Ultradźwiękowe formułowanie niosomów
Niosomy to pęcherzyki o rozmiarach nanometrycznych, które mogą być stosowane jako nośniki leków (np. leków przeciwnowotworowych) i innych substancji bioaktywnych. Emulgowanie ultradźwiękowe jest prostą i szybką metodą formułowania małych niosomów o dużej zawartości leku.
Pęcherzyki niosomalne jako nanonośniki substancji czynnych
Niosom jest pęcherzykiem opartym na niejonowych środkach powierzchniowo czynnych, powstającym najczęściej z niejonowego środka powierzchniowo czynnego z dodatkiem cholesterolu jako substancji pomocniczej. Niosomy są bardziej odporne na degradację chemiczną lub utlenianie i mają długi okres przechowywania w porównaniu z liposomami. Dzięki środkom powierzchniowo czynnym stosowanym do ich przygotowania są biodegradowalne, biokompatybilne i nieimmunogenne. Niosomy są osmotycznie aktywne, stabilne chemicznie i zapewniają dłuższy okres przechowywania w porównaniu z liposomami. W zależności od rozmiaru i liczby warstw dostępne są różne metody przygotowania, takie jak sonikacja, odparowanie w fazie odwróconej, hydratacja cienkiego filmu lub proces wprowadzania leku z wykorzystaniem przezbłonowego gradientu pH. Ultradźwiękowe przygotowanie niosomów jest preferowaną techniką wytwarzania małych pęcherzyków jednowarstwowych o jednorodnych rozmiarach.
Ultradźwiękowe formułowanie niosomów
Aby sformułować niosomy, należy przygotować emulsję typu olej w wodzie (o/w) z organicznego roztworu środka powierzchniowo czynnego i cholesterolu oraz roztworu wodnego zawierającego związek bioaktywny, czyli lek. Emulgowanie ultradźwiękowe jest techniką o wyższej skuteczności mieszania niemieszających się cieczy, takich jak olej i woda. W wyniku ścinania kropelek obu faz i rozbijania ich do rozmiarów nanometrycznych otrzymuje się nanoemulsję. Następnie odparowuje się rozpuszczalnik organiczny, uzyskując niosomy zawierające środki terapeutyczne, rozproszone w fazie wodnej. W porównaniu z mieszaniem mechanicznym technika ultradźwiękowego formułowania niosomów wyróżnia się tworzeniem niosomów o mniejszym średnim rozmiarze i niższym wskaźniku polidyspersyjności w szybkim procesie. Stosowanie mniejszych pęcherzyków jest na ogół korzystniejsze, ponieważ zwykle lepiej unikają one mechanizmów usuwania z organizmu niż większe cząstki i dłużej pozostają w krwiobiegu. (por. Bragagni et al. 2014)
Dowiedz się więcej o sonikacji umożliwiającej uzyskanie ulepszonych formulacji niosomalnych!
- jednowarstwowe, małe pęcherzyki o jednorodnych rozmiarach
- prosty i szybki proces
- powtarzalność
- możliwość precyzyjnej kontroli
- bezpieczeństwo
- łatwe skalowanie
Protokoły ultradźwiękowego przygotowania niosomów
Formułowanie niosomów z wykorzystaniem sonikacji zostało szeroko zbadane, dzięki czemu dostępne są liczne naukowo zweryfikowane protokoły ultradźwiękowego wytwarzania niosomów.
Poniżej przedstawiono krótki przegląd kilku protokołów formułowania, obejmujących przygotowanie niosomów i wprowadzanie do nich substancji z wykorzystaniem sonikacji.
Niosomy zawierające ekstrakty z Withania somnifera
Chinembiri et al. (2017) opracowali formulację niosomalną z surowym ekstraktem z Withania somnifera, przeznaczoną do stosowania miejscowego. Związki bioaktywne enkapsulowano metodą wstrzykiwania rozpuszczalnika. W tym celu fazy organiczną i wodną stale mieszano magnetycznie, utrzymując temperaturę 60°C ± 2°C do czasu usunięcia rozpuszczalnika organicznego. Otrzymaną formulację schłodzono i poddano sonikacji na lodzie przy użyciu sonikatora Hielscher UP200ST. Niosomy miały średni rozmiar wynoszący około 165,9 ± 9,4 i wykazywały wysoką wydajność enkapsulacji (EE%) witanolidu A.
Niosomy zawierające doksorubicynę
Niosomy z N-palmitoiloglukozaminy (Glu) zawierające doksorubicynę, lek przeciwnowotworowy, przygotowano przez wytrząsanie mieszaniny NPG (16 mg), Span 60 (65 mg), cholesterolu (58 mg) i Solulan C24 (54 mg) w roztworze doksorubicyny (1,5 mg/ml, 2 ml, przygotowanym w PBS) w temperaturze 90°C przez 1 h, a następnie sonikację sondą przez 10 min (75% wartości maksymalnej).
Pęcherzyki z palmitoilowanego chitozanu glikolowego (GCP) przygotowano zgodnie z wcześniejszym opisem (11), poddając chitozan glikolowy (10 mg) i cholesterol (4 mg) sonikacji sondą w roztworze doksorubicyny (1,5 mg/ml). (Dufes et al. 2004)
UP400St – urządzenie ultradźwiękowe o mocy 400W do formułowania nanonośników, takich jak niosomy
Alternatywne metody przygotowania niosomów
Alternatywne metody formułowania niosomów, takie jak technika odparowania w fazie odwróconej lub proces wprowadzania leku z wykorzystaniem przezbłonowego gradientu pH, obejmują zastosowanie energii ultradźwiękowej. Obie techniki stosuje się głównie do formułowania pęcherzyków wielowarstwowych (MLVs). Poniżej przedstawiono krótki opis obu technik oraz zawartego w nich etapu sonikacji.
Sonikacja podczas przygotowania niosomów metodą odparowania w fazie odwróconej
W metodzie odparowania w fazie odwróconej (REV) składniki formulacji niosomalnej rozpuszcza się w mieszaninie eteru i chloroformu, a następnie dodaje do fazy wodnej zawierającej lek. Emulgowanie ultradźwiękowe służy do przekształcenia mieszaniny w emulsję o drobnych kroplach. Następnie odparowuje się fazę organiczną. Niosomy otrzymane podczas odparowania rozpuszczalnika organicznego są dużymi pęcherzykami jednowarstwowymi.
Proces wprowadzania leku z wykorzystaniem przezbłonowego gradientu pH
W procesie wprowadzania leku z wykorzystaniem przezbłonowego gradientu pH (kwaśne środowisko wewnętrzne), z zastosowaniem zdalnego załadunku, środek powierzchniowo czynny i cholesterol rozpuszcza się w chloroformie. Następnie rozpuszczalnik odparowuje się pod próżnią, aby uzyskać cienki film na ściance kolby okrągłodennej. Film poddaje się hydratacji roztworem kwasu cytrynowego o stężeniu 300 mM (pH 4,0), mieszając zawiesinę na mieszadle wirowym. Pęcherzyki wielowarstwowe trzykrotnie zamraża się i rozmraża, a następnie poddaje sonikacji przy użyciu sonikatora z sondą. Do tej zawiesiny niosomalnej dodaje się roztwór wodny zawierający 10 mg/ml leku i miesza na mieszadle wirowym. Następnie pH próbki podnosi się do pH 7,0–7,2 za pomocą 1M wodorofosforanu disodu. Następnie mieszaninę ogrzewa się do 60°C przez 10 minut. Technika ta pozwala uzyskać pęcherzyki wielowarstwowe. (por. Kazi et al. 2010)
Ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiaru niosomów
Niosomy zazwyczaj mają rozmiary w zakresie od 10nm do 1000nm. W zależności od techniki przygotowania niosomy często są stosunkowo duże i mają tendencję do tworzenia agregatów. Określone rozmiary niosomów są jednak ważnym czynnikiem w przypadku docelowego typu systemu dostarczania. Na przykład bardzo małe niosomy o rozmiarach nanometrycznych są najbardziej odpowiednie do ogólnoustrojowego dostarczania leków, gdy lek musi przeniknąć przez błony komórkowe, aby dotrzeć do miejsca docelowego w komórce, natomiast większe niosomy są zalecane do domięśniowego podawania leków i podawania ich do jam ciała lub do zastosowań okulistycznych. Ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiaru niosomów jest powszechnym etapem przygotowania niosomów o wysokiej skuteczności działania. Ultradźwiękowe siły ścinające powodują deaglomerację i dyspergowanie niosomów, prowadząc do uzyskania monodyspersyjnych nanoniosomów.
Protokół – ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiaru LipoNiosomes
Naderinezhad et al. (2017) opracowali biokompatybilne LipoNiosomes (połączenie niosomu i liposomu) zawierające Tween 60: cholesterol: DPPC (w stosunku 55 : 30 : 15 : 3) z 3% DSPE-mPEG. Aby zmniejszyć rozmiar przygotowanych LipoNiosomes, po hydratacji poddali zawiesinę sonikacji przez 45 min (15 sekund pracy i 10 sekund przerwy, amplituda 70% przy mocy 100 watów), aby zminimalizować agregację cząstek, przy użyciu homogenizatora ultradźwiękowego UP200St (Hielscher Ultrasonics GmbH, Niemcy). W metodzie wykorzystującej gradient pH wysuszone filmy CUR, środków powierzchniowo czynnych i lipidów poddano hydratacji za pomocą 1300 mL roztworu siarczanu amonu (pH 1⁄4 4) w temperaturze 63 C przez 47 min. Następnie nanocząstki poddano sonikacji w kąpieli lodowej, aby wytworzyć małe pęcherzyki.
Sonikatory do przygotowania niosomów
Hielscher Ultrasonic ma wieloletnie doświadczenie w projektowaniu, produkcji, dystrybucji i serwisowaniu wysokowydajnych homogenizatorów ultradźwiękowych dla przemysłu farmaceutycznego, spożywczego i kosmetycznego.
Przygotowanie wysokiej jakości niosomów, liposomów, stałych nanocząstek lipidowych, nanocząstek polimerowych, kompleksów cyklodekstryn i innych nanostrukturalnych nośników leków to procesy, w których sonikatory Hielscher wyróżniają się dzięki wysokiej niezawodności, stałej mocy wyjściowej i możliwości precyzyjnej kontroli. Sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjną kontrolę wszystkich parametrów procesu, takich jak amplituda, temperatura, ciśnienie i energia sonikacji. Inteligentne oprogramowanie automatycznie rejestruje wszystkie parametry sonikacji (czas, datę, amplitudę, energię netto, energię całkowitą, temperaturę, ciśnienie) na wbudowanej karcie SD.
Solidna konstrukcja sonikatorów Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| od 1 do 500mL | od 10 do 200mL/min | UP100H |
| od 10 do 2000mL | od 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| od 0,1 do 20L | od 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| od 10 do 100L | od 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | od 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Homogenizatory ultradźwiękowe dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej .
Literatura/Źródła
- Chinembiri T.N., Gerber M., du Plessis L.H., du Preez J.L., Hamman J.H., du Plessis J. (2017): Topical Delivery of Withania somnifera Crude Extracts in Niosomes and Solid Lipid Nanoparticles. Pharmacognosy Magazine 2017 Oct;13 (Suppl 3):S663-S671.
- Nowroozi F., Almasi A., Javidi J., Haeri A., Dadashzadeh S. (2018): Effect of Surfactant Type, Cholesterol Content and Various Downsizing Methods on the Particle Size of Niosomes. Iranian Journal of Pharmaceutical Research 2018;17 (Suppl.2): 1-11.
- Ashraf Alemi, Javad Zavar Reza, Fateme Haghiralsadat, Hossein Zarei Jaliani, Mojtaba Haghi Karamallah, Seyed Ahmad Hosseini, Somayeh Haghi Karamallah (2018): Paclitaxel and curcumin coadministration in novel cationic PEGylated niosomal formulations exhibit enhanced synergistic antitumor efficacy. J Nanobiotechnol (2018) 16:28.
- Samira Naderinezhad, Ghasem Amoabediny, Fateme Haghiralsadat (2017): Co-delivery of hydrophilic and hydrophobic anticancer drugs using biocompatible pH-sensitive lipid-based nano-carriers for multidrug-resistant cancers. RSC Adv., 2017, 7, 30008–30019.
Warto wiedzieć
Niosomy a liposomy
Liposomy i niosomy są mikroskopijnymi pęcherzykami, w których można umieszczać związki bioaktywne w celu dostarczania leków. Niosomy są podobne do liposomów, ale różnią się składem dwuwarstwy. Podczas gdy liposomy mają dwuwarstwę fosfolipidową, dwuwarstwa niosomów jest zbudowana z niejonowych środków powierzchniowo czynnych, co prowadzi do różnicy chemicznej między jednostkami strukturalnymi. Ta różnica strukturalna zapewnia niosomom większą stabilność chemiczną, lepszą zdolność przenikania przez skórę i mniejszą zawartość zanieczyszczeń.
Niosomy dzieli się według rozmiaru na trzy główne grupy: małe pęcherzyki jednowarstwowe (SUV) mają średnią średnicę 10–100 nm, duże pęcherzyki jednowarstwowe (LUV) mają średni rozmiar 100–3000nm, a pęcherzyki wielowarstwowe (MLV) charakteryzują się obecnością więcej niż jednej dwuwarstwy.
„Niosomy zachowują się in vivo podobnie do liposomów, wydłużając czas krążenia enkapsulowanego leku oraz zmieniając jego dystrybucję w narządach i stabilność metaboliczną. Podobnie jak w przypadku liposomów, właściwości niosomów zależą od składu dwuwarstwy, a także od metody ich wytwarzania. Według doniesień interkalacja cholesterolu w dwuwarstwach zmniejsza objętość enkapsulacji podczas formułowania, a tym samym wydajność enkapsulacji.” (Kazi et al. 2010)
Niosomy można przygotowywać różnymi technikami, takimi jak hydratacja cienkiego filmu, sonikacja, odparowanie w fazie odwróconej, zamrażanie i rozmrażanie, mikrofluidyzacja lub odwodnienie i ponowna hydratacja. Dobierając odpowiednią metodę przygotowania, środek powierzchniowo czynny, zawartość cholesterolu, dodatki wpływające na ładunek powierzchniowy i stężenie zawiesiny, można kształtować skład, liczbę warstw, stabilność i ładunek powierzchniowy niosomów, aby spełniały określone wymagania stawiane nośnikom leków.
Aby wytworzyć niosomy o wysokiej biokompatybilności i bardzo niskiej cytotoksyczności, środki powierzchniowo czynne stosowane do ich przygotowania powinny być biodegradowalne, biokompatybilne i nieimmunogenne.