Kurkumiini superosakeste ultraheliga sadestamine
- Kuna kurkuma sisaldab kurkuminoide vaid 2-9 wt%, on meditsiiniliselt toimiva pulbri saamiseks vaja tõhusat ekstraheerimis- või sünteesimeetodit.
- Ultraheliga toetatud antilahusti sadestamine on väga tõhus meetod kurkumiiniosakeste sünteesimiseks.
- Ultraheli antilahusti sadestamist saab hõlpsasti suurendada suurte koguste kvaliteetse kurkumiini tootmiseni.
Kurkumiin
Kurkumiin, polüfenool, on vees halvasti lahustuv ravimiaine, mida leidub ravimtaimses vürtsis kurkumis (Curcuma longa). See sisaldab väga tugevatoimelisi antioksüdante ning on tuntud oma põletikuvastaste, vähivastaste, seenevastaste ja antimikroobsete omaduste poolest. Eriti oma laia keemilise ennetava ja keemilise ravitoime tõttu kasutatakse kurkumiini eelistatud ravimiühendina.
Tugeva antioksüdandina suurendab kurkumiin antioksüdantide, näiteks superoksiidi dismutaasi (SOD), aktiivsust seerumis ning püüab kinni ja neutraliseerib vabu radikaale, näiteks reaktiivseid hapniku- ja lämmastikuühendeid (ROS ja RNS). Lisaks tõstab see keha enda antioksüdantsete ensüümide aktiivsust. Kurkumiini tuntakse ka kui südamehaigusi vähendavat ja ajutegevust parandavat ainet. Nende mitmekülgsete kasulike meditsiiniliste omaduste tõttu kasutatakse kurkumiini laialdaselt vürtsi, toidulisandi ja ravimina.
Ultraheliga vedela antilahusti sadestamine
Ultraheliga toetatud vedela antilahusti (LAS) sadestamine on lihtne ja kiire ühe anuma sünteesimeetod ortorombilise ülestruktuuriga kurkumiini nanoosakeste valmistamiseks. Ultraheli antilahusti sadestamine on lihtne, kiire ja skaleeritav protsess, mis võimaldab sadestada kvaliteetset kurkumiini farmaatsia- ja toiduainetööstuses.
Kurkumiini superosakeste tekkimise oletatav mehhanism ultraheli puudumisel ja juuresolekul ilma stabilisaatoriteta. Pilt © 2014 Thorat et al.
Ultraheliga sadestamise protokoll:
Kurkumiiniosakeste ultraheliga sadestamiseks lisatakse kurkumiini orgaaniline lahus etanoolis (5 mg/mL) 100mL veele, mis sisaldab pindaktiivset ainet (0,02 wt% vees), või ilma pindaktiivse aineta. Reaktsioonianumana kasutatakse ligikaudu 500mL mahuga, 7cm läbimõõduga ja L/D suhtega 1,7 mantliga klaasanumat. Segu temperatuuri hoitakse pidevalt 1ºC juures. Ultraheliga sadestamiseks sukeldatakse ultraheli homogenisaatori, näiteks UP200Ht või UP200St sonotrood S26d14 lahusti ja antilahusti segusse. Amplituudi seadistusel 100% ja 10min. ultraheli töötluse (sonikeerimise) järel segu dispergeerus.
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) kestus võimaldab mõjutada kurkumiinikristallide polümorfismi. Kui ultraheli töötluse (sonikeerimise) kestust pikendatakse, ortorombiliste osakeste osakaal suureneb. See näitab, et ultraheli energia suurenemine soodustab ortorombilise vormi teket monokliinse vormi asemel, olenemata kasutatud lisandist.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultraheli protsessor API sadestamiseks
Parem biosaadavus ultraheliga kapseldamise abil
Kuna kurkumiin on lipofiilne molekul ja vees halvasti lahustuv (= hüdrofoobne), on selle süsteemne biosaadavus madal. Seetõttu on vaja valmistada kurkumiini preparaate, mis parandavad selle biosaadavust. Vesilahuste valmistamiseks lisatakse kurkumiinile pindaktiivseid aineid, lipiide, albumiine, tsüklodekstriine, biopolümeere jms, et kapseldada kurkumiinimolekulid või siduda need liposoomidesse, nanoosakestesse ja teistesse ravimikandjatesse.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väga tõhus ja usaldusväärne meetod ravimikandjate, näiteks liposoomide, tuum-kest-tüüpi nanoosakeste, biopolümeeride ja kahekordsete emulsioonide valmistamiseks! Allpool on esitatud näidisprotokoll kurkumiini ultraheliga kapseldamiseks.
Kurkumiini ultraheliga kapseldamise protokoll:
Kurkumiiniga laetud polü(piim-ko-glükoolhappe) (PLGA) nanoosakesed
- Kõigepealt lahustatakse PLGA polümeer etüülatsetaadis. Lisatakse kurkumiini (15% w/w) ja lastakse sellel lahustuda, samal ajal lahust vahelduvalt vortexiga segades.
- Tahke-õlis segu lisatakse PVA (w/v) vesifaasile, et moodustada S-O/W emulsioon. Seejärel segatakse ravimi/polümeeri lahust PVA-s vortexiga kiirusel 8 000 rpm.
- Saadud lahust töödeldakse ultrahelitöötlusega ligikaudu 300 sek jooksul 45% amplituudil ultraheli homogenisaatoriga, näiteks UP200Ht või UP200St (200W, 26kHz). Kohe pärast ultraheli töötlust valatakse emulsioon vesifaasi (0,1% PVA vees; 200mL) difusiooni jaoks kiire segamise all magnetsegajaga.
- Seda kolloidset suspensiooni segatakse magnetsegajaga pidevalt, kuni lahusti aurustumine on lõppenud. Seejärel kogutakse nanoosakesed tsentrifuugimisega ja pestakse 3 korda destilleeritud Milli Q veega. Lõpuks suspendeeritakse need uuesti krüoprotektori lahuses (sahharoos (2 %w/w) ja trehaloos (5% w/w)), kuivatatakse lüofilisaatori ATR FD3.0 süsteemis ning neid saab säilitada temperatuuril 4°C vähemalt 6 kuud.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Ultraheli protsessorid kurkumiini sadestamiseks ja formuleerimiseks
Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ultraheliseadmeid nanoosakeste (nt API-de) sünteesiks ning taimsete ühendite ekstraheerimiseks. Meie tootevalikusse kuuluvad nüüdisaegsed labori-, laua- ja tööstuslikud ultraheliseadmed, mis võimaldavad rakenduste arendamist väikesest kuni kaubandusliku mastaabini. Kõiki labori- ja pilootkatsetes saadud tulemusi saab täielikult lineaarselt skaleerida kaubanduslikule tootmistasemele. Kõik süsteemid on ehitatud 24/7 tööks, need on töökindlad ja lihtsasti kasutatavad.
UIPxxxxhdT seeria hõlmab meie tööstusliku klassi ultraheli süsteeme, mida saab kasutada laua-mastaabis, protsessi optimeerimiseks ja tööstuslikuks tootmiseks. Meie tööstussüsteemid on saadaval järgmiselt: 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) ja 16 000W (UIP16000, maailma võimsaim ultrahelisondeeriv seade). Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikke ultraheli protsessoreid saab käitada pidevalt 24/7 väga kõrgetel amplituudidel kuni 200µm. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks pakub Hielscher kohandatud ultraheli sonotroode. Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab usaldusväärset ööpäevaringset tööd suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.
Kõigi oma ultraheli süsteemide jaoks pakume laia valikut lisaseadmeid, nagu sonotroodid, booster-sarved, läbivoolukambrid ning erineva suuruse, kuju ja geomeetriaga reaktorid. Nende vahendite abil on võimalik meie ultraheli protsessorid lihtsalt ja optimaalselt kohandada vajalikele protsessitingimustele.
Sadestamiseks ja bottom-up sünteesiks pakub Hielscher ainulaadset läbivoolukambri vahetükki – MultiPhaseCavitator MPC48. MultiPhaseCavitatori puhul süstitakse teine faas (antilahusti) 48 peene kanüüli kaudu otse ultraheli kavitatsioonitsooni, kus see segatakse millisekundite jooksul esimesse faasi. Selle tulemusel sadestuvad homogeensed nanoosakesed.
Võimas ultraheli töötlus laborist ja lauamastaabist tööstusliku tootmiseni.
Kirjandus ja viited
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumiin: ülevaade selle mõjust inimeste tervisele. Toidud. 2017 oktoober; 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): Kurkumiini C3 kompleksiga koormatud nanoosakeste skaala, optimeerimise ja stabiilsuse analüüs vähiraviks. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Teada väärt fakte
Kurkumiin
Kurkumiin on kollast värvi keemiline ühend, mida leidub kurkumis. Kurkum on risoomne mitmeaastane rohttaim (Curcuma longa) ingveriliste sugukonnast. Kurkumiin on polüfenool, mis ekstraheeritakse risoomidest ja mida kasutatakse laialdaselt vürtsina. Sõltuvalt päritolust ja kasvukoha mullastikust sisaldab kurkum 2%–9% kurkuminoide. Kurkumiin on kurkumi peamine kurkuminoid (Curcuma longa, Zingiberaceae). Seda kasutatakse toidulisandina, ravimühendina, toidu maitse- ja värvilisandina ning kosmeetikatoote koostisosana.
Kurkumiini puhastatud vormi, mis koosneb ainult järgmisest kolmest põhikomponendist – kurkumiin, bisdemetoksükurkumiin ja demetoksükurkumiin –, nimetatakse ka kurkumiini C3 kompleksiks. Puhta kurkumiini saab kurkumiini, bisdemetoksükurkumiini ja demetoksükurkumiini C3 segust eraldada kolonnkromatograafia abil.
Farmakoloogiliste omaduste poolest on puhtal, modifitseerimata kurkumiinil suur probleem: oma halva vees lahustuvuse ja sellest tuleneva halva biosaadavuse tõttu ei saa modifitseerimata kurkumiin oma terapeutilist toimet avaldada, vaid metaboliseerub kiiresti maksas ja sooleseinas. Kurkumiini madala imendumise ületamiseks kapseldatakse toimeained nanokandjatesse (nt liposoomid, nanosfäärid) või kantakse nanokompleksidele (nt nanoosakesed, fosfolipiidide, tsüklodekstriinide kompleksid ja tahked dispersioonid). Lisaks on võimalik kurkumiini biosaadavust suurendada ligikaudu 2000% võrra, kui selle annus kombineeritakse piperiiniga, mis on musta pipra ekstrakt.
Selle tõttu on nanoformuleeritud kurkumiin (nanokurkumiin) kurkumiini eelistatud annustamisvorm, sest nanovormis kurkumiin ületab eespool nimetatud ravimi kohaletoimetamise probleemid. Nanokurkumiin saab oma terapeutilisi omadusi avaldada tänu paremale kohaletoimetamisele haigestunud koesse, paremale internaliseerumisele ja vähenenud süsteemsele eliminatsioonile.
Kurkumiin on saadaval mitmesugustes manustamisvormides, sealhulgas pulbrid, kapslid, tabletid, salvid, toitumisjoogid ja kosmeetilised kreemid.
Kurkumiini meditsiinilised rakendused
Kurkumiini on laialdaselt uuritud selle mitmekesiste kasutusvormide tõttu meditsiinis ja toitumises. Uuringud on näidanud, et kurkumiinil on kõrge antioksüdantne aktiivsus, mis indutseerib rakkude apoptoosi, pärsib rakkude proliferatsiooni, rakkude adhesiooni ja liikuvust ning avaldab antiangiogeenset ja antimikroobset toimet. Nende toimete tõttu kasutatakse kurkumiini ravimina mitmesuguste põletikuliste haiguste, vähkkasvajate, neurodegeneratiivsete haiguste, kardiovaskulaarhaiguste ning diabeedi raviks.
Ultraheliga valmistatud nanomanustamisvormid kurkumiinist meditsiiniliseks raviks hõlmavad nanoosakesi, liposoome, mitselle, nanoemulsioone, tsüklodekstriini komplekse, nanokettaid, nanokiude, tahkeid lipiidseid nanoosakesi ja kurkumiini konjugaate. Need nanomõõtmelised annustamisvormid ületavad kurkumiini halva biosaadavuse ning võimaldavad väga tõhusa kurkumiinravimi sihipärast ja efektiivset kohaletoimetamist.
Kurkumiini keemiline struktuur
Kurkumiin on sümmeetriline molekul, tuntud ka kui diferuloüülmetaan. Kurkumiini IUPAC-i nimetus on (1E,6E)-1,7-bis(4-hüdroksü-3-metoksüfenüül)-1,6-heptadieen-3,5-diioon, keemilise valemiga C21H20O6. Kurkumiini kristallid võivad esineda erineva kujuga, näiteks monokliinsena (nõeljas), ortorombilisena (riisiterataoline) ja amorfse vormina.