Ultradźwiękowe wytrącanie supercząstek kurkuminy
- Ponieważ kurkuma zawiera tylko 2–9 wt% kurkuminoidów, uzyskanie proszku o silnym działaniu leczniczym wymaga wydajnej techniki ekstrakcji lub syntezy.
- Wytrącanie antyrozpuszczalnikowe wspomagane ultradźwiękami jest wysoce wydajną metodą syntezy cząstek kurkuminy.
- Wytrącanie antyrozpuszczalnikowe wspomagane ultradźwiękami można łatwo skalować do produkcji dużych ilości kurkuminy wysokiej jakości.
Kurkumina
Kurkumina, będąca polifenolem, jest słabo rozpuszczalną w wodzie substancją leczniczą występującą w przyprawie roślinnej – kurkumie (Curcuma longa). Zawiera przeciwutleniacze o bardzo silnym działaniu i jest znana ze swoich właściwości przeciwzapalnych, przeciwnowotworowych, przeciwgrzybiczych i przeciwdrobnoustrojowych. Kurkumina jest stosowana jako preferowana substancja lecznicza szczególnie ze względu na szeroki zakres działania chemoprewencyjnego i chemioterapeutycznego.
Jako silny przeciwutleniacz kurkumina zwiększa aktywność przeciwutleniaczy w surowicy, takich jak dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), oraz wychwytuje i neutralizuje wolne rodniki, takie jak reaktywne formy tlenu i azotu (ROS i RNS). Ponadto zwiększa aktywność własnych enzymów antyoksydacyjnych organizmu. Kurkumina jest również znana z ograniczania chorób serca i poprawy funkcjonowania mózgu. Ze względu na te liczne korzystne właściwości lecznicze kurkumina jest powszechnie stosowana jako przyprawa, suplement i lek.
Ultradźwiękowe wytrącanie z użyciem ciekłego antyrozpuszczalnika
Wytrącanie z użyciem ciekłego antyrozpuszczalnika (LAS), wspomagane ultradźwiękami, jest prostą i szybką techniką syntezy w jednym naczyniu, służącą do wytwarzania nanocząstek kurkuminy o rombowej superstrukturze. Ultradźwiękowe wytrącanie antyrozpuszczalnikowe jest prostym, szybkim i skalowalnym procesem, który umożliwia wytrącanie kurkuminy wysokiej jakości w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym.
Hipotetyczny mechanizm powstawania supercząstek kurkuminy bez ultradźwięków i w ich obecności, bez stabilizatorów. Ilustracja © 2014 Thorat i in.
Protokół wytrącania ultradźwiękowego:
W celu ultradźwiękowego wytrącania cząstek kurkuminy organiczny roztwór kurkuminy w etanolu (5 mg/mL) dodaje się do 100mL wody zawierającej środek powierzchniowo czynny (0,02 wt% w wodzie) lub niezawierającej środka powierzchniowo czynnego. Jako naczynie reakcyjne stosuje się szklane naczynie z płaszczem o objętości ok. 500mL, średnicy 7cm i stosunku L/D wynoszącym 1,7. Temperaturę mieszaniny stale utrzymuje się na poziomie 1ºC. W procesie wytrącania ultradźwiękowego sonotrodę homogenizatora ultradźwiękowego, takiego jak UP200Ht lub UP200St, wyposażonego w sonotrodę S26d14, zanurza się w mieszaninie rozpuszczalnika i antyrozpuszczalnika. Przy ustawieniu amplitudy na 100% i sonikacji trwającej 10min. mieszanina ulega zdyspergowaniu.
Czas sonikacji umożliwia sterowanie polimorfizmem kryształów kurkuminy. Wydłużenie czasu sonikacji zwiększa udział procentowy cząstek rombowych. Wskazuje to, że zwiększenie energii ultradźwiękowej sprzyja powstawaniu formy rombowej zamiast formy jednoskośnej, niezależnie od zastosowanego dodatku.
[por. Thorat i in. 2014]
UIP1000hdT – procesor ultradźwiękowy o mocy 1kW do wytrącania substancji czynnych (API)
Poprawa biodostępności dzięki enkapsulacji ultradźwiękowej
Ponieważ kurkumina jest cząsteczką lipofilową i słabo rozpuszcza się w wodzie (= jest hydrofobowa), ma niską biodostępność ogólnoustrojową. Dlatego konieczne jest przygotowanie formulacji kurkuminy, które zwiększają jej biodostępność. Aby przygotować wodne roztwory kurkuminy, dodaje się środki powierzchniowo czynne, lipidy, albuminy, cyklodekstryny, biopolimery itp. w celu enkapsulacji lub załadowania cząsteczek kurkuminy do liposomów, nanocząstek i innych nośników leków.
Sonikacja jest wysoce wydajną i niezawodną techniką otrzymywania nośników leków, takich jak liposomy, nanocząstki typu rdzeń–powłoka, biopolimery i emulsje podwójne! Poniżej przedstawiono przykładowy protokół ultradźwiękowej enkapsulacji kurkuminy.
Protokół ultradźwiękowej enkapsulacji kurkuminy:
Nanocząstki poli(kwasu mlekowego-co-glikolowego) (PLGA) zawierające kurkuminę
- Najpierw polimer PLGA rozpuszcza się w octanie etylu. Dodaje się kurkuminę (15% w/w) i pozostawia do rozpuszczenia, okresowo mieszając roztwór na mieszadle wirowym.
- Mieszaninę fazy stałej w oleju dodaje się do wodnej fazy PVA (w/v), aby utworzyć emulsję S-O/W. Następnie roztwór leku/polimeru w PVA miesza się na mieszadle wirowym przy 8 000 rpm.
- Otrzymany roztwór poddaje się sonikacji przez ok. 300sec przy amplitudzie 45%, używając homogenizatora ultradźwiękowego, takiego jak UP200Ht lub UP200St (200W, 26kHz). Bezpośrednio po sonikacji emulsję wlewa się do fazy wodnej (0,1% PVA w wodzie; 200mL) w celu dyfuzji, podczas szybkiego mieszania mieszadłem magnetycznym.
- Tę zawiesinę koloidalną miesza się w sposób ciągły mieszadłem magnetycznym aż do całkowitego odparowania rozpuszczalnika. Następnie nanocząstki oddziela się przez wirowanie i przemywa 3 razy destylowaną wodą Milli Q. Na koniec ponownie zawiesza się je w roztworze krioprotektantów (sacharozy (2 %w/w) i trehalozy (5% w/w)) i suszy w liofilizatorze ATR FD3.0; można je przechowywać w temperaturze 4°C przez co najmniej 6 miesięcy.
[por. Ranjan i in. 2012]
Procesory ultradźwiękowe do wytrącania kurkuminy i opracowywania jej formulacji
Hielscher Ultrasonics oferuje urządzenia ultradźwiękowe o wysokiej wydajności do syntezy nanocząstek (np. substancji czynnych – API) i ekstrakcji związków roślinnych. Nasza oferta obejmuje zaawansowane sonikatory laboratoryjne, stołowe i przemysłowe, które umożliwiają opracowywanie zastosowań od małej skali po skalę komercyjną. Wszystkie wyniki uzyskane w badaniach laboratoryjnych i pilotażowych można skalować całkowicie liniowo do poziomu produkcji komercyjnej. Wszystkie systemy są przeznaczone do pracy 24/7, wytrzymałe i łatwe w obsłudze.
Seria UIPxxxxhdT obejmuje nasze przemysłowe systemy ultradźwiękowe, które można stosować w pracach na stanowiskach stołowych, optymalizacji procesów i produkcji przemysłowej. Nasze systemy przemysłowe są dostępne w wersjach 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) i 16 000W (UIP16000, sonikator o największej mocy na świecie). Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą pracować w sposób ciągły 24/7 przy bardzo wysokich amplitudach, sięgających 200µm. Dla jeszcze wyższych amplitud Hielscher oferuje sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia niezawodną pracę przez całą dobę przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Do wszystkich naszych systemów ultradźwiękowych oferujemy szeroki wybór akcesoriów, takich jak sonotrody, wzmacniacze amplitudy, komory przepływowe i reaktory o różnych rozmiarach, kształtach i geometriach. Dzięki tym narzędziom można łatwo i optymalnie dostosować nasze procesory ultradźwiękowe do wymaganych warunków procesu.
Do wytrącania i syntezy metodą bottom-up Hielscher oferuje unikatową wkładkę do komory przepływowej – MultiPhaseCavitator MPC48. W urządzeniu MultiPhaseCavitator druga faza (antyrozpuszczalnik) jest wtryskiwana przez 48 cienkich kaniul bezpośrednio do strefy kawitacji ultradźwiękowej, gdzie w ciągu milisekund zostaje wymieszana z pierwszą fazą. W rezultacie wytrącają się jednorodne nanocząstki.
Sonikacja o dużej mocy – od laboratorium i stanowisk stołowych po produkcję przemysłową.
Literatura / źródła
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumina: przegląd jej wpływu na zdrowie człowieka. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Ścieżki powstawania cząstek i polimorfizm kurkuminy indukowane przez ultradźwięki i dodatki podczas wytrącania z użyciem ciekłego antyrozpuszczalnika. CrystEngComm, 2014, 16, 11 102–11 114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Skalowanie, optymalizacja i analiza stabilności nanocząstek zawierających kompleks Curcumin C3 do terapii nowotworów. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Warto wiedzieć
Kurkumina
Kurkumina jest żółtym związkiem chemicznym występującym w kurkumie. Kurkuma jest wieloletnią rośliną zielną wytwarzającą kłącza (Curcuma longa) z rodziny imbirowatych. Kurkumina jest polifenolem ekstrahowanym z kłączy i powszechnie stosowanym jako przyprawa. W zależności od pochodzenia i warunków glebowych uprawy kurkuma zawiera 2%–9% kurkuminoidów. Kurkumina jest głównym kurkuminoidem kurkumy (Curcuma longa, Zingiberaceae). Stosuje się ją jako suplement, substancję leczniczą, dodatek nadający żywności smak i barwę oraz składnik kosmetyków.
Oczyszczona postać kurkuminy, która składa się wyłącznie z następujących trzech głównych składników – kurkuminy, bisdemetoksykurkuminy i demetoksykurkuminy – jest również określana jako kompleks kurkuminy C3. Czystą kurkuminę można oddzielić od mieszaniny C3 obejmującej kurkuminę, bisdemetoksykurkuminę i demetoksykurkuminę za pomocą chromatografii kolumnowej.
Pod względem właściwości farmakologicznych czysta, niemodyfikowana kurkumina ma poważny problem: ze względu na słabą rozpuszczalność w wodzie i wynikającą z niej niską biodostępność niemodyfikowana kurkumina nie może w pełni wykazać swojego działania terapeutycznego, lecz jest szybko metabolizowana w wątrobie i ścianie jelita. Aby przezwyciężyć niski stopień wchłaniania kurkuminy, aktywne cząsteczki są enkapsulowane w nanonośnikach (np. liposomach, nanosferach) lub ładowane na nanokompleksy (np. nanocząstki, kompleksy fosfolipidów, cyklodekstryn i dyspersje stałe). Ponadto biodostępność kurkuminy można zwiększyć o ok. 2000%, gdy jej dawkę łączy się z piperyną, która jest ekstraktem z czarnego pieprzu.
Z tych względów kurkumina w nanoformulacji (nanokurkumina) jest preferowaną postacią dawkowania kurkuminy, ponieważ kurkumina w nanopostaci przezwycięża wyżej wymienione problemy z dostarczaniem leku. Nanokurkumina może w pełni wykazać swoje właściwości terapeutyczne dzięki lepszemu dostarczaniu do chorej tkanki, lepszej internalizacji i zmniejszonej eliminacji ogólnoustrojowej.
Kurkumina jest dostępna w wielu postaciach podawania, w tym jako proszki, kapsułki, tabletki, maści, napoje odżywcze i kremy kosmetyczne.
Zastosowania medyczne kurkuminy
Kurkumina była szeroko badana pod kątem jej licznych form zastosowania w medycynie i żywieniu. Badania wykazały, że kurkumina ma wysoką aktywność antyoksydacyjną, która indukuje apoptozę komórek, hamuje proliferację, adhezję i ruchliwość komórek oraz zapewnia właściwości antyangiogenne i przeciwdrobnoustrojowe. Ze względu na te działania kurkumina jest stosowana jako lek w leczeniu różnych chorób zapalnych, nowotworów, chorób neurodegeneracyjnych, chorób układu sercowo-naczyniowego oraz cukrzycy.
Otrzymywane ultradźwiękowo nanopostacie podawania kurkuminy do terapii medycznej obejmują nanocząstki, liposomy, micele, nanoemulsje, kompleksy cyklodekstryn, nanodyski, nanowłókna, nanocząstki lipidowe o stałej matrycy i koniugaty kurkuminy. Te postacie dawkowania o rozmiarach nanometrycznych przezwyciężają niską biodostępność kurkuminy i umożliwiają ukierunkowane i skuteczne dostarczanie leku kurkuminowego o bardzo silnym działaniu.
Struktura chemiczna kurkuminy
Kurkumina jest symetryczną cząsteczką, znaną również jako diferuloilometan. Nazwa IUPAC kurkuminy to (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroksy-3-metoksyfenylo)-1,6-heptadieno-3,5-dion, o wzorze chemicznym C21H20O6. Kryształy kurkuminy mogą występować w różnych postaciach, takich jak jednoskośna (igłowa), rombowa (przypominająca ziarno ryżu) i amorficzna.