Precipitación ultrasónica de superpartículas de curcumina
- Dado que la cúrcuma contiene solo 2-9 wt% de curcuminoides, se necesita una técnica eficiente de extracción o síntesis para obtener un polvo con una potente actividad medicinal.
- La precipitación con antidisolvente asistida por ultrasonidos es un método muy eficiente para sintetizar partículas de curcumina.
- La precipitación ultrasónica con antidisolvente puede escalarse fácilmente para producir grandes cantidades de curcumina de alta calidad.
Curcumina
La curcumina, un polifenol, es un fármaco poco soluble en agua presente en la especia vegetal cúrcuma (Curcuma longa). Contiene antioxidantes muy potentes y es conocida por sus propiedades antiinflamatorias, anticancerígenas, antifúngicas y antimicrobianas. La curcumina se utiliza como compuesto farmacológico de elección, especialmente por su amplia variedad de actividades quimiopreventivas y quimioterapéuticas.
Como potente antioxidante, la curcumina aumenta la actividad sérica de antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD) y capta y neutraliza radicales libres, como las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (ROS y RNS). Además, potencia la actividad de las enzimas antioxidantes del propio organismo. También se sabe que la curcumina reduce las enfermedades cardíacas y mejora la función cerebral. Debido a estas numerosas propiedades medicinales beneficiosas, la curcumina se utiliza ampliamente como especia, suplemento y fármaco.
Precipitación ultrasónica con antidisolvente líquido
La precipitación con antidisolvente líquido (LAS) asistida por ultrasonidos es una técnica de síntesis sencilla y rápida en un solo recipiente para producir nanopartículas de curcumina con superestructura ortorrómbica. La precipitación ultrasónica con antidisolvente es un proceso sencillo, rápido y escalable que permite precipitar curcumina de alta calidad en las industrias farmacéutica y alimentaria.
Mecanismo propuesto de formación de superpartículas de curcumina en ausencia y en presencia de ultrasonidos, sin estabilizantes. Imagen © 2014 Thorat et al.
Protocolo de precipitación ultrasónica:
Para la precipitación ultrasónica de partículas de curcumina, se añade una solución orgánica de curcumina en etanol (5 mg/mL) a 100 mL de agua con tensioactivo (0,02 wt% en agua) o sin tensioactivo. Como recipiente de reacción se utiliza un recipiente de vidrio encamisado de aproximadamente 500 mL de volumen, 7 cm de diámetro y una relación L/D de 1,7. La temperatura de la mezcla se mantiene constantemente a 1ºC. Para el proceso de precipitación ultrasónica, el sonotrodo del homogeneizador ultrasónico, como el UP200Ht o UP200St equipado con un sonotrodo S26d14, se sumerge en la mezcla de disolvente y antidisolvente. La mezcla se dispersa con un ajuste de amplitud del 100% y una sonicación de 10 min.
El tiempo de sonicación permite controlar el polimorfismo de los cristales de curcumina. Al prolongar la duración de la sonicación, aumenta el porcentaje de partículas ortorrómbicas. Esto indica que un aumento de la energía ultrasónica favorece la formación de la forma ortorrómbica frente a la forma monoclínica, independientemente del aditivo utilizado.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – procesador ultrasónico de 1 kW para la precipitación de principios activos farmacéuticos (API)
Mejora de la biodisponibilidad mediante encapsulación ultrasónica
Dado que la curcumina es una molécula lipófila y poco soluble en agua (= hidrófoba), presenta una baja biodisponibilidad sistémica. Por tanto, es necesario preparar formulaciones de curcumina que mejoren su biodisponibilidad. Para preparar soluciones acuosas de curcumina, se añaden tensioactivos, lípidos, albúminas, ciclodextrinas, biopolímeros, etc., con el fin de encapsular o incorporar las moléculas de curcumina en liposomas, nanopartículas y otros vehículos de administración de fármacos.
La sonicación es una técnica muy eficiente y fiable para formular vehículos de administración de fármacos, como liposomas, nanopartículas con estructura de núcleo-cubierta, biopolímeros y emulsiones dobles! A continuación se presenta un protocolo de ejemplo para la encapsulación ultrasónica de curcumina.
Protocolo de encapsulación ultrasónica de curcumina:
Nanopartículas de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA) cargadas con curcumina
- Primero, se disuelve el polímero PLGA en acetato de etilo. Se añade curcumina (15% w/w) y se deja disolver mientras se agita la solución intermitentemente con un agitador vórtex.
- La mezcla de sólido en aceite se añade a una fase acuosa de PVA (w/v) para formar una emulsión S-O/W. A continuación, la solución de fármaco/polímero en PVA se agita con un agitador vórtex a 8.000 rpm.
- La solución resultante se somete a sonicación durante aproximadamente 300sec a una amplitud del 45% con un homogeneizador ultrasónico, como el UP200Ht o UP200St (200 W, 26 kHz). Inmediatamente después de la sonicación, la emulsión se vierte en la fase acuosa (0,1% de PVA en agua; 200 mL) para permitir la difusión bajo agitación rápida con un agitador magnético.
- Esta suspensión coloidal se agita continuamente con un agitador magnético hasta que se completa la evaporación del disolvente. Después, las nanopartículas se recogen por centrifugación y se lavan 3 veces con agua destilada Milli Q. Por último, se resuspenden en una solución crioprotectora (sacarosa (2 %w/w) y trehalosa (5% w/w)), se secan en un sistema de liofilización ATR FD3.0 y pueden almacenarse a 4 °C durante al menos 6 meses.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Procesadores ultrasónicos para la precipitación y formulación de curcumina
Hielscher Ultrasonics ofrece equipos ultrasónicos de alto rendimiento para la síntesis de nanopartículas (p. ej., API) y la extracción de compuestos vegetales. Nuestra gama de productos incluye sonicadores avanzados de laboratorio, de sobremesa e industriales, que permiten desarrollar aplicaciones desde pequeña escala hasta escala comercial. Todos los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio y piloto pueden escalarse de forma completamente lineal hasta el nivel de producción comercial. Todos los sistemas están diseñados para funcionar 24/7, son robustos y fáciles de usar.
La serie UIPxxxxhdT abarca nuestros sistemas ultrasónicos de grado industrial, que pueden utilizarse en aplicaciones de sobremesa, optimización de procesos y producción industrial. Nuestros sistemas industriales están disponibles en las siguientes versiones: 500 W (UIP500hdT), 1000 W (UIP1000hdT), 1500 W (UIP1500hdT), 2000 W (UIP2000hdT), 4000 W (UIP4000hdT), 10.000 W (UIP10000) y 16.000 W (UIP16000, el sonicador más potente del mundo). Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden funcionar continuamente 24/7 a amplitudes muy elevadas de hasta 200 µm. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite un funcionamiento fiable las veinticuatro horas, en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
Para todos nuestros sistemas ultrasónicos, ofrecemos una amplia gama de accesorios, como sonotrodos, amplificadores de amplitud, celdas de flujo y reactores de múltiples tamaños, formas y geometrías. Con estos accesorios, es fácil adaptar de manera óptima nuestros procesadores ultrasónicos a las condiciones de proceso requeridas.
Para la precipitación y la síntesis de tipo bottom-up, Hielscher ofrece un inserto exclusivo para celdas de flujo – el MultiPhaseCavitator MPC48. Con el MultiPhaseCavitator, la segunda fase (antidisolvente) se inyecta mediante 48 cánulas finas directamente en la zona de cavitación ultrasónica, donde se mezcla con la primera fase en cuestión de milisegundos. Como resultado, se precipitan nanopartículas homogéneas.
Sonicación potente desde el laboratorio y los equipos de sobremesa hasta la producción industrial.
Bibliografía y referencias
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: Una revisión de sus’ efectos en la salud humana. 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, 11.102-11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Escalado, optimización y análisis de estabilidad de nanopartículas cargadas con el complejo C3 de curcumina para la terapia del cáncer. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Datos de interés
Curcumina
La curcumina es un compuesto químico de color amarillo presente en la cúrcuma. La cúrcuma es una planta herbácea perenne rizomatosa (Curcuma longa) de la familia del jengibre. La curcumina es un polifenol que se extrae de los rizomas y se utiliza ampliamente como especia. Según su origen y las condiciones del suelo donde se cultiva, la cúrcuma contiene 2%–9% de curcuminoides. La curcumina es el principal curcuminoide de la cúrcuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Se utiliza como suplemento, compuesto medicinal, aditivo aromatizante y colorante alimentario, así como ingrediente cosmético.
Una forma purificada de curcumina que consta únicamente de los siguientes tres componentes principales – curcumina, bisdemetoxicurcumina y demetoxicurcumina – también se denomina complejo C3 de curcumina. La curcumina pura puede separarse de la mezcla C3 de curcumina, bisdemetoxicurcumina y demetoxicurcumina mediante cromatografía en columna.
En cuanto a sus propiedades farmacológicas, la curcumina pura y sin modificar presenta un gran problema: debido a su baja solubilidad en agua y, por tanto, a su baja biodisponibilidad, la curcumina sin modificar no puede ejercer sus efectos terapéuticos, sino que se metaboliza rápidamente en el hígado y la pared intestinal. Para superar la baja tasa de absorción de la curcumina, las moléculas activas se encapsulan en nanovehículos (p. ej., liposomas, nanoesferas) o se incorporan a nanocomplejos (p. ej., nanopartículas, complejos de fosfolípidos, ciclodextrinas y dispersiones sólidas). Además, la biodisponibilidad de la curcumina puede aumentar aproximadamente un 2000% cuando su dosis se combina con piperina, que es un extracto de pimienta negra.
Por estos motivos, la curcumina nanoformulada (nanocurcumina) es la forma farmacéutica de elección de la curcumina, ya que la curcumina en nanoforma supera los problemas de administración de fármacos antes mencionados. La nanocurcumina puede ejercer sus propiedades terapéuticas gracias a una mejor administración al tejido enfermo, una mejor internalización y una menor eliminación sistémica.
La curcumina está disponible en múltiples formas de administración, incluidos polvos, cápsulas, comprimidos, pomadas, bebidas nutricionales y cremas cosméticas.
Aplicaciones médicas de la curcumina
La curcumina se ha investigado ampliamente por sus múltiples formas de uso en medicina y nutrición. Las investigaciones han demostrado que la curcumina presenta una elevada actividad antioxidante, que induce la apoptosis celular, inhibe la proliferación, la adhesión y la motilidad celulares, y ofrece propiedades antiangiogénicas y antimicrobianas. Debido a estos efectos, la curcumina se utiliza como fármaco para tratar diversas enfermedades inflamatorias, cánceres, enfermedades neurodegenerativas, enfermedades cardiovasculares y diabetes.
Las nanoformas de administración preparadas mediante ultrasonidos de curcumina para tratamientos médicos incluyen nanopartículas, liposomas, micelas, nanoemulsiones, complejos de ciclodextrinas, nanodiscos, nanofibras, nanopartículas lipídicas sólidas y conjugados de curcumina. Estas formas farmacéuticas de tamaño nanométrico superan la baja biodisponibilidad de la curcumina y permiten la administración dirigida y eficaz de un fármaco de curcumina de gran potencia.
Estructura química de la curcumina
La curcumina es una molécula simétrica, también conocida como diferuloilmetano. El nombre IUPAC de la curcumina es (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, con fórmula química C21H20O6. Los cristales de curcumina pueden presentar distintas formas, como la monoclínica (acicular), la ortorrómbica (similar a un grano de arroz) y la forma amorfa.