Ultraschallfällung von Curcumin-Superpartikeln
- Da Kurkuma nur 2-9 Gew.-% Curcuminoide enthält, ist eine effiziente Extraktions- oder Synthesetechnik notwendig, um ein medizinisch wirksames Pulver zu erhalten.
- Die ultraschallgestützte Antisolventenfällung ist eine hocheffiziente Methode zur Synthese von Curcumin-Partikeln.
- Die Ultraschall-Lösemittelfällung lässt sich leicht auf die Produktion großer Mengen an hochwertigem Curcumin hochskalieren.
Curcumin
Curcumin, ein Polyphenol, ist ein schwer wasserlösliches Medikament, das im Kräutergewürz Kurkuma (Curcuma longa). Es verfügt über hochwirksame Antioxidantien und ist bekannt für seine entzündungshemmenden, krebshemmenden, antimykotischen und antimikrobiellen Eigenschaften. Insbesondere aufgrund seines breiten Spektrums an chemopräventiven und chemotherapeutischen Aktivitäten wird Curcumin als bevorzugtes Arzneimittel verwendet.
Als starkes Antioxidans erhöht Curcumin die Serumaktivität von Antioxidantien wie Superoxiddismutase (SOD) und fängt und neutralisiert freie Radikale wie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS). Darüber hinaus erhöht es die Aktivität der körpereigenen antioxidativen Enzyme. Curcumin ist auch dafür bekannt, Herzkrankheiten zu lindern und die Gehirnfunktion zu verbessern. Aufgrund dieser vielfältigen vorteilhaften medizinischen Eigenschaften wird Curcumin häufig als Gewürz, Nahrungsergänzungsmittel und Medikament verwendet.
Ultraschall Flüssige Antisolventenfällung
Die ultraschallgestützte Flüssig-Antisolventen-Fällung (LAS) ist eine einfache und schnelle Eintopf-Synthesetechnik zur Herstellung von Curcumin-Nanopartikeln mit orthorhombischem Überbau. Die Ultraschall-Anti-Solvent-Fällung ist ein einfaches, schnelles und skalierbares Verfahren, das die Fällung von hochwertigem Curcumin in der Pharma- und Lebensmittelindustrie ermöglicht.
Hypothetischer Mechanismus der Bildung von Curcumin-Superpartikeln in Abwesenheit und Gegenwart von Ultraschall ohne Stabilisatoren. Bild © 2014 Thorat et al.
Ultraschall-Niederschlagsprotokoll:
Für die ultimative Fällung von Curcumin-Partikeln wird eine organische Lösung von Curcumin in Ethanol (5 mg/ml) in 100 ml Wasser gegeben, das Tensid (0,02 Gew.-% in Wasser) oder ohne Tensid enthält. Als Reaktionsgefäß wird ein ummanteltes Glasgefäß von ca. 500 mL Volumen, 7 cm Durchmesser und einem L/D-Verhältnis von 1,7 verwendet. Die Temperatur der Mischung wird konstant bei 1ºC gehalten. Für den Ultraschallfällungsprozess wird die Sonotrode des Ultraschall-Homogenisators wie die UP200Ht oder UP200St mit einem S26d14 ausgestatteten Sonotrode wird in das Lösemittel-Lösemittel-Gemisch eingetaucht. Bei 100% Amplitudeneinstellung und 10min. Beschallung dispergierte sich das Gemisch.
Die Beschallungszeit ermöglicht die Manipulation des Polymorphismus von Cucrcumin-Kristallen. Wenn die Beschallungsdauer verlängert wird, wird der Anteil der orthorhombischen Partikel erhöht. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Ultraschallenergie die Bildung einer orthorhombischen Form gegenüber der monoklinen Form erleichtert, unabhängig vom verwendeten Additiv.
[vgl. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW Ultraschallprozessor für API-Fällung
Verbesserte Bioverfügbarkeit durch Ultraschallverkapselung
Da Curcumin ein lipophiles Molekül ist und schlecht in Wasser löslich (= hydrophob) ist, hat es eine geringe systemische Bioverfügbarkeit. Daher ist es notwendig, Curcumin-Formulierungen herzustellen, die seine Bioverfügbarkeit erhöhen. Zur Herstellung von wässrigen Curcumin-Lösungen werden Tenside, Lipide, Albumine, Cyclodextrine, Biopolymere usw. zugesetzt, um die Curcumin-Moleküle in Liposomen, Nanopartikeln und anderen Wirkstoffträgern zu verkapseln bzw. zu beladen.
Ultraschall ist eine hocheffiziente und zuverlässige Technik zur Formulierung von Wirkstoffträgern wie Liposomen, Kern-Schale Nanopartikel, Biopolymere und Doppel-Emulsionen! Nachfolgend finden Sie ein beispielhaftes Protokoll für die Ultraschallverkapselung von Curcumin.
Ultraschall-Curcumin-Verkapselungsprotokoll:
Curcumin-beladene Polymilchsäure-Co-Glykolsäure (PLGA)-Nanopartikel
- Zunächst wird das PLGA-Polymer in Ethylacetat gelöst. Curcumin (15 % w/w) wird hinzugefügt und lässt es sich auflösen, während die Lösung intermittierend vortext.
- Das Fest-in-Öl-Gemisch wird zu einer wässrigen Phase von PVA (w/v) gegeben, um eine S-O/W-Emulsion zu bilden. Dann wird die Lösung des Arzneimittels/Polymers in PVA bei 8.000 U/min vortexiert.
- Die resultierende Lösung wird ca. 300sec lang bei 45% Amplitude mit einem Ultraschall-Homogenisator wie z.B. UP200Ht oder UP200St (200 W, 26 kHz). Unmittelbar nach der Beschallung wird die Emulsion in die wässrige Phase (0,1 % PVA in Wasser; 200 ml) gegossen, um sie unter schnellem Rühren mit einem Magnetrührer zu diffundieren.
- Diese kolloidale Suspension wird kontinuierlich mit einem Magnetrührer gerührt, bis die Lösungsmittelverdampfung abgeschlossen ist. Dann werden die Nanopartikel durch Zentrifugation gesammelt und 3 Mal mit destilliertem Milli Q Wasser gewaschen. Schließlich werden sie in kryoprotektiver Lösung (Saccharose (2 % w/w) und Trehalose (5 % w/w)) resuspendiert, auf einem Lyophilisator ATR FD3.0 System getrocknet und können mindestens 6 Monate bei 4 °C gelagert werden.
[vgl. Ranjan et al. 2012]
Ultraschallprozessoren für Curcuminfällung und -formulierung
Hielscher Ultrasonics bietet leistungsstarke Ultraschallgeräte für die Synthese von Nanopartikeln (z. B. APIs) und die Extraktion von pflanzlichen Verbindungen. Unsere Produktpalette umfasst hochentwickelte Labor-, Tisch- und industrielle Ultraschallgeräte, die die Entwicklung von Anwendungen vom kleinen bis zum kommerziellen Maßstab ermöglichen. Alle Ergebnisse, die in Labor- und Pilotversuchen erzielt werden, können vollständig linear auf das kommerzielle Produktionsniveau skaliert werden. Alle Systeme sind für den 24/7-Betrieb gebaut, robust und einfach zu bedienen.
Die UIPxxxxhdT-Serie umfasst unsere Ultraschallsysteme in Industriequalität, die für den Labortisch, die Prozessoptimierung und die industrielle Produktion eingesetzt werden können. Unsere Industrieanlagen sind erhältlich als 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000 W (UIP10000) und 16.000 W (UIP16000, weltweit leistungsstärkster Ultraschallgerät). Hielscher Ultraschall‘ Industrielle Ultraschallprozessoren können 24/7 kontinuierlich mit sehr hohen Amplituden von bis zu 200μm betrieben werden. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden an. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher 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, Booster-Hörner, Durchflusszellen und Reaktoren in verschiedenen Größen, Formen und Geometrien an. Mit diesen Werkzeugen wird es einfach möglich, unsere Ultraschallprozessoren optimal an die geforderten Prozessbedingungen anzupassen.
Für die Fällung und Bottom-up-Synthese bietet Hielscher einen einzigartigen Durchflusszelleneinsatz an – Der MultiPhaseCavitator MPC48 . Beim MultiPhaseCavitator wird die zweite Phase (Anti-Solvent) über 48 feine Kanülen direkt in die Ultraschallkavitationszone injiziert, wo sie innerhalb von Millisekunden in die erste Phase gemischt wird. Dadurch werden homogene Nanopartikel ausgefällt.
Leistungsstarke Beschallung vom Labor und Tischgerät bis zur industriellen Produktion.
Literatur
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: Ein Überblick über seine Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Lebensmittel. 2017 Okt; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Partikelbildungswege und Polymorphismus von Curcumin, induziert durch Ultraschall und Additive während der Ausfällung von flüssigen Lösungsmitteln. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Scale-up, Optimierung und Stabilitätsanalyse von Curcumin C3-komplexbeladenen Nanopartikeln für die Krebstherapie. Zeitschrift für Nanobiotechnologie 2012, 10:38 Uhr.
Wissenswertes
Curcumin
Curcumin ist eine gelb gefärbte chemische Verbindung, die in Kurkuma vorkommt. Kurkuma ist eine rhizomatöse krautige, mehrjährige Pflanze (Curcuma longa) aus der Familie der Ingwergewächse. Curcumin ist ein Polyphenol, das aus den Rhizomen gewonnen und häufig als Gewürz verwendet wird. Abhängig von seiner Herkunft und den Bodenverhältnissen, an denen es angebaut wird, enthält Kurkuma 2 % bis 9 % Curcuminoide. Curcumin ist das wichtigste Curcuminoid von Kurkuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Es wird als Nahrungsergänzungsmittel, medizinisches Mittel, Lebensmittelaroma, Farbstoff sowie kosmetischer Bestandteil verwendet.
Eine gereinigte Form von Curcumin, die nur aus den folgenden drei Hauptkomponenten besteht – Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin – wird auch als Curcumin-C3-Komplex bezeichnet. Reines Curcumin kann durch Säulenchromatographie aus dem C3-Gemisch aus Curcumin, Bisdemethoxy-Curcumin und Demethoxy-Curcumin 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 Darmwand schnell verstoffwechselt. Um die geringe Absorptionsrate von Curcumin zu überwinden, werden die aktiven Moleküle in Nano-Carriern (z. Liposomen, Nanosphären) oder auf Nanokomplexe (z. Nanopartikel, Komplexe aus Phospholipiden, Cyclodextrinen und festen Dispersionen). Darüber hinaus kann die Bioverfügbarkeit von Curcumin um ca. 2000% erhöht werden, wenn die Dosierung mit Piperin, einem Extrakt aus schwarzem Pfeffer, kombiniert wird.
Aufgrund dieser Tatsachen ist nanoformuliertes Curcumin (Nanocurcumin) die bevorzugte Darreichungsform von Curcumin, da Curcumin in Nanoform die oben genannten Probleme bei der Arzneimittelabgabe überwindet. Nanocurcumin kann seine therapeutischen Eigenschaften aufgrund einer verbesserten Abgabe an das erkrankte Gewebe, einer besseren Internalisierung und einer reduzierten systemischen Ausscheidung entfalten.
Curcumin ist in verschiedenen Darreichungsformen erhältlich, darunter Pulver, Kapseln, Tabletten, Salben, Ernährungsgetränke und kosmetische Cremes.
Medizinische Anwendungen von Curcumin
Curcumin ist auf seine vielfältigen Anwendungsformen in Medizin und Ernährung vielfach untersucht worden. Untersuchungen haben gezeigt, dass Curcumin eine hohe antioxidative Aktivität hat, die die Apoptose der Zellen induziert, die Zellproliferation, die Anti-Zelladhäsion und -Motilität hemmt und anti-angiogenese und antimikrobielle Eigenschaften bietet. Aufgrund dieser Wirkungen wird Curcumin als Medikament zur Behandlung verschiedener entzündlicher Erkrankungen, Krebs, neurodegenerativer Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Diabetes eingesetzt.
Mit Ultraschall präparierte Nano-Verabreichungsformen Zu den Curcumin-Produkten für die medizinische Therapie gehören Nanopartikel, Liposomen, Mizellen, Nanoemulsionen, Cyclodextrin-Komplexe, Nanodisks, Nanofasern, feste Lipid-Nanopartikel und Curcumin-Konjugate. Diese Darreichungsformen in Nanogröße überwinden die schlechte Bioverfügbarkeit von Curcumin und ermöglichen die gezielte und effektive Verabreichung eines hochwirksamen Curcumin-Medikaments.
Chemische Struktur von Curcumin
Curcumin ist ein symmetrisches Molekül, das auch als Diferuloylmethan bekannt ist. Der IUPAC-Name von Curcumin lautet (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. in monokliner (nadelförmiger), orthorhombischer (reiskornartiger) und amorpher Form.