Kurkumiinin superpartikkelien saostus ultraäänellä
- Koska kurkuma sisältää vain 2–9 wt% kurkuminoideja, lääkinnällisesti tehokkaan jauheen valmistamiseksi tarvitaan tehokas uutto- tai synteesimenetelmä.
- Ultraääniavusteinen antisolventtisaostus on erittäin tehokas menetelmä kurkumiinipartikkelien syntetisointiin.
- Ultraäänellä toteutettava antisolventtisaostus voidaan helposti skaalata suurten, korkealaatuisten kurkumiinimäärien tuotantoon.
Kurkumiini
Kurkumiini on polyfenoli ja huonosti vesiliukoinen lääkeaine, jota esiintyy kasviperäisessä kurkumamausteessa (Curcuma longa). Se sisältää erittäin voimakkaita antioksidantteja, ja se tunnetaan tulehdusta, syöpää, sieniä ja mikrobeja torjuvista ominaisuuksistaan. Kurkumiinia käytetään ensisijaisena lääkeaineena erityisesti sen monipuolisten kemopreventiivisten ja kemoterapeuttisten vaikutusten vuoksi.
Voimakkaana antioksidanttina kurkumiini lisää antioksidanttien, kuten superoksididismutaasin (SOD), aktiivisuutta seerumissa sekä sieppaa ja neutraloi vapaita radikaaleja, kuten reaktiivisia happi- ja typpiyhdisteitä (ROS ja RNS). Lisäksi se tehostaa elimistön omien antioksidanttientsyymien aktiivisuutta. Kurkumiinin tiedetään myös vähentävän sydänsairauksia ja parantavan aivotoimintaa. Näiden moninaisten hyödyllisten lääkinnällisten ominaisuuksien vuoksi kurkumiinia käytetään laajasti mausteena, ravintolisänä ja lääkkeenä.
Nestemäinen antisolventtisaostus ultraäänellä
Ultraääniavusteinen nestemäinen antisolventtisaostus (LAS) on yksinkertainen ja nopea yhden astian synteesimenetelmä, jolla tuotetaan ortorombisen superrakenteen omaavia kurkumiininanopartikkeleita. Ultraäänellä toteutettava antisolventtisaostus on yksinkertainen, nopea ja skaalattava prosessi, joka mahdollistaa korkealaatuisen kurkumiinin saostamisen lääke- ja elintarviketeollisuudessa.
Oletettu kurkumiinin superpartikkelien muodostumismekanismi ilman ultraääntä ja ultraäänen läsnä ollessa ilman stabilointiaineita. Kuva © 2014 Thorat et al.
Ultraäänisaostuksen menetelmäohje:
Kurkumiinipartikkelien ultraäänisaostusta varten kurkumiinin orgaanista etanoliliuosta (5 mg/mL) lisätään 100 mL:aan vettä, joka sisältää pinta-aktiivista ainetta (0,02 wt% vedessä) tai ei sisällä pinta-aktiivista ainetta. Reaktioastiana käytetään vaipallista lasiastiaa, jonka tilavuus on noin 500 mL, halkaisija 7 cm ja L/D-suhde 1,7. Seoksen lämpötila pidetään jatkuvasti 1 ºC:ssa. Ultraäänisaostusprosessissa ultraäänihomogenisaattorin (esimerkiksi UP200Ht tai UP200St ), joka on varustettu S26d14-sonotrodilla, sonotrodi upotetaan liuottimen ja antisolventin seokseen. Seos dispergoidaan 100 %:n amplitudiasetuksella ja 10 minuutin ultraäänikäsittelyllä.
Ultraäänikäsittelyn kesto mahdollistaa kurkumiinikiteiden polymorfian muokkaamisen. Ultraäänikäsittelyn keston pidentäminen lisää ortorombisten partikkelien prosenttiosuutta. Tämä osoittaa, että ultraäänienergian lisääminen suosii ortorombisen muodon muodostumista monokliinisen muodon sijaan käytetystä lisäaineesta riippumatta.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1 kW:n ultraääniprosessori vaikuttavien lääkeaineiden (API) saostukseen
Parempi biologinen hyötyosuus ultraäänikapseloinnilla
Koska kurkumiini on lipofiilinen molekyyli ja liukenee huonosti veteen (= hydrofobinen), sen systeeminen biologinen hyötyosuus on pieni. Siksi on tarpeen valmistaa kurkumiiniformulaatioita, jotka parantavat sen biologista hyötyosuutta. Kurkumiinin vesiliuosten valmistuksessa lisätään pinta-aktiivisia aineita, lipidejä, albumiineja, syklodekstriinejä, biopolymeerejä jne., jotta kurkumiinimolekyylit voidaan kapseloida tai ladata liposomeihin, nanopartikkeleihin ja muihin lääkeaineen kantajiin.
Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas ja luotettava menetelmä lääkeaineen kantajien valmistamiseen. Tällaisia kantajia ovat esimerkiksi liposomit, ydin–kuori-rakenteiset nanopartikkelit, biopolymeerit ja kaksoisemulsiot! Alla on esimerkkiohje kurkumiinin ultraäänikapselointiin.
Kurkumiinin ultraäänikapseloinnin menetelmäohje:
Kurkumiinilla ladatut poly(maitohappo-ko-glykolihappo)nanopartikkelit (PLGA)
- Ensin PLGA-polymeeri liuotetaan etyyliasetaattiin. Kurkumiini (15 % w/w) lisätään ja sen annetaan liueta samalla, kun liuosta sekoitetaan ajoittain vorteksisekoittimella.
- Kiinteän aineen ja öljyn seos lisätään PVA:n vesifaasiin (w/v), jolloin muodostuu S-O/W-emulsio. Tämän jälkeen lääkeaineen/polymeerin liuosta PVA:ssa sekoitetaan vorteksisekoittimella nopeudella 8 000 rpm.
- Saatua liuosta käsitellään ultraäänellä noin 300 sekuntia 45 %:n amplitudilla käyttäen ultraäänihomogenisaattoria, kuten UP200Ht tai UP200St (200 W, 26 kHz). Heti ultraäänikäsittelyn jälkeen emulsio kaadetaan vesifaasiin (0,1 % PVA:ta vedessä; 200 mL) diffuusiota varten samalla, kun sitä sekoitetaan nopeasti magneettisekoittimella.
- Tätä kolloidista suspensiota sekoitetaan jatkuvasti magneettisekoittimella, kunnes liuotin on haihtunut kokonaan. Tämän jälkeen nanopartikkelit kerätään sentrifugoimalla ja pestään 3 kertaa tislatulla Milli Q -vedellä. Lopuksi ne suspendoidaan uudelleen jäätymistä suojaavaan liuokseen (sakkaroosi (2 % w/w) ja trehaloosi (5 % w/w)), kuivataan ATR FD3.0 -kylmäkuivausjärjestelmällä, ja niitä voidaan säilyttää 4 °C:ssa vähintään 6 kuukautta.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Ultraääniprosessorit kurkumiinin saostukseen ja formulointiin
Hielscher Ultrasonics tarjoaa suorituskykyisiä ultraäänilaitteita nanopartikkelien (esim. APIs) synteesiin ja kasviperäisten yhdisteiden uuttoon. Tuotevalikoimaamme kuuluu edistyneitä laboratorio-, pöytä- ja teollisuusultraäänilaitteita, jotka mahdollistavat sovellusten kehittämisen pienestä mittakaavasta kaupalliseen mittakaavaan. Kaikki laboratorio- ja pilottikokeissa saadut tulokset voidaan skaalata täysin lineaarisesti kaupallisen tuotannon tasolle. Kaikki järjestelmät on suunniteltu 24/7-käyttöön, ja ne ovat kestäviä ja helppokäyttöisiä.
UIPxxxxhdT-sarja käsittää teollisuustason ultraäänijärjestelmämme, joita voidaan käyttää pöytämittakaavassa, prosessien optimoinnissa ja teollisessa tuotannossa. Teollisuusjärjestelmiemme saatavilla olevat tehot ja mallit ovat 500 W (UIP500hdT), 1000 W (UIP1000hdT), 1500 W (UIP1500hdT), 2000 W (UIP2000hdT), 4000 W (UIP4000hdT), 10 000 W (UIP10000) ja 16 000 W (UIP16000, maailman tehokkain ultraäänilaite). Hielscher Ultrasonicsin teollisia ultraääniprosessoreita voidaan käyttää jatkuvasti 24/7 erittäin suurilla, jopa 200 µm:n amplitudeilla. Vielä suurempia amplitudeja varten Hielscher tarjoaa räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa luotettavan ympärivuorokautisen käytön kovassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä.
Tarjoamme kaikkiin ultraäänijärjestelmiimme laajan valikoiman lisävarusteita, kuten sonotrodeja, amplitudinvahvistimia, virtauskennoja ja reaktoreita monissa eri ko’oissa, muodoissa ja geometrioissa. Näiden välineiden avulla ultraääniprosessorimme voidaan helposti mukauttaa optimaalisesti tarvittaviin prosessiolosuhteisiin.
Saostukseen ja alhaalta ylöspäin etenevään synteesiin Hielscher tarjoaa ainutlaatuisen virtauskennon sisäosan – MultiPhaseCavitator MPC48. MultiPhaseCavitatorin avulla toinen faasi (antisolventti) injektoidaan 48 ohuen kanyylin kautta suoraan ultraäänen kavitaatiovyöhykkeeseen, jossa se sekoittuu ensimmäiseen faasiin millisekunneissa. Tämän seurauksena saostuu homogeenisia nanopartikkeleita.
Tehokas ultraäänikäsittely laboratorio- ja pöytämittakaavasta teolliseen tuotantoon.
Kirjallisuus ja lähteet
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumiini: katsaus sen vaikutuksiin ihmisen terveyteen. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Ultraäänen ja lisäaineiden aiheuttamat kurkumiinin partikkelien muodostumisreitit ja polymorfia nestemäisen antisolventtisaostuksen aikana. CrystEngComm, 2014, 16, 11102–11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Curcumin C3 -kompleksilla ladattujen nanopartikkelien skaalauksen, optimoinnin ja stabiilisuuden analyysi syöpähoitoa varten. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Hyödyllistä tietoa
Kurkumiini
Kurkumiini on keltainen kemiallinen yhdiste, jota esiintyy kurkumassa. Kurkuma on juurakollinen, ruohovartinen monivuotinen kasvi (Curcuma longa), joka kuuluu inkiväärikasvien heimoon. Kurkumiini on polyfenoli, jota uutetaan juurakoista ja käytetään laajasti mausteena. Alkuperästä ja kasvupaikan maaperäolosuhteista riippuen kurkuma sisältää 2 %–9 % kurkuminoideja. Kurkumiini on kurkuman tärkein kurkuminoidi (Curcuma longa, Zingiberaceae). Sitä käytetään ravintolisänä, lääkinnällisenä yhdisteenä, elintarvikkeiden maku- ja värilisäaineena sekä kosmetiikan ainesosana.
Kurkumiinin puhdistettua muotoa, joka koostuu vain seuraavista kolmesta pääkomponentista – kurkumiinista, bisdemetoksikurkumiinista ja demetoksikurkumiinista – kutsutaan myös kurkumiinin C3-kompleksiksi. Puhdas kurkumiini voidaan erottaa kurkumiinin, bisdemetoksikurkumiinin ja demetoksikurkumiinin C3-seoksesta pylväskromatografialla.
Farmakologisten ominaisuuksiensa kannalta puhtaalla, muokkaamattomalla kurkumiinilla on suuri ongelma: huonon vesiliukoisuutensa ja siitä johtuvan heikon biologisen hyötyosuutensa vuoksi muokkaamaton kurkumiini ei pysty tuottamaan terapeuttisia vaikutuksiaan, vaan metaboloituu nopeasti maksassa ja suolen seinämässä. Kurkumiinin heikon imeytymisen voittamiseksi aktiiviset molekyylit kapseloidaan nanokantajiin (esim. liposomeihin, nanopalloihin) tai ladataan nanokomplekseihin (esim. nanopartikkeleihin, fosfolipidikomplekseihin, syklodekstriineihin ja kiinteisiin dispersioihin). Lisäksi kurkumiinin biologista hyötyosuutta voidaan lisätä noin 2000 %, kun sen annostelu yhdistetään piperiiniin, joka on mustapippuriuute.
Näiden seikkojen vuoksi nanoformuloitu kurkumiini (nanokurkumiini) on kurkumiinin ensisijainen lääkemuoto, sillä nanomuodossa oleva kurkumiini ratkaisee edellä mainitut lääkeaineen kuljetusongelmat. Nanokurkumiini pystyy tuottamaan terapeuttisia vaikutuksiaan, koska sen kulkeutuminen sairaaseen kudokseen paranee, soluunotto tehostuu ja systeeminen eliminaatio vähenee.
Kurkumiinia on saatavana useissa annostelumuodoissa, kuten jauheina, kapseleina, tabletteina, voiteina, ravintojuomina ja kosmeettisina voiteina.
Kurkumiinin lääkinnälliset käyttökohteet
Kurkumiinia on tutkittu laajasti sen moninaisten lääkinnällisten ja ravitsemuksellisten käyttötapojen vuoksi. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kurkumiinilla on suuri antioksidanttiaktiivisuus, joka aiheuttaa solujen apoptoosia, estää solujen lisääntymistä, kiinnittymistä ja liikkumista sekä tarjoaa verisuonten uudismuodostusta estäviä ja antimikrobisia ominaisuuksia. Näiden vaikutusten vuoksi kurkumiinia käytetään lääkkeenä erilaisten tulehdussairauksien, syöpien, hermoston rappeutumissairauksien, sydän- ja verisuonisairauksien sekä diabeteksen hoitoon.
Ultraäänellä valmistettuja kurkumiinin nanoannostelumuotoja lääketieteelliseen hoitoon ovat nanopartikkelit, liposomit, misellit, nanoemulsiot, syklodekstriinikompleksit, nanokiekot, nanokuidut, kiinteät lipidinanopartikkelit ja kurkumiinikonjugaatit. Nämä nanokokoiset lääkemuodot ratkaisevat kurkumiinin heikon biologisen hyötyosuuden ongelman ja mahdollistavat erittäin voimakkaan kurkumiinilääkkeen kohdennetun ja tehokkaan kuljetuksen.
Kurkumiinin kemiallinen rakenne
Kurkumiini on symmetrinen molekyyli, joka tunnetaan myös nimellä diferuloyylimetaani. Kurkumiinin IUPAC-nimi on (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, ja sen kemiallinen kaava on C21H20O6. Kurkumiinikiteitä voi esiintyä eri muodoissa, kuten monokliinisessä (neulamaisessa), ortorombisessa (riisinjyvän kaltaisessa) ja amorfisessa muodossa.