שיקוע אולטרסוני של חלקיקי־על של כורכומין
- מכיוון שכורכום מכיל רק 2–9 wt% כורכומינואידים, נדרשת טכניקת מיצוי או סינתזה יעילה כדי לקבל אבקה בעלת פעילות רפואית חזקה.
- שיקוע באמצעות נוגד־ממס בסיוע אולטרסוני הוא שיטה יעילה ביותר לסינתזה של חלקיקי כורכומין.
- ניתן להגדיל בקלות את קנה המידה של השיקוע האולטרסוני באמצעות נוגד־ממס לייצור כמויות גדולות של כורכומין באיכות גבוהה.
כורכומין
כורכומין, פוליפנול, הוא חומר תרופתי בעל מסיסות נמוכה במים, המצוי בתבלין הצמחי כורכום (Curcuma longa). הוא מכיל נוגדי חמצון חזקים ביותר וידוע בתכונותיו נוגדות הדלקת, הסרטן, הפטריות והמיקרואורגניזמים. כורכומין משמש כתרכובת תרופתית מועדפת במיוחד בזכות המגוון הרחב של פעילויותיו הכימופרבנטיביות והכימותרפויטיות.
כנוגד חמצון חזק, כורכומין מגביר את פעילותם בסרום של נוגדי חמצון כגון סופראוקסיד דיסמוטאז (SOD), ולוכד ומנטרל רדיקלים חופשיים כגון מיני חמצן וחנקן פעילים (ROS ו-RNS). נוסף על כך, הוא מגביר את פעילותם של אנזימים נוגדי חמצון שמקורם בגוף עצמו. כורכומין ידוע גם כמפחית מחלות לב וכמשפר את תפקוד המוח. בזכות תכונות רפואיות מועילות ומגוונות אלה, כורכומין נמצא בשימוש נרחב כתבלין, כתוסף וכחומר תרופתי.
שיקוע אולטרסוני באמצעות נוגד־ממס נוזלי
שיקוע באמצעות נוגד־ממס נוזלי (LAS) בסיוע אולטרסוני הוא טכניקת סינתזה פשוטה ומהירה בכלי אחד, לייצור ננו־חלקיקי כורכומין בעלי מבנה־על אורתורומבי. השיקוע האולטרסוני באמצעות נוגד־ממס הוא תהליך פשוט ומהיר שניתן להגדיל את קנה המידה שלו, ומאפשר שיקוע של כורכומין באיכות גבוהה בתעשיות התרופות והמזון.
מנגנון משוער להיווצרות חלקיקי־על של כורכומין בהיעדר אולטרסאונד ובנוכחותו, ללא מייצבים. תמונה © 2014 Thorat et al.
פרוטוקול לשיקוע אולטרסוני:
לשיקוע אולטרסוני של חלקיקי כורכומין, מוסיפים תמיסה אורגנית של כורכומין באתנול (5 mg/mL) ל-100mL מים המכילים חומר פעיל שטח (0.02 wt% במים) או שאינם מכילים חומר פעיל שטח. ככלי תגובה משמש כלי זכוכית בעל מעטפת, בנפח של כ-500mL, בקוטר של 7cm וביחס אורך לקוטר (L/D) של 1.7. טמפרטורת התערובת נשמרת בקביעות על 1ºC. בתהליך השיקוע האולטרסוני, הסונוטרודה של הומוגנייזר אולטרסוני כגון UP200Ht או UP200St המצויד בסונוטרודה S26d14, נטבלת בתערובת הממס ונוגד־הממס. בהגדרת משרעת של 100% ובסוניקציה למשך 10min., התערובת עברה פיזור.
משך הסוניקציה מאפשר לשלוט בפולימורפיזם של גבישי הכורכומין. כאשר מאריכים את משך הסוניקציה, אחוז החלקיקים האורתורומביים עולה. הדבר מצביע על כך שעלייה באנרגיה האולטרסונית מקלה על היווצרות הצורה האורתורומבית על פני הצורה המונוקלינית, ללא תלות בתוסף שבו משתמשים.
[ראו Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – מעבד אולטרסוני בהספק 1kW לשיקוע חומרים פעילים בתרופות (API)
שיפור הזמינות הביולוגית באמצעות כימוס אולטרסוני
מכיוון שכורכומין הוא מולקולה ליפופילית בעלת מסיסות נמוכה במים (= הידרופובית), הזמינות הביולוגית המערכתית שלו נמוכה. לכן יש להכין פורמולציות של כורכומין המשפרות את זמינותו הביולוגית. להכנת תמיסות מימיות של כורכומין, מוסיפים חומרים פעילי שטח, ליפידים, אלבומינים, ציקלודקסטרינים, ביופולימרים וכדומה, כדי לכמס או להטעין את מולקולות הכורכומין בליפוזומים, בננו־חלקיקים ובנשאי תרופות אחרים.
סוניקציה היא טכניקה יעילה ואמינה ביותר להכנת נשאי תרופות כגון ליפוזומים, ננו־חלקיקי ליבה–מעטפת, ביופולימרים וכן תחליבים כפולים! להלן פרוטוקול לדוגמה לכימוס אולטרסוני של כורכומין.
פרוטוקול לכימוס אולטרסוני של כורכומין:
ננו־חלקיקי חומצה פולי(לקטית-קו-גליקולית) (PLGA) טעונים בכורכומין
- תחילה ממיסים את פולימר ה-PLGA באתיל אצטט. מוסיפים כורכומין (15% w/w) ומאפשרים לו להתמוסס תוך ערבול התמיסה בוורטקס לסירוגין.
- תערובת המוצק בשמן מתווספת לפאזה מימית של PVA (w/v) ליצירת תחליב S-O/W. לאחר מכן, תמיסת התרופה/הפולימר ב-PVA מעורבלת במערבל וורטקס במהירות של 8,000 rpm.
- התמיסה המתקבלת עוברת סוניקציה במשך כ-300sec במשרעת של 45% באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני כגון UP200Ht או UP200St (200W, 26kHz). מיד לאחר הסוניקציה, התחליב נמזג לפאזה המימית (0.1% PVA במים; 200mL) לצורך דיפוזיה תוך ערבוב מהיר באמצעות בוחש מגנטי.
- תרחיף קולואידי זה מעורבב ברציפות באמצעות בוחש מגנטי עד להשלמת אידוי הממס. לאחר מכן, הננו-חלקיקים נאספים בצנטריפוגציה ונשטפים 3 פעמים במים מזוקקים מסוג Milli Q. לבסוף, הם מורחפים מחדש בתמיסה המכילה חומרי הגנה מפני הקפאה (סוכרוז (2 %w/w) וטרהלוז (5% w/w)), מיובשים במערכת ייבוש בהקפאה ATR FD3.0 וניתנים לאחסון ב-4°C למשך 6 חודשים לפחות.
[ראו Ranjan et al. 2012]
מעבדים אולטרסוניים לשיקוע כורכומין ולהכנת פורמולציות
Hielscher Ultrasonics מציעה ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של ננו-חלקיקים (למשל חומרים פעילים בתרופות, APIs) ולמיצוי תרכובות צמחיות. מגוון המוצרים שלנו כולל מכשירים אולטרסוניים מתקדמים למעבדה, לשולחן העבודה ולתעשייה, המאפשרים לפתח יישומים מקנה מידה קטן ועד לקנה מידה מסחרי. ניתן להגדיל את קנה המידה של כל התוצאות המתקבלות בבדיקות מעבדה ופיילוט באופן ליניארי לחלוטין עד לרמת ייצור מסחרי. כל המערכות בנויות לפעולה 24/7, עמידות וקלות לשימוש.
סדרת UIPxxxxhdT כוללת את המערכות האולטרסוניות שלנו בדרגה תעשייתית, שבהן ניתן להשתמש לעבודה על שולחן העבודה, לאופטימיזציה של תהליכים ולייצור תעשייתי. המערכות התעשייתיות שלנו זמינות בהספקים הבאים: 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10,000W (UIP10000) וכן 16,000W (UIP16000, המכשיר האולטרסוני החזק ביותר בעולם). ניתן להפעיל את המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics ברציפות 24/7 במשרעות גבוהות מאוד של עד 200µm. למשרעות גבוהות אף יותר, Hielscher מציעה סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה אמינה מסביב לשעון בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
לכל המערכות האולטרסוניות שלנו אנו מציעים מגוון רחב של אביזרים, כגון סונוטרודות, קרני הגברה, תאי זרימה וכורים בגדלים, בצורות ובגאומטריות מגוונים. אביזרים אלה מאפשרים להתאים בקלות את המעבדים האולטרסוניים שלנו באופן מיטבי לתנאי התהליך הנדרשים.
לשיקוע ולסינתזה מלמטה למעלה, Hielscher מציעה תותב ייחודי לתא זרימה – MultiPhaseCavitator MPC48. באמצעות MultiPhaseCavitator, הפאזה השנייה (אנטי-ממס) מוזרקת דרך 48 קנולות דקות ישירות לאזור הקוויטציה האולטרסונית, שם היא מתערבבת בתוך מילישניות בפאזה הראשונה. כתוצאה מכך שוקעים ננו-חלקיקים הומוגניים.
סוניקציה עוצמתית מהמעבדה ומשולחן העבודה ועד לייצור תעשייתי.
ספרות ומקורות
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): כורכומין: סקירה של השפעותיו על בריאות האדם. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): מסלולי היווצרות חלקיקים ופולימורפיזם של כורכומין בהשפעת אולטרסאונד ותוספים במהלך שיקוע באמצעות אנטי-ממס נוזלי. CrystEngComm, 2014, 16, 11,102-11,114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): הגדלת קנה מידה, אופטימיזציה וניתוח יציבות של ננו-חלקיקים טעונים בקומפלקס Curcumin C3 לטיפול בסרטן. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
עובדות שכדאי לדעת
כורכומין
כורכומין הוא תרכובת כימית צהובה המצויה בכורכום. כורכום הוא צמח עשבוני רב-שנתי בעל קנה שורש (Curcuma longa) ממשפחת הזנגביליים. כורכומין הוא פוליפנול המופק מקני השורש ונמצא בשימוש נרחב כתבלין. בהתאם למקורו ולתנאי הקרקע שבה הוא גדל, כורכום מכיל 2%–9% כורכומינואידים. כורכומין הוא הכורכומינואיד העיקרי בכורכום (Curcuma longa, Zingiberaceae). הוא משמש כתוסף תזונה, כחומר רפואי, כתוסף טעם וצבע למזון וכן כמרכיב קוסמטי.
צורה מטוהרת של כורכומין, המורכבת רק משלושת המרכיבים העיקריים הבאים – כורכומין, ביסדמתוקסיכורכומין ודמתוקסיכורכומין – מכונה גם קומפלקס כורכומין C3. ניתן להפריד כורכומין טהור מתערובת C3 של כורכומין, ביסדמתוקסיכורכומין ודמתוקסיכורכומין באמצעות כרומטוגרפיית עמודה.
מבחינת תכונותיו הפרמקולוגיות, לכורכומין טהור שלא עבר שינוי יש בעיה משמעותית: בשל מסיסותו הנמוכה במים והזמינות הביולוגית הנמוכה הנובעת מכך, כורכומין שלא עבר שינוי אינו יכול להביא לידי ביטוי את השפעותיו הטיפוליות, אלא עובר במהירות חילוף חומרים בכבד ובדופן המעי. כדי להתגבר על שיעור הספיגה הנמוך של כורכומין, המולקולות הפעילות מכומסות בנשאים ננומטריים (למשל ליפוזומים, ננוספרות) או מועמסות על קומפלקסים ננומטריים (למשל ננו-חלקיקים, קומפלקסים של פוספוליפידים, ציקלודקסטרינים ודיספרסיות מוצקות). נוסף על כך, ניתן להגדיל את הזמינות הביולוגית של כורכומין בכ-2000% כאשר המנה הניתנת שלו משולבת עם פיפרין, שהוא תמצית פלפל שחור.
בשל עובדות אלה, כורכומין בפורמולציה ננומטרית (ננו-כורכומין) הוא צורת המתן המועדפת של כורכומין, שכן כורכומין בצורת ננו מתגבר על בעיות הובלת התרופה שהוזכרו לעיל. ננו-כורכומין יכול להביא לידי ביטוי את תכונותיו הטיפוליות בזכות הובלה משופרת לרקמה החולה, קליטה טובה יותר בתוך התאים ופינוי מערכתי מופחת.
כורכומין זמין במגוון צורות מתן, ובהן אבקות, כמוסות, טבליות, משחות, משקאות תזונתיים וקרמים קוסמטיים.
יישומים רפואיים של כורכומין
כורכומין נחקר בהרחבה בשל מגוון השימושים שלו ברפואה ובתזונה. מחקרים הראו כי לכורכומין פעילות נוגדת חמצון גבוהה, המשרה אפופטוזיס של תאים, מעכבת התרבות, היצמדות ותנועתיות של תאים, ומקנה תכונות המעכבות יצירת כלי דם ותכונות אנטי-מיקרוביאליות. בשל השפעות אלה, כורכומין משמש כתרופה לטיפול במחלות דלקתיות שונות, במחלות סרטן, במחלות ניווניות של מערכת העצבים, במחלות לב וכלי דם וכן בסוכרת.
צורות מתן ננומטריות של כורכומין לטיפול רפואי המוכנות באמצעות אולטרסאונד כוללות ננו-חלקיקים, ליפוזומים, מיצלות, ננו-אמולסיות, קומפלקסים של ציקלודקסטרין, ננו-דיסקיות, ננו-סיבים, ננו-חלקיקים ליפידיים מוצקים וצמדי כורכומין. צורות מתן ננומטריות אלה מתגברות על הזמינות הביולוגית הנמוכה של כורכומין ומאפשרות הובלה ממוקדת ויעילה של תרופת כורכומין בעלת עוצמה גבוהה מאוד.
המבנה הכימי של כורכומין
כורכומין הוא מולקולה סימטרית, הידועה גם בשם diferuloyl methane. שם ה-IUPAC של כורכומין הוא (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, ונוסחתו הכימית היא C21H20O6. גבישי כורכומין יכולים להופיע בצורות שונות, כגון צורה מונוקלינית (דמוית מחט), צורה אורתורומבית (דמוית גרגר אורז) וצורה אמורפית.