Ultrazvukové zrážanie superčastíc kurkumínu
- Keďže kurkuma obsahuje iba 2–9 hmotnostných % kurkuminoidov, na získanie prášku s výrazným liečivým účinkom je potrebná účinná extrakčná alebo syntetická technika.
- Ultrazvukom podporované zrážanie antisolventom je vysoko účinná metóda syntézy častíc kurkumínu.
- Ultrazvukové zrážanie antisolventom možno ľahko preniesť do väčšej mierky na výrobu veľkých množstiev vysokokvalitného kurkumínu.
Kurkumín
Kurkumín je polyfenol a liečivo slabo rozpustné vo vode, ktoré sa nachádza v rastlinnom korení kurkuma (Curcuma longa). Obsahuje veľmi účinné antioxidanty a je známy svojimi protizápalovými, protirakovinovými, protiplesňovými a antimikrobiálnymi vlastnosťami. Najmä pre široké spektrum chemopreventívnych a chemoterapeutických účinkov sa kurkumín používa ako preferovaná liečivá látka.
Ako silný antioxidant kurkumín zvyšuje aktivitu antioxidantov v sére, napríklad superoxiddismutázy (SOD), a zachytáva a neutralizuje voľné radikály, napríklad reaktívne formy kyslíka a dusíka (ROS a RNS). Okrem toho zvyšuje aktivitu telu vlastných antioxidačných enzýmov. Kurkumín je tiež známy tým, že znižuje výskyt srdcových ochorení a zlepšuje funkciu mozgu. Vďaka týmto rozmanitým priaznivým liečivým vlastnostiam sa kurkumín široko používa ako korenie, výživový doplnok a liečivo.
Ultrazvukové zrážanie kvapalným antisolventom
Ultrazvukom podporované zrážanie kvapalným antisolventom (LAS) je jednoduchá a rýchla technika syntézy v jednej nádobe na výrobu nanočastíc kurkumínu s ortorombickou superštruktúrou. Ultrazvukové zrážanie antisolventom je jednoduchý, rýchly proces, ktorý možno preniesť do väčšej mierky a ktorý umožňuje zrážanie vysokokvalitného kurkumínu vo farmaceutickom a potravinárskom priemysle.
Predpokladaný mechanizmus tvorby superčastíc kurkumínu bez ultrazvuku a v jeho prítomnosti, bez stabilizátorov. Obrázok © 2014 Thorat et al.
Protokol ultrazvukového zrážania:
Pri ultrazvukovom zrážaní častíc kurkumínu sa organický roztok kurkumínu v etanole (5 mg/mL) pridáva do 100mL vody obsahujúcej povrchovo aktívnu látku (0,02 hmotnostného % vo vode) alebo bez povrchovo aktívnej látky. Ako reakčná nádoba sa používa sklenená nádoba s plášťom s objemom približne 500mL, priemerom 7cm a pomerom L/D 1,7. Teplota zmesi sa nepretržite udržiava na 1ºC. Pri ultrazvukovom zrážaní sa sonotróda ultrazvukového homogenizátora, ako je UP200Ht alebo UP200St vybavený sonotródou S26d14, ponorí do zmesi rozpúšťadla a antisolventu. Pri nastavení amplitúdy na 100% a sonikácii počas 10min. sa zmes disperguje.
Čas sonikácie umožňuje ovplyvňovať polymorfizmus kryštálov kurkumínu. Pri predĺžení sonikácie sa zvyšuje percentuálny podiel ortorombických častíc. To naznačuje, že zvýšenie ultrazvukovej energie podporuje tvorbu ortorombickej formy oproti monoklinickej forme bez ohľadu na použitú prísadu.
[porov. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultrazvukový procesor na zrážanie účinných farmaceutických látok (API)
Zlepšená biologická dostupnosť vďaka ultrazvukovej enkapsulácii
Keďže kurkumín je lipofilná molekula a je slabo rozpustný vo vode (= hydrofóbny), má nízku systémovú biologickú dostupnosť. Preto je potrebné pripraviť formulácie kurkumínu, ktoré zvyšujú jeho biologickú dostupnosť. Pri príprave vodných roztokov kurkumínu sa pridávajú povrchovo aktívne látky, lipidy, albumíny, cyklodextríny, biopolyméry atď., aby sa molekuly kurkumínu enkapsulovali alebo začlenili do lipozómov, nanočastíc a iných nosičov liečiv.
Pôsobenie ultrazvuku je vysoko účinná a spoľahlivá technika na prípravu nosičov liečiv, ako sú lipozómy, jadrovo-obalové nanočastice, biopolyméry a dvojité emulzie! Nižšie nájdete príklad protokolu ultrazvukovej enkapsulácie kurkumínu.
Protokol ultrazvukovej enkapsulácie kurkumínu:
Nanočastice kopolyméru kyseliny mliečnej a glykolovej (PLGA) s obsahom kurkumínu
- Najprv sa polymér PLGA rozpustí v etylacetáte. Pridá sa kurkumín (15% w/w) a nechá sa rozpustiť, pričom sa roztok prerušovane premiešava na vortexovom miešadle.
- Zmes tuhej látky v oleji sa pridá do vodnej fázy PVA (w/v), čím sa vytvorí emulzia S-O/W. Potom sa roztok liečiva/polyméru v PVA premiešava na vortexovom miešadle pri 8 000 ot./min.
- Výsledný roztok sa sonikuje približne 300sec pri 45% amplitúde ultrazvukovým homogenizátorom, ako je UP200Ht alebo UP200St (200W, 26kHz). Ihneď po sonikácii sa emulzia naleje do vodnej fázy (0,1% PVA vo vode; 200mL), aby prebehla difúzia za intenzívneho miešania magnetickým miešadlom.
- Táto koloidná suspenzia sa nepretržite mieša magnetickým miešadlom, kým sa rozpúšťadlo úplne neodparí. Potom sa nanočastice oddelia centrifugáciou a 3-krát sa premyjú destilovanou vodou Milli Q. Nakoniec sa resuspendujú v roztoku kryoprotektantov (sacharóza (2 %w/w) a trehalóza (5% w/w)), vysušia sa v lyofilizačnom systéme ATR FD3.0 a môžu sa skladovať pri 4°C najmenej 6 mesiacov.
[porov. Ranjan et al. 2012]
Ultrazvukové procesory na precipitáciu a formuláciu kurkumínu
Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na syntézu nanočastíc (napr. účinných farmaceutických látok) a extrakciu rastlinných zlúčenín. Náš sortiment zahŕňa sofistikované laboratórne, stolové a priemyselné ultrazvukové zariadenia, ktoré umožňujú vývoj aplikácií od malého až po komerčné meradlo. Všetky výsledky získané pri laboratórnych a poloprevádzkových skúškach možno plne lineárne preniesť na úroveň komerčnej výroby. Všetky systémy sú skonštruované na prevádzku 24/7, sú robustné a ľahko sa používajú.
Séria UIPxxxxhdT zahŕňa naše ultrazvukové systémy priemyselnej triedy, ktoré možno používať v stolových zostavách, na optimalizáciu procesov a v priemyselnej výrobe. Naše priemyselné systémy sú dostupné vo variantoch 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) a 16 000W (UIP16000, najvýkonnejšie ultrazvukové zariadenie na svete). Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics môžu pracovať nepretržite 24/7 pri veľmi vysokých amplitúdach až do 200µm. Pre ešte vyššie amplitúdy ponúka Hielscher ultrazvukové sonotródy na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje spoľahlivú nepretržitú prevádzku pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Pre všetky naše ultrazvukové systémy ponúkame široké spektrum príslušenstva, ako sú sonotródy, zosilňovače amplitúdy, prietokové cely a reaktory rôznych veľkostí, tvarov a geometrií. Pomocou tohto príslušenstva možno naše ultrazvukové procesory ľahko optimálne prispôsobiť požadovaným procesným podmienkam.
Na precipitáciu a syntézu zdola nahor ponúka Hielscher jedinečnú vložku do prietokovej cely – MultiPhaseCavitator MPC48. Pomocou zariadenia MultiPhaseCavitator sa druhá fáza (antirozpúšťadlo) vstrekuje cez 48 jemných kanýl priamo do zóny ultrazvukovej kavitácie, kde sa v priebehu milisekúnd premieša s prvou fázou. Výsledkom je precipitácia homogénnych nanočastíc.
Výkonná sonikácia od laboratórnych a stolových zostáv až po priemyselnú výrobu.
Literatúra / referencie
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumín: Prehľad jeho účinkov na ľudské zdravie. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Mechanizmy tvorby častíc a polymorfizmus kurkumínu vyvolané ultrazvukom a prísadami počas precipitácie kvapalným antirozpúšťadlom. CrystEngComm, 2014, 16, 11102–11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Zväčšenie výrobného meradla, optimalizácia a analýza stability nanočastíc s obsahom komplexu Curcumin C3 na liečbu rakoviny. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Užitočné fakty
Kurkumín
Kurkumín je žltá chemická zlúčenina nachádzajúca sa v kurkume. Kurkuma je podzemkatá bylinná trvalka (Curcuma longa) z čeľade ďumbierovitých. Kurkumín je polyfenol, ktorý sa extrahuje z podzemkov a vo veľkej miere sa používa ako korenie. V závislosti od pôvodu a pôdnych podmienok, v ktorých sa pestuje, obsahuje kurkuma 2%–9% kurkuminoidov. Kurkumín je hlavným kurkuminoidom kurkumy (Curcuma longa, Zingiberaceae). Používa sa ako výživový doplnok, liečivá látka, prísada na ochucovanie a farbenie potravín, ako aj kozmetická zložka.
Purifikovaná forma kurkumínu, ktorá pozostáva iba z nasledujúcich troch hlavných zložiek – kurkumínu, bisdemetoxykurkumínu a demetoxykurkumínu – sa označuje aj ako komplex kurkumínu C3. Čistý kurkumín možno oddeliť zo zmesi C3 obsahujúcej kurkumín, bisdemetoxykurkumín a demetoxykurkumín pomocou stĺpcovej chromatografie.
Z hľadiska farmakologických vlastností má čistý, nemodifikovaný kurkumín zásadný problém: pre svoju nízku rozpustnosť vo vode a s tým súvisiacu nízku biologickú dostupnosť nemôže nemodifikovaný kurkumín rozvinúť svoje terapeutické účinky, ale rýchlo sa metabolizuje v pečeni a črevnej stene. Na prekonanie nízkej miery vstrebávania kurkumínu sa aktívne molekuly enkapsulujú do nanonosičov (napr. lipozómov, nanosfér) alebo sa naviažu na nanokomplexy (napr. nanočastice, komplexy fosfolipidov, cyklodextrínov a tuhé disperzie). Okrem toho možno biologickú dostupnosť kurkumínu zvýšiť približne o 2000%, keď sa jeho dávka kombinuje s piperínom, ktorý je extraktom z čierneho korenia.
Vzhľadom na tieto skutočnosti je kurkumín v nanoformulácii (nanokurkumín) preferovanou liekovou formou kurkumínu, pretože kurkumín v nanoforme prekonáva vyššie uvedené problémy s dodávaním liečiva. Nanokurkumín môže rozvinúť svoje terapeutické vlastnosti vďaka lepšiemu dodávaniu do chorého tkaniva, lepšej internalizácii a zníženej systémovej eliminácii.
Kurkumín je dostupný vo viacerých formách podávania vrátane práškov, kapsúl, tabliet, mastí, výživových nápojov a kozmetických krémov.
Medicínske využitie kurkumínu
Kurkumín bol predmetom rozsiahleho výskumu pre svoje rozmanité formy využitia v medicíne a výžive. Výskum ukázal, že kurkumín má vysokú antioxidačnú aktivitu, ktorá indukuje apoptózu buniek, inhibuje proliferáciu buniek, pôsobí proti adhézii a motilite buniek a vykazuje antiangiogénne a antimikrobiálne vlastnosti. Vďaka týmto účinkom sa kurkumín používa ako liečivo na liečbu rôznych zápalových ochorení, nádorových ochorení, neurodegeneratívnych ochorení, kardiovaskulárnych ochorení, ako aj cukrovky.
Ultrazvukom pripravené nanoformy na podávanie kurkumínu na liečebné účely zahŕňajú nanočastice, lipozómy, micely, nanoemulzie, cyklodextrínové komplexy, nanodisky, nanovlákna, tuhé lipidové nanočastice a konjugáty kurkumínu. Tieto liekové formy s nanometrovými rozmermi prekonávajú nízku biologickú dostupnosť kurkumínu a umožňujú cielené a účinné dodávanie vysoko účinného kurkumínového liečiva.
Chemická štruktúra kurkumínu
Kurkumín je symetrická molekula, známa aj ako diferuloylmetán. Názov kurkumínu podľa IUPAC je (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-metoxyfenyl)-1,6-heptadién-3,5-dión, s chemickým vzorcom C21H20O6. Kryštály kurkumínu sa môžu vyskytovať v rôznych tvaroch, napríklad v monoklinickej (ihlicovitej), ortorombickej (podobnej zrnku ryže) a amorfnej forme.