Kurkumīna superdaļiņu nogulsnēšana ar ultraskaņu
- Tā kā kurkuma satur tikai 2–9 wt% kurkuminoīdu, medicīniski iedarbīga pulvera iegūšanai nepieciešama efektīva ekstrakcijas vai sintēzes metode.
- Nogulsnēšana ar antišķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā ir ļoti efektīva kurkumīna daļiņu sintēzes metode.
- Nogulsnēšanu ar antišķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā var viegli mērogot, lai ražotu lielus augstas kvalitātes kurkumīna daudzumus.
Kurkumīns
Kurkumīns ir polifenols un ūdenī slikti šķīstoša ārstnieciska viela, kas atrodama augu izcelsmes garšvielā kurkumā (Curcuma longa). Tas satur ļoti spēcīgus antioksidantus un ir pazīstams ar savām pretiekaisuma, pretvēža, pretsēnīšu un pretmikrobu īpašībām. Tieši plašās ķīmijprofilaktiskās un ķīmijterapeitiskās iedarbības dēļ kurkumīnu izmanto kā vēlamo ārstniecisko savienojumu.
Kā spēcīgs antioksidants kurkumīns palielina tādu antioksidantu kā superoksīda dismutāzes (SOD) aktivitāti serumā un saista un neitralizē brīvos radikāļus, piemēram, reaktīvās skābekļa un slāpekļa formas (ROS un RNS). Turklāt tas pastiprina organisma paša antioksidatīvo enzīmu aktivitāti. Ir arī zināms, ka kurkumīns mazina sirds slimības un uzlabo smadzeņu darbību. Šo daudzveidīgo labvēlīgo ārstniecisko īpašību dēļ kurkumīnu plaši izmanto kā garšvielu, uztura bagātinātāju un ārstniecisku vielu.
Nogulsnēšana ar šķidru antišķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā
Nogulsnēšana ar šķidru antišķīdinātāju (LAS) ultraskaņas iedarbībā ir vienkārša un ātra sintēzes metode vienā traukā kurkumīna nanodaļiņu ar ortorombisku virsstruktūru iegūšanai. Nogulsnēšana ar antišķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā ir vienkāršs, ātrs un mērogojams process, kas ļauj nogulsnēt augstas kvalitātes kurkumīnu farmācijas un pārtikas rūpniecībā.
Hipotētiskais kurkumīna superdaļiņu veidošanās mehānisms bez ultraskaņas un tās klātbūtnē, neizmantojot stabilizatorus. Attēls © 2014 Thorat et al.
Nogulsnēšanas ar ultraskaņu protokols:
Lai nogulsnētu kurkumīna daļiņas ar ultraskaņu, kurkumīna organisko šķīdumu etanolā (5 mg/mL) pievieno 100mL ūdens, kas satur virsmaktīvo vielu (0,02 wt% ūdenī), vai ūdenim bez virsmaktīvās vielas. Par reakcijas trauku izmanto stikla trauku ar apvalku, kura tilpums ir aptuveni 500mL, diametrs ir 7cm un L/D attiecība ir 1,7. Maisījuma temperatūru pastāvīgi uztur 1ºC līmenī. Nogulsnēšanai ar ultraskaņu ultraskaņas homogenizatora, piemēram, UP200Ht vai UP200St, kas aprīkots ar S26d14 sonotrodi, sonotrodi iegremdē šķīdinātāja un antišķīdinātāja maisījumā. Maisījumu disperģē, iestatot 100% amplitūdu un apstrādājot ar ultraskaņu 10min.
Apstrādes ar ultraskaņu ilgums ļauj regulēt kurkumīna kristālu polimorfismu. Pagarinot apstrādes ar ultraskaņu ilgumu, palielinās ortorombisko daļiņu procentuālais īpatsvars. Tas norāda, ka ultraskaņas enerģijas palielināšana veicina ortorombiskās formas veidošanos salīdzinājumā ar monoklīno formu neatkarīgi no izmantotās piedevas.
[sk. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultraskaņas procesors aktīvo farmaceitisko vielu (API) nogulsnēšanai
Uzlabota biopieejamība ar iekapsulēšanu ultraskaņas iedarbībā
Tā kā kurkumīns ir lipofila molekula un slikti šķīst ūdenī (= hidrofobs), tam ir zema sistēmiskā biopieejamība. Tādēļ nepieciešams izstrādāt kurkumīna preparātus, kas uzlabo tā biopieejamību. Kurkumīna ūdens šķīdumu pagatavošanai pievieno virsmaktīvās vielas, lipīdus, albumīnus, ciklodekstrīnus, biopolimērus u. c., lai kurkumīna molekulas iekapsulētu vai iekļautu liposomās, nanodaļiņās un citos zāļu nesējos.
Apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīva un uzticama metode, lai izgatavotu tādus zāļu nesējus kā liposomas, ar kodolu un apvalku veidotas nanodaļiņas, biopolimērus un dubultās emulsijas! Tālāk sniegts kurkumīna iekapsulēšanas ar ultraskaņu protokola piemērs.
Kurkumīna iekapsulēšanas ar ultraskaņu protokols:
Ar kurkumīnu pildītas pienskābes un glikolskābes kopolimēra (PLGA) nanodaļiņas
- Vispirms PLGA polimēru izšķīdina etilacetātā. Pievieno kurkumīnu (15% w/w) un ļauj tam izšķīst, periodiski maisot šķīdumu ar virpuļmaisītāju.
- Cietās vielas maisījumu eļļā pievieno PVA ūdens fāzei (w/v), lai izveidotu S-O/W emulsiju. Pēc tam zāļvielas/polimēra šķīdumu PVA maisa virpuļmaisītājā ar ātrumu 8 000 rpm.
- Iegūto šķīdumu aptuveni 300sec apstrādā ar ultraskaņu pie 45% amplitūdas, izmantojot ultraskaņas homogenizatoru, piemēram, UP200Ht vai UP200St (200W, 26kHz). Tūlīt pēc apstrādes ar ultraskaņu emulsiju ielej ūdens fāzē (0,1% PVA ūdenī; 200mL), lai nodrošinātu difūziju, strauji maisot ar magnētisko maisītāju.
- Šo koloidālo suspensiju nepārtraukti maisa ar magnētisko maisītāju, līdz šķīdinātājs ir pilnībā iztvaikojis. Pēc tam nanodaļiņas savāc centrifugējot un 3 reizes mazgā ar destilētu Milli Q ūdeni. Visbeidzot tās atkārtoti suspendē krioprotektantu šķīdumā (saharoze (2 %w/w) un trehaloze (5% w/w)), žāvē liofilizatora sistēmā ATR FD3.0 un var uzglabāt 4°C temperatūrā vismaz 6 mēnešus.
[sal. Ranjan et al. 2012]
Ultraskaņas procesori kurkumīna izgulsnēšanai un preparātu izstrādei
Hielscher Ultrasonics piedāvā augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas nanodaļiņu (piemēram, aktīvo farmaceitisko vielu) sintēzei un augu savienojumu ekstrakcijai. Mūsu produktu klāstā ir modernas laboratorijas, galda un rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas, kas ļauj izstrādāt lietojumus no neliela līdz komerciālam mērogam. Visus laboratorijas un pilotizmēģinājumos iegūtos rezultātus var pilnībā lineāri mērogot līdz komerciālās ražošanas līmenim. Visas sistēmas ir paredzētas darbībai 24/7, ir izturīgas un viegli lietojamas.
UIPxxxxhdT sērijā ietilpst mūsu rūpnieciskās klases ultraskaņas sistēmas, kuras var izmantot darbam uz laboratorijas galda, procesu optimizācijai un rūpnieciskajai ražošanai. Mūsu rūpnieciskās sistēmas ir pieejamas šādos variantos: 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) un 16 000W (UIP16000, pasaulē jaudīgākā ultraskaņas iekārta). Hielscher Ultrasonics rūpnieciskos ultraskaņas procesorus var nepārtraukti darbināt 24/7 ar ļoti lielām amplitūdām līdz pat 200µm. Vēl lielākām amplitūdām Hielscher piedāvā īpaši pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība nodrošina uzticamu darbību visu diennakti pie lielas slodzes un sarežģītos vides apstākļos.
Visām mūsu ultraskaņas sistēmām piedāvājam plašu piederumu klāstu, piemēram, sonotrodes, amplitūdas pastiprinātājus, kā arī dažādu izmēru, formu un ģeometrijas plūsmas šūnas un reaktorus. Ar šiem piederumiem mūsu ultraskaņas procesorus var viegli optimāli pielāgot nepieciešamajiem procesa apstākļiem.
Izgulsnēšanai un sintēzei pēc principa «no apakšas uz augšu» Hielscher piedāvā unikālu plūsmas šūnas ieliktni – MultiPhaseCavitator MPC48. Izmantojot MultiPhaseCavitator, otro fāzi (antišķīdinātāju) caur 48 smalkām kanulām ievada tieši ultraskaņas kavitācijas zonā, kur tā milisekunžu laikā tiek iemaisīta pirmajā fāzē. Rezultātā izgulsnējas viendabīgas nanodaļiņas.
Jaudīga apstrāde ar ultraskaņu no laboratorijas un galda iekārtām līdz rūpnieciskajai ražošanai.
Literatūra un atsauces
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumīns: pārskats par tā ietekmi uz cilvēka veselību. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Ultraskaņas un piedevu izraisītie kurkumīna daļiņu veidošanās ceļi un polimorfisms izgulsnēšanas laikā ar šķidru antišķīdinātāju. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Ar Curcumin C3 kompleksu pildītu nanodaļiņu ražošanas mēroga palielināšana, optimizācija un stabilitātes analīze vēža terapijai. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Noderīga informācija
Kurkumīns
Kurkumīns ir dzeltens ķīmisks savienojums, kas atrodams kurkumā. Kurkuma ir daudzgadīgs lakstaugs ar sakneņiem (Curcuma longa) no ingveraugu dzimtas. Kurkumīns ir polifenols, ko ekstrahē no sakneņiem un plaši izmanto kā garšvielu. Atkarībā no izcelsmes un augsnes apstākļiem audzēšanas vietā kurkuma satur 2%–9% kurkuminoīdu. Kurkumīns ir galvenais kurkumas kurkuminoīds (Curcuma longa, Zingiberaceae). To izmanto kā uztura bagātinātāju, ārstniecisku vielu, pārtikas aromatizējošu un krāsojošu piedevu, kā arī kosmētikas sastāvdaļu.
Attīrītu kurkumīna formu, kas sastāv tikai no šādām trim galvenajām sastāvdaļām – kurkumīna, bisdemetoksikurkumīna un demetoksikurkumīna –, dēvē arī par kurkumīna C3 kompleksu. Tīru kurkumīnu no kurkumīna, bisdemetoksikurkumīna un demetoksikurkumīna C3 maisījuma var atdalīt ar kolonnas hromatogrāfiju.
Attiecībā uz farmakoloģiskajām īpašībām tīram, nemodificētam kurkumīnam ir būtiska problēma: sliktās šķīdības ūdenī un līdz ar to zemās biopieejamības dēļ nemodificēts kurkumīns nevar īstenot savu terapeitisko iedarbību, bet tiek strauji metabolizēts aknās un zarnu sieniņā. Lai pārvarētu kurkumīna zemo uzsūkšanās ātrumu, aktīvās molekulas iekapsulē nanonesējos (piem., liposomās, nanosfērās) vai uznes uz nanokompleksiem (piem., nanodaļiņām, fosfolipīdu kompleksiem, ciklodekstrīniem un cietajām dispersijām). Turklāt kurkumīna biopieejamību var palielināt par aptuveni 2000%, ja tā devu kombinē ar piperīnu, kas ir melno piparu ekstrakts.
Šo faktu dēļ nanoformā sagatavots kurkumīns (nanokurkumīns) ir vēlamā kurkumīna zāļu forma, jo kurkumīns nanoformā pārvar iepriekš minētās zāļu piegādes problēmas. Nanokurkumīns var īstenot savas terapeitiskās īpašības, pateicoties uzlabotai piegādei slimības skartajiem audiem, labākai uzņemšanai šūnās un samazinātai sistēmiskai eliminācijai.
Kurkumīns ir pieejams dažādās ievadīšanas formās, tostarp pulveros, kapsulās, tabletēs, ziedēs, uztura dzērienos un kosmētiskajos krēmos.
Kurkumīna lietojums medicīnā
Kurkumīns ir plaši pētīts saistībā ar tā daudzveidīgajiem lietošanas veidiem medicīnā un uzturā. Pētījumi liecina, ka kurkumīnam ir augsta antioksidatīvā aktivitāte, kas izraisa šūnu apoptozi, kavē šūnu proliferāciju, adhēziju un kustīgumu, kā arī nodrošina antiangiogēnas un antimikrobiālas īpašības. Šīs iedarbības dēļ kurkumīnu izmanto kā zāles dažādu iekaisuma slimību, vēža, neirodeģeneratīvu slimību, sirds un asinsvadu slimību, kā arī diabēta ārstēšanai.
Ar ultraskaņu sagatavotās nanomēroga ievadīšanas formas kurkumīna izmantošanai medicīniskajā terapijā ietver nanodaļiņas, liposomas, micellas, nanoemulsijas, ciklodekstrīnu kompleksus, nanodiskus, nanošķiedras, cietās lipīdu nanodaļiņas un kurkumīna konjugātus. Šīs nanoizmēra zāļu formas pārvar kurkumīna zemo biopieejamību un ļauj mērķtiecīgi un efektīvi piegādāt ļoti iedarbīgas kurkumīna zāles.
Kurkumīna ķīmiskā struktūra
Kurkumīns ir simetriska molekula, kas pazīstama arī kā diferuloilmetāns. Kurkumīna IUPAC nosaukums ir (1E,6E)-1,7-bis(4-hidroksi-3-metoksifenil)-1,6-heptadiēn-3,5-dions, un tā ķīmiskā formula ir C21H20O6. Kurkumīna kristāli var būt dažādās formās, piemēram, monoklīnā (adatveida), ortorombiskā (rīsa graudam līdzīgā) un amorfā formā.