Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Formulierung von Niosomen

Niosome sind nanogrosse Vesikel, die als Träger für Medikamente (z.B. Krebsmedikamente) und andere bioaktive Substanzen verwendet werden können. Die Ultraschall-Emulgierung ist eine einfache und schnelle Methode, um kleine Niosomen mit einer hohen Wirkstofflast zu formulieren.

Niosom-Präparation

Struktur eines NiosomsEin Niosom ist ein Vesikel auf der Basis eines nichtionischen Tensids, das hauptsächlich durch den Einbau von nichtionischem Tensid und Cholesterin als Hilfsstoff gebildet wird. Niosome sind stabiler gegen chemischen Abbau oder Oxidation und haben im Vergleich zu Liposomen eine lange Lagerzeit. Aufgrund der für die Niosom-Präparation verwendeten Tenside sind sie biologisch abbaubar, biokompatibel und nicht immunogen. Niosomen sind osmotisch aktiv, chemisch stabil und weisen im Vergleich zu Liposomen eine längere Lagerzeit auf. Je nach Grösse und Lamellarität stehen verschiedene Präparationsmethoden zur Verfügung, wie z.B. Beschallung, Umkehrphasenverdampfung, Dünnfilmhydratation oder transmembrane pH-Gradienten-Arzneimittelaufnahme. Die Ultraschall-Niosom-Präparation ist die bevorzugte Technik zur Herstellung unilamellarer Vesikel, die klein und von einheitlicher Größe sind.

Ultraschall-Niosome-Formulierung

Zur Formulierung von Niosomen muss eine Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsion aus einer organischen Lösung von Tensid, Cholesterin und einer wässrigen Lösung, die die bioaktive Verbindung, d.h. das Arzneimittel, enthält, hergestellt werden. Die Ultraschall-Emulgierung ist die überlegene Technik zum Mischen nicht mischbarer Flüssigkeiten wie Öl und Wasser. Durch Scheren der Tröpfchen beider Phasen und Brechen der Tröpfchen auf Nanogrösse erhält man eine Nano-Emulsion. Anschließend wird das organische Lösungsmittel verdampft, was zu mit therapeutischen Wirkstoffen beladenen Niosomen führt, die in der wässrigen Phase dispergiert werden. Im Vergleich zu mechanischem Rühren zeichnet sich die Formulierungstechnik von Ultraschall-Niosomen dadurch aus, dass in einem schnellen Prozess Niosomen mit einer kleineren mittleren Dimension und einem niedrigeren Polydispersitätsindex gebildet werden. Die Verwendung kleinerer Vesikel ist im Allgemeinen vorzuziehen, da sie den Körper-Clearance-Mechanismen besser ausweichen als grössere Partikel und länger im Blutstrom verbleiben. (vgl. Bragagni et al. 2014)

Vorteile der Ultraschall-Niosom-Präparation

  • unilamellare, kleine, gleichförmige Vesikel
  • einfaches und schnelles Verfahren
  • reproduzierbar
  • präzise steuerbar,
  • sicher
  • leicht skalierbar

Ultraschall-Niosom-Präparationsprotokolle

Mit Doxorubicin, einem Krebsmedikament, beladene N-Palmitoylglucosamin-Niosomen (Glu) 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, hergestellt in PBS) bei 90°C für 1 h hergestellt, gefolgt von einer Sondenbeschallung für 10 min (75% des Maximums).
Palmitoylglykolchitosan (GCP)-Vesikel wurden wie zuvor beschrieben (11) durch Sondenbeschallung von Glykolchitosan (10 mg) und Cholesterin (4 mg) in Doxorubicinlösung (1,5 mg/ml) hergestellt. (Dufes et al. 2004)

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Alternative Niosom-Präparationsmethoden

Alternative Niosom-Formulierungsmethoden wie die Umkehrphasen-Verdampfungstechnik oder der transmembrane pH-Gradienten-Wirkstoffaufnahmeprozess beinhalten die Anwendung von Ultraschallenergie. Beide Techniken werden hauptsächlich zur Formulierung von multilamellaren Vesikeln (MLVs) verwendet. Nachstehend finden Sie eine kurze Beschreibung beider Techniken und des jeweiligen Beschallungsschritts.

Beschallung bei der Niosom-Präparation durch Umkehrphasenverdampfung

Bei der Reverse Phase Evaporation (REV)-Methode werden die Komponenten der niosomalen Formulierung in einer Mischung aus Ether und Chloroform gelöst und der wässrigen Phase, die das Arzneimittel enthält, zugesetzt. Durch Ultraschall-Emulgieren wird die Mischung in eine feinkörnige Emulsion umgewandelt. Anschliessend wird die organische Phase verdampft. Das bei der Verdampfung des organischen Lösungsmittels erhaltene Niosom sind unilamellare Vesikel von großer Größe.

Transmembran-PH-Gradient-Arzneimittel-Aufnahmeprozess

Für den trans-Membran-pH-Gradienten (innerhalb des sauren) Arzneimittelaufnahmeprozesses (mit Fernladung) werden Tensid und Cholesterin in Chloroform gelöst. Das Lösungsmittel wird dann unter Vakuum verdampft, um einen dünnen Film an der Wand des Rundkolbens zu erhalten. Der Film wird durch Verwirbeln der Suspension mit 300 mM Zitronensäure (pH 4,0) hydratisiert. Die multilamellaren Vesikel werden eingefroren und dreimal aufgetaut und anschließend mit einem Ultraschall-Sondengerät beschallt. Zu dieser niosomalen Suspension wird eine wässrige Lösung, die 10 mg/ml des Medikaments enthält, hinzugefügt und verwirbelt. Der pH-Wert der Probe wird dann mit 1M Dinatriumphosphat auf pH 7,0-7,2 erhöht. Dann wird die Mischung 10 Minuten lang auf 60°C erhitzt. Diese Technik ergibt multilamellare Vesikel. (vgl. Kazi et al. 2010)

Ultraschall-Größenreduktion von Niosomen

Niosome liegen in der Regel im Größenbereich von 10 nm bis 1000 nm. Je nach Präparationstechnik sind Niosome oft relativ groß und neigen zur Aggregatbildung. Spezifische Niosomengrößen sind jedoch ein wichtiger Faktor, wenn es um die Art des angestrebten Applikationssystems geht. Beispielsweise ist eine sehr kleine Niosomengrösse im Nanometerbereich am besten für die systemische Wirkstoffverabreichung geeignet, bei der der Wirkstoff über Zellmembranen verabreicht werden muss, um den zellulären Zielort zu erreichen, während grössere Niosomen für die intramuskuläre und intrakavitäre Wirkstoffverabreichung oder für ophthalmische Anwendungen empfohlen werden. Die Verkleinerung von Niosomen mittels Ultraschall ist ein üblicher Schritt bei der Herstellung hochpotenter Niosomen. Durch Ultraschall-Scherkräfte werden die Niosomen deagglomeriert und in monodisperse Nano-Niosomen dispergiert.

Protokoll – Ultraschall-Größenreduktion von LipoNiosomen

Naderinezhad et al. (2017) formulierten biokompatible LipoNiosome (eine Kombination aus Niosom und Liposom) mit Tween 60: Cholesterin: DPPC (bei 55 : 30 : 15 : 3) mit 3% DSPE-mPEG. Um die Größe der präparierten LipoNiosome zu reduzieren, wurde die Suspension nach Hydratisierung 45 Minuten lang mit Ultraschall beschallt (15 Sekunden an und 10 Sekunden aus, Amplitude 70% bei 100 Watt), um die Partikelaggregation mit dem Ultraschall-Homogenisator 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 für 47 min hydratisiert. Dann wurden die Nanopartikel über einem Eisbad mit Ultraschall beschallt, um kleine Bläschen zu erzeugen.

Ultraschallgeräte für die Niosom-Präparation

Hielscher Ultrasonic verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung, dem Vertrieb und Service von Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisierern 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 ermöglichen die 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 Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

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Literatur



Wissenswertes

Niosomen vs. Liposomen

Liposomen und Niosomen sind mikroskopisch kleine Vesikel, die mit bioaktiven Verbindungen zur Medikamentenabgabe beladen werden können. Niosomen ähneln den Liposomen, unterscheiden sich aber in ihrer Doppelschichtzusammensetzung. Während Liposomen eine Phospholipid-Doppelschicht aufweisen, besteht die Niosom-Doppelschicht aus nichtionischen Tensiden, was zu einem chemischen Unterschied in den Struktureinheiten führt. Dieser strukturelle Unterschied verleiht den Niosomen eine höhere chemische Stabilität, ein besseres Hautpenetrationsvermögen und weniger Verunreinigungen.

Niosome werden nach ihrer Größe in drei Hauptgruppen unterschieden: Kleine unilamellare Vesikel (SUV) haben einen durchschnittlichen Durchmesser von 10-100 nm, große unilamellare Vesikel (LUV) haben eine durchschnittliche Größe von 100-3000 nm, und multilamellare Vesikel (MLV) sind durch mehr als eine Doppelschicht gekennzeichnet.

"Niosomen verhalten sich in vivo wie Liposomen, verlängern die Zirkulation des eingeschlossenen Medikaments und verändern dessen Organverteilung und metabolische Stabilität. Wie bei den Liposomen hängen die Eigenschaften der Niosomen von der Zusammensetzung der Doppelschicht sowie von der Methode ihrer Herstellung ab. Es wird berichtet, dass die Interkalation von Cholesterin in die Doppelschicht das Einschlussvolumen während der Formulierung und damit die Einschlusseffizienz verringert". (Kazi et al. 2010)

Niosomen können mit verschiedenen Techniken präpariert werden, wie z.B. Dünnschicht-Hydratationstechnik, Ultraschall, Umkehrphasen-Verdampfungsmethode, Gefrier-Auftau-Methode, Mikrofluidisierung oder Dehydratations-Rehydratationsmethode. Durch die Wahl der geeigneten Präparationsform, des Tensids, des Cholesteringehalts, der Oberflächenladungszusätze und der Suspensionskonzentration können Zusammensetzung, Lamellarität, Stabilität und Oberflächenladung von Niosomen so formuliert werden, dass sie die spezifischen Anforderungen an den Wirkstoffträger erfüllen.
Um hochgradig biokompatible Niosomen mit einer sehr geringen Zytotoxizität herzustellen, sollten die bei der Niosomenpräparation verwendeten Tenside biologisch abbaubar, biokompatibel und nicht immunogen sein.