Ultrasone precipitatie van curcuminesuperdeeltjes
- Omdat kurkuma slechts 2–9 wt% curcuminoïden bevat, is een efficiënte extractie- of synthesetechniek noodzakelijk om een medicinaal krachtig poeder te verkrijgen.
- Ultrasoon ondersteunde antisolventprecipitatie is een zeer efficiënte methode om curcuminedeeltjes te synthetiseren.
- De ultrasone antisolventprecipitatie kan eenvoudig worden opgeschaald voor de productie van grote hoeveelheden hoogwaardige curcumine.
Curcumine
Curcumine, een polyfenol, is een slecht in water oplosbare geneesmiddelstof die voorkomt in de kruidige specerij kurkuma (Curcuma longa). Het bevat zeer krachtige antioxidanten en staat bekend om zijn ontstekingsremmende, kankerbestrijdende, schimmelwerende en antimicrobiële eigenschappen. Vooral vanwege het brede scala aan chemopreventieve en chemotherapeutische activiteiten wordt curcumine gebruikt als een geneesmiddelstof die de voorkeur geniet.
Als krachtige antioxidant verhoogt curcumine de serumactiviteit van antioxidanten zoals superoxidedismutase (SOD) en vangt en neutraliseert het vrije radicalen zoals reactieve zuurstof- en stikstofsoorten (ROS en RNS). Bovendien versterkt het de activiteit van de lichaamseigen antioxidatieve enzymen. Curcumine staat er ook om bekend hartaandoeningen te verminderen en de hersenfunctie te verbeteren. Vanwege deze talrijke gunstige medicinale eigenschappen wordt curcumine veelvuldig gebruikt als specerij, supplement en geneesmiddel.
Ultrasone precipitatie met een vloeibaar antisolvent
Ultrasoon ondersteunde precipitatie met een vloeibaar antisolvent (LAS) is een eenvoudige en snelle eenpotsynthesetechniek om curcuminenanodeeltjes met een orthorombische superstructuur te produceren. Ultrasone antisolventprecipitatie is een eenvoudig, snel en schaalbaar proces dat de precipitatie van hoogwaardige curcumine in de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie mogelijk maakt.
Verondersteld mechanisme voor de vorming van curcuminesuperdeeltjes bij afwezigheid en aanwezigheid van ultrageluid, zonder stabilisatoren. Afbeelding © 2014 Thorat et al.
Protocol voor ultrasone precipitatie:
Voor de ultrasone precipitatie van curcuminedeeltjes wordt een organische oplossing van curcumine in ethanol (5 mg/mL) toegevoegd aan 100mL water met een oppervlakteactieve stof (0,02 wt% in water) of zonder oppervlakteactieve stof. Als reactievat wordt een glazen vat met mantel gebruikt, met een volume van ca. 500mL, een diameter van 7cm en een L/D-verhouding van 1,7. De temperatuur van het mengsel wordt voortdurend op 1ºC gehouden. Voor het ultrasone precipitatieproces wordt de sonotrode van een ultrasone homogenisator zoals de UP200Ht of UP200St die is uitgerust met een S26d14-sonotrode, ondergedompeld in het mengsel van oplosmiddel en antisolvent. Bij een amplitude-instelling van 100% en 10min. sonicatie wordt het mengsel gedispergeerd.
De sonicatieduur maakt het mogelijk het polymorfisme van curcuminekristallen te beïnvloeden. Wanneer de sonicatieduur wordt verlengd, neemt het percentage orthorombische deeltjes toe. Dit wijst erop dat een toename van de ultrasone energie de vorming van de orthorombische vorm bevordert ten opzichte van de monokliene vorm, ongeacht het gebruikte additief.
[vgl. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – ultrasone processor van 1kW voor API-precipitatie
Verbeterde biologische beschikbaarheid door ultrasone inkapseling
Omdat curcumine een lipofiel molecuul is en slecht oplosbaar is in water (= hydrofoob), heeft het een lage systemische biologische beschikbaarheid. Daarom is het noodzakelijk curcumineformuleringen te bereiden die de biologische beschikbaarheid verhogen. Voor de bereiding van waterige curcumineoplossingen worden oppervlakteactieve stoffen, lipiden, albuminen, cyclodextrinen, biopolymeren enz. toegevoegd om de curcuminemoleculen in liposomen, nanodeeltjes en andere geneesmiddeldragers in te kapselen of deze dragers ermee te beladen.
Ultrasone behandeling is een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om geneesmiddeldragers te formuleren, zoals liposomen, met een kern-schilstructuur uitgevoerde nanodeeltjes, biopolymeren en dubbele emulsies! Hieronder vindt u een voorbeeldprotocol voor de ultrasone inkapseling van curcumine.
Protocol voor ultrasone inkapseling van curcumine:
Met curcumine beladen nanodeeltjes van poly(melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA)
- Eerst wordt het PLGA-polymeer opgelost in ethylacetaat. Curcumine (15% w/w) wordt toegevoegd en krijgt de gelegenheid op te lossen, terwijl de oplossing met tussenpozen wordt gemengd met een vortexmixer.
- Het mengsel van vaste stof in olie wordt toegevoegd aan een waterige fase van PVA (w/v) om een S-O/W-emulsie te vormen. Vervolgens wordt de oplossing van het geneesmiddel/polymeer in PVA met een vortexmixer gemengd bij 8.000 rpm.
- De resulterende oplossing wordt gedurende ca. 300sec gesoniceerd bij een amplitude van 45% met een ultrasone homogenisator zoals UP200Ht of UP200St (200W, 26kHz). Onmiddellijk na de sonicatie wordt de emulsie voor diffusie in de waterige fase (0,1% PVA in water; 200mL) gegoten, terwijl snel wordt geroerd met een magneetroerder.
- Deze colloïdale suspensie wordt voortdurend met een magneetroerder geroerd totdat de verdamping van het oplosmiddel is voltooid. Vervolgens worden de nanodeeltjes verzameld door centrifugatie en 3 keer gewassen met gedestilleerd Milli Q-water. Ten slotte worden ze opnieuw gesuspendeerd in een cryoprotectieve oplossing (sacharose (2 %w/w) en trehalose (5% w/w)), gedroogd met een ATR FD3.0-vriesdroogsysteem en kunnen ze bij 4°C gedurende ten minste 6 maanden worden bewaard.
[vgl. Ranjan et al. 2012]
Ultrasone processoren voor precipitatie en formulering van curcumine
Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de synthese van nanodeeltjes (bijv. APIs) en de extractie van plantaardige verbindingen. Ons productassortiment omvat geavanceerde sonicatoren voor laboratoria, tafelopstellingen en de industrie, waarmee toepassingen van kleine tot commerciële schaal kunnen worden ontwikkeld. Alle resultaten die bij laboratorium- en pilotproeven worden verkregen, kunnen volledig lineair worden opgeschaald naar commerciële productie. Alle systemen zijn gebouwd voor 24/7-bedrijf, zijn robuust en zijn eenvoudig te gebruiken.
De serie UIPxxxxhdT omvat onze ultrasone systemen van industriële kwaliteit, die kunnen worden gebruikt voor tafelopstellingen, procesoptimalisatie en industriële productie. Onze industriële systemen zijn verkrijgbaar als 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) en 16.000W (UIP16000, de krachtigste sonicator ter wereld). De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen continu 24/7 worden gebruikt bij zeer hoge amplitudes tot 200µm. Voor nog hogere amplitudes biedt Hielscher op maat gemaakte ultrasone sonotrodes. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt een betrouwbare werking gedurende dag en nacht mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
Voor al onze ultrasone systemen bieden wij een breed scala aan accessoires, zoals sonotrodes, boosterhoorns, doorstroomcellen en reactoren in verschillende maten, vormen en geometrieën. Met deze hulpmiddelen kunnen onze ultrasone processoren eenvoudig optimaal worden aangepast aan de vereiste procesomstandigheden.
Voor precipitatie en bottom-upsynthese biedt Hielscher een uniek inzetstuk voor de doorstroomcel – de MultiPhaseCavitator MPC48. Met de MultiPhaseCavitator wordt de tweede fase (antisolvent) via 48 fijne canules rechtstreeks in de ultrasone cavitatiezone geïnjecteerd, waar deze binnen milliseconden met de eerste fase wordt gemengd. Als gevolg hiervan worden homogene nanodeeltjes geprecipiteerd.
Krachtige sonicatie, van laboratorium en tafelopstelling tot industriële productie.
Literatuur/referenties
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumine: A Review of Its’ Effects on Human Health. Voedingsmiddelen. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Particle formation pathways and polymorphism of curcumin induced by ultrasound and additives during liquid antisolvent precipitation. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102-11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Schaalvergroting, optimalisatie en stabiliteitsanalyse van Curcumine C3 complex-geladen nanodeeltjes voor kankertherapie. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Wetenswaardigheden
Curcumine
Curcumine is een geelgekleurde chemische verbinding die voorkomt in kurkuma. Kurkuma is een kruidachtige vaste plant met wortelstokken (Curcuma longa) uit de gemberfamilie. Curcumine is een polyfenol dat uit de wortelstokken wordt geëxtraheerd en veelvuldig als specerij wordt gebruikt. Afhankelijk van de herkomst en de bodemomstandigheden waarin de plant wordt geteeld, bevat kurkuma 2%–9% curcuminoïden. Curcumine is het belangrijkste curcuminoïde van kurkuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Het wordt gebruikt als supplement, medicinale verbinding, additief voor smaak en kleur in voedingsmiddelen en als cosmetisch ingrediënt.
Een gezuiverde vorm van curcumine, die uitsluitend uit de volgende drie hoofdbestanddelen bestaat – curcumine, bisdemethoxycurcumine en demethoxycurcumine – wordt ook curcumine C3-complex genoemd. Zuivere curcumine kan door kolomchromatografie worden gescheiden van het C3-mengsel van curcumine, bisdemethoxycurcumine en demethoxycurcumine.
Wat de farmacologische eigenschappen betreft, heeft zuivere, ongemodificeerde curcumine een groot probleem: vanwege de slechte oplosbaarheid in water en de daardoor geringe biologische beschikbaarheid kan ongemodificeerde curcumine haar therapeutische effecten niet ontplooien, maar wordt zij snel gemetaboliseerd in de lever en de darmwand. Om de lage absorptiegraad van curcumine te ondervangen, worden de actieve moleculen ingekapseld in nanodragers (bijv. liposomen, nanobolletjes) of op nanocomplexen geladen (bijv. nanodeeltjes, complexen van fosfolipiden, cyclodextrinen en vaste dispersies). Bovendien kan de biologische beschikbaarheid van curcumine met ca. 2000% worden verhoogd wanneer de dosis wordt gecombineerd met piperine, een extract van zwarte peper.
Vanwege deze feiten is curcumine in een nanoformulering (nanocurcumine) de doseringsvorm van curcumine die de voorkeur geniet, aangezien curcumine in nanovorm de eerder genoemde problemen met geneesmiddelafgifte ondervangt. Nanocurcumine kan haar therapeutische eigenschappen ontplooien dankzij een verbeterde afgifte aan het zieke weefsel, betere internalisatie en verminderde systemische eliminatie.
Curcumine is verkrijgbaar in verschillende toedieningsvormen, waaronder poeders, capsules, tabletten, zalven, voedingsdranken en cosmetische crèmes.
Medische toepassingen van curcumine
Curcumine is uitgebreid onderzocht vanwege de vele toepassingsvormen in de geneeskunde en voeding. Onderzoek heeft aangetoond dat curcumine een hoge antioxidatieve activiteit heeft, die celapoptose induceert, celproliferatie, celadhesie en celmotiliteit remt en antiangiogene en antimicrobiële eigenschappen biedt. Vanwege deze effecten wordt curcumine toegepast als geneesmiddel voor de behandeling van diverse ontstekingsziekten, kankers, neurodegeneratieve ziekten, hart- en vaatziekten en diabetes.
Ultrasoon bereide toedieningsvormen op nanoschaal van curcumine voor medische therapie omvatten nanodeeltjes, liposomen, micellen, nano-emulsies, cyclodextrinecomplexen, nanoschijfjes, nanovezels, vaste lipidenanodeeltjes en curcumineconjugaten. Deze doseringsvormen op nanoschaal ondervangen de geringe biologische beschikbaarheid van curcumine en maken de gerichte en effectieve afgifte van een zeer krachtig curcuminegeneesmiddel mogelijk.
Chemische structuur van curcumine
Curcumine is een symmetrisch molecuul, ook bekend als diferuloylmethaan. De IUPAC-naam van curcumine is (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyfenyl)-1,6-heptadieen-3,5-dion, met de chemische formule C21H20O6. Curcuminekristallen kunnen in verschillende vormen voorkomen, zoals een monokliene (naaldvormige), orthorombische (rijstkorrelachtige) en amorfe vorm.