Ultrasone formulering van nanogestructureerde lipidendragers voor geneesmiddelen

Nanogestructureerde lipidendragers (NLC’s) zijn een geavanceerde vorm van geneesmiddelafgiftesystemen op nanoschaal met een lipidenkern en een wateroplosbare schil. NLC’s hebben een hoge stabiliteit, beschermen de actieve biomoleculen tegen afbraak en bieden een langdurige afgifte van geneesmiddelen. Sonicatie is een betrouwbare, efficiënte en eenvoudige techniek om beladen nanogestructureerde lipidendragers te produceren.

Ultrasone bereiding van nanogestructureerde lipidendragers

Nanogestructureerde lipidendragers (NLC’s) bevatten vaste lipiden, vloeibare lipiden en een oppervlakteactieve stof in een waterig medium, waardoor ze goede eigenschappen op het gebied van oplosbaarheid en biologische beschikbaarheid hebben. NLC’s worden veel gebruikt om stabiele geneesmiddeldragersystemen met een hoge biologische beschikbaarheid en een langdurige geneesmiddelafgifte te formuleren. NLC’s hebben een breed toepassingsgebied, van orale tot parenterale toediening, waaronder topische/transdermale, oftalmische (oculaire) en pulmonale toediening.
Ultrasone dispersie en emulgering vormen een betrouwbare en efficiënte techniek om nanogestructureerde lipidendragers te bereiden die met actieve verbindingen zijn beladen. De ultrasone bereiding van NLC’s heeft als groot voordeel dat er geen organisch oplosmiddel, grote hoeveelheden oppervlakteactieve stof of toegevoegde verbindingen nodig zijn. Ultrasone formulering van NLC’s is een relatief eenvoudige methode, waarbij de smeltende lipiden aan de oplossing van de oppervlakteactieve stof worden toegevoegd en vervolgens aan sonicatie worden onderworpen.

Voorbeeldprotocollen voor het ultrasoon beladen van nanogestructureerde lipidendragers

Met dexamethason beladen NLC’s via sonicatie
Een niet-toxisch NLC-systeem voor mogelijk oftalmisch gebruik werd met sonicatie bereid, wat resulteerde in een smalle grootteverdeling, een hoge insluitingsefficiëntie voor dexamethason en een verbeterde penetratie. NLC-systemen werden ultrasoon bereid met een Hielscher UP200S sonicator en met Compritol 888 ATO, Miglyol 812N en Cremophor RH60 als componenten.
De vaste lipiden, vloeibare lipiden en oppervlakteactieve stof werden bij 85ºC gesmolten met een verwarmende magneetroerder. Vervolgens werd dexamethason aan het gesmolten lipidenmengsel toegevoegd en gedispergeerd. Het zuivere water werd tot 85ºC verwarmd en de twee fasen werden aan sonicatie onderworpen (bij 70% amplitude gedurende 10 min) met de Hielscher UP200S ultrasone homogenisator. Het NLC-systeem werd in een ijsbad gekoeld.
De ultrasoon bereide NLC’s vertonen een smalle grootteverdeling, een hoge insluitingsefficiëntie voor DXM en een verbeterde penetratie.
De onderzoekers bevelen het gebruik van een lage concentratie oppervlakteactieve stof en een lage lipidenconcentratie aan (bijv. 2,5% voor de oppervlakteactieve stof en 10% voor de totale hoeveelheid lipiden), omdat dan de kritische stabiliteitsparameters (Z_ave, ZP, PDI) en de beladingscapaciteit voor geneesmiddelen (EE%) geschikt zijn, terwijl de emulgatorconcentratie laag kan blijven.
(vgl. Kiss et al. 2019)

Met retinylpalmitaat beladen NLC’s via sonicatie
Retinoïden zijn veelgebruikte ingrediënten in dermatologische behandelingen van rimpels. Retinol en retinylpalmitaat zijn twee verbindingen uit de retinoïdengroep die de dikte van de epidermis kunnen vergroten en effectief zijn als middel tegen rimpels.
De NLC-formulering werd bereid met sonicatie. De formulering bevatte 7,2% cetylpalmitaat, 4,8% oliezuur, 10% Tween 80, 10% glycerine en 2% retinylpalmitaat. De volgende stappen werden uitgevoerd om met retinylpalmitaat beladen NLC’s te produceren: Het mengsel van gesmolten lipiden wordt bij 60–70°C gemengd met de oppervlakteactieve stof, de co-oppervlakteactieve stof, glycerine en gedeïoniseerd water. Dit mengsel wordt gedurende 5 min bij 9800rpm geroerd met een menger met hoge afschuiving. Nadat de pre-emulsie is gevormd, wordt deze onmiddellijk gedurende 2 min aan sonicatie onderworpen met een ultrasone homogenisator met sonde. Vervolgens werd de verkregen NLC gedurende 24 h bij kamertemperatuur bewaard. De emulsie werd gedurende 24 h bij kamertemperatuur opgeslagen en de grootte van de nanodeeltjes werd gemeten. De NLC-formule vertoonde deeltjesgroottes in het bereik van 200–300nm. De verkregen NLC heeft een lichtgeel uiterlijk, een druppelgrootte van 258±15,85 nm en een polydispersiteitsindex van 0,31±0,09. De onderstaande TEM-afbeelding toont de ultrasoon bereide, met retinylpalmitaat beladen NLC’s.
(vgl. Pamudji et al. 2015)

Met Zingiber zerumbet beladen NLC’s via sonicatie
Nanogestructureerde lipidendragers bestaan uit een mengsel van vaste lipiden, vloeibare lipiden en een oppervlakteactieve stof. Het zijn uitstekende geneesmiddelafgiftesystemen om bioactieve stoffen met een slechte wateroplosbaarheid toe te dienen en hun biologische beschikbaarheid aanzienlijk te verhogen.
De volgende stappen werden uitgevoerd om met Zingiber zerumbet beladen NLC’s te formuleren. 1% vaste lipiden, namelijk glycerylmonostearaat, en 4% vloeibare lipiden, namelijk ongeraffineerde kokosolie, werden gemengd en bij 50°C gesmolten om een homogene, heldere lipidenfase te verkrijgen. Vervolgens werd 1% Zingiber zerumbet-olie aan de lipidenfase toegevoegd, terwijl de temperatuur voortdurend 10°C boven de smelttemperatuur van glycerylmonostearaat werd gehouden. Voor de bereiding van de waterfase werden gedestilleerd water, Tween 80 en sojalecithine in de juiste verhouding gemengd. Het waterige mengsel werd onmiddellijk aan het lipidenmengsel toegevoegd om een pre-emulsiemengsel te vormen. De pre-emulsie werd vervolgens gedurende 1 min bij 11.000 rpm gehomogeniseerd met een homogenisator met hoge afschuiving. Daarna werd de pre-emulsie gedurende 20 min bij 50% amplitude aan sonicatie onderworpen met een sonicator met sonde. Ten slotte werd de NLC-dispersie in een ijswaterbad tot kamertemperatuur (25±1°C) gekoeld om de suspensie in het koude bad snel af te koelen en deeltjesaggregatie te voorkomen. De NLC’s werden bij 4°C opgeslagen.
De met Zingiber zerumbet beladen NLC’s vertonen een grootte in nanometers van 80,47±1,33, een stabiele polydispersiteitsindex van 0,188±2,72 en een zetapotentiaallading van -38,9±2,11. De inkapselingsefficiëntie laat zien dat de lipidendrager Zingiber zerumbet-olie kan inkapselen met een efficiëntie van meer dan 80%.
(vgl. Rosli et al. 2015)

Met Valsaratan beladen NLC’s via sonicatie
Valsaratan is een angiotensine II-receptorblokker die wordt gebruikt in bloeddrukverlagende medicatie. Valsartan heeft vanwege zijn slechte wateroplosbaarheid een lage biologische beschikbaarheid van slechts circa 23%. Met de ultrasone smeltemulgeringsmethode konden met Valsaratan beladen NLC’s met een aanzienlijk verbeterde biologische beschikbaarheid worden bereid.
Eenvoudigweg werd een olieachtige oplossing van Val gemengd met een bepaalde hoeveelheid gesmolten lipidenmateriaal bij een temperatuur van 10°C boven het smeltpunt van de lipiden. Een waterige oplossing van oppervlakteactieve stoffen werd bereid door bepaalde hoeveelheden Tween 80 en natriumdeoxycholaat op te lossen. Deze oplossing werd verder tot dezelfde temperatuur verwarmd en door sonicatie met een sonde gedurende 3 min gemengd met de olieachtige oplossing van lipiden en geneesmiddel om een emulsie te vormen. Vervolgens werd de gevormde emulsie door magnetisch roeren gedurende 10 min in gekoeld water gedispergeerd. De gevormde NLC’s werden door centrifugatie gescheiden. Er werden monsters van het supernatant genomen en met een gevalideerde HPLC-methode op de concentratie van Val geanalyseerd.
De ultrasone smeltemulgeringsmethode heeft een aantal voordelen, waaronder eenvoud, minimaal belastende omstandigheden en de afwezigheid van toxische organische oplosmiddelen. De maximaal bereikte insluitingsefficiëntie bedroeg 75,04%
(vgl. Albekery et al. 2017)

Andere actieve verbindingen, zoals paclitaxel, clotrimazol, domperidon, puerarin en meloxicam, werden met ultrasone technieken eveneens succesvol opgenomen in nanodeeltjes van vaste lipiden en nanogestructureerde lipidendragers. (vgl. Bahari en Hamishehkar 2016)

Sonicatie als bereidingsmethode voor de formulering van lipidendragers op nanoschaal (NLC’s) kan worden gebruikt als techniek voor koude of warme homogenisatie. Ultrasone homogenisatie resulteert in een smalle deeltjesgrootteverdeling, wat de stabiliteit en bewaareigenschappen van de NLC’s verbetert.

Ultrasone koude homogenisatie

Wanneer de techniek van koude homogenisatie wordt gebruikt om nanogestructureerde lipidendragers te bereiden, worden de farmacologisch actieve moleculen, d.w.z. het geneesmiddel, opgelost in de lipidensmelt en vervolgens snel gekoeld met vloeibare stikstof of droogijs. Tijdens het koelen stollen de lipiden. De vaste lipidenmassa wordt vervolgens vermalen tot de grootte van nanodeeltjes. De lipidenanodeeltjes worden gedispergeerd in een koude oplossing van een oppervlakteactieve stof, waardoor een koude voorsuspensie ontstaat. Ten slotte wordt deze suspensie bij kamertemperatuur aan sonicatie onderworpen, vaak met een ultrasone doorstroomcelreactor.
Omdat de stoffen alleen in de eerste stap eenmaal worden verwarmd, wordt ultrasone koude homogenisatie voornamelijk gebruikt om warmtegevoelige geneesmiddelen te formuleren. Aangezien veel bioactieve moleculen en farmaceutische verbindingen gevoelig zijn voor afbraak door warmte, is ultrasone koude homogenisatie een veelgebruikte toepassing. Een ander voordeel van de techniek van koude homogenisatie is het vermijden van een waterfase. Dit maakt het gemakkelijker om hydrofiele moleculen in te kapselen, die anders tijdens warme homogenisatie vanuit de vloeibare lipidenfase naar de waterfase zouden kunnen overgaan.

Ultrasone warme homogenisatie

Wanneer sonicatie wordt gebruikt als techniek voor warme homogenisatie, worden de gesmolten lipiden en de actieve verbinding (d.w.z. het farmacologisch actieve bestanddeel) onder intensief roeren in een warme oppervlakteactieve stof gedispergeerd om een pre-emulsie te verkrijgen. Voor het proces van warme homogenisatie is het belangrijk dat beide oplossingen, de suspensie van lipiden en geneesmiddel en de oppervlakteactieve stof, tot dezelfde temperatuur zijn verwarmd (circa 5–10°C boven het smeltpunt van de vaste lipiden). In de tweede stap wordt de pre-emulsie vervolgens behandeld met sonicatie met hoge prestaties, terwijl de temperatuur wordt gehandhaafd.

Sonicators met hoge prestaties voor nanogestructureerde lipidendragers

De krachtige ultrasone systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt in farmaceutische R&D en productie om hoogwaardige geneesmiddeldragers op nanoschaal te produceren, zoals nanodeeltjes van vaste lipiden (SLN’s), nanogestructureerde lipidendragers (NLC’s), nano-emulsies en nanocapsules. Om aan de eisen van zijn klanten te voldoen, levert Hielscher sonicators die variëren van de compacte, maar krachtige in de hand te houden laboratoriumhomogenisator en tafelmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen voor de productie van grote volumes farmaceutische formuleringen. Er is een breed assortiment ultrasone sonotrodes en reactoren beschikbaar om een optimale opstelling voor uw productie van nanogestructureerde lipidendragers (NLC’s) te waarborgen. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-gebruik onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Om onze klanten in staat te stellen aan Good Manufacturing Practices (GMP) te voldoen en gestandaardiseerde processen op te zetten, zijn alle digitale sonicators uitgerust met intelligente software voor het nauwkeurig instellen van de sonicatieparameter, continue procesbewaking en automatische registratie van alle belangrijke procesparameters op een ingebouwde SD-kaart. Een hoge productkwaliteit hangt af van procesbewaking en voortdurend hoge verwerkingsnormen. De sonicators van Hielscher helpen u om uw proces te bewaken en te standaardiseren!

De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen probleemloos continu worden toegepast bij 24/7-gebruik. Voor nog hogere amplitudes zijn ultrasone sonotrodes op maat beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-gebruik onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators: