Précipitation par ultrasons de superparticules de curcumine
- Le curcuma ne contenant que 2–9 wt% de curcuminoïdes, une technique d’extraction ou de synthèse efficace est nécessaire pour obtenir une poudre présentant une forte activité médicinale.
- La précipitation par antisolvant assistée par ultrasons est une méthode très efficace pour synthétiser des particules de curcumine.
- La précipitation par antisolvant assistée par ultrasons peut facilement être transposée à plus grande échelle pour produire de grandes quantités de curcumine de haute qualité.
Curcumine
La curcumine, un polyphénol, est une substance médicamenteuse peu soluble dans l’eau, présente dans le curcuma, une épice d’origine végétale (Curcuma longa). Elle contient des antioxydants très puissants et est connue pour ses propriétés anti-inflammatoires, anticancéreuses, antifongiques et antimicrobiennes. La curcumine est utilisée comme composé médicamenteux privilégié, notamment pour son large éventail d’activités chimiopréventives et chimiothérapeutiques.
En tant qu’antioxydant puissant, la curcumine augmente l’activité sérique d’antioxydants tels que la superoxyde dismutase (SOD) et piège et neutralise les radicaux libres tels que les espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (ROS et RNS). Elle renforce également l’activité des enzymes antioxydantes propres à l’organisme. La curcumine est aussi connue pour réduire les maladies cardiaques et améliorer les fonctions cérébrales. En raison de ces nombreuses propriétés médicinales bénéfiques, elle est largement utilisée comme épice, complément et médicament.
Précipitation par antisolvant liquide assistée par ultrasons
La précipitation par antisolvant liquide (LAS) assistée par ultrasons est une technique de synthèse simple et rapide, réalisée dans un seul récipient, permettant de produire des nanoparticules de curcumine à superstructure orthorhombique. La précipitation par antisolvant assistée par ultrasons est un procédé simple, rapide et transposable à plus grande échelle, qui permet la précipitation de curcumine de haute qualité dans les industries pharmaceutique et alimentaire.
Mécanisme hypothétique de formation de superparticules de curcumine en l’absence et en présence d’ultrasons, sans stabilisants. Illustration © 2014 Thorat et al.
Protocole de précipitation par ultrasons :
Pour la précipitation par ultrasons de particules de curcumine, une solution organique de curcumine dans l’éthanol (5 mg/mL) est ajoutée à 100mL d’eau contenant un tensioactif (0,02 wt% dans l’eau) ou ne contenant pas de tensioactif. Le récipient de réaction utilisé est un récipient en verre à double enveloppe d’un volume d’environ 500mL, d’un diamètre de 7cm et d’un rapport L/D de 1,7. La température du mélange est maintenue en permanence à 1ºC. Pour le procédé de précipitation par ultrasons, la sonotrode de l’homogénéisateur à ultrasons, tel que le UP200Ht ou le UP200St équipé d’une sonotrode S26d14, est immergée dans le mélange solvant–antisolvant. Le mélange est dispersé avec un réglage d’amplitude de 100% et une sonication de 10min.
La durée de sonication permet de moduler le polymorphisme des cristaux de curcumine. Lorsque la durée de sonication est prolongée, la proportion de particules orthorhombiques augmente. Cela indique qu’une augmentation de l’énergie ultrasonore favorise la formation de la forme orthorhombique plutôt que de la forme monoclinique, quel que soit l’additif utilisé.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – processeur à ultrasons de 1kW pour la précipitation de principes actifs pharmaceutiques (API)
Amélioration de la biodisponibilité par encapsulation ultrasonore
La curcumine étant une molécule lipophile et peu soluble dans l’eau (= hydrophobe), sa biodisponibilité systémique est faible. Il est donc nécessaire de préparer des formulations de curcumine qui améliorent sa biodisponibilité. Pour préparer des solutions aqueuses de curcumine, on ajoute des tensioactifs, des lipides, des albumines, des cyclodextrines, des biopolymères, etc., afin d’encapsuler ou d’incorporer les molécules de curcumine dans des liposomes, des nanoparticules et d’autres vecteurs médicamenteux.
La sonication est une technique très efficace et fiable pour formuler des vecteurs médicamenteux tels que des liposomes, des structures cœur–coquille de type nanoparticules, des biopolymères et des émulsions doubles ! Vous trouverez ci-dessous un exemple de protocole d’encapsulation de la curcumine par ultrasons.
Protocole d’encapsulation de la curcumine par ultrasons :
Nanoparticules d’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) chargées en curcumine
- Tout d’abord, le polymère PLGA est dissous dans l’acétate d’éthyle. La curcumine (15% w/w) est ajoutée et laissée à dissoudre, tout en agitant la solution par intermittence au vortex.
- Le mélange solide dans l’huile est ajouté à une phase aqueuse de PVA (w/v) pour former une émulsion S-O/W. Ensuite, la solution de médicament/polymère dans le PVA est agitée au vortex à 8 000 rpm.
- La solution obtenue est soumise à une sonication pendant environ 300sec à une amplitude de 45%, avec un homogénéisateur à ultrasons tel que le UP200Ht ou le UP200St (200W, 26kHz). Immédiatement après la sonication, l’émulsion est versée dans la phase aqueuse (0,1% de PVA dans l’eau ; 200mL) pour permettre la diffusion sous agitation rapide à l’aide d’un agitateur magnétique.
- Cette suspension colloïdale est agitée en continu à l’aide d’un agitateur magnétique jusqu’à évaporation complète du solvant. Les nanoparticules sont ensuite recueillies par centrifugation et lavées 3 fois avec de l’eau distillée Milli Q. Enfin, elles sont remises en suspension dans une solution cryoprotectrice (saccharose (2 %w/w) et tréhalose (5% w/w)), séchées à l’aide d’un système de lyophilisation ATR FD3.0 et peuvent être conservées à 4°C pendant au moins 6 mois.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Processeurs à ultrasons pour la précipitation et la formulation de la curcumine
Hielscher Ultrasonics propose des équipements à ultrasons haute performance pour la synthèse de nanoparticules (par exemple, des principes actifs pharmaceutiques, ou API) et l’extraction de composés végétaux. Notre gamme comprend des appareils à ultrasons sophistiqués de laboratoire, de paillasse et industriels, qui permettent de développer des applications de la petite échelle à l’échelle commerciale. Tous les résultats obtenus lors des essais en laboratoire et à l’échelle pilote peuvent être intégralement transposés de manière linéaire à la production commerciale. Tous les systèmes sont conçus pour fonctionner 24/7, sont robustes et faciles à utiliser.
La série UIPxxxxhdT regroupe nos systèmes à ultrasons de qualité industrielle, utilisables sur paillasse, pour l’optimisation des procédés et pour la production industrielle. Nos systèmes industriels sont disponibles dans les puissances suivantes : 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) et 16 000W (UIP16000, l’appareil à ultrasons le plus puissant au monde). Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fonctionner en continu 24/7 à des amplitudes très élevées, allant jusqu’à 200µm. Pour des amplitudes encore plus élevées, Hielscher propose des sonotrodes ultrasonores sur mesure. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement fiable jour et nuit, en service intensif et dans des environnements exigeants.
Pour tous nos systèmes à ultrasons, nous proposons une vaste gamme d’accessoires, notamment des sonotrodes, des amplificateurs d’amplitude, des cellules à circulation et des réacteurs de différentes tailles, formes et géométries. Ces accessoires permettent d’adapter facilement et de manière optimale nos processeurs à ultrasons aux conditions de procédé requises.
Pour la précipitation et la synthèse ascendante, Hielscher propose un insert unique pour cellule à circulation – le MultiPhaseCavitator MPC48. Avec le MultiPhaseCavitator, la seconde phase (antisolvant) est injectée par 48 fines canules directement dans la zone de cavitation ultrasonore, où elle est mélangée à la première phase en quelques millisecondes. Il en résulte la précipitation de nanoparticules homogènes.
Une sonication puissante, du laboratoire et de la paillasse à la production industrielle.
Bibliographie et références
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017) : Curcumine : revue de ses effets sur la santé humaine. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014) : Voies de formation des particules et polymorphisme de la curcumine induits par les ultrasons et les additifs lors de la précipitation par antisolvant liquide. CrystEngComm, 2014, 16, 11 102–11 114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012) : Changement d’échelle, optimisation et analyse de la stabilité de nanoparticules chargées en Curcumin C3 complex pour le traitement du cancer. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Informations utiles
Curcumine
La curcumine est un composé chimique de couleur jaune présent dans le curcuma. Le curcuma est une plante herbacée vivace à rhizomes (Curcuma longa) de la famille du gingembre. La curcumine est un polyphénol extrait des rhizomes et largement utilisé comme épice. Selon son origine et les conditions du sol dans lequel il est cultivé, le curcuma contient 2%–9% de curcuminoïdes. La curcumine est le principal curcuminoïde du curcuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Elle est utilisée comme complément, composé médicinal, additif alimentaire aromatisant et colorant, ainsi que comme ingrédient cosmétique.
Une forme purifiée de curcumine, composée uniquement des trois constituants principaux suivants – curcumine, bisdéméthoxycurcumine et déméthoxycurcumine – est également appelée complexe C3 de curcumine. La curcumine pure peut être séparée du mélange C3 de curcumine, de bisdéméthoxycurcumine et de déméthoxycurcumine par chromatographie sur colonne.
En ce qui concerne ses propriétés pharmacologiques, la curcumine pure non modifiée présente un problème majeur : en raison de sa faible solubilité dans l’eau et, par conséquent, de sa faible biodisponibilité, elle ne peut pas déployer ses effets thérapeutiques et est rapidement métabolisée dans le foie et la paroi intestinale. Pour remédier au faible taux d’absorption de la curcumine, les molécules actives sont encapsulées dans des nanovecteurs (par exemple, des liposomes, des nanosphères) ou incorporées dans des nanocomplexes (par exemple, des nanoparticules, des complexes de phospholipides, des cyclodextrines et des dispersions solides). En outre, la biodisponibilité de la curcumine peut être augmentée d’environ 2000% lorsque sa dose est associée à la pipérine, un extrait de poivre noir.
Pour ces raisons, la curcumine nanoformulée (nanocurcumine) constitue la forme pharmaceutique privilégiée de la curcumine, car sa nanoforme permet de surmonter les problèmes d’administration du médicament mentionnés précédemment. La nanocurcumine peut déployer ses propriétés thérapeutiques grâce à un meilleur acheminement vers les tissus malades, à une meilleure internalisation et à une élimination systémique réduite.
La curcumine est disponible sous plusieurs formes d’administration, notamment des poudres, des gélules, des comprimés, des pommades, des boissons nutritionnelles et des crèmes cosmétiques.
Applications médicales de la curcumine
La curcumine a fait l’objet de nombreuses études pour ses multiples formes d’utilisation en médecine et en nutrition. Les recherches ont montré qu’elle possède une forte activité antioxydante, qui induit l’apoptose cellulaire, inhibe la prolifération, l’adhésion et la motilité cellulaires, et confère des propriétés antiangiogéniques et antimicrobiennes. En raison de ces effets, la curcumine est utilisée comme médicament pour traiter diverses maladies inflammatoires, des cancers, des maladies neurodégénératives, des maladies cardiovasculaires ainsi que le diabète.
Les nanoformes d’administration préparées par ultrasons à base de curcumine à usage thérapeutique comprennent les nanoparticules, les liposomes, les micelles, les nanoémulsions, les complexes de cyclodextrines, les nanodisques, les nanofibres, les nanoparticules lipidiques solides et les conjugués de curcumine. Ces formes pharmaceutiques de taille nanométrique permettent de surmonter la faible biodisponibilité de la curcumine et d’assurer l’administration ciblée et efficace d’un médicament à base de curcumine de forte activité.
Structure chimique de la curcumine
La curcumine est une molécule symétrique, également connue sous le nom de diféruloylméthane. Le nom IUPAC de la curcumine est (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-méthoxyphényl)-1,6-heptadiène-3,5-dione, de formule chimique C21H20O6. Les cristaux de curcumine peuvent se présenter sous différentes formes, notamment monoclinique (aciculaire), orthorhombique (semblable à un grain de riz) et amorphe.