Ultraschallformulierung von Niosomen

Niosomen sind Vesikel in Nanogröße, die als Träger für Arzneimittel (z. B. Krebsmedikamente) und andere bioaktive Substanzen verwendet werden können. Die Ultraschallemulgierung ist ein einfaches und schnelles Verfahren zur Formulierung kleiner Niosomen mit hoher Wirkstoffbelastung.

Niosom-Vesikel als Nano-Träger für Wirkstoffe

Ein Niosom ist ein Vesikel auf der Basis eines nichtionischen Tensids, das meist aus einem nichtionischen Tensid und Cholesterin als Hilfsstoff besteht. Niosome sind im Vergleich zu Liposomen stabiler gegen chemischen Abbau oder Oxidation und haben eine längere Lagerzeit. Aufgrund der für die Herstellung von Niosomen verwendeten Tenside sind sie biologisch abbaubar, biokompatibel und nicht immunogen. Niosomen sind osmotisch aktiv, chemisch stabil und bieten im Vergleich zu Liposomen eine längere Lagerungszeit. Je nach Größe und Lamellarität stehen verschiedene Präparationsmethoden zur Verfügung, wie z. B. Beschallung, Umkehrphasenverdampfung, Dünnfilmhydratation oder transmembraner pH-Gradient zur Aufnahme von Arzneimitteln. Die Ultraschallpräparation von Niosomen ist die bevorzugte Technik zur Herstellung unilamellarer Vesikel, die klein und einheitlich in der Größe sind.

Ultraschall-Niosom-Formulierung

Zur Formulierung von Niosomen muss eine Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion) aus einer organischen Lösung von Tensid, Cholesterin und einer wässrigen Lösung mit der bioaktiven Verbindung, d. h. dem Arzneimittel, hergestellt werden. Die Ultraschall-Emulgierung ist die beste Technik, um nicht mischbare Flüssigkeiten wie Öl und Wasser zu mischen. Durch Scherung der Tröpfchen beider Phasen und deren Zerkleinerung in Nanogröße entsteht eine Nanoemulsion. Im Vergleich zum mechanischen Rühren zeichnet sich die Ultraschalltechnik zur Formulierung von Niosomen dadurch aus, dass sie in einem schnellen Prozess Niosomen mit einer kleineren durchschnittlichen Größe und einem niedrigeren Polydispersitätsindex bildet. Die Verwendung kleinerer Vesikel ist im Allgemeinen vorzuziehen, da sie die Ausscheidungsmechanismen des Körpers besser umgehen können als größere Partikel und länger im Blutkreislauf verbleiben. (vgl. Bragagni et al. 2014)

Protokolle für die Niosomenpräparation mit Ultraschall

Die Formulierung von Niosomen durch Beschallung wurde umfassend erforscht, so dass zahlreiche wissenschaftlich validierte Protokolle für die Herstellung von Niosomen mit Ultraschall zur Verfügung stehen.
Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über einige Formulierungsprotokolle zur Vorbereitung und Beladung von Niosomen unter Verwendung von Sonikation.

Mit Withania somnifera-Extrakten beladene Niosomen
Chinembiri et al. (2017) formulierten den Rohextrakt von Withania somnifera in Niosomen für die topische Anwendung. Die bioaktiven Verbindungen wurden durch Lösungsmittelinjektion verkapselt. Daher wurden die organische und die wässrige Phase kontinuierlich magnetisch gerührt, und die Temperatur wurde bei 60 °C ± 2 °C gehalten, bis das organische Lösungsmittel ausgetrieben wurde. Die resultierende Formulierung wurde abgekühlt und auf Eis mit dem Hielscher UP200ST-Sonicator beschallt. Die Niosomen wiesen eine durchschnittliche Größe von ca. 165,9 ± 9,4 auf und zeigten eine hohe Einschlusseffizienz (EE%) von Withanolid A.

Doxorubicin-beladene Niosome
N-Palmitoylglucosamin-Niosomen (Glu), die mit Doxorubicin, einem Krebsmedikament, beladen sind, wurden durch Schütteln einer Mischung aus NPG (16 mg), Span 60 (65 mg), Cholesterin (58 mg) und Solulan C24 (54 mg) in Doxorubicin-Lösung (1,5 mg/ml, 2 ml, zubereitet in PBS) bei 90 °C für 1 h hergestellt, gefolgt von einer 10-minütigen Sondenbeschallung (75 % des Maximums).
Palmitoylglykolchitosan (GCP)-Vesikel wurden wie zuvor beschrieben (11) durch Sondenbeschallung von Glykolchitosan (10 mg) und Cholesterin (4 mg) in Doxorubicin-Lösung (1,5 mg/ml) hergestellt. (Dufes et al. 2004)

Alternative Methoden zur Herstellung von Niosomen

Alternative Niosomenformulierungsmethoden wie die Umkehrphasenverdampfungstechnik oder das Verfahren der pH-Gradientenaufnahme durch die Membran beinhalten die Anwendung von Ultraschallenergie. Beide Techniken werden hauptsächlich zur Formulierung multilamellarer Vesikel (MLVs) verwendet. Nachstehend finden Sie eine kurze Beschreibung der beiden Techniken und des damit verbundenen Beschallungsschritts.

Sonikation bei der Niosomenherstellung durch Umkehrphasenverdampfung

Bei der REV-Methode (Reverse Phase Evaporation) werden die Bestandteile der niosomalen Formulierung in einer Mischung aus Ether und Chloroform gelöst und der wässrigen Phase, die das Arzneimittel enthält, zugesetzt. Durch Emulgieren mit Ultraschall wird die Mischung in eine feine Emulsion verwandelt. Anschließend wird die organische Phase eingedampft. Bei den Niosomen, die bei der Verdampfung des organischen Lösungsmittels entstehen, handelt es sich um unilamellare Bläschen von großer Größe.

Transmembraner pH-Gradient bei der Aufnahme von Arzneimitteln

Für den transmembranen pH-Gradienten (innerhalb des sauren Bereichs) werden das Tensid und das Cholesterin in Chloroform aufgelöst. Das Lösungsmittel wird dann unter Vakuum verdampft, um einen dünnen Film an der Wand des Rundkolbens zu erhalten. Der Film wird mit 300 mM Zitronensäure (pH 4,0) durch Vortexen der Suspension hydratisiert. Die multilamellaren Vesikel werden eingefroren und dreimal aufgetaut und anschließend mit einem Sonden-Ultraschallgerät beschallt. Zu dieser niosomalen Suspension wird eine wässrige Lösung mit 10 mg/ml des Arzneimittels hinzugefügt und geschüttelt. Der pH-Wert der Probe wird dann mit 1M Dinatriumphosphat auf pH 7,0-7,2 angehoben. Anschließend wird die Mischung 10 Minuten lang auf 60 °C erhitzt. Diese Technik führt zur Bildung von multilamellaren Vesikeln. (vgl. Kazi et al. 2010)

Ultraschallzerkleinerung von Niosomen

Niosomen liegen in der Regel im Größenbereich von 10 bis 1000 nm. Je nach Herstellungsverfahren sind Niosomen oft relativ groß und neigen zur Bildung von Aggregaten. Die spezifische Größe der Niosomen ist jedoch ein wichtiger Faktor, wenn es um die gezielte Art des Verabreichungssystems geht. So ist eine sehr kleine Niosomengröße im Nanometerbereich am besten für die systemische Verabreichung von Arzneimitteln geeignet, bei der das Arzneimittel die Zellmembranen durchdringen muss, um den zellulären Zielort zu erreichen, während größere Niosomen für die intramuskuläre und intrakavitäre Verabreichung von Arzneimitteln oder für ophthalmische Anwendungen empfohlen werden. Die Ultraschallzerkleinerung von Niosomen ist ein üblicher Schritt bei der Herstellung hochwirksamer Niosomen. Die Scherkräfte des Ultraschalls deagglomerieren und dispergieren die Niosomen zu monodispersen Nanoniosomen.

Protokoll – Zerkleinerung von LipoNiosomen mit Ultraschall

Naderinezhad et al. (2017) formulierten biokompatible LipoNiosome (eine Kombination aus Niosom und Liposom) mit Tween 60: Cholesterin: DPPC (im Verhältnis 55 : 30 : 15 : 3) mit 3 % DSPE-mPEG. Um die Größe der LipoNiosome zu verringern, wurde die Suspension nach der Hydratation 45 Minuten lang beschallt (15 Sekunden an und 10 Sekunden aus, Amplitude 70 % bei 100 Watt), um die Partikelaggregation mit dem Ultraschallhomogenisator UP200St (Hielscher Ultrasonics GmbH, Deutschland) zu minimieren. Für die pH-Gradienten-Methode wurden die getrockneten Filme aus CUR, Tensiden und Lipiden mit 1300 mL Ammoniumsulfat (pH 1⁄4 4) bei 63 C 47 Minuten lang hydratisiert. Anschließend wurden die Nanopartikel über einem Eisbad beschallt, um kleine Bläschen zu erzeugen.

Ultraschallgeräte für die Niosomenpräparation

Hielscher Ultrasonic verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung, dem Vertrieb und Service von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie.
Die Herstellung von hochwertigen Niosomen, Liposomen, festen Lipid-Nanopartikeln, polymeren Nanopartikeln, Cyclodextrin-Komplexen und anderen nanostrukturierten Wirkstoffträgern sind Prozesse, bei denen sich Hielscher-Ultraschallsysteme durch hohe Zuverlässigkeit, konstante Leistungsabgabe und präzise Steuerbarkeit auszeichnen. Hielscher-Ultraschallgeräte erlauben eine präzise Steuerung aller Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Beschallungsenergie. Die intelligente Software protokolliert automatisch alle Beschallungsparameter (Zeit, Datum, Amplitude, Nettoenergie, Gesamtenergie, Temperatur, Druck) auf der eingebauten SD-Karte.
Die Robustheit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter starker Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: