Ultraschallgestützte Formulierung von Niosomen

Niosomen sind nanoskalige Vesikel, die als Träger für Arzneistoffe (z. B. Krebsmedikamente) und andere bioaktive Substanzen eingesetzt werden können. Die Ultraschallemulgierung ist eine einfache und schnelle Methode zur Formulierung kleiner Niosomen mit hoher Wirkstoffbeladung.

Niosomenvesikel als Nanoträger für Wirkstoffe

Ein Niosom ist ein Vesikel auf Basis nichtionischer Tenside, das meist aus einem nichtionischen Tensid unter Einlagerung von Cholesterin als Hilfsstoff gebildet wird. Niosomen sind gegenüber chemischem Abbau oder Oxidation stabiler und lassen sich im Vergleich zu Liposomen länger lagern. Aufgrund der zur Niosomenherstellung verwendeten Tenside sind sie biologisch abbaubar, biokompatibel und nicht immunogen. Niosomen sind osmotisch aktiv, chemisch stabil und bieten im Vergleich zu Liposomen eine längere Lagerfähigkeit. Je nach Größe und Lamellarität stehen verschiedene Herstellungsverfahren zur Verfügung, etwa Beschallung, Umkehrphasenverdampfung, Dünnschichthydratation oder die Wirkstoffaufnahme mittels eines transmembranen pH-Gradienten. Die ultraschallgestützte Niosomenherstellung ist die bevorzugte Technik zur Herstellung kleiner unilamellarer Vesikel mit einheitlicher Größe.

Ultraschallgestützte Niosomenformulierung

Zur Formulierung von Niosomen muss aus einer organischen Lösung von Tensid und Cholesterin sowie einer wässrigen Lösung, die die bioaktive Verbindung, also den Arzneistoff, enthält, eine Öl-in-Wasser-Emulsion (o/w) hergestellt werden. Die Ultraschallemulgierung ist eine überlegene Technik zum Mischen nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten wie Öl und Wasser. Durch Scherung und Zerkleinerung der Tröpfchen beider Phasen auf Nanogröße entsteht eine Nanoemulsion. Anschließend wird das organische Lösungsmittel verdampft, wodurch mit therapeutischen Wirkstoffen beladene Niosomen entstehen, die in der wässrigen Phase dispergiert sind. Im Vergleich zum mechanischen Rühren zeichnet sich die ultraschallgestützte Niosomenformulierung dadurch aus, dass sie in einem schnellen Verfahren Niosomen mit geringerer mittlerer Größe und niedrigerem Polydispersitätsindex erzeugt. Kleinere Vesikel sind im Allgemeinen vorzuziehen, da sie den körpereigenen Eliminationsmechanismen tendenziell besser entgehen als größere Partikel und länger im Blutkreislauf verbleiben. (vgl. Bragagni et al. 2014)
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Protokolle zur ultraschallgestützten Niosomenherstellung

Die Formulierung von Niosomen mittels Beschallung wurde umfassend untersucht, sodass zahlreiche wissenschaftlich validierte Protokolle zur ultraschallgestützten Niosomenherstellung verfügbar sind.
Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über einige Formulierungsprotokolle zur Herstellung und Beladung von Niosomen mittels Beschallung.

Mit Withania somnifera-Extrakten beladene Niosomen
Chinembiri et al. (2017) formulierten Withania somnifera-Rohextrakt in Niosomen für die topische Anwendung. Die bioaktiven Verbindungen wurden durch Lösungsmittelinjektion verkapselt. Dazu wurden die organische und die wässrige Phase kontinuierlich mit einem Magnetrührer gerührt und die Temperatur bei 60°C ± 2°C gehalten, bis das organische Lösungsmittel ausgetrieben war. Die entstandene Formulierung wurde abgekühlt und auf Eis mit dem Ultraschallgerät Hielscher UP200ST beschallt. Die Niosomen hatten eine mittlere Größe von etwa 165,9 ± 9,4 und zeigten eine hohe Verkapselungseffizienz (EE%) für Withanolid A.

Mit Doxorubicin beladene Niosomen
Mit dem Krebsmedikament Doxorubicin beladene N-Palmitoylglucosamin-Niosomen (Glu) wurden hergestellt, indem eine Mischung aus NPG (16 mg), Span 60 (65 mg), Cholesterin (58 mg) und Solulan C24 (54 mg) in Doxorubicinlösung (1,5 mg/ml, 2 ml, in PBS angesetzt) bei 90°C für 1 h geschüttelt und anschließend für 10 min mit einer Sonotrode beschallt wurde (75% des Maximums).
Palmitoylglykolchitosan-Vesikel (GCP) wurden wie zuvor beschrieben (11) hergestellt, indem Glykolchitosan (10 mg) und Cholesterin (4 mg) in Doxorubicinlösung (1,5 mg/ml) mit einer Sonotrode beschallt wurden. (Dufes et al. 2004)

Alternative Verfahren zur Niosomenherstellung

Alternative Verfahren zur Niosomenformulierung wie die Umkehrphasenverdampfung oder die Wirkstoffaufnahme mittels eines transmembranen pH-Gradienten beinhalten den Einsatz von Ultraschallenergie. Beide Techniken werden hauptsächlich zur Formulierung multilamellarer Vesikel (MLVs) eingesetzt. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung beider Techniken und des jeweiligen Beschallungsschritts.

Beschallung bei der Niosomenherstellung mittels Umkehrphasenverdampfung

Bei der Umkehrphasenverdampfung (REV) werden die Komponenten der Niosomenformulierung in einer Mischung aus Ether und Chloroform gelöst und der wässrigen Phase zugesetzt, die den Arzneistoff enthält. Durch Ultraschallemulgierung wird die Mischung in eine feine Emulsion überführt. Anschließend wird die organische Phase verdampft. Die bei der Verdampfung des organischen Lösungsmittels erhaltenen Niosomen sind große unilamellare Vesikel.

Wirkstoffaufnahme mittels eines transmembranen pH-Gradienten

Für die Wirkstoffaufnahme mittels eines transmembranen pH-Gradienten mit saurem Innenraum (durch nachträgliche Beladung, Remote Loading) werden Tensid und Cholesterin in Chloroform gelöst. Das Lösungsmittel wird anschließend unter Vakuum verdampft, sodass ein dünner Film an der Wand des Rundkolbens entsteht. Der Film wird mit 300 mM Zitronensäure (pH 4,0) durch Mischen der Suspension auf einem Vortexmischer hydratisiert. Die multilamellaren Vesikel werden dreimal eingefroren und aufgetaut und anschließend mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode beschallt. Dieser Niosomensuspension wird eine wässrige Lösung mit 10 mg/ml Arzneistoff zugesetzt und das Gemisch auf einem Vortexmischer gemischt. Der pH-Wert der Probe wird anschließend mit 1M Dinatriumhydrogenphosphat auf pH 7,0–7,2 angehoben. Danach wird die Mischung für 10 Minuten auf 60°C erhitzt. Mit dieser Technik werden multilamellare Vesikel erhalten. (vgl. Kazi et al. 2010)

Ultraschallgestützte Größenreduktion von Niosomen

Niosomen liegen üblicherweise im Größenbereich von 10nm bis 1000nm. Je nach Herstellungstechnik sind Niosomen häufig relativ groß und neigen zur Aggregatbildung. Bestimmte Niosomengrößen sind jedoch ein wichtiger Faktor für die angestrebte Art des Wirkstoffträgersystems. Beispielsweise eignen sich sehr kleine Niosomen im Nanometerbereich am besten für die systemische Wirkstoffverabreichung, bei der der Arzneistoff Zellmembranen passieren muss, um den zellulären Zielort zu erreichen. Größere Niosomen werden dagegen für die intramuskuläre und intrakavitäre Wirkstoffverabreichung oder für ophthalmische Anwendungen empfohlen. Die ultraschallgestützte Größenreduktion von Niosomen ist ein gängiger Schritt bei der Herstellung hochwirksamer Niosomen. Ultraschallbedingte Scherkräfte deagglomerieren und dispergieren die Niosomen zu monodispersen Nanoniosomen.

Protokoll – Ultraschallgestützte Größenreduktion von LipoNiosomen

Naderinezhad et al. (2017) formulierten biokompatible LipoNiosomen (eine Kombination aus Niosom und Liposom), die Tween 60: Cholesterin: DPPC (im Verhältnis 55 : 30 : 15 : 3) mit 3% DSPE-mPEG enthielten. Um die Größe der hergestellten LipoNiosomen zu reduzieren und die Partikelaggregation zu minimieren, beschallten sie die Suspension nach der Hydratation für 45 min (15 Sekunden eingeschaltet und 10 Sekunden ausgeschaltet, Amplitude 70% bei 100 Watt) mit dem Ultraschallhomogenisator UP200St (Hielscher Ultrasonics GmbH, Deutschland). 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. Anschließend wurden die Nanopartikel über einem Eisbad beschallt, um kleine Vesikel herzustellen.

Ultraschallgeräte zur Niosomenherstellung

Hielscher Ultrasonic verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung, im Vertrieb und im Service von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie.
Die Herstellung hochwertiger Niosomen, Liposomen, fester Lipidnanopartikel, polymerer Nanopartikel, Cyclodextrinkomplexe und anderer nanostrukturierter Wirkstoffträger gehört zu den Prozessen, bei denen sich Hielscher Ultraschallgeräte durch hohe Zuverlässigkeit, konstante Leistungsabgabe und präzise Steuerbarkeit auszeichnen. Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen die präzise Steuerung sämtlicher Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Beschallungsenergie. Die intelligente Software protokolliert automatisch alle Beschallungsparameter (Uhrzeit, Datum, Amplitude, Nettoenergie, Gesamtenergie, Temperatur, Druck) auf der integrierten SD-Karte.
Die Robustheit der Hielscher Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: