טיפול אולטרסוני בננו־חלקיקים ליישומים בתחום התרופות

סוניקטורים בעלי גשוש ממלאים תפקיד מכריע במחקר ובייצור בתחום התרופות, בכך שהם מספקים אמצעי רב־עוצמה ומבוקר להקטנת גודל החלקיקים, לפירוק תאים ולהומוגניזציה. סוניקטורים משתמשים בגלים אולטרסוניים ליצירת קוויטציה, הגורמת להיווצרותן ולקריסתן של בועות מיקרוסקופיות. תופעה זו יוצרת כוחות גזירה עזים וגלי הלם, המפרקים ביעילות חלקיקים או תאים.

להלן כמה היבטים מרכזיים של השימוש בסוניקטורים בעלי גשוש ביישומים בתחום התרופות:

• הקטנת גודל החלקיקים: סוניקטורים בעלי גשוש משמשים להקטנת גודל החלקיקים של חומרים פעילים בתרופות (APIs) או של תרכובות אחרות. גודל חלקיקים קטן ואחיד חיוני לשיפור הזמינות הביולוגית, קצבי ההתמוססות והיעילות הכוללת של פורמולציות תרופתיות.
• פירוק תאים: במחקר ביו־פרמצבטי, סוניקטורים בעלי גשוש משמשים לפירוק תאים כדי לשחרר רכיבים תוך־תאיים. הדבר חשוב במיוחד למיצוי חלבונים, אנזימים וביומולקולות אחרות מתאי מיקרואורגניזמים או מתאי יונקים בתרבית.
• הומוגניזציה: הומוגניזציה של פורמולציות תרופתיות חיונית להבטחת פיזור אחיד של המרכיבים. סוניקטורים בעלי גשוש מסייעים להשגת הומוגניות באמצעות פירוק אגלומרטים ופיזור אחיד של הרכיבים.
• יצירת ננו־תחליבים וליפוזומים: סוניקציה משמשת ליצירת ננו־תחליבים וליפוזומים יציבים בפורמולציות תרופתיות. מערכות הובלה אלו, בקנה מידה ננומטרי, משמשות להובלת תרופות כדי לשפר את המסיסות ואת הזמינות הביולוגית.
• בקרת איכות ואופטימיזציה של תהליכים: סוניקציה היא כלי רב־ערך לבקרת איכות בייצור תרופות. היא מסייעת באופטימיזציה של תהליכים באמצעות הבטחת עקביות בהתפלגות גודל החלקיקים ובהומוגניות, ותורמת להדירות בין אצוות.
• פורמולציה ופיתוח של תרופות: במהלך הפורמולציה והפיתוח של תרופות, סוניקטורים בעלי גשוש משמשים להכנת תרחיפים, תחליבים או דיספרסיות יציבים. הדבר חיוני לתכנון מוצרים תרופתיים בעלי תכונות פיזיקליות וכימיות רצויות.

ננו־חומרים בתחום התרופות

טכנולוגיות אולטרסוניות ממלאות תפקיד מרכזי בהכנה, בעיבוד ובפונקציונליזציה של ננו־חומרים במחקר ובייצור בתחום התרופות. ההשפעות העזות של אולטרסאונד בהספק גבוה, ובהן קוויטציה אקוסטית, תורמות לפירוק אגלומרטים, לפיזור חלקיקים ולתחלוב ננו־טיפות. הסוניקטורים עתירי הביצועים של Hielscher מספקים פתרון אמין ויעיל לעמידה בתקנים בתחום התרופות, מבטיחים ייצור בטוח ומקלים על הגדלת קנה המידה ללא מאמצי אופטימיזציה נוספים.

עיבוד ננו־חומרים

ננו־חומרים, ובפרט ננו־חלקיקים, חוללו מהפכה בהולכת תרופות בתחום הרוקחות, ומציעים שיטה מוכחת למתן חומרים פעילים דרך הפה או בהזרקה. טכנולוגיה זו משפרת את יעילות המינון וההולכה של תרופות, ופותחת אפשרויות חדשות לטיפולים רפואיים. היכולת להעביר תרופות, חום או חומרים פעילים אחרים ישירות לתאים מסוימים, ובפרט לתאים חולים, מהווה התקדמות משמעותית.

בטיפול בסרטן, תרופות בפורמולציות ננומטריות הראו תוצאות מבטיחות, תוך ניצול היתרון של חלקיקים בגודל ננומטרי להעברת מינונים גבוהים של תרופות ישירות לתאי הגידול, למקסום ההשפעות הטיפוליות ולמזעור תופעות הלוואי באיברים אחרים. הגודל הננומטרי מאפשר לחלקיקים אלה לעבור דרך דופנות תאים וקרומי תאים, ולשחרר חומרים פעילים בדיוק בתאי המטרה.

עיבוד ננו־חומרים, המוגדרים כחלקיקים שממדיהם קטנים מ־100nm, מציב אתגרים המחייבים מאמצים רבים יותר. קוויטציה אולטרסונית מתגלה כטכנולוגיה מבוססת היטב לפירוק אגלומרטים ולפיזור ננו־חומרים. ננו־צינוריות פחמן (CNTs), ובייחוד ננו־צינוריות פחמן רב־דופניות (MWCNTs) וננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWCNTs), מציגות תכונות ייחודיות, ובהן נפח פנימי גדול לכימוס מולקולות תרופה ומשטחים מובחנים לפונקציונליזציה.
 

ייצור סונוכימי של SWCNTs. אבקת סיליקה בתמיסה של תערובת פרוצן וקסילן עברה סוניקציה במשך 20 min. בטמפרטורת החדר ובלחץ הסביבה. סוניקציה מייצרת SWCNTS בטוהר גבוה על פני השטח של אבקת הסיליקה. (Jeong et al. 2004)

ננו־צינוריות פחמן שעברו פונקציונליזציה (f-CNTs) ממלאות תפקיד מכריע בשיפור המסיסות, במתן אפשרות למיקוד יעיל בגידולים ובהימנעות מציטוטוקסיות. שיטות אולטרסוניות מקלות על ייצורן ועל הפונקציונליזציה שלהן, כגון השיטה הסונוכימית לייצור SWCNTs בטוהר גבוה. נוסף על כך, f-CNTs יכולות לשמש כמערכות להולכת חיסונים, באמצעות קישור אנטיגנים לננו־צינוריות פחמן כדי לעורר תגובות נוגדנים ספציפיות.
ננו־חלקיקים קרמיים המופקים מסיליקה, מטיטניה או מאלומינה מציגים פני שטח נקבוביים, ההופכים אותם לנשאי תרופות אידיאליים. סינתזה ושיקוע אולטרסוניים של ננו־חלקיקים, תוך שימוש בסונוכימיה, מספקים גישה מלמטה למעלה להכנת תרכובות בגודל ננומטרי. התהליך משפר את מעבר המסה, וכתוצאה מכך מתקבלים חלקיקים קטנים יותר ואחידות גבוהה יותר

סינתזה ושיקוע אולטרסוניים של ננו־חלקיקים

טיפול אולטרסוני ממלא תפקיד חיוני בפונקציונליזציה של ננו־חלקיקים. השיטה מפרקת ביעילות שכבות גבול סביב חלקיקים, ומאפשרת לקבוצות פונקציונליות חדשות להגיע לפני השטח של החלקיק. לדוגמה, פונקציונליזציה אולטרסונית של ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWCNTs) באמצעות מקטעי PL-PEG מפריעה לקליטה לא־ספציפית בתאים, ובה בעת מעודדת קליטה ספציפית בתאים ליישומים ממוקדים.

כדי לקבל ננו־חלקיקים בעלי מאפיינים ותפקודים מסוימים, יש לשנות את פני השטח של החלקיקים. ניתן לבצע בהצלחה פונקציונליזציה של מערכות ננומטריות שונות, כגון ננו־חלקיקים פולימריים, ליפוזומים, דנדרימרים, ננו־צינוריות פחמן, נקודות קוונטיות ועוד, לשימוש יעיל בתחום הרוקחות.

דוגמה מעשית לפונקציונליזציה אולטרסונית של חלקיקים:

פונקציונליזציה אולטרסונית של SWCNTs באמצעות PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) הראו כי פיזור ננו-צינוריות פחמן חד-דופניות (SWNTs) באמצעות סוניקציה בנוכחות פוספוליפיד-פוליאתילן גליקול (PL-PEG) מפרק את ה-PL-PEG למקטעים, ובכך פוגע ביכולתו לחסום קליטה לא ספציפית על ידי תאים. עם זאת, PL-PEG שלא פורק למקטעים מעודד קליטה תאית ספציפית של SWNTs המכוונות לשתי קבוצות נבדלות של קולטנים המתבטאים בתאי סרטן. טיפול אולטרסוני בנוכחות PL-PEG הוא שיטה נפוצה לפיזור ננו-צינוריות פחמן או לפונקציונליזציה שלהן, ושלמות ה-PEG חשובה לעידוד קליטה תאית ספציפית של ננו-צינוריות שעברו פונקציונליזציה באמצעות ליגנדים. מאחר שפירוק למקטעים הוא תוצאה סבירה של סוניקציה, טכניקה המשמשת בדרך כלל לפיזור SWNTs, הדבר עשוי לעורר חשש ביישומים מסוימים כגון הובלת תרופות.
 

פיזור אולטרסוני של SWCNTs באמצעות PL-PEG ‏(Zeineldin et al., 2009)

יצירת ליפוזומים באמצעות אולטרסאונד

יישום מוצלח נוסף של אולטרסאונד הוא הכנת ליפוזומים וננו-ליפוזומים. למערכות להובלת תרופות וגנים המבוססות על ליפוזומים יש תפקיד משמעותי בטיפולים רבים ומגוונים, וגם בקוסמטיקה ובתזונה. ליפוזומים הם נשאים טובים, שכן ניתן להכניס חומרים פעילים מסיסים במים למרכז המימי של הליפוזומים, או, אם החומר מסיס בשומן, לשכבה הליפידית. ניתן ליצור ליפוזומים באמצעות אולטרסאונד. חומר הבסיס להכנת ליפוזומים הוא מולקולות אמפיליות שמקורן בליפידים של ממברנות ביולוגיות או שהן מבוססות עליהם. ליצירת שלפוחיות חד-למלריות קטנות (SUV), תרחיף הליפידים עובר סוניקציה עדינה – למשל באמצעות המכשיר האולטרסוני הידני UP50H (50W, 30kHz), ה-VialTweeter או סונוטרודת כוס אולטרסונית. טיפול אולטרסוני כזה נמשך כ-5 – 15 דקות. שיטה נוספת לייצור שלפוחיות חד-למלריות קטנות היא סוניקציה של ליפוזומים בצורת שלפוחיות רב-למלריות.
Dinu-Pirvu et al. (2010) מדווחים על קבלת טרנספרוזומים באמצעות סוניקציה של MLVs בטמפרטורת החדר.
Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון מכשירים אולטרסוניים, סונוטרודות ואביזרים כדי לענות על הדרישות של כל סוגי התהליכים.
קראו עוד על תמצית אלוורה המופקת ונכמסת באמצעות אולטרסאונד!

כימוס חומרים בליפוזומים באמצעות אולטרסאונד

ליפוזומים משמשים כנשאים לחומרים פעילים. אולטרסאונד הוא כלי יעיל להכנת ליפוזומים וליצירתם לצורך לכידת חומרים פעילים. לפני הכימוס, הליפוזומים נוטים ליצור צברים עקב האינטראקציה בין המטענים שעל פני השטח של הראשים הקוטביים של הפוספוליפידים (Míckova et al. 2008), ונוסף על כך יש לפתוח אותם. לדוגמה, Zhu et al. (2003) מתארים כימוס של אבקת ביוטין בליפוזומים באמצעות סוניקציה. בעת הוספת אבקת הביוטין לתמיסת תרחיף השלפוחיות, התמיסה עברה סוניקציה במשך כ־1 שעה. לאחר טיפול זה, הביוטין נלכד בליפוזומים.

תחליבים ליפוזומליים

כדי לשפר את ההשפעה המטפחת של קרמי לחות או קרמים נגד הזדקנות, תחליבים, ג'לים ופורמולציות קוסמצבטיות אחרות, מוסיפים חומרים מתחלבים לפיזורים הליפוזומליים כדי לייצב כמויות גדולות יותר של ליפידים. אולם מחקרים הראו כי יכולתם של הליפוזומים מוגבלת בדרך כלל. עם הוספת חומרים מתחלבים, השפעה זו תופיע מוקדם יותר, והחומרים המתחלבים הנוספים מחלישים את הזיקה של פוספטידילכולין למחסום. ננו־חלקיקים – המורכבים מפוספטידילכולין וליפידים – הם המענה לבעיה זו. ננו־חלקיקים אלה נוצרים מטיפת שמן המכוסה בשכבה יחידה של פוספטידילכולין. השימוש בננו־חלקיקים מאפשר ליצור פורמולציות המסוגלות לקלוט יותר ליפידים ולהישאר יציבות, כך שאין צורך בחומרים מתחלבים נוספים.
סוניקציה היא שיטה מוכחת לייצור ננו־תחליבים וננו־פיזורים. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מאוד מספק את ההספק הדרוש לפיזור פאזה נוזלית (הפאזה המפוזרת) בטיפות קטנות בתוך פאזה שנייה (הפאזה הרציפה). באזור הפיזור, בועות קוויטציה הקורסות פנימה גורמות לגלי הלם עזים בנוזל שסביבן ומביאות להיווצרות סילוני נוזל במהירות זרימה גבוהה. כדי לייצב את הטיפות החדשות של הפאזה המפוזרת ולמנוע את התמזגותן, מוסיפים לתחליב חומרים מתחלבים (חומרים פעילי שטח, סורפקטנטים) ומייצבים. מאחר שהתמזגות הטיפות לאחר פירוקן משפיעה על התפלגות גודל הטיפות הסופית, משתמשים בחומרים מתחלבים בעלי יעילות ייצוב גבוהה כדי לשמור על התפלגות גודל הטיפות הסופית ברמה השווה להתפלגות שמתקבלת מיד לאחר פירוק הטיפות באזור הפיזור האולטרסוני.

פיזורים ליפוזומליים

פיזורים ליפוזומליים המבוססים על phosphatidylchlorine בלתי רווי אינם יציבים דיים בפני חמצון. ניתן לייצב את הפיזור באמצעות נוגדי חמצון, כגון קומפלקס של ויטמינים C ו־E.
Ortan et al. (2002) השיגו תוצאות טובות במחקרם על הכנה אולטרסונית של שמן אתרי של Anethum graveolens בליפוזומים. לאחר סוניקציה, ממדי הליפוזומים היו בטווח 70–150 nm, ובמקרה של MLV בטווח 230–475 nm; ערכים אלה נותרו קבועים בקירוב גם לאחר 2 חודשים, אך עלו לאחר 12 חודשים, במיוחד בפיזור SUV (ראו היסטוגרמות להלן). מדידות היציבות, שהתייחסו לאובדן השמן האתרי ולהתפלגות הגדלים, הראו גם כי הפיזורים הליפוזומליים שמרו על תכולת השמן הנדיף. הדבר מצביע על כך שלכידת השמן האתרי בליפוזומים הגבירה את יציבות השמן.
 

יציבות פיזורי MLV ו־SUV לאחר 1 שנה. הפורמולציות הליפוזומליות אוחסנו בטמפרטורה של 4±1 ºC.
(מחקר ותרשים: ©Ortan et al., 2009):

 
לחצו כאן לקריאה נוספת על הכנת ליפוזומים באמצעות אולטרסאונד!

מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים למחקר ולייצור של תרופות

Hielscher Ultrasonics היא הספקית המובילה שלכם למכשירי סוניקציה באיכות גבוהה ובעלי ביצועים גבוהים למחקר ולייצור של תרופות. מכשירים בטווח הספקים של 50 ואט ועד 16,000 ואט מאפשרים למצוא את המעבד האולטרסוני המתאים לכל נפח ולכל תהליך. בזכות הביצועים הגבוהים, האמינות, העמידות וקלות התפעול שלהם, הטיפול האולטרסוני הוא טכניקה חיונית להכנה ולעיבוד של ננו־חומרים. מכשירי הסוניקציה של Hielscher, המצוידים ב־CIP (ניקוי במקום) וב־SIP (עיקור במקום), מבטיחים ייצור בטוח ויעיל בהתאם לתקנים פרמצבטיים. ניתן לבדוק בקלות את כל התהליכים האולטרסוניים הספציפיים בקנה מידה מעבדתי או במערך שולחני. תוצאות הניסויים האלה ניתנות לשחזור מלא, כך שההגדלה העוקבת של קנה המידה היא ליניארית וניתנת לביצוע בקלות, ללא מאמצים נוספים למיטוב התהליך.

מכשירי הסוניקציה של Hielscher: תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי האולטרסאונד של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות הפעלה מאפשרות שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, המדגישה במיוחד מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, הכוללים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של מכשירי האולטרסאונד שלנו:

ספרות/מקורות

• 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.

 

אולטרסאונד הוא טכנולוגיה חדשנית המשמשת בהצלחה לסינתזה סונוכימית, לפירוק אגלומרטים, לפיזור, לתחלוב, לפונקציונליזציה ולשפעול של חלקיקים. במיוחד בננוטכנולוגיה, טיפול אולטרסוני הוא טכניקה חיונית לסינתזה ולעיבוד של חומרים בגודל ננומטרי. בעקבות העניין המדעי יוצא הדופן שעוררה הננוטכנולוגיה, חלקיקים בגודל ננומטרי משמשים בתחומים מדעיים ותעשייתיים רבים במיוחד. גם תעשיית התרופות גילתה את הפוטנציאל הגבוה של חומר גמיש ורבגוני זה. כתוצאה מכך, ננו-חלקיקים משולבים במגוון יישומים פונקציונליים בתעשיית התרופות, ובהם:

• הולכת תרופות (נשא)
• מוצרי אבחון
• אריזות מוצרים
• גילוי סמנים ביולוגיים