Ultrasone precipitatie van superdeeltjes curcumine
- Aangezien kurkuma slechts 2-9 wt% curcuminoïden bevat, is een efficiënte extractie- of synthesetechniek nodig om een medisch krachtig poeder te verkrijgen.
- Neerslaan met behulp van een ultrasoon antisolvent is een zeer efficiënte methode om curcuminepartikels te synthetiseren.
- De ultrasone precipitatie met antisolvent kan gemakkelijk worden opgeschaald voor de productie van grote hoeveelheden curcumine van hoge kwaliteit.
curcumine
Curcumine, een polyfenol, is een slecht in water oplosbaar geneesmiddel dat voorkomt in de kruidensoort kurkuma (Curcuma longa). Het heeft zeer krachtige antioxidanten en staat bekend om zijn ontstekingsremmende, kankerwerende, schimmelwerende en antimicrobiële eigenschappen. Vooral vanwege zijn brede scala aan chemo-preventieve en chemo-therapeutische activiteiten wordt curcumine gebruikt als een geprefereerde geneesmiddelverbinding.
Als krachtige antioxidant verhoogt curcumine de serumactiviteit van antioxidanten zoals superoxide dismutase (SOD) en neutraliseert vrije radicalen zoals reactieve zuurstof- en stikstofspecies (ROS en RNS). Bovendien verhoogt het de activiteit van de lichaamseigen antioxidantenzymen. Curcumine staat er ook om bekend hartaandoeningen te verminderen en de hersenfunctie te verbeteren. Vanwege deze vele heilzame medicinale eigenschappen wordt curcumine veel gebruikt als specerij, supplement en geneesmiddel.
Ultrasoon Vloeibaar Antisolvent Neerslaan
De ultrasonisch-asstisted vloeibare antisolvent (LAS) precipitatie is een eenvoudige en snelle één-pot synthesetechniek om curcumine nanodeeltjes met orthorhombische superstructuur te produceren. De ultrasone precipitatie met antisolvent is een eenvoudig, snel en schaalbaar proces, dat de precipitatie van hoogwaardige curcumine in de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie mogelijk maakt.
Hypothetisch mechanisme van de vorming van curcumine superdeeltjes in de afwezigheid en aanwezigheid van ultrageluid zonder stabilisatoren. Afbeelding © 2014 Thorat et al.
Ultrasoon neerslagprotocol:
Voor de ultrasone neerslag van curcuminepartikels wordt een organische oplossing van curcumine in ethanol (5 mg/ml) toegevoegd aan 100 ml water met oppervlakteactieve stof (0,02 wt% in water) of zonder oppervlakteactieve stof. Als reactievat wordt een glazen vat met een mantel met een volume van ongeveer 500 ml, een diameter van 7 cm en een L/D-verhouding van 1,7 gebruikt. De temperatuur van het mengsel wordt constant op 1ºC gehouden. Voor het ultrasone neerslagproces wordt de sonotrode van de ultrasone homogenisator zoals de UP200Ht of UP200St uitgerust met een S26d14 sonotrode wordt ondergedompeld in het mengsel van oplosmiddel en oplosmiddel. Bij een amplitude-instelling van 100% en 10 minuten sonicatie is het mengsel gedispergeerd.
De sonificatietijd maakt het mogelijk om het polymorfisme van cucrcumine kristallen te manipuleren. Wanneer de sonicatieduur wordt verlengd, neemt het percentage orthorhombische deeltjes toe. Dit geeft aan dat een verhoging van de ultrasone energie de vorming van orthorhombische vorm vergemakkelijkt ten opzichte van de monokliene vorm, ongeacht het gebruikte additief.
[cf. Thorat et al. 2014].
UIP1000hdT – 1kW ultrasone processor voor API neerslag
Verbeterde biologische beschikbaarheid door ultrasone inkapseling
Omdat curcumine een lipofiele molecule is die slecht oplost in water (= hydrofoob), heeft het een lage systemische biologische beschikbaarheid. Daarom is het noodzakelijk om curcumineformuleringen te bereiden die de biologische beschikbaarheid verhogen. Voor de bereiding van waterige curcumineoplossingen worden oppervlakteactieve stoffen, lipiden, albuminen, cyclodextrinen, biopolymeren etc. toegevoegd om de curcuminemoleculen in liposomen, nanodeeltjes en andere geneesmiddeldragers in te kapselen of te laden.
Ultrasoonbehandeling is een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om dragers van geneesmiddelen te formuleren, zoals liposomencore-shell nanodeeltjesbiopolymeren en dubbele emulsies! Hieronder vindt u een voorbeeldprotocol voor de ultrasone inkapseling van curcumine.
Ultrasoon Curcumine Inkapselingsprotocol:
Curcumine-geladen polylactic-co-glycolzuur (PLGA) nanodeeltjes
- Eerst wordt het PLGA-polymeer opgelost in ethylacetaat. Curcumine (15% m/m) wordt toegevoegd en men laat de oplossing oplossen terwijl men de oplossing met tussenpozen vortexen.
- Het vaste stof-in-olie mengsel 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 gevortexed bij 8.000 tpm.
- De resulterende oplossing wordt gedurende ongeveer 300 seconden bij een amplitude van 45% gesoneerd met een ultrasone homogenisator zoals UP200Ht of UP200St (200 W, 26 kHz). Onmiddellijk na de sonicatie wordt de emulsie in de waterige fase gegoten (0,1% PVA in water; 200 ml) voor diffusie onder snel roeren met een magneetroerder.
- Deze colloïdale suspensie wordt continu geroerd met een magneetroerder totdat het oplosmiddel volledig verdampt is. Daarna worden de nanodeeltjes verzameld door centrifugeren en 3 keer gewassen met gedestilleerd Milli Q-water. Ten slotte worden ze geresuspendeerd in een cryoprotectieve oplossing (sucrose (2% w/w) en trehalose (5% w/w)), gedroogd op een vriesdroger ATR FD3.0-systeem en kunnen ze minstens 6 maanden bij 4 °C worden bewaard.
[cf. Ranjan et al. 2012].
Ultrasone Processoren voor Curcumin Precipitatie en Formulering
Hielscher Ultrasonics biedt hoogwaardige ultrasone apparatuur voor de synthese van nanodeeltjes (bijv. API's) en de extractie van botanische verbindingen. Ons productassortiment omvat geavanceerde laboratorium-, tafelmodel- en industriële ultrasone apparaten, waarmee toepassingen van kleine tot commerciële schaal kunnen worden ontwikkeld. Alle resultaten die zijn verkregen in laboratorium- en pilottests kunnen volledig lineair worden geschaald naar commercieel productieniveau. Alle systemen zijn gebouwd voor 24/7 gebruik, robuust en gebruiksvriendelijk.
De UIPxxxxhdT serie omvat onze industriële ultrasone systemen, die gebruikt kunnen worden voor testopstellingen, procesoptimalisatie en industriële productie. Onze industriële systemen zijn verkrijgbaar als 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) en 16.000 W (UIP16000, wereldwijd krachtigste ultrasoonapparaat). Hielscher Ultrasoon’ Industriële ultrasone processoren kunnen 24/7 continu worden gebruikt met zeer hoge amplitudes tot 200 µm. Voor nog hogere amplitudes biedt Hielscher op maat gemaakte ultrasone sonotroden. De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur zorgt voor een betrouwbare werking rond de klok bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
Voor al onze ultrasone systemen bieden we een breed spectrum aan accessoires, zoals sonotroden, boosterhoorns, flowcellen en reactoren in verschillende maten, vormen en geometrieën. Met deze hulpmiddelen wordt het eenvoudig om onze ultrasone processors optimaal aan te passen aan de vereiste procesomstandigheden.
Voor precipitatie en bottom-up synthese biedt Hielscher een uniek flowcelinzetstuk – De MultiPhaseCavitator MPC48. Met de MultiPhaseCavitator wordt de tweede fase (anti-oplosmiddel) via 48 fijne canules rechtstreeks in de ultrasone cavitatiezone geïnjecteerd, waar het binnen milliseconden met de eerste fase wordt gemengd. Hierdoor worden homogene nanodeeltjes neergeslagen.
Krachtige sonicatie van laboratorium en bench-top 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): Deeltjesvormingsroutes en polymorfisme van curcumine geïnduceerd door ultrageluid en additieven tijdens vloeibare antisolventprecipitatie. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Schaalvergroting, optimalisatie en stabiliteitsanalyse van Curcumine C3 complex-geladen nanodeeltjes voor kankertherapie. Tijdschrift voor Nanobiotechnologie 2012, 10:38.
Wetenswaardigheden
curcumine
Curcumine is een geelgekleurde chemische verbinding die voorkomt in kurkuma. Kurkuma is een rhizomatische kruidachtige vaste plant (Curcuma longa) van de gemberfamilie. Curcumine is een polyfenol dat wordt gewonnen uit de wortelstokken en veel wordt gebruikt als specerij. Afhankelijk van de herkomst en de bodemgesteldheid waar het wordt geteeld, bevat kurkuma 2%-9% curcuminoïden. Curcumine is de belangrijkste curcuminoïde van kurkuma (Curcuma longa, Zingiberaceae). Het wordt gebruikt als supplement, medicinale verbinding, additief voor het kleuren van voedselaroma's en als cosmetisch ingrediënt.
Een gezuiverde vorm van curcumine, die alleen bestaat uit de volgende drie hoofdbestanddelen – curcumine, bisdemethoxycurcumine en demethoxycurcumine – wordt ook wel curcumine C3-complex genoemd. Pure curcumine kan worden gescheiden van het C3-complex van curcumine, bisdemethoxy curcumine en demethoxy curcumine door middel van kolomchromatografie.
Wat betreft de farmacologische eigenschappen heeft pure, niet-gemodificeerde curcumine een groot probleem: door zijn slechte oplosbaarheid in water en daardoor slechte biologische beschikbaarheid kan niet-gemodificeerde curcumine zijn therapeutische effecten niet behouden, maar wordt het snel gemetaboliseerd in de lever en darmwand. Om de lage absorptiesnelheid van curcumine te overwinnen, worden de actieve moleculen ingekapseld in nanodragers (bijv. liposomen, nanosferen) of geladen op nano-complexen (bijv. nanodeeltjescomplexen van fosfolipiden, cyclodextrinen en vaste dispersies). Bovendien kan de biologische beschikbaarheid van curcumine met ongeveer 2000% worden verhoogd wanneer de dosering wordt gecombineerd met piperine, een extract van zwarte peper.
Vanwege deze feiten is curcumine in nanovorm (nanocurcumine) de geprefereerde toedieningsvorm van curcumine, omdat curcumine in nanovorm de eerder genoemde problemen met de toediening van medicijnen overwint. Nanocurcumine kan zijn therapeutische eigenschappen versterken door verbeterde toediening 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 op grote schaal onderzocht vanwege zijn vele gebruiksvormen in de geneeskunde en voeding. Onderzoek heeft aangetoond dat curcumine een hoge antioxidantactiviteit heeft, celapoptose induceert, celproliferatie remt, celadhesie en -motiliteit tegengaat en anti-angiogenese en anti-microbiële eigenschappen biedt. Vanwege deze effecten wordt curcumine toegepast als medicijn voor de behandeling van verschillende ontstekingsziekten, kanker, neurodegeneratieve ziekten, hart- en vaatziekten en diabetes.
Ultrasoon bereide nano-toedieningsvormen van curcumine voor medische therapie zijn onder andere nanodeeltjes, liposomen, micellen, nano-emulsies, cyclodextrinecomplexen, nanodisks, nanovezels, nanodeeltjes van vaste lipiden en curcumineconjugaten. Deze nanodoseringsvormen ondervangen de slechte biologische beschikbaarheid van curcumine en maken een gerichte en effectieve toediening van een zeer krachtig geneesmiddel met curcumine mogelijk.
Chemische structuur van curcumine
Curcumine is een symmetrische molecule, 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 chemische formule C21H20O6. Curcumine kristallen kunnen in verschillende vormen voorkomen, zoals monoklien (aciculair), orthorhombisch (rijstkorrelachtig) en amorfe vorm.