Ultralydsudfældning af curcumin-superpartikler
- Da gurkemeje kun indeholder 2-9 vægt% curcuminoider, er en effektiv ekstraktions- eller synteseteknik nødvendig for at opnå et medicinsk potent pulver.
- Ultralydassisteret antisolventudfældning er en yderst effektiv metode til at syntetisere curcuminpartikler.
- Ultralydsudfældningen af antiopløsningsmiddel kan let skaleres op til produktion af store mængder curcumin af høj kvalitet.
Curcumin
Curcumin, en polyfenol, er et dårligt vandopløseligt lægemiddel, der findes i urtekrydderiet gurkemeje (Curcuma longa). Det har meget potente antioxidanter og er kendt for sine antiinflammatoriske, anti-kræft, anti-svampe og antimikrobielle egenskaber. Især for sin brede vifte af kemoforebyggende og kemoterapeutiske aktiviteter bruges curcumin som en foretrukken lægemiddelforbindelse.
Som en potent antioxidant øger curcumin serumaktiviteten af antioxidanter såsom superoxiddismutase (SOD) og scavenges og neutraliserer frie radikaler såsom reaktive ilt- og nitrogenarter (ROS og RNS). Desuden øger det aktiviteten af kroppens egne antioxidantenzymer. Curcumin er også kendt for at sænke hjertesygdomme og forbedre hjernens funktion. På grund af disse mangfoldige gavnlige medicinske egenskaber bruges curcumin i vid udstrækning som krydderi, supplement og lægemiddel.
Ultralyd flydende antisolvent udfældning
Den ultralydsasstistede flydende antisolvent (LAS) udfældning er en enkel og hurtig one-pot synteseteknik til fremstilling af curcumin nanopartikler med orthorhombisk overbygning. Ultralydsudfældningen af opløsningsmiddel er en enkel, hurtig og skalerbar proces, der giver mulighed for udfældning af curcumin af høj kvalitet i medicinal- og fødevareindustrien.

Hypotese mekanisme for dannelse af curcumin-superpartikler i fravær og tilstedeværelse af ultralyd uden stabilisatorer. Billede © 2014 Thorat et al.
Ultralyd udfældningsprotokol:
Til ultasonisk udfældning af curcuminpartikler tilsættes en organisk opløsning af curcumin i ethanol (5 mg/ml) til 100 ml vand indeholdende overfladeaktivt stof (0,02 vægtprocent i vand) eller uden overfladeaktivt stof. Som reaktionsbeholder anvendes en kappet glasbeholder på ca. 500 ml volumen, 7 cm diameter og L/D-forhold på 1,7. Blandingens temperatur holdes konstant på 1 ° C. Til ultralydsudfældningsprocessen, sonotroden af ultralydshomogenisatoren, såsom UP200Ht eller UP200St udstyret med en S26d14 sonotrode nedsænkes i opløsningsmiddel-antiopløsningsmiddelblandingen. Ved 100% amplitudeindstilling og 10 min. sonikering dispergeres blandingen.
Sonikeringstiden giver mulighed for manipulation af polymorfismen af cucrcuminkrystaller. Når sonikeringens varighed forlænges, øges procentdelen af orthorhombiske partikler. Dette indikerer, at en stigning i ultralydsenergi letter dannelsen af orthorhombisk form over den monokliniske form, uanset det anvendte tilsætningsstof.
[jf. Thorat et al. 2014]

UIP1000hdT – 1kW ultralydsprocessor til API-udfældning
Forbedret biotilgængelighed ved ultralydsindkapsling
Da curcumin er lipofilt molekyle og dårligt opløseligt i vand (= hydrofobt), har det en lav systemisk biotilgængelighed. Derfor er det nødvendigt at fremstille curcuminformuleringer, der forbedrer dets biotilgængelighed. Til fremstilling af vandige curcuminopløsninger tilsættes overfladeaktive stoffer, lipider, albuminer, cyclodextriner, biopolymerer osv. for at indkapsle eller belaste curcuminmolekylerne i liposomer, nanopartikler og andre lægemiddelbærere.
Ultralydbehandling er en yderst effektiv og pålidelig teknik til at formulere lægemiddelbærere som f.eks. liposomer, kerne-skal nanopartikler, biopolymerer og Dobbelte emulsioner! Find nedenfor en eksemplarisk protokol til ultralydsindkapsling af curcumin.
Ultralyd Curcumin indkapsling protokol:
Curcumin-belastede polylactic-co-glycolsyre (PLGA) nanopartikler
- Først opløses PLGA-polymeren i ethylacetat. Curcumin (15% w/w) tilsættes og får lov til at opløses, mens opløsningen hvirvler intermitterende.
- Den faste olieblanding tilsættes til en vandig fase af PVA (w/v) for at danne en SO/W-emulsion. Derefter hvirvles opløsningen af lægemidlet/polymeren i PVA ved 8.000 omdr./min.
- Den resulterende opløsning sonikeres i ca. 300 sek ved 45% amplitude med en ultralydshomogenisator som f.eks UP200Ht eller UP200St (200W, 26kHz). Umiddelbart efter sonikering hældes emulsionen i den vandige fase (0,1% PVA i vand; 200 ml) til diffusion under hurtig omrøring med en magnetisk omrører.
- Denne kolloide suspension omrøres kontinuerligt med en magnetomrører, indtil opløsningsmiddelfordampningen er afsluttet. Derefter opsamles nanopartiklerne ved centrifugering, vaskes 3 gange med destilleret Milli Q-vand. Til sidst opsuspenderes de i kryobeskyttende opløsning (saccharose (2 % w/w) og trehalose (5 % w/w)), tørres på et lyofilisator ATR FD3.0-system og kan opbevares ved 4 °C i mindst 6 måneder.
[jf. Ranjan et al. 2012]
Ultralydsprocessorer til curcuminudfældning og formulering
Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende ultralydsudstyr til syntese af nanopartikler (f.eks. API'er) og ekstraktion af botaniske forbindelser. Vores produktsortiment omfatter sofistikerede laboratorie-, bord- og industrielle ultralydapparater, som tillader udvikling af applikationer fra lille til kommerciel skala. Alle resultater opnået i laboratorie- og pilottest kan skaleres fuldstændigt lineært til kommercielt produktionsniveau. Alle systemer er bygget til 24/7 drift, robuste og nemme at bruge.
UIPxxxxhdT-serien omfatter vores ultralydssystemer i industriel kvalitet, som kan bruges til bordplade, procesoptimering og industriel produktion. Vores industrielle systemer fås som 500 W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000 W (UIP10000) og 16.000W (UIP16000, verdens mest kraftfulde ultralydsapparat). Hielscher Ultralyd’ Industrielle ultralydsprocessorer kan køres kontinuerligt 24/7 ved meget høje amplituder på op til 200 μm. For endnu højere amplituder tilbyder Hielscher tilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for en pålidelig drift døgnet rundt i tunge og krævende miljøer.
Til alle vores ultralydssystemer tilbyder vi et bredt spektrum af tilbehør såsom sonotroder, boosterhorn, flowceller og reaktorer i flere størrelser, former og geometrier. Med disse værktøjer bliver det let muligt at tilpasse vores ultralydsprocessorer optimalt til de krævede procesforhold.
Til nedbør og bottom-up-syntese tilbyder Hielscher en unik flowcelleindsats – Den MultiPhaseCavitator MPC48. Med MultiPhaseCavitator injiceres den anden fase (anti-opløsningsmiddel) via 48 fine kanyler direkte ind i ultralydskavitationszonen, hvor den blandes inden for millisekunder i den første fase. Som følge heraf udfældes homogene nanopartikler.

Kraftig sonikering fra laboratorium og bordplade til industriel produktion.
Litteratur/Referencer
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: En gennemgang af dets virkninger på menneskers sundhed. Fødevarer. 2017 okt; 6(10): 92.
- Thorat, AA; Dalvi, S.V. (2014): Partikeldannelsesveje og polymorfisme af curcumin induceret af ultralyd og tilsætningsstoffer under flydende antisolventudfældning. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Opskalering, optimering og stabilitetsanalyse af Curcumin C3 kompleksbelastede nanopartikler til kræftbehandling. Tidsskrift for nanobioteknologi 2012, 10:38.
Fakta, der er værd at vide
Curcumin
Curcumin er en gulfarvet kemisk forbindelse, der findes i gurkemeje. Gurkemeje er en rhizomatøs urteagtig flerårig plante (Curcuma longa) af ingefærfamilien. Curcumin er en polyfenol, der udvindes fra jordstænglerne og bruges i vid udstrækning som krydderi. Afhængigt af dens oprindelse og jordforholdene, hvor den dyrkes, indeholder gurkemeje 2%-9% curcuminoider. Curcumin er den vigtigste curcuminoid af gurkemeje (Curcuma longa, Zingiberaceae). Det bruges som supplement, medicinsk forbindelse, fødevaresmagsstof farvestof samt kosmetisk ingrediens.
En renset form for curcumin, som kun består af følgende tre hovedkomponenter – curcumin, bisdemethoxycurcumin og demethoxycurcumin – kaldes også curcumin C3-kompleks. Ren curcumin kan adskilles fra C3-blandingen af curcumin, bisdemethoxy curcumin og demethoxy curcumin ved kolonnekromatografi.
Med hensyn til dets farmakologiske egenskaber har ren, ikke-modificeret curcumin et stort problem: På grund af sin dårlige vandopløselighed og dermed dårlige biotilgængelighed kan umodificeret curcumin ikke omslutte 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 belastet på 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 sort peberekstrakt.
På grund af disse fakta er nanoformuleret curcumin (nanocurcumin) den foretrukne doseringsform af curcumin, da curcumin i nanoform overvinder de førnævnte problemer med levering af lægemidler. Nanocurcumin kan omslutte sine terapeutiske egenskaber på grund af forbedret levering til det syge væv, bedre internalisering og reduceret systemisk eliminering.
Curcumin fås i flere leveringsformer, herunder pulvere, kapsler, tabletter, salver, ernæringsdrikke og kosmetiske cremer.
Medicinske anvendelser af curcumin
Curcumin er blevet undersøgt bredt for dets mangfoldige brugsformer inden for medicin og ernæring. Forskning har vist, at curcumin har en høj antioxidantaktivitet, som inducerer celleapoptose, hæmmer celleproliferation, anti-celleadhæsion og motilitet og tilbyder anti-angiogenese og antimikrobielle egenskaber. På grund af disse virkninger anvendes curcumin som lægemiddel til behandling af forskellige inflammatoriske sygdomme, kræftformer, neurodegenerative sygdomme, hjerte-kar-sygdomme samt diabetes.
Ultralydsforberedte nano-administrerende formularer af curcumin til medicinsk terapi omfatter nanopartikler, liposomer, miceller, nanoemulsioner, cyclodextrinkomplekser, nanodiske, nanofibre, faste lipidnanopartikler og curcuminkonjugater. Disse doseringsformer i nanostørrelse overvinder curcumins dårlige biotilgængelighed og giver mulighed for målrettet og effektiv levering af et meget potent curcuminlægemiddel.
Curcumin kemisk struktur
Curcumin er et symmetrisk molekyle, også kendt som diferuloyl metan. IUPAC-navnet på curcumin er (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion, med kemisk formel C21H20O6. Curcuminkrystaller kan forekomme i forskellige former, såsom monoklinisk (acikulær), orthorhombisk (riskornlignende) og amorf form.