クルクミン超粒子の超音波析出
- ウコンに含まれるクルクミノイドはわずか2–9 wt%であるため、医学的に高い効力を持つ粉末を得るには、効率的な抽出または合成技術が必要です。
- 超音波支援貧溶媒析出は、クルクミン粒子を合成するための非常に効率的な方法です。
- 超音波貧溶媒析出は、高品質なクルクミンの大量生産へ容易にスケールアップできます。
クルクミン
ポリフェノールであるクルクミンは、植物由来の香辛料であるウコン（Curcuma longa）に含まれる、水に溶けにくい薬物です。非常に強力な抗酸化物質を含み、抗炎症、抗がん、抗真菌、抗微生物作用で知られています。特に、幅広い化学予防作用および化学療法作用を持つことから、クルクミンは優先的に選ばれる薬物化合物として使用されています。
強力な抗酸化物質であるクルクミンは、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）などの抗酸化物質の血清中活性を高め、活性酸素種および活性窒素種（ROSおよびRNS）などのフリーラジカルを捕捉して中和します。さらに、体内の抗酸化酵素の活性を高めます。クルクミンは、心疾患を減らし、脳機能を改善することでも知られています。こうした多様な有益な薬効により、クルクミンは香辛料、サプリメント、医薬品として広く使用されています。
超音波液体貧溶媒析出
超音波支援液体貧溶媒（LAS）析出は、斜方晶系の超構造を持つクルクミンナノ粒子を製造するための、簡便で迅速なワンポット合成技術です。超音波貧溶媒析出は、簡便かつ迅速でスケールアップ可能なプロセスであり、製薬産業および食品産業において高品質なクルクミンの析出を可能にします。
安定化剤を使用せず、超音波の有無によってクルクミン超粒子が形成される機構についての仮説。画像 © 2014 Thorat et al.
超音波析出のプロトコル：
クルクミン粒子の超音波析出では、クルクミンをエタノールに溶解した有機溶液（5 mg/mL）を、界面活性剤を含む、または含まない100mLの水（含む場合の水中濃度は0.02 wt%）に添加します。反応容器には、容量約500mL、直径7cm、L/D比1.7のジャケット付きガラス容器を使用します。混合物の温度は常に1ºCに維持します。超音波析出プロセスでは、 UP200Ht または UP200St などの超音波ホモジナイザーに取り付けたS26d14ソノトロードを、溶媒と貧溶媒の混合物に浸します。振幅設定100%で10min.の超音波処理を行うと、混合物が分散します。
超音波処理時間によって、クルクミン結晶の多形を制御できます。超音波処理時間を延長すると、斜方晶系粒子の割合が増加します。これは、使用する添加剤にかかわらず、超音波エネルギーの増加が、単斜晶系よりも斜方晶系の形成を促進することを示しています。
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – API析出用の1kW超音波プロセッサー
超音波カプセル化によるバイオアベイラビリティの向上
クルクミンは脂溶性分子であり、水に溶けにくい（＝疎水性）ため、全身でのバイオアベイラビリティが低くなります。そのため、バイオアベイラビリティを高めるクルクミン製剤を調製する必要があります。クルクミンの水溶液を調製する際には、リポソーム、ナノ粒子、その他の薬物キャリアにクルクミン分子を封入または担持させるため、界面活性剤、脂質、アルブミン、シクロデキストリン、生体高分子などを添加します。
超音波処理は、 リポソーム、コアシェル型 ナノ粒子、生体高分子、 二重エマルションなどの薬物キャリアを調製するための、非常に効率的で信頼性の高い技術です！以下に、クルクミンの超音波カプセル化のプロトコル例を示します。
クルクミンの超音波カプセル化プロトコル：
クルクミンを担持した乳酸・グリコール酸共重合体（PLGA）ナノ粒子
- まず、PLGAポリマーを酢酸エチルに溶解します。クルクミン（15% w/w）を添加し、溶液を間欠的にボルテックス撹拌しながら溶解させます。
- 油中に固体を含む混合物をPVA（w/v）の水相に添加し、S-O/Wエマルションを形成します。次に、PVA中の薬物／ポリマー溶液を8,000 rpmでボルテックス撹拌します。
- 得られた溶液を約300sec、振幅45%で超音波処理するために、 UP200Ht または UP200St （200W、26kHz）などの超音波ホモジナイザーを使用します。超音波処理直後に、マグネチックスターラーで高速撹拌しながら、拡散のためにエマルションを水相（水中0.1% PVA；200mL）に注ぎます。
- 溶媒の蒸発が完了するまで、このコロイド懸濁液をマグネチックスターラーで連続的に撹拌します。次に、遠心分離でナノ粒子を回収し、蒸留Milli Q水で3回洗浄します。最後に、凍結保護剤溶液（スクロース（2 %w/w）およびトレハロース（5% w/w））に再懸濁し、凍結乾燥装置ATR FD3.0システムで乾燥させます。4°Cで少なくとも6か月間保存できます。
[cf. Ranjan et al. 2012]
クルクミンの析出および製剤化用超音波プロセッサー
Hielscher Ultrasonicsは、ナノ粒子（例：API）の合成および植物由来化合物の抽出用に、高性能な超音波装置を提供しています。当社の製品群には、高度な実験室用、卓上用、産業用超音波装置が含まれ、小規模から商業規模までの用途開発が可能です。実験室試験およびパイロット試験で得られたすべての結果は、商業生産レベルまで完全に線形にスケールアップできます。すべてのシステムは24/7運転向けに設計され、堅牢で使いやすい構造です。
UIPxxxxhdTシリーズには、卓上用途、プロセス最適化、産業生産に使用できる産業グレードの超音波システムが含まれます。当社の産業用システムには、 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10,000W (UIP10000) および 16,000W（UIP16000、世界で最も強力な超音波装置）があります。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、最大200µmという非常に高い振幅で24/7連続運転できます。さらに高い振幅に対応するため、Hielscherはカスタマイズした超音波ソノトロードを提供しています。Hielscherの超音波装置の堅牢性により、高負荷かつ厳しい環境でも信頼性の高い終日運転が可能です。
当社のすべての超音波システム向けに、ソノトロード、ブースターホーン、さまざまなサイズ、形状、幾何形状のフローセルや反応器など、幅広い付属品を提供しています。これらを使用することで、当社の超音波プロセッサーを必要なプロセス条件に最適に適合させることが容易になります。
析出およびボトムアップ合成向けに、Hielscherは独自のフローセルインサートである MultiphaseCavitator MPC48を提供しています。MultiphaseCavitatorでは、第二相（貧溶媒）を48本の細いカニューレを通して超音波キャビテーション領域に直接注入し、そこでミリ秒以内に第一相と混合します。その結果、均一なナノ粒子が析出します。
実験室や卓上用途から産業生産まで対応する強力な超音波処理。
文献・参考資料
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): クルクミン：ヒトの健康への影響に関するレビュー。Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): 液体貧溶媒析出中に超音波および添加剤によって誘起されるクルクミンの粒子形成経路と多形。CrystEngComm, 2014, 16, 11,102–11,114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): がん治療用クルクミンC3複合体担持ナノ粒子のスケールアップ、最適化および安定性解析。 Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
知っておきたい基礎知識
クルクミン
クルクミンは、ウコンに含まれる黄色の化合物です。ウコンは、根茎を持つショウガ科の多年生草本植物（Curcuma longa）です。クルクミンは根茎から抽出されるポリフェノールで、香辛料として広く使用されています。産地や栽培地の土壌条件に応じて、ウコンには2%–9%のクルクミノイドが含まれます。クルクミンはウコン（Curcuma longa, Zingiberaceae）の主要なクルクミノイドです。サプリメント、薬用化合物、食品の香味・着色添加物、化粧品成分として使用されています。
次の三つの主要成分のみからなる精製クルクミン – クルクミン、ビスデメトキシクルクミン、デメトキシクルクミン – は、クルクミンC3複合体とも呼ばれます。純粋なクルクミンは、クルクミン、ビスデメトキシクルクミン、デメトキシクルクミンからなるC3混合物から、カラムクロマトグラフィーによって分離できます。
薬理学的特性に関して、純粋で未修飾のクルクミンには大きな問題があります。水溶性が低く、そのためバイオアベイラビリティも低いことから、未修飾のクルクミンは治療効果を発揮できず、肝臓および腸壁で速やかに代謝されます。クルクミンの低い吸収率を克服するため、有効成分の分子をナノキャリア（例： リポソーム、ナノスフェア）に封入するか、ナノ複合体（例： ナノ粒子、リン脂質の複合体、シクロデキストリン、固体分散体）に担持させます。さらに、黒コショウ抽出物であるピペリンとともにクルクミンを投与すると、クルクミンのバイオアベイラビリティを約2000%高めることができます。
これらの事実から、ナノ製剤化したクルクミン（ナノクルクミン）は、前述の薬物送達の問題を克服するため、クルクミンの剤形として優先的に選ばれます。ナノクルクミンは、病変組織への送達の改善、細胞内への取り込みの向上、全身からの消失の低減により、治療効果を発揮できます。
クルクミンには、粉末、カプセル、錠剤、軟膏、栄養飲料、化粧クリームなど、さまざまな投与・使用形態があります。
クルクミンの医療用途
クルクミンは、医療および栄養分野における多様な使用形態について広く研究されています。研究により、クルクミンには高い抗酸化活性があり、細胞のアポトーシスを誘導し、細胞の増殖、接着および運動性を抑制するとともに、抗血管新生作用および抗微生物作用を持つことが示されています。これらの作用により、クルクミンは、さまざまな炎症性疾患、がん、神経変性疾患、心血管疾患、糖尿病を治療する医薬品として使用されています。
超音波で調製したクルクミンの治療用ナノ投与形態 には、ナノ粒子、リポソーム、ミセル、ナノエマルション、シクロデキストリン複合体、ナノディスク、ナノファイバー、固体脂質ナノ粒子、クルクミン結合体が含まれます。これらのナノサイズの剤形は、クルクミンの低いバイオアベイラビリティを克服し、高い効力を持つクルクミン薬物を標的部位へ効果的に送達することを可能にします。
クルクミンの化学構造
クルクミンは対称的な分子であり、ジフェルロイルメタンとも呼ばれます。クルクミンのIUPAC名は(1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dioneで、化学式はC21H20O6です。クルクミン結晶は、単斜晶系（針状）、斜方晶系（米粒状）、非晶質など、さまざまな形態をとることがあります。