Ultraschallgestützte Liposomenbildung: Methodik und Vorteile

Liposomen sind kugelförmige Vesikel aus Lipiddoppelschichten, die aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihrer Fähigkeit, sowohl hydrophile als auch hydrophobe Substanzen einzukapseln, häufig in der Wirkstoffverabreichung sowie in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Der Einsatz von hochintensivem Ultraschall zur Liposomenbildung gehört zu den gängigsten Techniken der liposomalen Verkapselung. Die Ultraschallbehandlung ist für ihre Effizienz, Skalierbarkeit und ihre Fähigkeit bekannt, Liposomen mit kontrollierter Größe und hoher Verkapselungseffizienz herzustellen. Im Vergleich zu alternativen Verfahren der Liposomenherstellung bietet sie zahlreiche weitere Vorteile. Dieser Artikel führt Sie in die Methodik der ultraschallgestützten Liposomenbildung ein und erläutert ihre Vorteile sowie vielfältige Anwendungen in Nahrungsergänzungsmitteln, Pharmazeutika, Therapeutika und funktionellen Lebensmitteln.

Ultraschallbehandlung zur Liposomenbildung

Ultraschallgeräte mit Sonotrode sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Herstellung von Liposomen, die mit Wirkstoffen beladen sind. Hier erläutern wir, wie Liposomen mit dem ultraschallgestützten Verfahren gebildet und beladen werden.

1. Herstellung der Lipidlösung:
   Der Prozess beginnt mit der Herstellung einer Lipidlösung. Zu den häufig verwendeten Lipiden gehören Phosphatidylcholin, Cholesterin und andere Phospholipide. Diese Lipide werden in einem organischen Lösungsmittel wie Chloroform oder Ethanol gelöst.
2. Bildung des Lipidfilms:
   Die Lipidlösung wird anschließend unter vermindertem Druck (Vakuum) mit einem Rotationsverdampfer eingedampft, sodass sich ein dünner Lipidfilm an den Wänden eines Rundkolbens bildet. Dieser Schritt stellt sicher, dass die organischen Lösungsmittel entfernt werden und ein trockener Lipidfilm zurückbleibt.
3. Hydratisierung des Lipidfilms:
   Der getrocknete Lipidfilm wird mit einer wässrigen Lösung hydratisiert, die den einzukapselnden Wirkstoff enthalten kann. Dieser Schritt führt zur Bildung multilamellarer Vesikel (MLVs). Die Hydratisierung erfolgt üblicherweise durch Mischen mit einem Vortexmischer oder durch sanftes Bewegen bei einer Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur des Lipids.
4. Ultraschallbehandlung:
   Die MLVs werden anschließend mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode beschallt. Die Ultraschallwellen induzieren Kavitation, wobei Mikrobläschen entstehen, die kollabieren und Scherkräfte erzeugen. Dieser Prozess verursacht Sonoporation, sodass die Liposomen effizient beladen werden und eine hohe Verkapselungseffizienz (EE%) erzielt wird. Die durch Sonoporation erhöhte Permeabilität erleichtert die Diffusion der einzukapselnden Substanzen in die Liposomen. Sobald die Ultraschallbehandlung endet, setzen sich die Lipiddoppelschichten rasch wieder zusammen und schließen die verkapselten Substanzen im Inneren ein.
   Darüber hinaus zerteilt die Ultraschallbehandlung die MLVs in kleinere unilamellare Vesikel (ULVs) oder kleine unilamellare Vesikel (SUVs), deren Größen typischerweise zwischen 20 und 200 nm liegen. Parameter wie Beschallungsdauer, Leistung und Temperatur werden optimiert, um die gewünschte Liposomengröße und Verkapselungseffizienz zu erreichen.
5. Aufreinigung und Charakterisierung:
   Nach der Ultraschallbehandlung wird die Liposomensuspension häufig filtriert oder zentrifugiert, um nicht verkapseltes Material und größere Vesikel zu entfernen. Die entstandenen Liposomen werden mit Verfahren wie der dynamischen Lichtstreuung (DLS) zur Bestimmung der Größenverteilung, der Zetapotenzialanalyse zur Bestimmung der Oberflächenladung und der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Untersuchung der Morphologie charakterisiert.

Nach der Bildung eines Lipidfilms und dessen anschließender Rehydratisierung wird Ultraschall eingesetzt, um den Einschluss von Wirkstoffen in das Liposom zu fördern. Darüber hinaus wird durch die Ultraschallbehandlung die gewünschte Liposomengröße erreicht.

Wissenschaftlich belegt

Ultraschallgeräte mit Sonotrode haben sich rasch als zuverlässige Technik zur Liposomenherstellung etabliert und werden heute sowohl in der Forschung als auch in der kommerziellen Produktion häufig zur Herstellung von Liposomen eingesetzt. Die Effizienz und Zuverlässigkeit der ultraschallgestützten Liposomenbildung und der Beladung von Liposomen mit Wirkstoffen wurden in Forschungsstudien für zahlreiche Formulierungen nachgewiesen. Im Folgenden finden Sie zwei kurze Übersichten zur liposomalen Verkapselung durch Beschallung mit einer Sonotrode.
 
Hadian et al. (2014) untersuchten die Effizienz der Ultraschallbehandlung bei der Verkapselung von Omega-3-Fettsäuren aus Fischöl (DHA und EPA) in Liposomen. Um die Effizienz und Qualität des Einschlusses zu bewerten, verglichen sie das ultraschallgestützte Verfahren zur Liposomenherstellung mit der Liposomenextrusion. Unter Verwendung des Ultraschallgeräts UP200S mit Sonotrode von Hielscher stellten die Forschenden fest: „Die Beschallung vorgebildeter Liposomen mit einer Sonotrode ermöglicht eine erhebliche Beladung der nanoliposomalen Membran mit DHA und EPA. Die Beschallung mit einer Sonotrode war anderen Verfahren überlegen.“ Die durch Beschallung mit einer Sonotrode hergestellten Liposomen waren kugelförmig und bewahrten eine hohe strukturelle Integrität.
 
Paini et al. (2015) entwickelten ein einfaches, aber hocheffizientes Verfahren mit Ultraschall, um mit Apigenin beladene Liposomen unter Verwendung von Rapslecithin in Lebensmittelqualität in einem wässrigen Medium ohne organische Lösungsmittel herzustellen. Mit dem Ultraschallgerät mit Sonotrode, Modell UP400S (Hielscher Ultrasonics), mit einer Leistung von 400 Watt wurde eine Verkapselungseffizienz von mehr als 92% erreicht. Die Liposomengröße lässt sich durch Anpassung der Beschallungsamplitude und der Prozessdauer präzise steuern. Die Analyse zeigte, dass die liposomalen Apigeninstrukturen ein hohes Zetapotenzial und einen guten Polydispersitätsindex aufwiesen und nach dem Verkapselungsprozess stabil blieben.

Vorteile der ultraschallgestützten liposomalen Verkapselung

Die Verfahren zur Liposomenherstellung unterscheiden sich erheblich und haben jeweils eigene Vorteile und Einschränkungen. Die ultraschallgestützte Liposomenherstellung zeichnet sich aus mehreren Gründen aus: Sie bietet eine sehr hohe Verkapselungseffizienz (EE%), eine ausgezeichnete Kontrolle über die Liposomengröße, Zuverlässigkeit hinsichtlich reproduzierbarer Ergebnisse sowie eine lineare Skalierbarkeit auf größere Volumina.

1. Erhöhte Verkapselungseffizienz:
   Die Ultraschallbehandlung bietet eine hohe Verkapselungseffizienz sowohl für hydrophile als auch für hydrophobe Verbindungen. Die starken Scherkräfte und die Kavitation erleichtern die gleichmäßige Verteilung der einzukapselnden Substanz innerhalb der liposomalen Doppelschicht oder des wässrigen Kerns.
2. Kontrollierte Größenverteilung:
   Die Möglichkeit, die Beschallungsparameter präzise zu steuern, ermöglicht die Herstellung von Liposomen mit engen Größenverteilungen, die für eine gleichbleibende Wirkstoffverabreichung und Bioverfügbarkeit wesentlich sind.
3. Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit:
   Die ultraschallgestützte Liposomenbildung ist sehr gut skalierbar und eignet sich daher sowohl für die Herstellung im Labor- als auch im Industriemaßstab. Die Reproduzierbarkeit des Prozesses gewährleistet eine gleichbleibende Qualität über verschiedene Chargen hinweg.
4. Minimaler Einsatz organischer Lösungsmittel:
   Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Liposomenherstellung benötigt die Ultraschallbehandlung deutlich weniger organische Lösungsmittel, wodurch die potenzielle Toxizität und die Umweltbelastung reduziert werden.
5. Vielseitigkeit:
   Diese Technik ist vielseitig und eignet sich für eine breite Palette von Lipiden und einzukapselnden Substanzen, wodurch sich ihre Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen erweitern.

Anwendungen in Nahrungsergänzungsmitteln, Pharmazeutika, Therapeutika und funktionellen Lebensmitteln

Ultraschallgeräte von Hielscher werden in der Forschung und in der kommerziellen Produktion eingesetzt, um Liposomen in Lebensmittel- und Pharmaqualität herzustellen. Ultraschallgestützt hergestellte Liposomen bieten eine hohe Bioverfügbarkeit, können große Wirkstoffmengen aufnehmen und weisen eine hohe Verkapselungseffizienz (EE%) und Stabilität auf. Darüber hinaus führt die Ultraschallbehandlung zu einer gleichmäßigen Größenverteilung. Da ultraschallgestützt formulierte Liposomen all diese Qualitätskriterien erfüllen, sind sie ideale Träger für pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) und sekundäre Pflanzenstoffe in Arzneimitteln, Therapeutika, Nahrungsergänzungsmitteln, funktionellen Lebensmitteln und sogar Kosmetika.

1. Nahrungsergänzungsmittel:
   Die ultraschallgestützte liposomale Verkapselung wird eingesetzt, um die Bioverfügbarkeit von Nahrungsergänzungsmitteln und Nutrazeutika zu erhöhen. In Liposomen verkapselte Vitamine, Mineralstoffe und Pflanzenextrakte zeigen eine verbesserte Aufnahme und Stabilität, was zu einer besseren Wirksamkeit führt. Liposomale Vitamin-C- und Curcumin-Nahrungsergänzungsmittel sind beispielsweise aufgrund ihres erhöhten therapeutischen Nutzens beliebt.
2. Pharmazeutika:
   In der pharmazeutischen Industrie dienen Liposomen als Träger für die Wirkstoffverabreichung und verbessern die Löslichkeit, Stabilität und zielgerichtete Verabreichung von Arzneistoffen. Ultraschallgestützt hergestellte liposomale Formulierungen werden zur Verabreichung von Chemotherapeutika, Antibiotika und Impfstoffen eingesetzt. Liposomales Doxorubicin reduziert beispielsweise die mit einer konventionellen Doxorubicintherapie verbundene Kardiotoxizität.
3. Therapeutika:
   Therapeutika profitieren von der liposomalen Verkapselung, da sie eine kontrollierte Freisetzung und eine zielgerichtete Verabreichung ermöglicht. Liposomen können biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke überwinden und so die Verabreichung von Arzneistoffen an bestimmte Gewebe oder Zellen ermöglichen. Ultraschallgestützt hergestellte Nanoliposomen weisen eine sehr hohe Bioverfügbarkeit auf, da ihre Größe im Nanometerbereich ihnen das Eindringen in die Zielgewebe und Zielzellen ermöglicht. Dies ist besonders bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen und Krebserkrankungen von Vorteil.
4. Funktionelle Lebensmittel:
   In der Industrie für funktionelle Lebensmittel verbessern Liposomen die Bereitstellung bioaktiver Verbindungen wie Omega-3-Fettsäuren, Probiotika und Antioxidantien. Diese verkapselten bioaktiven Substanzen weisen eine verbesserte Stabilität und Bioverfügbarkeit auf und tragen so zu besseren gesundheitlichen Ergebnissen bei. Beispielsweise hilft die ultraschallgestützte liposomale Verkapselung von Polyphenolen in Getränken, deren antioxidative Eigenschaften zu erhalten.
5. Kosmetika:
   Kosmetische Formulierungen, die auch als Kosmezeutika bezeichnet werden, profitieren von der liposomalen Verkapselung, da Liposomen die Verkapselungseffizienz von Anti-Aging-Substanzen wie Antioxidantien erhöhen und dadurch einen besseren Schutz vor oxidativem Stress bieten. Die Doppelschichtstruktur schützt empfindliche Verbindungen vor Umwelteinflüssen wie UV-Strahlung und Umweltverschmutzung, die Antioxidantien abbauen können. Die verbesserte Verkapselungsleistung beschallter Liposomen ermöglicht die stabile Einbindung flüchtiger und empfindlicher Verbindungen, deren wirksame Verabreichung andernfalls schwierig ist.

Die ultraschallgestützte Liposomenbildung ist eine robuste und vielseitige Technik mit erheblichen Vorteilen hinsichtlich Verkapselungseffizienz, Größenkontrolle, Skalierbarkeit und ökologischer Nachhaltigkeit. Sie wird in verschiedenen Branchen eingesetzt, von der Verbesserung der Bioverfügbarkeit von Nahrungsergänzungsmitteln bis zur Verbesserung der Verabreichung und Wirksamkeit von Pharmazeutika und Therapeutika. Mit dem Fortschritt in Forschung und Technologie wächst das Potenzial der ultraschallgestützten liposomalen Verkapselung, Produktformulierungen zu erneuern und zu verbessern, und verspricht spannende Entwicklungen in den Bereichen Gesundheit, Medizin, Ernährung und Kosmetik.

Durch Ultraschallbehandlung formulierte Nanoträger

Neben Liposomen wird die Ultraschallbehandlung auch erfolgreich zur Formulierung und Beladung verschiedener anderer Nanoträgerformen eingesetzt, beispielsweise von Nanopartikeln aus festen Lipiden, nanostrukturierten Lipidträgern und Nanoemulsionen. Ultraschallgeräte von Hielscher fördern die effiziente Bildung und Beladung dieser Nanoträger mit bioaktiven Inhaltsstoffen. Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre hochmoderne Technologie bekannt und werden weltweit in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikproduktion eingesetzt.