisolvent. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102-11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Opskalering, optimering og stabilitetsanalyse af nanopartikler med Curcumin C3 complex til kræftbehandling. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Værd at vide
Curcumin
Curcumin er en gul kemisk forbindelse, som findes i gurkemeje. Gurkemeje er en flerårig urteagtig plante med jordstængler (Curcuma longa) fra ingefærfamilien. Curcumin er en polyfenol, som udvindes fra jordstænglerne og anvendes i vid udstrækning som krydderi. Afhængigt af oprindelsen og jordbundsforholdene på dyrkningsstedet indeholder gurkemeje 2%–9% curcuminoider. Curcumin er det vigtigste curcuminoid i gurkemeje (Curcuma longa, Zingiberaceae). Det anvendes som kosttilskud, medicinsk forbindelse, smags- og farvetilsætningsstof i fødevarer samt som kosmetisk ingrediens.
En oprenset form af curcumin, som kun består af følgende tre hovedkomponenter – curcumin, bisdemethoxycurcumin og demethoxycurcumin – betegnes også som curcumin C3 complex. Rent curcumin kan adskilles fra C3-blandingen af curcumin, bisdemethoxycurcumin og demethoxycurcumin ved søjlekromatografi.
Hvad angår dets farmakologiske egenskaber, har rent, umodificeret curcumin et stort problem: På grund af dets lave vandopløselighed og dermed lave biotilgængelighed kan umodificeret curcumin ikke udfolde sine terapeutiske virkninger, men metaboliseres hurtigt i leveren og tarmvæggen. For at overvinde curcumins lave absorptionshastighed indkapsles de aktive molekyler i nanobærere (f.eks. liposomer, nanosfærer) eller inkorporeres i nanokomplekser (f.eks. nanopartikler, komplekser af fosfolipider, cyclodextriner og faste dispersioner). Desuden kan curcumins biotilgængelighed øges med ca. 2000%, når doseringen kombineres med piperin, som er et ekstrakt af sort peber.
På grund af disse forhold er nanoformuleret curcumin (nanocurcumin) den foretrukne doseringsform af curcumin, da curcumin i nanoform overvinder de ovennævnte problemer med lægemiddellevering. Nanocurcumin kan udfolde sine terapeutiske egenskaber på grund af forbedret levering til det syge væv, bedre internalisering og reduceret systemisk elimination.
Curcumin fås i flere leveringsformer, herunder pulvere, kapsler, tabletter, salver, ernæringsdrikke og kosmetiske cremer.
Medicinske anvendelser af curcumin
Curcumin er blevet undersøgt grundigt med henblik på dets mange anvendelsesformer inden for medicin og ernæring. Forskning har vist, at curcumin har en høj antioxidantaktivitet, som inducerer celleapoptose, hæmmer celleproliferation, celleadhæsion og cellemotilitet og giver antiangiogene og antimikrobielle egenskaber. På grund af disse virkninger anvendes curcumin som lægemiddel til behandling af forskellige inflammatoriske sygdomme, kræftsygdomme, neurodegenerative sygdomme, hjerte-kar-sygdomme samt diabetes.
Ultralydsfremstillede doseringsformer i nanostørrelse af curcumin til medicinsk behandling omfatter nanopartikler, liposomer, miceller, nanoemulsioner, cyclodextrinkomplekser, nanoskiver, nanofibre, faste lipidnanopartikler og curcuminkonjugater. Disse doseringsformer i nanostørrelse overvinder curcumins lave biotilgængelighed og muliggør målrettet og effektiv levering af et meget potent curcuminlægemiddel.
Curcumins kemiske struktur
Curcumin er et symmetrisk molekyle, også kendt som diferuloyl methane. IUPAC-navnet for curcumin er (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, med den kemiske formel C21H20O6. Curcuminkrystaller kan forekomme i forskellige former, såsom monoklin (nåleformet), ortorombisk (riskornslignende) og amorf form.