Ultrazvučno stvaranje liposoma: metodologija i prednosti

Liposomi su sferične vezikule sastavljene od lipidnih dvoslojeva, koje se široko primjenjuju u isporuci lijekova, kozmetici i prehrambenoj industriji zbog svoje biokompatibilnosti i sposobnosti inkapsulacije hidrofilnih i hidrofobnih tvari. Primjena ultrazvuka visokog intenziteta za stvaranje liposoma jedna je od najčešćih tehnika liposomske inkapsulacije. Poznata po svojoj učinkovitosti, skalabilnosti i sposobnosti proizvodnje liposoma kontrolirane veličine uz visoku učinkovitost inkapsulacije, sonikacija nudi brojne dodatne prednosti u usporedbi s alternativnim metodama proizvodnje liposoma. Ovaj članak uvodi vas u metodologiju ultrazvučnog stvaranja liposoma, njezine prednosti i raznolike primjene u dodacima prehrani, farmaceutskim pripravcima, terapijskim pripravcima i funkcionalnoj hrani.

Sonikacija za stvaranje liposoma

Sonikatori sa sondom ključan su alat za proizvodnju liposoma napunjenih aktivnim sastojcima. Ovdje vam predstavljamo kako se liposomi stvaraju i pune metodom potpomognutom ultrazvukom.

1. Priprema otopine lipida:
   Postupak započinje pripremom otopine lipida. Među uobičajeno korištenim lipidima su fosfatidilkolin, kolesterol i drugi fosfolipidi. Ti se lipidi otapaju u organskom otapalu poput kloroforma ili etanola.
2. Stvaranje lipidnog filma:
   Otopina lipida zatim se uparava pod sniženim tlakom (vakuumom) pomoću rotacijskog isparivača kako bi se na stijenkama tikvice s okruglim dnom stvorio tanak lipidni film. Ovaj korak osigurava uklanjanje organskih otapala, pri čemu zaostaje suhi lipidni film.
3. Hidratacija lipidnog filma:
   Osušeni lipidni film hidratizira se vodenom otopinom koja može sadržavati aktivnu tvar koju treba inkapsulirati. Ovaj korak dovodi do stvaranja multilamelarnih vezikula (MLVs). Postupak hidratacije obično uključuje vrtložno miješanje ili blago miješanje pri temperaturi iznad temperature faznog prijelaza lipida.
4. Sonikacija:
   Multilamelarne vezikule zatim se izlažu ultrazvuku pomoću sonikatora sa sondom. Ultrazvučni valovi izazivaju kavitaciju, stvarajući mikromjehuriće koji kolabiraju i stvaraju smične sile. Ovaj proces uzrokuje sonoporaciju, čime se liposomi učinkovito pune, što rezultira visokom učinkovitošću uklapanja (EE%). Povećana propusnost uslijed sonoporacije olakšava difuziju tvari koje se inkapsuliraju u liposome. Nakon prestanka sonikacije lipidni se dvoslojevi brzo ponovno sastavljaju, zadržavajući inkapsulirane tvari u unutrašnjosti.
   Osim toga, sonikacija razgrađuje multilamelarne vezikule na manje unilamelarne vezikule (ULVs) ili male unilamelarne vezikule (SUVs), čije su veličine obično u rasponu od 20 do 200 nm. Parametri poput vremena sonikacije, snage i temperature optimiraju se kako bi se postigla željena veličina liposoma i učinkovitost inkapsulacije.
5. Pročišćavanje i karakterizacija:
   Nakon sonikacije suspenzija liposoma često se filtrira ili centrifugira kako bi se uklonio neinkapsulirani materijal i veće vezikule. Dobiveni liposomi karakteriziraju se tehnikama poput dinamičkog raspršenja svjetlosti (DLS) za raspodjelu veličina, analize zeta-potencijala za površinski naboj i transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) za morfologiju.

Nakon stvaranja lipidnog filma i njegove naknadne rehidratacije, sonikacija se primjenjuje kako bi se potaknulo uklapanje aktivnih sastojaka u liposom. Osim toga, sonikacijom se postiže željena veličina liposoma.

Znanstveno dokazano

Sonikatori sa sondom brzo su prihvaćeni kao pouzdana tehnika za pripremu liposoma te se danas široko primjenjuju u proizvodnji liposoma za istraživanja i komercijalnu proizvodnju. Učinkovitost i pouzdanost ultrazvučnog stvaranja liposoma i punjenja liposoma aktivnim sastojcima dokazane su u istraživanjima brojnih formulacija. U nastavku su dva kratka pregleda liposomske enkapsulacije primjenom sonikacije sondom.
 
Hadian i sur. (2014) istraživali su učinkovitost sonikacije pri enkapsulaciji omega-3 masnih kiselina iz ribljeg ulja (DHA i EPA) u liposome. Kako bi procijenili učinkovitost i kvalitetu uklapanja, usporedili su ultrazvučnu metodu pripreme liposoma s ekstruzijom liposoma. Koristeći Hielscher sonikator sa sondom UP200S, istraživači su utvrdili da sonikacija sondom „prethodno oblikovanih liposoma olakšava značajno unošenje DHA i EPA u nanoliposomsku membranu. Tehnika sonikacije sondom nadmašila je druge metode.” Liposomi pripremljeni sonikacijom sondom bili su sferičnog oblika i zadržali su visok strukturni integritet.
 
Paini i sur. (2015) razvili su jednostavnu, ali vrlo učinkovitu metodu primjene sonikacije za pripremu liposoma napunjenih apigeninom uz lecitin uljane repice prehrambene kvalitete u vodenom mediju, bez upotrebe ikakvog organskog otapala. Upotrebom sonikatora sa sondom snage 400 vata, modela UP400S (Hielscher Ultrasonics), postignuta je učinkovitost enkapsulacije veća od 92%. Veličina liposoma može se precizno kontrolirati podešavanjem amplitude sonikacije i vremena obrade. Analiza je pokazala da su liposomske strukture s apigeninom imale visok zeta-potencijal, dobar indeks polidisperznosti te da su ostale stabilne nakon procesa enkapsulacije.

Prednosti ultrazvučne liposomske enkapsulacije

Tehnike pripreme liposoma znatno se razlikuju, a svaka ima svoje prednosti i ograničenja. Ultrazvučna priprema liposoma ističe se iz više razloga jer pruža vrlo visoku učinkovitost uklapanja (EE%), izvrsnu kontrolu nad veličinom liposoma, pouzdanost u postizanju ponovljivih rezultata te mogućnost linearnog povećanja opsega obrade na veće volumene.

1. Povećana učinkovitost enkapsulacije:
   Ultrazvučna obrada pruža visoku učinkovitost enkapsulacije i hidrofilnih i hidrofobnih spojeva. Intenzivne smične sile i kavitacija olakšavaju ravnomjernu raspodjelu tvari koja se enkapsulira unutar liposomskog dvosloja ili vodene jezgre.
2. Kontrolirana raspodjela veličina:
   Mogućnost precizne kontrole parametara sonikacije omogućuje proizvodnju liposoma s uskim raspodjelama veličina, što je ključno za ujednačenu isporuku lijekova i bioraspoloživost.
3. Povećanje opsega proizvodnje i ponovljivost:
   Opseg ultrazvučnog stvaranja liposoma može se znatno povećavati, što ga čini prikladnim za proizvodnju i u laboratorijskim i u industrijskim razmjerima. Ponovljivost procesa osigurava ujednačenu kvalitetu među serijama.
4. Minimalna upotreba organskih otapala:
   U usporedbi s drugim metodama pripreme liposoma, ultrazvučna obrada zahtijeva znatno manje organskih otapala, čime se smanjuju potencijalna toksičnost i utjecaj na okoliš.
5. Svestranost:
   Ova je tehnika svestrana i omogućuje upotrebu širokog raspona lipida i tvari za enkapsulaciju, čime se proširuje njezina primjenjivost u različitim industrijama.

Primjene u dodacima prehrani, farmaceutskim proizvodima, terapijskim pripravcima i funkcionalnoj hrani

Hielscher sonikatori upotrebljavaju se u istraživanjima i komercijalnoj proizvodnji za proizvodnju liposoma prehrambene i farmaceutske kvalitete. Ultrazvučno proizvedeni liposomi pružaju visoku bioraspoloživost, mogu nositi velike količine aktivnih sastojaka te imaju visoku učinkovitost enkapsulacije (EE%) i stabilnost. Osim toga, sonikacija dovodi do ujednačene raspodjele veličina. Budući da ispunjavaju sve navedene kriterije kvalitete, ultrazvučno formulirani liposomi idealni su nosači za aktivne farmaceutske sastojke (API) i fitokemikalije u lijekovima, terapijskim pripravcima, dodacima prehrani, funkcionalnoj hrani pa čak i kozmetici.

1. Dodaci prehrani:
   Ultrazvučna liposomalna enkapsulacija primjenjuje se za povećanje bioraspoloživosti dodataka prehrani i nutraceutika. Vitamini, minerali i biljni ekstrakti enkapsulirani u liposome pokazuju poboljšanu apsorpciju i stabilnost, što dovodi do bolje učinkovitosti. Primjerice, liposomalni dodaci prehrani s vitaminom C i kurkuminom popularni su zbog svojih poboljšanih terapijskih učinaka.
2. Farmaceutski proizvodi:
   U farmaceutskoj industriji liposomi služe kao nosači za dostavu lijekova, poboljšavajući njihovu topljivost, stabilnost i ciljano djelovanje. Ultrazvučno pripremljene liposomalne formulacije primjenjuju se za dostavu kemoterapeutika, antibiotika i cjepiva. Liposomalni doksorubicin, primjerice, smanjuje kardiotoksičnost povezanu s konvencionalnom terapijom doksorubicinom.
3. Terapijski pripravci:
   Liposomalna enkapsulacija poboljšava terapijske pripravke omogućujući kontrolirano oslobađanje i ciljanu dostavu. Liposomi mogu prijeći biološke barijere, poput krvno-moždane barijere, omogućujući dostavu lijekova u određena tkiva ili stanice. Ultrazvučno proizvedeni nanoliposomi imaju vrlo visoku bioraspoloživost jer im nanometarska veličina omogućuje ulazak u ciljana tkiva i stanice. To je osobito korisno u liječenju neuroloških poremećaja i raka.
4. Funkcionalna hrana:
   U industriji funkcionalne hrane liposomi poboljšavaju dostavu bioaktivnih spojeva, poput omega-3 masnih kiselina, probiotika i antioksidansa. Te enkapsulirane bioaktivne tvari pokazuju poboljšanu stabilnost i bioraspoloživost, čime pridonose boljim zdravstvenim ishodima. Primjerice, ultrazvučno potpomognuta liposomalna enkapsulacija polifenola u napitcima pomaže očuvati njihova antioksidacijska svojstva.
5. Kozmetika:
   Kozmetičke formulacije, koje se nazivaju i kozmeceuticima, imaju koristi od tehnike liposomalne enkapsulacije jer liposomi povećavaju učinkovitost enkapsulacije tvari protiv starenja, poput antioksidansa, pružajući bolju zaštitu od oksidacijskog stresa. Dvoslojna struktura štiti osjetljive spojeve od okolišnih čimbenika, poput UV zračenja i onečišćenja, koji mogu razgraditi antioksidanse. Poboljšana sposobnost enkapsulacije sonikacijom obrađenih liposoma omogućuje stabilnu ugradnju hlapljivih i osjetljivih spojeva koje je inače teško učinkovito dostaviti.

Ultrazvučno stvaranje liposoma robusna je i svestrana tehnika sa značajnim prednostima u pogledu učinkovitosti enkapsulacije, kontrole veličine, skalabilnosti i okolišne održivosti. Njezina primjena obuhvaća različite industrije, od povećanja bioraspoloživosti dodataka prehrani do poboljšanja dostave i učinkovitosti farmaceutskih proizvoda i terapijskih pripravaka. S napretkom istraživanja i tehnologije nastavlja se širiti potencijal ultrazvučne liposomalne enkapsulacije za inovacije i poboljšanja formulacija proizvoda, obećavajući uzbudljiv razvoj u područjima zdravlja, medicine, prehrane i kozmetike.

Nanonosači formulirani sonikacijom

Osim za liposome, sonikacija se uspješno primjenjuje i za formuliranje i punjenje raznih drugih oblika nanonosača, poput čvrstih lipidnih nanočestica, nanostrukturiranih lipidnih nosača i nanoemulzija. Sonikatori Hielscher potiču učinkovito stvaranje tih nanonosača i njihovo punjenje bioaktivnim sastojcima. Poznati po svojoj najsuvremenijoj tehnologiji, sonikatori Hielscher upotrebljavaju se diljem svijeta u prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj proizvodnji.