Ultraschallgestützte Herstellung eines Resveratrol-Einschlusskomplexes
- Resveratrol ist ein Polyphenol, das viele gesundheitliche Vorteile verspricht, z. B. eine Verlängerung der Lebensdauer sowie die Behandlung von Herzerkrankungen, Diabetes, Krebs, Alzheimer und anderen chronischen Erkrankungen.
- Resveratrol weist jedoch eine geringe Bioverfügbarkeit auf und wird rasch aus dem Blutplasma eliminiert.
- Das Forschungsteam von Dr. Kushwinder Kaur hat ein schnelles und hocheffizientes Verfahren entwickelt, um mittels Ultraschall einen Resveratrol-Komplex mit verbesserter Bioverfügbarkeit herzustellen.
Resveratrol
Resveratrol ist ein hochwirksames Polyphenol, das aus Pflanzen, z. B. Weintrauben, Beeren oder Nüssen, extrahiert werden kann. Obwohl Resveratrol als starkes Antioxidans bekannt ist, das zur Vorbeugung oder Heilung von Krankheiten beiträgt, weist dieser sekundäre Pflanzenstoff nur eine geringe Bioverfügbarkeit auf. Daher suchen Hersteller von Arzneimitteln und Nutrazeutika nach speziellen Formulierungen, um die Aufnahme des verabreichten Resveratrols in menschliche Zellen zu verbessern. Dr. Kushwinder Kaur und ihr Forschungsteam von der Panjab University in Chandigarh haben ein schnelles und einfaches einstufiges Verfahren zur Komplexierung von Resveratrol entwickelt. Durch die Beschallung einer Mischung aus Resveratrol und Cyclodextrin wird das Resveratrol in das Cyclodextrin (hier hp-β-CD) eingeschlossen. Cyclodextrin dient als Wirtverbindung und als wirksamer Wirkstoffträger, der das Resveratrol in den systemischen Kreislauf freisetzt.
Protokoll: Ultraschallbehandlung zur Herstellung des Einschlusskomplexes
Zur ultraschallgestützten Formulierung des Resveratrol-Einschlusskomplexes wurden 4,38 x 10-3 mol 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (hp-β-CD) und 4,38 x 10-3 mol Resveratrol (Res) in einem Glasgefäß mit der minimalen Menge des Lösungsmittelgemisches (Ethanol : Wasser = 1 : 9) gemischt. Die Mischung wurde für 15 min bei 180 W beschallt, unter Verwendung des Hielscher Ultraschallgeräts UP200St. Das Endprodukt wurde durch Gefriertrocknung gewonnen. Die hergestellten Einschlusskomplexe wurden mittels FTIR, UV/Vis-Absorptionsspektroskopie, NMR, TGA, DSC, XRD und CHNS-Analyse charakterisiert. Die Analysedaten zeigten, dass die Resveratrol-Moleküle passgenau in die Hohlräume von hp-β-CD eingeschlossen waren.
Ultraschallhomogenisator UP200St
Vorteile der Ultraschallbehandlung gegenüber alternativen Methoden
Um die Effizienz der ultraschallgestützten Herstellung mit konventionellen Verfahren zu vergleichen, wurden zwei alternative Methoden – die Suspensionsmethode und die Mikrowellenmethode – zur Herstellung des Einschlusskomplexes (IC) eingesetzt. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung beider Herstellungsverfahren:
Bei der herkömmlichsten Methode wurde der IC mit einem Standardrührverfahren hergestellt (in der Literatur von Bertacche V. et al. 2006 beschrieben).
Bei der zweiten alternativen Methode wurden 4,38 x 10-3 mol hp-β-CD und 4,38 x 10-3 mol Res in einem Glasgefäß mit der minimalen Menge des Lösungsmittelgemisches (Ethanol : Wasser = 1 : 9) gemischt. Zur Herstellung des Produkts wurde die Mischung für 100 s bei 800 W mit Mikrowellen bestrahlt. Das Wasser wurde unter Vakuum verdampft. Die nach 25, 50 s bei 200, 400, 600 W gewonnenen Daten zeigten eine unvollständige Komplexierung.
Die Ultraschallbehandlung ist ein einfaches und schnelles Verfahren, das nicht nur unmittelbar Ergebnisse liefert, die denen herkömmlicher Rührmethoden ähneln, sondern auch den Einsatz toxischer Lösungsmittel vermeidet.
Die Geschwindigkeit der Isomerisierung von trans zu cis in ethanolischer Lösung nahm durch den Einschluss ab. Die Auflösungsstudien zeigten, dass die Bildung von Einschlusskomplexen die Auflösungsgeschwindigkeit von Resveratrol verbesserte.
Hier gelangen Sie zum vollständigen Artikel. Wenn Sie mit den Autoren Kontakt aufnehmen möchten, können Sie Dr. Khushwinder Kaur (Panjab University, Chandigarh) gerne eine E-Mail senden: [email protected]
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Über Dr. Kushwinder Kaur
Dr. Khushwinder Kaur ist Assistenzprofessorin am Fachbereich Chemie der Panjab University in Chandigarh. Im Jahr 2010 promovierte sie mit einer Untersuchung zum Einfluss von Additiven auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften inverser Mizellen. Seit 2012 besteht das Hauptziel ihrer Forschungsgruppe darin, die kolloidalen Grundlagen der physikochemischen und physiologischen Eigenschaften von Nutrazeutika und bioaktiven Substanzen zu ermitteln. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Optimierung eigenständiger, unkomplizierter, effizienter und innovativer Herstellungsverfahren. Die Gruppe von Dr. Kaur ist auf die Herstellung weicher molekularer Aggregate wie Nanoemulsionen, biologisch abbaubarer Nanopartikel und supramolekularer Aggregate auf Cyclodextrinbasis (Einschlusskomplexe) spezialisiert, um bioaktive Substanzen mithilfe natürlicher Komponenten effizient zu verabreichen. Derzeit untersucht die Gruppe das Potenzial von Benzylisothiocyanat mithilfe verschiedener Nanoaggregate.
Bei Fragen zu ihren Forschungsarbeiten können Sie Dr. Khushwinder Kaur direkt per E-Mail kontaktieren: [email protected]
Literatur/Quellen
- Khushwinder Kaur, Shivani Uppal, Ravneet Kaur, Jyoti Agarwal und Surinder Kumar Mehta (2015): Energy efficient, facile and cost effective methodology for formation of an inclusion complex of resveratrol with hp-β-CD. New J. Chem., 2015, 39, 8855.
- Vittorio Bertacche, Natascia Lorenzi, Donatella Nava, Elena Pini, Chiara Sinico (2006): Untersuchung der Wirt-Gast-Wechselwirkungen von Resveratrol mit natürlichen und modifizierten Cyclodextrinen. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 55, 2006. 279.
- James M. Smoliga, Joseph A. Baur, Heather A. Hausenblas (2011): Resveratrol und Gesundheit – Eine umfassende Übersicht über klinische Studien am Menschen. Mol. Nutr. Food Res. 2011, 55, 1129–1141.
Wissenswertes
Resveratrol
Resveratrol ist ein Stilbenoid, eine Art natürliches Plasma-Polyphenol, ein Phytoöstrogen sowie ein Phytoalexin, das von verschiedenen Pflanzen als Reaktion auf Verletzungen oder einen Befall durch Krankheitserreger wie Bakterien oder Pilze gebildet wird. Daher kann Resveratrol auch als Adaptogen eingestuft werden.
Chemisch wird Resveratrol als trans-3,4′,5-Trihydroxystilben beschrieben (Formel: C14H12O3). Es ist ein polyphenolisches, nicht zu den Flavonoiden gehörendes Antioxidans, das in Weintrauben, Nüssen und Beeren vorkommt und starke antioxidative sowie Anti-Aging-Eigenschaften aufweist. Daher ist Resveratrol ein geschätzter Inhaltsstoff in Arzneimitteln, Nahrungsergänzungsmitteln / Nutrazeutika und Kosmetikprodukten. Weitere über die Nahrung aufgenommene Polyphenole mit bedeutenden gesundheitlichen Vorteilen sind Catechin, Quercetin, Silibinin und Curcumin.
Wasserlöslichkeit von Resveratrol: 0,03 kg/m3
Resveratrol kommt als trans- und cis-Isomer vor, wobei die trans-Form bei Lichteinwirkung und steigenden Temperaturen stabiler ist.
Einschlusskomplex
Eine Einschlussverbindung ist ein Komplex, bei dem eine chemische Verbindung – der sogenannte „Wirt“ – einen Hohlraum aufweist, in den eine andere Verbindung – der sogenannte „Gast“ – eingeschlossen wird.
Cyclodextrine sind die am häufigsten verwendeten Wirtverbindungen, da sie mit einer Vielzahl fester, flüssiger und gasförmiger Verbindungen Einschlusskomplexe bilden können. Gastverbindungen reichen von polaren Reagenzien wie Säuren, Aminen und kleinen Ionen (z. B. ClO4– , SCN–, Halogenid-Anionen) bis hin zu stark unpolaren aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen und Edelgasen. Einschlusskomplexe können sowohl in Lösung als auch im kristallinen Zustand synthetisiert werden. Meist wird Wasser als Lösungsmittel verwendet, wobei auch Dimethylsulfoxid und Dimethylformamid als alternative Lösungsmittel eingesetzt werden können.
Neben dem Einschluss pharmazeutischer / nutrazeutischer Verbindungen wird Cyclodextrin auch als Wirtverbindung für Duftstoffmoleküle eingesetzt, um eine höhere Stabilität und eine verzögerte Freisetzung zu erreichen.
Weitere „Wirtmoleküle“ für Einschlussverbindungen sind Calixarene und verwandte Formaldehyd-Aren-Kondensate.
Das Forschungsgebiet der Synthese von Einschlussverbindungen ist als Wirt-Gast-Chemie bekannt.
Cyclodextrin
Cyclodextrine sind eine Klasse chemischer Verbindungen aus Zuckermolekülen, die sich durch ihre Ringform auszeichnen. Stärke ist der Ausgangsstoff, aus dem Cyclodextrine durch enzymatische Umwandlung synthetisiert werden. Da Cyclodextrine eine hydrophobe und eine hydrophile Seite aufweisen (innen hydrophob und außen hydrophil), können sie mit hydrophoben Verbindungen Komplexe bilden. Durch den Einschluss eines hydrophoben Moleküls („Gastmolekül“) können Cyclodextrine die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit solcher Verbindungen erhöhen. Darüber hinaus werden sie eingesetzt, um die Durchlässigkeit von Schleimhautgewebe für Wirkstoffe zu verbessern. Dies ist für Arzneimittel ebenso wie für Nahrungsergänzungsmittel von großem Interesse, um hydrophobe Verbindungen zu verabreichen. Die Formen Alpha-, Beta- und Gamma-Cyclodextrin sind alle von der FDA zugelassen und als sichere Wirkstoffträger anerkannt.
Lyophilisation
Die Lyophilisation, auch als Gefriertrocknung oder Kryodesikkation bekannt, ist ein Entwässerungsverfahren bei niedrigen Temperaturen, bei dem das Produkt zunächst eingefroren und anschließend der Druck gesenkt wird, um das Eis durch Sublimation zu entfernen. Als Sublimation bezeichnet man den Vorgang, bei dem ein Feststoff (z. B. Eis) direkt in den Dampf- bzw. Gaszustand übergeht, ohne zuvor eine flüssige Phase (z. B. Wasser) zu durchlaufen.
Bei der Gefriertrocknung werden Eis oder andere gefrorene Lösungsmittel durch Sublimation aus einem Material entfernt; gebundene Wassermoleküle werden durch Desorption entfernt.
Bei einer kontrollierten Lyophilisation, bei der die Produkttemperatur ausreichend niedrig gehalten wird, werden Veränderungen der Eigenschaften des getrockneten Produkts vermieden. Dies ist entscheidend, um einen hochwertigen Extrakt zu erhalten. Die Gefriertrocknung ist ein etabliertes Verfahren zur Abtrennung wärmeempfindlicher Materialien wie Proteinen, Mikroorganismen, Arzneimitteln, Geweben und Plasma.
Nutrazeutika
Nutrazeutika finden zunehmend Beachtung, da sie sichere gesundheitsfördernde Eigenschaften bieten. Sie sind als Moleküle mit vielfältigen physiologischen Vorteilen sowie schützenden Eigenschaften gegenüber Krankheiten definiert, darunter Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD), Adipositas, Diabetes, Krebs, chronisch-entzündliche Erkrankungen und degenerative Erkrankungen. Der Markt für hochwertige Nahrungsergänzungsmittel wächst rasch.
Zu den in der Literatur beschriebenen Formulierungsstrategien für Nutrazeutika zählen: liposomale Trägersysteme (z. B. Liposomen, Transfersomen usw.), Mikro- und Nanoschwämme, Nanokristalle, Komplexierung mit Cyclodextrin, biologisch abbaubare Hydrogele, Nanoemulsionen / Miniemulsionen, nanostrukturierte Lipidträger, Mizellen, Nanopartikel, Nanokapseln und Nanoverkapselung, selbstemulgierende Wirkstoffabgabesysteme (SEDDS) und mikropartikuläre Systeme (z. B. Mikropartikel, Mikrosphären, Mikrokapseln).