Nanohiukkasten ultraäänikäsittely lääkekäyttöön

Sonotrodilla varustetuilla ultraäänilaitteilla on keskeinen rooli lääketutkimuksessa ja lääkkeiden valmistuksessa, sillä ne tarjoavat tehokkaan ja hallitun keinon hiukkaskoon pienentämiseen, solujen hajotukseen ja homogenointiin. Ultraäänilaitteet synnyttävät ultraääniaaltojen avulla kavitaatiota, jossa muodostuu mikroskooppisia kuplia, jotka romahtavat. Tämä ilmiö synnyttää voimakkaita leikkausvoimia ja iskuaaltoja, jotka hajottavat tehokkaasti hiukkasia tai soluja.

Seuraavassa esitellään joitakin sonotrodilla varustettujen ultraäänilaitteiden käytön keskeisiä näkökohtia lääkealan sovelluksissa:

• Hiukkaskoon pienentäminen: Sonotrodilla varustettuja ultraäänilaitteita käytetään vaikuttavien lääkeaineiden (API) tai muiden yhdisteiden hiukkaskoon pienentämiseen. Pieni ja tasainen hiukkaskoko on olennaisen tärkeä lääkevalmisteiden biologisen hyötyosuuden, liukenemisnopeuden ja kokonaistehon parantamiseksi.
• Solujen hajotus: Biofarmaseuttisessa tutkimuksessa sonotrodilla varustettuja ultraäänilaitteita käytetään solujen hajotukseen solunsisäisten komponenttien vapauttamiseksi. Tämä on erityisen tärkeää proteiinien, entsyymien ja muiden biomolekyylien uuttamisessa mikrobisoluista tai viljellyistä nisäkässoluista.
• Homogenointi: Lääkevalmisteiden homogenointi on välttämätöntä ainesosien tasaisen jakautumisen varmistamiseksi. Sonotrodilla varustetut ultraäänilaitteet auttavat saavuttamaan homogeenisuuden hajottamalla agglomeraatteja ja dispergoimalla komponentit tasaisesti.
• Nanoemulsioiden ja liposomien muodostaminen: Ultraäänikäsittelyä käytetään stabiilien nanoemulsioiden ja liposomien muodostamiseen lääkevalmisteissa. Näitä nanomittakaavan kuljetusjärjestelmiä käytetään lääkeaineiden kuljetukseen liukoisuuden ja biologisen hyötyosuuden parantamiseksi.
• Laadunvalvonta ja prosessien optimointi: Ultraäänikäsittely on arvokas laadunvalvonnan menetelmä lääkkeiden valmistuksessa. Se auttaa optimoimaan prosesseja varmistamalla yhdenmukaisen hiukkaskokojakauman ja homogeenisuuden, mikä edistää valmistuserien välistä toistettavuutta.
• Lääkevalmisteiden formulointi ja kehittäminen: Lääkevalmisteiden formuloinnin ja kehittämisen aikana sonotrodilla varustettuja ultraäänilaitteita käytetään stabiilien suspensioiden, emulsioiden tai dispersioiden valmistamiseen. Tämä on ratkaisevan tärkeää suunniteltaessa lääkevalmisteita, joilla on halutut fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.

Nanomateriaalit lääkevalmisteissa

Ultraääniteknologioilla on keskeinen rooli nanomateriaalien valmistuksessa, käsittelyssä ja funktionalisoinnissa lääketutkimuksessa ja lääkkeiden valmistuksessa. Suuritehoisen ultraäänen voimakkaat vaikutukset, mukaan lukien akustinen kavitaatio, edistävät agglomeraattien hajottamista, hiukkasten dispergointia ja nanopisaroiden emulgointia. Hielscherin tehokkaat ultraäänilaitteet tarjoavat luotettavan ja tehokkaan ratkaisun lääkealan standardien täyttämiseen, varmistavat turvallisen tuotannon ja helpottavat mittakaavan suurentamista ilman ylimääräistä optimointityötä.

Nanomateriaalien käsittely

Nanomateriaalit, erityisesti nanohiukkaset, ovat mullistaneet lääkeaineiden kuljetuksen tarjoamalla hyväksi osoitetun menetelmän vaikuttavien aineiden antamiseen suun kautta tai injektiona. Tämä teknologia tehostaa lääkkeiden annostelua ja kuljetusta ja avaa uusia mahdollisuuksia lääketieteellisiin hoitoihin. Mahdollisuus kuljettaa lääkkeitä, lämpöä tai muita vaikuttavia aineita suoraan tiettyihin soluihin, erityisesti sairaisiin soluihin, on merkittävä edistysaskel.

Syövän hoidossa nanomuotoon formuloidut lääkkeet ovat osoittaneet lupaavia tuloksia: nanokokoisten hiukkasten avulla suuria lääkeannoksia voidaan kuljettaa suoraan kasvainsoluihin, jolloin terapeuttiset vaikutukset maksimoituvat ja muihin elimiin kohdistuvat haittavaikutukset minimoituvat. Nanomittakaavan koko mahdollistaa näiden hiukkasten kulun soluseinämien ja solukalvojen läpi ja vaikuttavien aineiden vapautumisen täsmällisesti kohdesolujen kohdalla.

Nanomateriaalien, jotka määritellään alle 100nm:n kokoisiksi hiukkasiksi, käsittelyyn liittyy haasteita, jotka vaativat tavallista enemmän työtä. Ultraäänikavitaatio on vakiintunut teknologia nanomateriaalien deagglomerointiin ja dispergointiin. Hiilinanoputkilla (CNT), erityisesti moniseinäisillä hiilinanoputkilla (MWCNT) ja yksiseinäisillä hiilinanoputkilla (SWCNT), on ainutlaatuisia ominaisuuksia: suuri sisätilavuus lääkemolekyylien kapselointiin ja erilaiset pinnat funktionalisointiin.
 

SWCNTs-hiilinanoputkien sonokemiallinen tuotanto. Piidioksidijauhetta ferroseenin ja ksyleenin seoksen liuoksessa on ultraäänikäsitelty 20 min. huoneenlämpötilassa ja ympäristön paineessa. Ultraäänikäsittely tuottaa erittäin puhtaita SWCNTS-hiilinanoputkia piidioksidijauheen pinnalle. (Jeong et al. 2004)

Funktionalisoiduilla hiilinanoputkilla (f-CNT) on keskeinen rooli liukoisuuden parantamisessa, tehokkaan kasvainkohdennuksen mahdollistamisessa ja solutoksisuuden välttämisessä. Ultraäänitekniikat helpottavat niiden tuotantoa ja funktionalisointia, esimerkiksi sonokemiallisella menetelmällä erittäin puhtaiden SWCNT-hiilinanoputkien valmistamiseksi. Lisäksi f-CNT-hiilinanoputket voivat toimia rokotteiden kuljetusjärjestelminä, joissa antigeenejä liitetään hiilinanoputkiin spesifisten vasta-ainevasteiden aikaansaamiseksi.
Piidioksidista, titaanidioksidista tai alumiinioksidista valmistetuilla keraamisilla nanohiukkasilla on huokoiset pinnat, minkä ansiosta ne ovat ihanteellisia lääkeaineiden kantajia. Nanohiukkasten ultraäänisynteesi ja saostus sonokemiaa hyödyntämällä tarjoavat alhaalta ylöspäin rakentuvan lähestymistavan nanokokoisten yhdisteiden valmistamiseen. Prosessi tehostaa aineensiirtoa, mikä johtaa pienempiin hiukkaskokoihin ja parempaan tasalaatuisuuteen

Nanohiukkasten ultraäänisynteesi ja saostus

Ultraäänikäsittelyllä on keskeinen rooli nanohiukkasten funktionalisoinnissa. Tekniikka hajottaa tehokkaasti hiukkasten ympärillä olevia rajakerroksia, jolloin uudet funktionaaliset ryhmät pääsevät hiukkasten pinnalle. Esimerkiksi yksiseinäisten hiilinanoputkien (SWCNT) ultraäänifunktionalisointi PL-PEG-fragmenteilla häiritsee epäspesifistä soluunottoa ja edistää samalla spesifistä soluunottoa kohdennetuissa sovelluksissa.

Jotta saadaan nanohiukkasia, joilla on tiettyjä ominaisuuksia ja toimintoja, hiukkasten pintaa on muokattava. Erilaisia nanojärjestelmiä, kuten polymeerisiä nanohiukkasia, liposomeja, dendrimeerejä, hiilinanoputkia ja kvanttipisteitä, voidaan funktionalisoida onnistuneesti tehokasta farmaseuttista käyttöä varten.

Käytännön esimerkki hiukkasten ultraäänifunktionalisoinnista:

SWCNT-hiilinanoputkien ultraäänifunktionalisointi PL-PEG:llä: Zeineldin et al. (2009) osoittivat, että yksiseinäisten hiilinanoputkien (SWNT) dispergointi ultraäänikäsittelyllä fosfolipidi-polyetyleeniglykolin (PL-PEG) kanssa pilkkoo PL-PEG:tä ja häiritsee siten sen kykyä estää epäspesifistä soluunottoa. Pilkkoutumaton PL-PEG kuitenkin edistää kohdennettujen SWNT-hiilinanoputkien spesifistä soluunottoa syöpäsolujen ilmentämien kahden erillisen reseptoriluokan kautta. Ultraäänikäsittely PL-PEG:n läsnä ollessa on yleinen hiilinanoputkien dispergointiin tai funktionalisointiin käytetty menetelmä, ja PEG:n eheys on tärkeää ligandifunktionalisoitujen nanoputkien spesifisen soluunoton edistämiseksi. Koska pilkkoutuminen on todennäköinen seuraus ultraäänikäsittelystä, jota käytetään yleisesti SWNT-hiilinanoputkien dispergointiin, tämä saattaa olla ongelma tietyissä sovelluksissa, kuten lääkeaineiden kuljetuksessa.
 

SWCNT-hiilinanoputkien ultraäänidispergointi PL-PEG:n kanssa (Zeineldin et al., 2009)

Liposomien muodostaminen ultraäänellä

Toinen menestyksekäs ultraäänen sovellus on liposomien ja nanoliposomien valmistaminen. Liposomeihin perustuvilla lääkeaineiden ja geenien kuljetusjärjestelmillä on merkittävä rooli monenlaisissa hoidoissa sekä kosmetiikassa ja ravitsemuksessa. Liposomit ovat hyviä kantajia, sillä vesiliukoisia vaikuttavia aineita voidaan sijoittaa liposomien vesipitoiseen sisäosaan tai rasvaliukoisia aineita lipidikerrokseen. Liposomeja voidaan muodostaa ultraäänen avulla. Liposomien valmistuksen perusmateriaalina ovat amfiliset molekyylit, jotka ovat peräisin biologisten kalvojen lipideistä tai perustuvat niihin. Pienten unilamellaaristen vesikkelien (SUV) muodostamiseksi lipididispersiota ultraäänikäsitellään hellävaraisesti – esimerkiksi käsikäyttöisellä ultraäänilaitteella UP50H (50W, 30kHz), ultraäänilaitteella VialTweeter tai ultraäänikuppisonotrodilla. Tällainen ultraäänikäsittely kestää noin 5 – 15 minuuttia. Toinen tapa valmistaa pieniä unilamellaarisia vesikkeleitä on multilamellaaristen vesikkeliliposomien ultraäänikäsittely.
Dinu-Pirvu et al. (2010) raportoivat transferosomien valmistamisesta ultraäänikäsittelemällä multilamellaarisia vesikkeleitä (MLVs) huoneenlämpötilassa.
Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia ultraäänilaitteita, sonotrodeja ja lisävarusteita kaikenlaisten prosessien vaatimuksiin.
Lue lisää ultraäänellä uutetusta ja kapseloidusta Aloe vera -uutteesta!

Vaikuttavien aineiden kapselointi liposomeihin ultraäänellä

Liposomit toimivat vaikuttavien aineiden kantajina. Ultraääni on tehokas menetelmä liposomien valmistamiseen ja muodostamiseen vaikuttavien aineiden sisällyttämistä varten. Ennen kapselointia liposomit pyrkivät muodostamaan ryppäitä fosfolipidien polaaristen pääryhmien pintavarausten välisen vuorovaikutuksen vuoksi (Míckova et al. 2008), ja lisäksi ne on avattava. Esimerkiksi Zhu et al. (2003) kuvaavat biotiinijauheen kapselointia liposomeihin ultraäänikäsittelyllä. Kun biotiinijauhe lisättiin vesikkelisuspensioliuokseen, liuosta ultraäänikäsiteltiin noin 1 tunti. Tämän käsittelyn jälkeen biotiini oli sisällytetty liposomeihin.

Liposomaaliset emulsiot

Kosteuttavien tai ikääntymisen merkkejä ehkäisevien voiteiden, emulsioiden, geelien ja muiden kosmeseuttisten valmisteiden hoitavan vaikutuksen tehostamiseksi liposomaalisiin dispersioihin lisätään emulgointiaineita suurempien lipidimäärien stabiloimiseksi. Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että liposomien kapasiteetti on yleensä rajallinen. Emulgointiaineiden lisäämisen myötä tämä vaikutus ilmenee aikaisemmin, ja lisätyt emulgointiaineet heikentävät fosfatidyylikoliinin affiniteettia esteeseen. Nanohiukkaset – jotka koostuvat fosfatidyylikoliinista ja lipideistä – ovat ratkaisu tähän ongelmaan. Nämä nanohiukkaset muodostuvat öljypisarasta, jota peittää fosfatidyylikoliinin yksittäinen kerros. Nanohiukkasten käyttö mahdollistaa valmisteet, jotka pystyvät sitomaan enemmän lipidejä ja pysyvät stabiileina, jolloin ylimääräisiä emulgointiaineita ei tarvita.
Ultraäänikäsittely on hyväksi osoitettu menetelmä nanoemulsioiden ja nanodispersioiden tuotantoon. Erittäin voimakas ultraääni tuottaa tehon, joka tarvitaan nestefaasin (dispergoitunut faasi) dispergointiin pieninä pisaroina toiseen faasiin (jatkuva faasi). Dispergointivyöhykkeellä romahtavat kavitaatiokuplat aiheuttavat voimakkaita iskuaaltoja ympäröivässä nesteessä ja synnyttävät suuren virtausnopeuden nestesuihkuja. Jotta dispergoituneen faasin vastamuodostuneet pisarat saadaan stabiloitua yhdistymistä vastaan, emulsioon lisätään emulgointiaineita (pinta-aktiivisia aineita, surfaktantteja) ja stabilointiaineita. Koska pisaroiden yhdistyminen hajottamisen jälkeen vaikuttaa lopulliseen pisarakokojakaumaan, tehokkaasti stabiloivia emulgointiaineita käytetään pitämään lopullinen pisarakokojakauma samalla tasolla kuin heti pisaroiden hajottamisen jälkeen ultraäänidispergointivyöhykkeellä.

Liposomaaliset dispersiot

Tyydyttymättömään phosphatidylchlorine-yhdisteeseen perustuvien liposomaalisten dispersioiden hapettumisstabiilisuus on heikko. Dispersio voidaan stabiloida antioksidanteilla, kuten C- ja E-vitamiinien kompleksilla.
Ortan et al. (2002) saavuttivat hyviä tuloksia tutkimuksessaan, joka käsitteli Anethum graveolens -kasvin eteerisen öljyn ultraääniavusteista valmistamista liposomeihin. Ultraäänikäsittelyn jälkeen liposomien koko oli 70–150 nm ja MLV-vesikkelien koko 230–475 nm; nämä arvot pysyivät suunnilleen muuttumattomina myös 2 kuukauden jälkeen, mutta kasvoivat 12 kuukauden jälkeen, erityisesti SUV-dispersiossa (katso alla olevat histogrammit). Eteerisen öljyn hävikkiä ja kokojakaumaa koskevat stabiilisuusmittaukset osoittivat myös, että liposomaaliset dispersiot säilyttivät haihtuvan öljyn pitoisuuden. Tämä viittaa siihen, että eteerisen öljyn sisällyttäminen liposomeihin paransi öljyn stabiilisuutta.
 

MLV- ja SUV-dispersioiden stabiilisuus 1 vuoden jälkeen. Liposomaalisia valmisteita säilytettiin lämpötilassa 4±1 ºC.
(Tutkimus ja kuva: ©Ortan et al., 2009):

 
Lue lisää liposomien ultraääniavusteisesta valmistuksesta napsauttamalla tästä!

Tehokkaat ultraäänilaitteet lääketutkimukseen ja lääkkeiden valmistukseen

Hielscher Ultrasonics on ensiluokkainen laadukkaiden ja tehokkaiden ultraäänilaitteiden toimittajasi lääketutkimukseen ja lääkkeiden valmistukseen. Laitteiden tehoalue 50 watista jopa 16 000 wattiin mahdollistaa sopivan ultraääniprosessorin löytämisen jokaiseen tilavuuteen ja prosessiin. Suuren tehon, luotettavuuden, kestävyyden ja helpon käytön ansiosta ultraäänikäsittely on olennainen tekniikka nanomateriaalien valmistuksessa ja käsittelyssä. CIP-puhdistuksella (puhdistus paikallaan) ja SIP-steriloinnilla (sterilointi paikallaan) varustetut Hielscherin ultraäänilaitteet takaavat turvallisen ja tehokkaan tuotannon lääkealan standardien mukaisesti. Kaikki erityiset ultraääniprosessit voidaan helposti testata laboratorio- tai pöytämittakaavassa. Näiden kokeiden tulokset ovat täysin toistettavissa, joten myöhempi mittakaavan suurentaminen on lineaarista ja voidaan toteuttaa helposti ilman ylimääräistä prosessin optimointityötä.

Hielscherin ultraäänilaitteet: suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppo käyttö mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti tehokkaita ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Kirjallisuus/Viitteet

• Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
• Joanna Kopecka, Giuseppina Salzano, Ivana Campia, Sara Lusa, Dario Ghigo, Giuseppe De Rosa, Chiara Riganti (2013): Insights in the chemical components of liposomes responsible for P-glycoprotein inhibition. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2013.
• Gielen, B.; Jordens, J.; Thomassen, L.C.J.; Braeken, L.; Van Gerven, T. (2017): Agglomeration Control during Ultrasonic Crystallization of an Active Pharmaceutical Ingredient. Crystals 7, 40; 2017.
• Dinu-Pirvu, Cristina; Hlevca, Cristina; Ortan, Alina; Prisada, Razvan (2010): Elastic vesicles as drugs carriers though the skin. In: Farmacia Vol.58, 2/2010. Bucharest.
• Giricz Z., Varga Z.V., Koncsos G., Nagy C.T., Görbe A., Mentzer R.M. Jr, Gottlieb R.A., Ferdinandy P. (2017): Autophagosome formation is required for cardioprotection by chloramphenicol. Life Science Oct 2017. 11-16.
• Jeong, Soo-Hwan; Ko, Ju-Hye; Park, Jing-Bong; Park, Wanjun (2004): A Sonochemical Route to Single-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions. In: Journal of American Chemical Society 126/2004; pp. 15982-15983.
• Srinivasan, C. (2005) A ‘SOUND’ method for synthesis of single-walled carbon nanotubes under ambient conditions. In: Current Science, Vol.88, No.1, 2005. pp. 12-13.
• Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.
• Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.

 

Ultraääni on innovatiivinen teknologia, jota käytetään menestyksekkäästi hiukkasten sonokemialliseen synteesiin, deagglomerointiin, dispergointiin, emulgointiin, funktionalisointiin ja aktivointiin. Erityisesti nanoteknologiassa ultraäänikäsittely on olennainen tekniikka nanokokoisten materiaalien synteesiin ja käsittelyyn. Koska nanoteknologia on herättänyt näin huomattavaa tieteellistä kiinnostusta, nanokokoisia hiukkasia hyödynnetään poikkeuksellisen monilla tieteen ja teollisuuden aloilla. Myös lääketeollisuus on havainnut tämän joustavan ja muunneltavan materiaalin suuret mahdollisuudet. Siksi nanohiukkasia käytetään lääketeollisuuden erilaisissa toiminnallisissa sovelluksissa, joita ovat:

• lääkeaineiden kuljetus (kantaja)
• diagnostiset tuotteet
• tuotteiden pakkaaminen
• biomarkkerien löytäminen