Ultraschallfällung von Curcumin-Superpartikeln
- Da Kurkuma nur 2–9 wt% Curcuminoide enthält, ist ein effizientes Extraktions- oder Syntheseverfahren erforderlich, um ein medizinisch wirksames Pulver zu gewinnen.
- Die ultraschallunterstützte Antisolvent-Fällung ist eine hocheffiziente Methode zur Synthese von Curcuminpartikeln.
- Die ultraschallunterstützte Antisolvent-Fällung lässt sich problemlos auf die Herstellung großer Mengen hochwertigen Curcumins skalieren.
Curcumin
Curcumin, ein Polyphenol, ist ein schwer wasserlöslicher Wirkstoff, der im pflanzlichen Gewürz Kurkuma (Curcuma longa) vorkommt. Es enthält hochwirksame Antioxidantien und ist für seine entzündungshemmenden, krebshemmenden, antimykotischen und antimikrobiellen Eigenschaften bekannt. Insbesondere aufgrund seines breiten Spektrums an chemopräventiven und chemotherapeutischen Wirkungen wird Curcumin bevorzugt als Arzneistoff eingesetzt.
Als starkes Antioxidans erhöht Curcumin die Aktivität von Antioxidantien wie Superoxiddismutase (SOD) im Serum und fängt und neutralisiert freie Radikale wie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS). Darüber hinaus steigert es die Aktivität der körpereigenen antioxidativen Enzyme. Curcumin ist auch dafür bekannt, Herzerkrankungen zu verringern und die Gehirnfunktion zu verbessern. Aufgrund dieser vielfältigen günstigen medizinischen Eigenschaften wird Curcumin häufig als Gewürz, Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel verwendet.
Ultraschallunterstützte Flüssig-Antisolvent-Fällung
Die ultraschallunterstützte Flüssig-Antisolvent-Fällung (LAS) ist ein einfaches und schnelles Eintopf-Syntheseverfahren zur Herstellung von Curcumin-Nanopartikeln mit orthorhombischer Überstruktur. Die ultraschallunterstützte Antisolvent-Fällung ist ein einfaches, schnelles und skalierbares Verfahren, das die Fällung hochwertigen Curcumins in der Pharma- und Lebensmittelindustrie ermöglicht.
Postulierter Mechanismus der Bildung von Curcumin-Superpartikeln ohne und mit Ultraschall in Abwesenheit von Stabilisatoren. Abbildung © 2014 Thorat et al.
Protokoll zur Ultraschallfällung:
Zur Ultraschallfällung von Curcuminpartikeln wird eine organische Lösung von Curcumin in Ethanol (5 mg/mL) zu 100mL Wasser mit Tensid (0,02 wt% in Wasser) oder ohne Tensid gegeben. Als Reaktionsgefäß dient ein doppelwandiges Glasgefäß mit einem Volumen von ca. 500mL, einem Durchmesser von 7cm und einem L/D-Verhältnis von 1,7. Die Temperatur des Gemisches wird konstant auf 1ºC gehalten. Für den Ultraschallfällungsprozess wird die Sonotrode eines Ultraschallhomogenisators wie UP200Ht oder UP200St , der mit einer S26d14-Sonotrode ausgestattet ist, in das Lösungsmittel-Antisolvent-Gemisch eingetaucht. Das Gemisch wird bei einer Amplitudeneinstellung von 100% und einer Beschallungsdauer von 10min. dispergiert.
Über die Beschallungsdauer lässt sich die Polymorphie der Curcuminkristalle beeinflussen. Bei längerer Beschallung steigt der Anteil orthorhombischer Partikel. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Ultraschallenergie die Bildung der orthorhombischen gegenüber der monoklinen Form begünstigt, unabhängig vom verwendeten Zusatzstoff.
[vgl. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW-Ultraschallprozessor zur Fällung pharmazeutischer Wirkstoffe (APIs)
Verbesserte Bioverfügbarkeit durch ultraschallgestützte Verkapselung
Da Curcumin ein lipophiles Molekül und in Wasser schwer löslich (= hydrophob) ist, weist es eine geringe systemische Bioverfügbarkeit auf. Daher müssen Curcuminformulierungen hergestellt werden, die seine Bioverfügbarkeit verbessern. Zur Herstellung wässriger Curcuminlösungen werden Tenside, Lipide, Albumine, Cyclodextrine, Biopolymere usw. zugesetzt, um die Curcuminmoleküle in Liposomen, Nanopartikeln und anderen Wirkstoffträgern zu verkapseln oder diese damit zu beladen.
Die Ultraschallbehandlung ist ein hocheffizientes und zuverlässiges Verfahren zur Formulierung von Wirkstoffträgern wie Liposomen, Kern-Schale- Nanopartikeln, Biopolymeren und Doppelemulsionen! Nachfolgend finden Sie ein beispielhaftes Protokoll zur ultraschallgestützten Verkapselung von Curcumin.
Protokoll zur ultraschallgestützten Verkapselung von Curcumin:
Curcuminbeladene Nanopartikel aus Poly(milchsäure-co-glykolsäure) (PLGA)
- Zunächst wird das PLGA-Polymer in Ethylacetat gelöst. Curcumin (15% w/w) wird zugegeben und unter zeitweiligem Mischen der Lösung mit einem Vortexmischer gelöst.
- Das Feststoff-in-Öl-Gemisch wird einer wässrigen PVA-Phase (w/v) zugegeben, um eine S-O/W-Emulsion zu bilden. Anschließend wird die Wirkstoff/Polymer-Lösung in PVA bei 8.000 rpm mit einem Vortexmischer gemischt.
- Die entstandene Lösung wird ca. 300sec bei 45% Amplitude mit einem Ultraschallhomogenisator beschallt, beispielsweise mit UP200Ht oder UP200St (200W, 26kHz). Unmittelbar nach der Beschallung wird die Emulsion zur Diffusion unter schnellem Rühren mit einem Magnetrührer in die wässrige Phase (0,1% PVA in Wasser; 200mL) gegossen.
- Diese kolloidale Suspension wird kontinuierlich mit einem Magnetrührer gerührt, bis das Lösungsmittel vollständig verdampft ist. Anschließend werden die Nanopartikel durch Zentrifugation abgetrennt und 3-mal mit destilliertem Milli-Q-Wasser gewaschen. Schließlich werden sie in einer Kryoprotektorlösung (Saccharose (2 %w/w) und Trehalose (5% w/w)) resuspendiert und in einem Gefriertrocknungssystem ATR FD3.0 getrocknet. Sie können bei 4°C mindestens 6 Monate gelagert werden.
[vgl. Ranjan et al. 2012]
Ultraschallprozessoren zur Fällung und Formulierung von Curcumin
Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungsultraschallgeräte für die Synthese von Nanopartikeln (e.g. APIs) und die Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe. Unser Produktsortiment umfasst ausgereifte Ultraschallgeräte für Labor, Technikum und Industrie, die die Entwicklung von Anwendungen vom kleinen bis zum kommerziellen Maßstab ermöglichen. Alle in Labor- und Pilotversuchen erzielten Ergebnisse lassen sich vollständig linear auf den kommerziellen Produktionsmaßstab übertragen. Alle Systeme sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, robust und einfach zu bedienen.
Die UIPxxxxhdT-Serie umfasst unsere industrietauglichen Ultraschallsysteme, die im Technikum, zur Prozessoptimierung und in der industriellen Produktion eingesetzt werden können. Unsere Industriesysteme sind in folgenden Ausführungen erhältlich: 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) und 16.000W (UIP16000, weltweit leistungsstärkstes Ultraschallgerät). Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können im kontinuierlichen 24/7-Betrieb bei sehr hohen Amplituden von bis zu 200µm betrieben werden. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher kundenspezifische Ultraschallsonotroden an. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb rund um die Uhr bei hoher Belastung und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen.
Für alle unsere Ultraschallsysteme bieten wir ein breites Spektrum an Zubehör wie Sonotroden, Amplitudenverstärker, Durchflusszellen und Reaktoren in unterschiedlichen Größen, Formen und Geometrien an. Mit diesem Zubehör lassen sich unsere Ultraschallprozessoren einfach und optimal an die erforderlichen Prozessbedingungen anpassen.
Für die Fällung und Bottom-up-Synthese bietet Hielscher einen einzigartigen Durchflusszelleneinsatz an – den MultiPhaseCavitator MPC48. Mit dem MultiPhaseCavitator wird die zweite Phase (Antisolvent) über 48 feine Kanülen direkt in die Ultraschallkavitationszone injiziert, wo sie innerhalb von Millisekunden in die erste Phase eingemischt wird. Dadurch werden homogene Nanopartikel ausgefällt.
Leistungsstarke Beschallung vom Labor und Technikum bis zur industriellen Produktion.
Literatur/Quellen
- 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): Particle formation pathways and polymorphism of curcumin induced by ultrasound and additives during liquid antisolvent precipitation. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102–11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Maßstabsvergrößerung, Optimierung und Stabilitätsanalyse von Nanopartikeln, die mit dem Curcumin-C3-Komplex beladen sind, für die Krebstherapie. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Wissenswertes
Curcumin
Curcumin ist eine gelbe chemische Verbindung, die in Kurkuma vorkommt. Kurkuma ist eine ausdauernde, krautige Pflanze mit Rhizomen (Curcuma longa) aus der Familie der Ingwergewächse. Curcumin ist ein Polyphenol, das aus den Rhizomen extrahiert und häufig als Gewürz verwendet wird. Abhängig von seiner Herkunft und den Bodenbedingungen am Anbauort enthält Kurkuma 2%–9% Curcuminoide. Curcumin ist das wichtigste Curcuminoid von Kurkuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Es wird als Nahrungsergänzungsmittel, medizinischer Wirkstoff, Aroma- und Farbstoffzusatz in Lebensmitteln sowie als kosmetischer Inhaltsstoff verwendet.
Eine gereinigte Form von Curcumin, die ausschließlich aus den folgenden drei Hauptbestandteilen besteht – Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin –, wird auch als Curcumin-C3-Komplex bezeichnet. Reines Curcumin lässt sich durch Säulenchromatographie aus dem C3-Gemisch aus Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin abtrennen.
Hinsichtlich seiner pharmakologischen Eigenschaften weist reines, unmodifiziertes Curcumin ein großes Problem auf: Aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit und der dadurch geringen Bioverfügbarkeit kann unmodifiziertes Curcumin seine therapeutische Wirkung nicht entfalten, sondern wird rasch in der Leber und der Darmwand metabolisiert. Um die geringe Resorptionsrate von Curcumin zu überwinden, werden die aktiven Moleküle in Nanoträgern verkapselt (e.g. Liposomen, Nanosphären) oder auf Nanokomplexe aufgebracht (e.g. Nanopartikel, Komplexe aus Phospholipiden, Cyclodextrinen und festen Dispersionen). Darüber hinaus kann die Bioverfügbarkeit von Curcumin um ca. 2000% gesteigert werden, wenn seine Verabreichung mit Piperin, einem Extrakt aus schwarzem Pfeffer, kombiniert wird.
Aus diesen Gründen ist nanoformuliertes Curcumin (Nanocurcumin) die bevorzugte Darreichungsform von Curcumin, da Curcumin in Nanoform die zuvor genannten Probleme der Wirkstoffverabreichung überwindet. Nanocurcumin kann seine therapeutischen Eigenschaften dank einer verbesserten Zufuhr zum erkrankten Gewebe, einer besseren Aufnahme in die Zellen und einer verringerten systemischen Elimination entfalten.
Curcumin ist in verschiedenen Darreichungsformen erhältlich, darunter Pulver, Kapseln, Tabletten, Salben, Nährstoffgetränke und kosmetische Cremes.
Medizinische Anwendungen von Curcumin
Curcumin wurde im Hinblick auf seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in Medizin und Ernährung umfassend untersucht. Untersuchungen haben gezeigt, dass Curcumin eine hohe antioxidative Aktivität aufweist, die die Apoptose von Zellen induziert, die Zellproliferation, Zelladhäsion und Zellmotilität hemmt und antiangiogene sowie antimikrobielle Eigenschaften bietet. Aufgrund dieser Wirkungen wird Curcumin als Arzneistoff zur Behandlung verschiedener entzündlicher Erkrankungen, Krebserkrankungen, neurodegenerativer Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Diabetes eingesetzt.
Mittels Ultraschall hergestellte Nano-Darreichungsformen von Curcumin für die medizinische Therapie umfassen Nanopartikel, Liposomen, Mizellen, Nanoemulsionen, Cyclodextrinkomplexe, Nanoscheiben, Nanofasern, feste Lipidnanopartikel und Curcuminkonjugate. Diese nanoskaligen Darreichungsformen überwinden die geringe Bioverfügbarkeit von Curcumin und ermöglichen die gezielte und wirksame Zufuhr eines hochwirksamen Curcumin-Arzneistoffs.
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. Curcuminkristalle können in unterschiedlichen Formen auftreten, beispielsweise monoklin (nadelförmig), orthorhombisch (reiskornförmig) und amorph.