Ultrazvučno taloženje superčestica kurkumina
- Budući da kurkuma sadrži samo 2–9 wt% kurkuminoida, za dobivanje medicinski djelotvornog praha potrebna je učinkovita tehnika ekstrakcije ili sinteze.
- Taloženje antiotapalom potpomognuto ultrazvukom vrlo je učinkovita metoda za sintezu čestica kurkumina.
- Ultrazvučno taloženje antiotapalom može se lako povećati na proizvodnju velikih količina visokokvalitetnog kurkumina.
Kurkumin
Kurkumin, polifenol, slabo je topljiv lijek u vodi koji se nalazi u biljnom začinu kurkumi (Curcuma longa). Sadrži vrlo snažne antioksidanse i poznat je po protuupalnim, protutumorskim, protugljivičnim i antimikrobnim svojstvima. Osobito zbog širokog raspona kemopreventivnih i kemoterapijskih djelovanja, kurkumin se upotrebljava kao preferirani ljekoviti spoj.
Kao snažan antioksidans, kurkumin povećava aktivnost antioksidansa u serumu, primjerice superoksid-dismutaze (SOD), te hvata i neutralizira slobodne radikale kao što su reaktivne kisikove i dušikove vrste (ROS i RNS). Nadalje, pojačava aktivnost vlastitih antioksidacijskih enzima u tijelu. Poznato je i da kurkumin suzbija srčane bolesti i poboljšava funkciju mozga. Zbog tih brojnih korisnih ljekovitih svojstava kurkumin se široko upotrebljava kao začin, dodatak prehrani i lijek.
Ultrazvučno taloženje tekućim antiotapalom
Taloženje tekućim antiotapalom (LAS) potpomognuto ultrazvukom jednostavna je i brza tehnika sinteze u jednoj posudi za proizvodnju nanočestica kurkumina s ortorompskom superstrukturom. Ultrazvučno taloženje antiotapalom jednostavan je i brz postupak koji se može skalirati, a omogućuje taloženje visokokvalitetnog kurkumina u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji.
Pretpostavljeni mehanizam nastanka superčestica kurkumina bez ultrazvuka i uz njegovu prisutnost, bez stabilizatora. Slika © 2014 Thorat i sur.
Protokol ultrazvučnog taloženja:
Za ultrazvučno taloženje čestica kurkumina organska otopina kurkumina u etanolu (5 mg/mL) dodaje se u 100mL vode koja sadrži površinski aktivnu tvar (0,02 wt% u vodi) ili je ne sadrži. Kao reakcijska posuda upotrebljava se staklena posuda s plaštem volumena približno 500mL, promjera 7cm i omjera L/D od 1,7. Temperatura smjese stalno se održava na 1ºC. Za postupak ultrazvučnog taloženja sonotroda ultrazvučnog homogenizatora, primjerice uređaja UP200Ht ili UP200St opremljenog sonotrodom S26d14, uranja se u smjesu otapala i antiotapala. Pri postavci amplitude od 100% i sonikaciji u trajanju od 10min. smjesa se dispergira.
Trajanje sonikacije omogućuje upravljanje polimorfizmom kristala kurkumina. Produljenjem trajanja sonikacije povećava se udio ortorompskih čestica. To upućuje na to da povećanje ultrazvučne energije pogoduje nastanku ortorompskog oblika u odnosu na monoklinski oblik, neovisno o upotrijebljenom dodatku.
[usp. Thorat i sur. 2014]
UIP1000hdT – ultrazvučni procesor snage 1kW za taloženje djelatnih farmaceutskih tvari (API)
Poboljšana bioraspoloživost ultrazvučnom enkapsulacijom
Budući da je kurkumin lipofilna molekula i slabo topljiv u vodi (= hidrofoban), ima nisku sistemsku bioraspoloživost. Stoga je potrebno pripremiti formulacije kurkumina koje povećavaju njegovu bioraspoloživost. Za pripremu vodenih otopina kurkumina dodaju se površinski aktivne tvari, lipidi, albumini, ciklodekstrini, biopolimeri itd. kako bi se molekule kurkumina enkapsulirale ili uklopile u liposome, nanočestice i druge nosače lijekova.
Ultrazvučna obrada vrlo je učinkovita i pouzdana tehnika za oblikovanje nosača lijekova kao što su liposomi, nanočestice s jezgrom i ljuskom, biopolimeri i dvostruke emulzije! U nastavku je prikazan primjer protokola za ultrazvučnu enkapsulaciju kurkumina.
Protokol ultrazvučne enkapsulacije kurkumina:
Nanočestice poli(mliječne-ko-glikolne kiseline) (PLGA) napunjene kurkuminom
- Najprije se polimer PLGA otopi u etil-acetatu. Dodaje se kurkumin (15% w/w) i ostavlja da se otopi uz povremeno miješanje otopine na vrtložnoj miješalici.
- Smjesa krute tvari u ulju dodaje se u vodenu fazu PVA (w/v) kako bi se stvorila emulzija S-O/W. Zatim se otopina lijeka/polimera u PVA miješa na vrtložnoj miješalici pri 8.000 rpm.
- Dobivena otopina sonicira se približno 300sec pri amplitudi od 45% ultrazvučnim homogenizatorom kao što je UP200Ht ili UP200St (200W, 26kHz). Odmah nakon sonikacije emulzija se ulijeva u vodenu fazu (0,1% PVA u vodi; 200mL) radi difuzije uz brzo miješanje magnetskom miješalicom.
- Ova koloidna suspenzija neprekidno se miješa magnetskom miješalicom dok otapalo potpuno ne ispari. Zatim se nanočestice prikupljaju centrifugiranjem i ispiru 3 puta destiliranom vodom Milli Q. Na kraju se ponovno suspendiraju u otopini krioprotektanta (saharoza (2 %w/w) i trehaloza (5% w/w)), suše u sustavu za liofilizaciju ATR FD3.0 i mogu se čuvati na 4°C najmanje 6 mjeseci.
[usp. Ranjan i sur. 2012]
Ultrazvučni procesori za taloženje i formuliranje kurkumina
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu nanočestica (npr. djelatnih farmaceutskih tvari) i ekstrakciju biljnih spojeva. Naš asortiman proizvoda obuhvaća sofisticirane laboratorijske, stolne i industrijske ultrazvučne uređaje, što omogućuje razvoj primjena od malog do komercijalnog mjerila. Svi rezultati dobiveni laboratorijskim i pilot-ispitivanjima mogu se potpuno linearno prenijeti na razinu komercijalne proizvodnje. Svi su sustavi izrađeni za rad 24/7, robusni su i jednostavni za uporabu.
Serija UIPxxxxhdT obuhvaća naše ultrazvučne sustave industrijske kvalitete, koji se mogu upotrebljavati za rad na laboratorijskom stolu, optimizaciju procesa i industrijsku proizvodnju. Naši industrijski sustavi dostupni su u izvedbama 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) i 16.000W (UIP16000, najsnažniji ultrazvučni uređaj na svijetu). Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu neprekidno raditi 24/7 pri vrlo visokim amplitudama do 200µm. Za još više amplitude Hielscher nudi prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje pouzdan neprekidan rad pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Za sve naše ultrazvučne sustave nudimo širok raspon dodatne opreme, kao što su sonotrode, pojačivači amplitude, protočne ćelije i reaktori različitih veličina, oblika i geometrija. S tom je opremom naše ultrazvučne procesore lako optimalno prilagoditi potrebnim procesnim uvjetima.
Za taloženje i sintezu pristupom odozdo prema gore Hielscher nudi jedinstveni umetak za protočnu ćeliju – MultiPhaseCavitator MPC48. U uređaju MultiPhaseCavitator druga faza (antiotapalo) ubrizgava se kroz 48 tankih kanila izravno u zonu ultrazvučne kavitacije, gdje se unutar nekoliko milisekundi miješa s prvom fazom. Kao rezultat talože se homogene nanočestice.
Snažna sonikacija od laboratorija i rada na laboratorijskom stolu do industrijske proizvodnje.
Literatura i reference
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumin: pregled njegovih učinaka na ljudsko zdravlje. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Putovi nastanka čestica i polimorfizam kurkumina potaknuti ultrazvukom i aditivima tijekom taloženja tekućim antiotapalom. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102–11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Povećanje mjerila, optimizacija i analiza stabilnosti nanočestica s ugrađenim kompleksom Curcumin C3 za terapiju raka. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Činjenice koje vrijedi znati
Kurkumin
Kurkumin je kemijski spoj žute boje koji se nalazi u kurkumi. Kurkuma je rizomatska zeljasta višegodišnja biljka (Curcuma longa) iz porodice đumbirovki. Kurkumin je polifenol koji se ekstrahira iz podanaka i široko upotrebljava kao začin. Ovisno o podrijetlu i uvjetima tla na kojem se uzgaja, kurkuma sadrži 2%–9% kurkuminoida. Kurkumin je glavni kurkuminoid kurkume (Curcuma longa, Zingiberaceae). Upotrebljava se kao dodatak prehrani, ljekoviti spoj, dodatak za aromatiziranje i bojenje hrane te kao sastojak kozmetičkih proizvoda.
Pročišćeni oblik kurkumina, koji se sastoji samo od sljedećih triju glavnih sastavnica – kurkumina, bisdemetoksikurkumina i demetoksikurkumina – naziva se i kompleksom kurkumina C3. Čisti kurkumin može se odvojiti od smjese C3, koja sadržava kurkumin, bisdemetoksikurkumin i demetoksikurkumin, kromatografijom na koloni.
Što se tiče njegovih farmakoloških svojstava, čisti, nemodificirani kurkumin ima velik problem: zbog slabe topljivosti u vodi, a time i slabe bioraspoloživosti, nemodificirani kurkumin ne može ostvariti svoje terapijske učinke, nego se brzo metabolizira u jetri i crijevnoj stijenci. Kako bi se prevladala niska stopa apsorpcije kurkumina, aktivne se molekule inkapsuliraju u nanonosače (npr. liposome, nanosfere) ili se unose na nanokomplekse (npr. nanočestice, komplekse fosfolipida, ciklodekstrine i čvrste disperzije). Nadalje, bioraspoloživost kurkumina može se povećati za približno 2000% kada se njegova doza kombinira s piperinom, ekstraktom crnog papra.
Zbog tih je činjenica kurkumin formuliran u nanoobliku (nanokurkumin) preferirani dozirni oblik kurkumina jer kurkumin u nanoobliku prevladava prethodno navedene probleme dostave lijeka. Nanokurkumin može ostvariti svoja terapijska svojstva zahvaljujući poboljšanoj dostavi u oboljelo tkivo, boljoj internalizaciji i smanjenoj sistemskoj eliminaciji.
Kurkumin je dostupan u više oblika primjene, uključujući praške, kapsule, tablete, masti, prehrambene napitke i kozmetičke kreme.
Medicinske primjene kurkumina
Kurkumin je opsežno istraživan zbog svojih raznovrsnih oblika primjene u medicini i prehrani. Istraživanja su pokazala da kurkumin ima visoku antioksidacijsku aktivnost koja inducira apoptozu stanica, inhibira proliferaciju, adheziju i pokretljivost stanica te pruža antiangiogena i antimikrobna svojstva. Zbog tih se učinaka kurkumin primjenjuje kao lijek za liječenje raznih upalnih bolesti, karcinoma, neurodegenerativnih bolesti, kardiovaskularnih bolesti te dijabetesa.
Ultrazvučno pripremljeni nanooblici za primjenu kurkumina u medicinskoj terapiji uključuju nanočestice, liposome, micele, nanoemulzije, komplekse ciklodekstrina, nanodiskove, nanovlakna, čvrste lipidne nanočestice i konjugate kurkumina. Ti dozirni oblici nanometarskih dimenzija prevladavaju slabu bioraspoloživost kurkumina i omogućuju ciljanu i učinkovitu dostavu vrlo potentnog lijeka na bazi kurkumina.
Kemijska struktura kurkumina
Kurkumin je simetrična molekula, poznata i kao diferuloilmetan. IUPAC naziv kurkumina je (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, a kemijska formula C21H20O6. Kristali kurkumina mogu se pojaviti u različitim oblicima, kao što su monoklinski (igličasti), ortorompski (nalik zrnu riže) i amorfni oblik.