Ultraschallfällung von Curcumin-Superpartikeln
- Da Kurkuma nur 2-9 Gew.-% Curcuminoide enthält, ist eine effiziente Extraktions- oder Synthesetechnik erforderlich, um ein medizinisch wirksames Pulver zu erhalten.
- Die ultraschallunterstützte Antisolvent-Fällung ist eine sehr effiziente Methode zur Synthese von Curcuminpartikeln.
- Die Ultraschall-Antisolvent-Fällung lässt sich leicht auf die Produktion großer Mengen hochwertigen Curcumins ausdehnen.
Curcumin
Curcumin, ein Polyphenol, ist ein schwer wasserlöslicher Wirkstoff, der in dem pflanzlichen Gewürz Kurkuma (Curcuma longa). Es enthält hochwirksame Antioxidantien und ist für seine entzündungshemmenden, krebshemmenden, pilzhemmenden und antimikrobiellen Eigenschaften bekannt. Vor allem wegen seiner vielfältigen chemopräventiven und chemotherapeutischen Aktivitäten wird Curcumin bevorzugt als Arzneimittel eingesetzt.
Als starkes Antioxidans erhöht Curcumin die Serumaktivität von Antioxidantien wie der Superoxiddismutase (SOD) und fängt und neutralisiert freie Radikale wie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS). Außerdem steigert es die Aktivität der körpereigenen antioxidativen Enzyme. Curcumin ist auch dafür bekannt, dass es Herzkrankheiten senkt und die Gehirnfunktion verbessert. Aufgrund dieser vielfältigen positiven medizinischen Eigenschaften wird Curcumin häufig als Gewürz, Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel verwendet.
Ultraschall-Fällung von flüssigen Antisolventien
Die ultraschallunterstützte Flüssig-Antisolvens-Fällung (LAS) ist eine einfache und schnelle Eintopf-Synthesetechnik zur Herstellung von Curcumin-Nanopartikeln mit orthorhombischer Überstruktur. Die Ultraschall-Antilösungsmittelfällung ist ein einfaches, schnelles und skalierbares Verfahren, das die Ausfällung von hochwertigem Curcumin in der Pharma- und Lebensmittelindustrie ermöglicht.
Ultraschall-Fällungsprotokoll:
Für die Ultraschall-Fällung von Curcumin-Partikeln wird eine organische Lösung von Curcumin in Ethanol (5 mg/mL) in 100mL Wasser mit Tensid (0,02 Gew.-% in Wasser) oder ohne Tensid zugegeben. Als Reaktionsgefäß wird ein ummanteltes Glasgefäß mit ca. 500mL Volumen, 7cm Durchmesser und einem L/D-Verhältnis von 1,7 verwendet. Die Temperatur der Mischung wird konstant auf 1ºC gehalten. Für den Ultraschall-Fällungsprozess wird die Sonotrode des Ultraschall-Homogenisators wie z.B. der UP200Ht oder UP200St mit einer S26d14-Sonotrode wird in das Lösungsmittel-Lösungsmittel-Gemisch getaucht. Bei 100 % Amplitudeneinstellung und 10 Minuten Beschallung dispergiert das Gemisch.
Die Beschallungsdauer ermöglicht die Beeinflussung des Polymorphismus der Cucrcumin-Kristalle. Wenn die Beschallungsdauer verlängert wird, erhöht sich der Prozentsatz der orthorhombischen Partikel. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Ultraschallenergie die Bildung der orthorhombischen Form gegenüber der monoklinen Form begünstigt, unabhängig von dem verwendeten Zusatzstoff.
[vgl. Thorat et al. 2014]
Verbesserte Bioverfügbarkeit durch Ultraschallverkapselung
Da Curcumin ein lipophiles Molekül ist und sich nur schwer in Wasser auflöst (= hydrophob), hat es eine geringe systemische Bioverfügbarkeit. Daher ist es notwendig, Curcumin-Formulierungen herzustellen, die seine Bioverfügbarkeit erhöhen. Zur Herstellung wässriger Curcuminlösungen werden Tenside, Lipide, Albumine, Cyclodextrine, Biopolymere usw. zugesetzt, um die Curcuminmoleküle in Liposomen, Nanopartikeln und anderen Arzneimittelträgern zu verkapseln oder zu beladen.
Die Ultraschallbehandlung ist eine äußerst effiziente und zuverlässige Technik zur Formulierung von Arzneimittelträgern wie Liposomen, Kern-Schale NanopartikelBiopolymere und Doppel-Emulsionen! Nachfolgend finden Sie ein Beispielprotokoll für die Ultraschallverkapselung von Curcumin.
Protokoll zur Verkapselung von Curcumin mit Ultraschall:
Mit Curcumin beladene Polylactid-Co-Glycolsäure (PLGA)-Nanopartikel
- Zunächst wird das PLGA-Polymer in Ethylacetat aufgelöst. Curcumin (15 % w/w) wird zugegeben und unter ständigem Schütteln der Lösung aufgelöst.
- Die Feststoff-in-Öl-Mischung wird zu einer wässrigen PVA-Phase (w/v) hinzugefügt, um eine S-O/W-Emulsion zu bilden. Anschließend wird die Lösung des Arzneimittels/Polymers in PVA bei 8.000 U/min vortexiert.
- Die resultierende Lösung wird ca. 300 Sekunden lang bei 45 % Amplitude mit einem Ultraschallhomogenisator wie UP200Ht oder UP200St (200W, 26kHz). Unmittelbar nach der Beschallung wird die Emulsion in die wässrige Phase (0,1 % PVA in Wasser; 200 ml) gegossen und unter schnellem Rühren mit einem Magnetrührer diffundiert.
- Diese kolloidale Suspension wird kontinuierlich mit einem Magnetrührer gerührt, bis die Verdampfung des Lösungsmittels abgeschlossen ist. Dann werden die Nanopartikel durch Zentrifugieren gesammelt und dreimal mit destilliertem Milli-Q-Wasser gewaschen. Schließlich werden sie in einer Kälteschutzlösung (Saccharose (2 Gew.-%) und Trehalose (5 Gew.-%)) resuspendiert, auf einem Gefriertrocknungssystem ATR FD3.0 getrocknet und können bei 4 °C mindestens 6 Monate lang gelagert werden.
[vgl. Ranjan et al. 2012]
Ultraschallprozessoren für die Ausfällung und Formulierung von Curcumin
Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Synthese von Nanopartikeln (z.B. APIs) und die Extraktion von Pflanzenstoffen. Unsere Produktpalette umfasst hochentwickelte Labor-, Tisch- und Industrie-Ultraschallgeräte, die die Entwicklung von Anwendungen vom kleinen bis zum kommerziellen Maßstab ermöglichen. Alle in Labor- und Pilotversuchen erzielten Ergebnisse lassen sich vollständig linear auf die kommerzielle Produktion übertragen. Alle Systeme sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, robust und einfach zu bedienen.
Die UIPxxxxhdT-Serie umfasst unsere industrietauglichen Ultraschallsysteme, die für den Prüfstand, die Prozessoptimierung und die industrielle Produktion eingesetzt werden können. Unsere industriellen Systeme sind erhältlich als 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) und 16.000 W (UIP16000, weltweit leistungsstärkstes Ultraschallgerät). Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können im Dauerbetrieb rund um die Uhr mit sehr hohen Amplituden von bis zu 200µm betrieben werden. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher kundenspezifische Ultraschallsonotroden an. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb rund um die Uhr bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Für alle unsere Ultraschallsysteme bieten wir ein breites Spektrum an Zubehör wie Sonotroden, Boosterhörner, Durchflusszellen und Reaktoren in verschiedenen Größen, Formen und Geometrien an. Mit diesen Werkzeugen ist es leicht möglich, unsere Ultraschallprozessoren optimal an die erforderlichen Prozessbedingungen anzupassen.
Für die Fällung und Bottom-up-Synthese bietet Hielscher einen einzigartigen Fließzelleneinsatz – Der MultiPhaseCavitator MPC48 . Beim MultiPhaseCavitator wird die zweite Phase (Antilösungsmittel) über 48 feine Kanülen direkt in die Ultraschall-Kavitationszone eingespritzt, wo sie innerhalb von Millisekunden mit der ersten Phase vermischt wird. Als Ergebnis werden homogene Nanopartikel ausgefällt.
Literatur
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: A Review of Its' Effects on Human Health. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Particle formation pathways and polymorphism of curcumin induced by ultrasound and additives during liquid antisolvent precipitation. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Scale-up, Optimierung und Stabilitätsanalyse von mit Curcumin C3-Komplex beladenen Nanopartikeln für die Krebstherapie. Zeitschrift für Nanobiotechnologie 2012, 10:38.
Wissenswertes
Curcumin
Curcumin ist eine gelb gefärbte chemische Verbindung, die in Kurkuma enthalten ist. Kurkuma ist eine rhizomatöse, krautige, mehrjährige Pflanze (Curcuma longa) aus der Familie der Ingwergewächse. Curcumin ist ein Polyphenol, das aus den Rhizomen extrahiert wird und weithin als Gewürz verwendet wird. Je nach Herkunft und Bodenbeschaffenheit enthält Kurkuma 2-9 % Curcuminoide. Curcumin ist das wichtigste Curcuminoid in Kurkuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Es wird als Nahrungsergänzungsmittel, Arzneimittel, färbender Lebensmittelzusatzstoff sowie als kosmetischer Inhaltsstoff verwendet.
Eine gereinigte Form von Curcumin, die nur aus den folgenden drei Hauptbestandteilen besteht – Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin – wird auch als Curcumin-C3-Komplex bezeichnet. Reines Curcumin kann durch Säulenchromatographie vom C3-Gemisch aus Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin getrennt werden.
Hinsichtlich seiner pharmakologischen Eigenschaften hat reines, nicht modifiziertes Curcumin ein großes Problem: Aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit und damit schlechten Bioverfügbarkeit kann unmodifiziertes Curcumin seine therapeutische Wirkung nicht entfalten, sondern wird in der Leber und der Darmwand rasch abgebaut. Um die geringe Absorptionsrate von Curcumin zu überwinden, werden die aktiven Moleküle in Nanoträger (z. B. Liposomen, Nanokugeln) oder auf Nanokomplexen (z. B. NanopartikelKomplexe aus Phospholipiden, Cyclodextrinen und festen Dispersionen). Darüber hinaus kann die Bioverfügbarkeit von Curcumin um ca. 2000% gesteigert werden, wenn seine Dosierung mit Piperin, einem Extrakt aus schwarzem Pfeffer, kombiniert wird.
Aus diesem Grund ist nanoformuliertes Curcumin (Nanocurcumin) die bevorzugte Darreichungsform von Curcumin, da Curcumin in Nanoform die oben genannten Probleme bei der Verabreichung von Arzneimitteln überwindet. Nanocurcumin kann seine therapeutischen Eigenschaften entfalten, da es besser in das kranke Gewebe gelangt, besser verinnerlicht und weniger systemisch ausgeschieden wird.
Curcumin ist in verschiedenen Darreichungsformen erhältlich, darunter Pulver, Kapseln, Tabletten, Salben, Nährstoffgetränke und kosmetische Cremes.
Medizinische Anwendungen von Curcumin
Curcumin ist wegen seiner vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten in der Medizin und in der Ernährung weithin untersucht worden. Die Forschung hat gezeigt, dass Curcumin eine hohe antioxidative Aktivität besitzt, die Zellapoptose auslöst, die Zellproliferation hemmt, die Zelladhäsion und -motilität bekämpft und antiangiogene und antimikrobielle Eigenschaften aufweist. Aufgrund dieser Wirkungen wird Curcumin als Medikament zur Behandlung verschiedener entzündlicher Erkrankungen, Krebs, neurodegenerativer Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes eingesetzt.
Mit Ultraschall hergestellte Nano-Verabreichungsformen von Curcumin für die medizinische Therapie sind Nanopartikel, Liposomen, Mizellen, Nanoemulsionen, Cyclodextrin-Komplexe, Nanodisketten, Nanofasern, feste Lipid-Nanopartikel und Curcumin-Konjugate. Diese nanoskaligen Darreichungsformen überwinden die schlechte Bioverfügbarkeit von Curcumin und ermöglichen die gezielte und wirksame Verabreichung eines hochwirksamen Curcumin-Medikaments.
Curcumin Chemische Struktur
Curcumin ist ein symmetrisches Molekül, das auch als Diferuloylmethan bekannt ist. Der IUPAC-Name von Curcumin ist (1E,6E)-1,7-Bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion, mit der chemischen Formel C21H20O6. Curcumin-Kristalle können in verschiedenen Formen auftreten, z. B. monoklin (nadelförmig), orthorhombisch (reiskornartig) und amorph.