Получение липосом с помощью ультразвука

Липосомы, полученные с помощью ультразвука, отличаются очень высокой эффективностью включения веществ, высокой загрузочной способностью и одинаково малыми размерами сферических частиц. Благодаря этому такие липосомы обеспечивают превосходную биодоступность. Hielscher Ultrasonics предлагает ультразвуковые аппараты для надежного получения липосом фармацевтического качества в периодическом и непрерывном режимах.

Преимущества ультразвукового производства липосом

Ультразвуковая инкапсуляция в липосомы – это метод включения лекарственных препаратов или других терапевтических веществ внутрь липосом с помощью ультразвуковой энергии. По сравнению с другими методами инкапсуляции в липосомы ультразвуковая инкапсуляция обладает рядом преимуществ, которые делают ее превосходящим другие методы способом производства.

• Высокая загрузка, высокая эффективность включения: Ультразвуковое производство липосом хорошо известно своей способностью обеспечивать высокую загрузку липосом активными ингредиентами, например витамином C, молекулами лекарственных веществ и т. д. При этом метод обработки ультразвуком отличается высокой эффективностью включения. Это означает, что при обработке ультразвуком инкапсулируется высокий процент активного вещества. Таким образом, обработка ультразвуком является высокоэффективным методом производства липосом.
• Липосомы одинаково малого размера: Одним из преимуществ ультразвуковой инкапсуляции в липосомы является возможность получения высокооднородных липосом с узким распределением по размерам. Ультразвуковую энергию можно использовать для разрушения более крупных липосом или липидных агрегатов с образованием более мелких и однородных липосом. Это обеспечивает большее постоянство размеров и формы липосом, что может быть важно для доставки лекарственных препаратов, где размер частиц может влиять на их фармакокинетику и эффективность.
• Применимость к любым молекулам: Еще одним преимуществом ультразвуковой инкапсуляции в липосомы является возможность инкапсулировать широкий спектр лекарственных препаратов и других терапевтических веществ. Метод можно использовать для инкапсуляции как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных веществ, что может быть затруднительно при использовании других методов. Кроме того, ультразвуковую энергию можно использовать для инкапсуляции макромолекул и наночастиц, которые могут быть слишком крупными для инкапсуляции другими методами.
• Быстро и надежно: Ультразвуковая инкапсуляция в липосомы также является относительно простым и быстрым процессом. Она не требует применения агрессивных химических веществ или высоких температур, которые могут отрицательно влиять на инкапсулируемые терапевтические вещества.
• Масштабирование: Кроме того, метод легко масштабируется для крупномасштабного производства, что делает его экономически эффективным вариантом для задач доставки лекарственных препаратов.

Таким образом, ультразвуковая инкапсуляция в липосомы превосходит другие методы инкапсуляции благодаря возможности получения однородных липосом с узким распределением по размерам, инкапсуляции широкого спектра терапевтических веществ, а также своей простоте и масштабируемости.

После формирования липидной пленки и последующей регидратации обработку ультразвуком используют для содействия включению активных ингредиентов в липосому. Кроме того, обработка ультразвуком позволяет получить липосомы желаемого размера.

Получение липосом с помощью ультразвука для фармацевтики и косметики

Липосомы (везикулы на основе липидов), трансферосомы (ультрадеформируемые липосомы), этосомы (ультрадеформируемые везикулы с высоким содержанием спирта) и ниосомы (синтетические везикулы) представляют собой микроскопические везикулы, которые можно искусственно получать в виде сферических носителей для инкапсуляции активных молекул. Эти везикулы диаметром от 25 до 5000 nm часто используются в качестве носителей лекарственных веществ в фармацевтической и косметической промышленности, например для пероральной или местной доставки лекарств, генной терапии и иммунизации. Обработка ультразвуком – научно доказанный метод высокоэффективного производства липосом. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют получать липосомы с высокой загрузкой активными ингредиентами и превосходной биодоступностью.

Липосомы и липосомальные составы

Липосомы представляют собой униламеллярные, олиголамеллярные или мультиламеллярные везикулярные системы и состоят из того же материала, что и клеточная мембрана (липидного бислоя). По составу и размеру различают следующие липосомы:

• мультиламеллярные везикулы (MLV, 0,1–10μm)
• малые униламеллярные везикулы (SUV, <100 nm)
• большие униламеллярные везикулы (LUV, 100–500 nm)
• гигантские униламеллярные везикулы (GUV, ≥1 μm)

Основную структуру липосом образуют фосфолипиды. Фосфолипиды имеют гидрофильную головную группу и гидрофобную хвостовую группу, которая состоит из длинной углеводородной цепи.
Мембрана липосом по составу очень близка к кожному барьеру, поэтому липосомы могут легко встраиваться в кожу человека. Сливаясь с кожей, липосомы могут высвобождать включенные вещества непосредственно в месте назначения, где активные компоненты могут выполнять свои функции. Таким образом, липосомы повышают проницаемость кожи для включенных фармацевтических и косметических веществ. Липосомы без инкапсулированных веществ, то есть пустые везикулы, также являются мощными активными компонентами для кожи, поскольку «phosphatidylcholin» содержит два незаменимых компонента, которые организм человека не может вырабатывать самостоятельно: линолевую кислоту и холин.
Липосомы используются в качестве биосовместимых носителей лекарственных веществ, пептидов, белков, «plasmic DNA», антисмысловых олигонуклеотидов или рибозим для фармацевтических, косметических и биохимических целей. Огромное разнообразие размеров частиц и физических параметров липидов открывает привлекательные возможности для создания специально разработанных носителей для широкого спектра применений. (Ulrich 2002)

Формирование липосом с помощью ультразвука

Липосомы можно формировать с помощью ультразвука. Основным материалом для получения липосом служат молекулы «amphilic», полученные из липидов биологических мембран или созданные на их основе. Для формирования малых униламеллярных везикул (SUV) липидную дисперсию подвергают мягкой обработке ультразвуком – например, с помощью ручного ультразвукового аппарата UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter или ультразвукового реактора CupHorn – в ледяной бане. Продолжительность такой ультразвуковой обработки составляет приблизительно 5 – 15 минут. Другой способ получения малых униламеллярных везикул заключается в обработке ультразвуком мультиламеллярных липосомальных везикул.
Dinu-Pirvu et al. (2010) сообщают о получении трансферосом путем обработки MLV ультразвуком при комнатной температуре.
Hielscher Ultrasonics предлагает различные ультразвуковые аппараты, сонотроды и принадлежности и благодаря этому может предоставить наиболее подходящую ультразвуковую систему для высокоэффективной инкапсуляции в липосомы в любом масштабе.

Ультразвуковая инкапсуляция активных веществ в липосомы

Липосомы служат носителями активных ингредиентов, таких как витамины, терапевтические молекулы, пептиды и т. д. Ультразвук является эффективным инструментом для получения и формирования липосом с целью включения активных веществ. Одновременно обработка ультразвуком способствует процессу инкапсуляции и включения, благодаря чему образуются липосомы с высокой загрузкой активными ингредиентами. До инкапсуляции липосомы склонны образовывать кластеры из-за поверхностного взаимодействия зарядов полярных головок фосфолипидов (см. Míckova et al. 2008); кроме того, их необходимо открывать. Например, Zhu et al. (2003) описывают инкапсуляцию порошка биотина в липосомы с помощью обработки ультразвуком. После добавления порошка биотина в раствор с суспензией везикул этот раствор подвергали обработке ультразвуком. После такой обработки биотин был включен в липосомы.
Узнайте больше об ультразвуковой инкапсуляции «peptrides» GLP-1 (например, семаглутида) в липосомы!

Липосомальные эмульсии с применением обработки ультразвуком

Для усиления питательного действия увлажняющих или антивозрастных кремов, лосьонов, гелей и других космецевтических составов в липосомальные дисперсии добавляют эмульгаторы, чтобы стабилизировать большее количество липидов. Однако исследования показали, что возможности липосом в целом ограничены. При добавлении эмульгаторов этот эффект проявляется раньше, а дополнительные эмульгаторы ослабляют сродство фосфатидилхолина к кожному барьеру. Наночастицы, состоящие из фосфатидилхолина и липидов, являются решением этой проблемы. Эти наночастицы образованы масляной каплей, покрытой монослоем фосфатидилхолина. Использование наночастиц позволяет создавать составы, способные вмещать больше липидов и сохранять стабильность, поэтому дополнительные эмульгаторы не требуются.
Обработка ультразвуком – проверенный метод производства наноэмульсий и нанодисперсий. Высокоинтенсивный ультразвук обеспечивает мощность, необходимую для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в виде мелких капель во второй фазе (дисперсионной среде). В зоне диспергирования схлопывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию высокоскоростных струй жидкости. Чтобы стабилизировать вновь образованные капли дисперсной фазы и предотвратить их коалесценцию, в эмульсию добавляют эмульгаторы (поверхностно-активные вещества, ПАВ) и стабилизаторы. Поскольку коалесценция капель после дробления влияет на итоговое распределение капель по размерам, используют эмульгаторы с эффективным стабилизирующим действием, чтобы сохранить итоговое распределение капель по размерам на уровне, соответствующем распределению непосредственно после дробления капель в зоне ультразвукового диспергирования.

Липосомальные дисперсии с применением обработки ультразвуком

Липосомальные дисперсии на основе ненасыщенного «phosphatidylchlorine» недостаточно устойчивы к окислению. Стабилизации дисперсии можно достичь с помощью антиоксидантов, например комплекса витаминов C и E.
 

Формирование липосом методом обращенно-фазового испарения с применением обработки ультразвуком

 
Ortan et al. (2002) получили хорошие результаты в исследовании ультразвукового приготовления липосом с эфирным маслом Anethum graveolens. После обработки ультразвуком размеры липосом составляли 70–150 nm, а для MLV – 230–475 nm; эти значения оставались приблизительно постоянными и через 2 месяца, но увеличились через 12 месяцев, особенно в дисперсии SUV (см. гистограммы ниже). Измерение стабильности по потере эфирного масла и распределению по размерам также показало, что липосомальные дисперсии сохраняли содержание летучего масла. Это позволяет предположить, что включение эфирного масла в липосомы повысило стабильность масла.

Ortan et al. (2009): Стабильность дисперсий MLV и SUV через 1 год. Липосомальные составы хранили при 4±1 ºC.

Ультразвуковые процессоры Hielscher являются идеальными устройствами для применения в косметической и фармацевтической промышленности. Системы, состоящие из нескольких ультразвуковых процессоров мощностью до 16 000 ватт каждый, обеспечивают производительность, необходимую для превращения этого лабораторного применения в эффективный производственный метод получения тонкодисперсных эмульсий в непрерывном потоке или в периодическом режиме – с результатами, сопоставимыми с результатами лучших доступных сегодня гомогенизаторов высокого давления, например с клапанами с дроссельными отверстиями. Помимо высокой эффективности непрерывного эмульгирования, ультразвуковые аппараты Hielscher требуют минимального технического обслуживания и очень просты в эксплуатации и очистке. Ультразвук действительно способствует очистке и промывке. Ультразвуковая мощность регулируется и может быть адаптирована к конкретным продуктам и требованиям эмульгирования. Также доступны специальные реакторы с проточными ячейками, соответствующие повышенным требованиям CIP (безразборная мойка) и SIP (стерилизация на месте).

Часто задаваемые вопросы о липосомах

Какие типы липосом различают?

Липосомы классифицируют на различные типы в зависимости от их размера и количества содержащихся в них бислоев. Эти категории включают:

• Малые униламеллярные везикулы (SUV): Это самые маленькие липосомы с одним липидным бислоем.
• Большие униламеллярные везикулы (LUV): Они крупнее SUV и также имеют один бислой.
• Мультиламеллярные везикулы (MLV): Они содержат несколько концентрических бислоев.
• Мультивезикулярные везикулы (MVV): Они состоят из нескольких более мелких везикул внутри более крупной везикулы.

 
Другие специализированные типы включают:

• ПЭГилированные липосомы: Липосомы, модифицированные полиэтиленгликолем (PEG) для повышения стабильности и увеличения времени циркуляции.
• Нанолипосомы: Очень маленькие липосомы, обычно используемые для адресной доставки лекарственных препаратов.

Какие везикулярные структуры могут иметь липосомы?

В зависимости от везикулярной структуры липосомы дополнительно подразделяют на семь основных типов:

• Большие мультиламеллярные везикулы (MLV): Содержат несколько бислоев.
• Олиголамеллярные везикулы (OLV): Имеют небольшое число бислоев.
• Малые униламеллярные везикулы (SUV): Самые маленькие, с одним бислоем.
• Униламеллярные везикулы среднего размера (MUV): Промежуточного размера, с одним бислоем.
• Большие униламеллярные везикулы (LUV): Более крупные, с одним бислоем.
• Гигантские униламеллярные везикулы (GUV): Очень крупные, с одним бислоем.
• Мультивезикулярные везикулы (MVV): Несколько везикул внутри одной большой везикулы.

В чем различия между липосомами и ниосомами?

Липосомы и ниосомы различаются главным образом по составу:
Липосомы: Состоят из двухцепочечных фосфолипидов, которые могут быть нейтральными или заряженными.
Ниосомы: Состоят из незаряженных одноцепочечных поверхностно-активных веществ и холестерина.
Обе структуры формируются при обработке ультразвуком, которая способствует сборке везикул с бислойной мембраной.

Каков идеальный размер липосомы?

Для доставки терапевтических веществ идеальный размер липосомы теоретически составляет от 50 до 200 нанометров в диаметре. Этот диапазон размеров оптимизирует стабильность и биодоступность. Обработку ультразвуком обычно используют для уменьшения везикулы до желаемого размера.

Могут ли липосомы переносить гидрофильные лекарственные вещества?

Да, липосомы могут переносить гидрофильные лекарственные вещества. В биомедицине их ценят за способность инкапсулировать как гидрофобные, так и гидрофильные вещества. Кроме того, они обладают высокой биосовместимостью и биоразлагаемостью, что делает их эффективными системами доставки.

Как получить липосомы?

Наиболее распространенными способами получения липосом являются метод тонкой пленки и метод обращенно-фазового испарения.
Метод гидратации тонкой пленки:

1. Растворите липиды в органическом растворителе.
2. Испарите растворитель, чтобы сформировать тонкую липидную пленку.
3. Гидратируйте пленку водным раствором с применением обработки ультразвуком для образования мультиламеллярных везикул.

Метод обращенно-фазового испарения:

1. Растворите липиды в воде и этаноле.
2. Обрабатывайте раствор ультразвуком при 60°C в течение примерно 10 минут, чтобы получить липидную пасту.
3. Охладите липидную суспензию и добавляйте воду или буферный раствор по каплям при перемешивании.
4. Гидратируйте суспензию в течение 1 часа для образования мультиламеллярных везикул.
5. Уменьшите размер липосом посредством дальнейшей обработки ультразвуком.

Что такое археосомы?

Археосомы – это липосомы, полученные из липидов архей, которые известны своей стабильностью и устойчивостью к экстремальным условиям. Эти свойства делают археосомы особенно полезными для доставки лекарственных препаратов и разработки вакцин в сложных условиях.

Как получают археосомы?

Процедура обработки ультразвуком по Pise (2022): Археосомы могут быть получены из фракции полярных липидов «PLF» Sulfolobussolfataricus путем обработки ультразвуком при 60°C без необходимости дополнительного внесения липидов извне. При 0°C полярные липиды Sulfolobusacidocaldarius эффективно обрабатывали ультразвуком для формирования археосом. Археосомы, загруженные BMD, и обычные липосомы, а также липиды архей, выделенные из Archaea H. salinarum и обогащенные фосфатидилхолином, получали с применением методов обработки ультразвуком. Везикулы, обработанные ультразвуком, создавали для местной доставки путем обработки дисперсий MLV ультразвуком при амплитуде 80 процентов в течение 4 минут с помощью ультразвукового аппарата зондового типа Hielscher UP50H (см. изображение слева).

Литература / Ссылки

• Raquel Martínez-González, Joan Estelrich, Maria Antònia Busquets (2016): Liposomes Loaded with Hydrophobic Iron Oxide Nanoparticles: Suitable T2 Contrast Agents for MRI. International Journal of Molecular Science 2016.
• Zahra Hadian, Mohammad Ali Sahari, Hamid Reza Moghimi; Mohsen Barzegar (2014): Formulation, Characterization and Optimization of Liposomes Containing Eicosapentaenoic and Docosahexaenoic Acids; A Methodology Approach. Iranian Journal of Pharmaceutical Research (2014), 13 (2): 393-404.
• Joanna Kopecka, Giuseppina Salzano, Ivana Campia, Sara Lusa, Dario Ghigo, Giuseppe De Rosa, Chiara Riganti (2014): Insights in the chemical components of liposomes responsible for P-glycoprotein inhibition. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2013.
• Pise, Ganesh (2022): Archaeosomes for both cell-based delivery applications and drug-based delivery applications. Journal of Medical Pharmaceutical and Allied Sciences 11, 2022. 4995-5003.