Ultrazvočno obarjanje superdelcev kurkumina
- Ker kurkuma vsebuje le 2–9 wt% kurkuminoidov, je za pridobivanje praška z močnim zdravilnim učinkom potrebna učinkovita tehnika ekstrakcije ali sinteze.
- Ultrazvočno podprto obarjanje z antitopilom je zelo učinkovita metoda za sintezo delcev kurkumina.
- Ultrazvočno obarjanje z antitopilom je mogoče preprosto prenesti v večje merilo za proizvodnjo velikih količin visokokakovostnega kurkumina.
Kurkumin
Kurkumin je polifenol in v vodi slabo topna zdravilna učinkovina, ki jo najdemo v rastlinski začimbi kurkumi (Curcuma longa). Vsebuje zelo močne antioksidante in je znan po svojih protivnetnih, protirakavih, protiglivičnih in protimikrobnih lastnostih. Zlasti zaradi širokega spektra kemopreventivnega in kemoterapevtskega delovanja se kurkumin uporablja kot prednostna zdravilna učinkovina.
Kot močan antioksidant kurkumin povečuje serumsko aktivnost antioksidantov, kot je superoksid dismutaza (SOD), ter lovi in nevtralizira proste radikale, kot so reaktivne kisikove in dušikove zvrsti (ROS in RNS). Poleg tega povečuje aktivnost telesu lastnih antioksidativnih encimov. Kurkumin je znan tudi po tem, da zmanjšuje srčna obolenja in izboljšuje delovanje možganov. Zaradi teh številnih koristnih zdravilnih lastnosti se kurkumin pogosto uporablja kot začimba, prehransko dopolnilo in zdravilo.
Ultrazvočno obarjanje s tekočim antitopilom
Ultrazvočno podprto obarjanje s tekočim antitopilom (LAS) je preprosta in hitra tehnika sinteze v eni posodi za proizvodnjo nanodelcev kurkumina z ortorombsko superstrukturo. Ultrazvočno obarjanje z antitopilom je preprost, hiter postopek, ki ga je mogoče prenesti v večje merilo in omogoča obarjanje visokokakovostnega kurkumina v farmacevtski in živilski industriji.
Predpostavljeni mehanizem nastajanja superdelcev kurkumina brez ultrazvoka in ob njegovi prisotnosti, brez stabilizatorjev. Slika © 2014 Thorat et al.
Protokol ultrazvočnega obarjanja:
Za ultrazvočno obarjanje delcev kurkumina se organska raztopina kurkumina v etanolu (5 mg/mL) doda v 100mL vode, ki vsebuje površinsko aktivno snov (0,02 wt% v vodi), ali v vodo brez površinsko aktivne snovi. Kot reakcijska posoda se uporablja steklena posoda s plaščem s prostornino približno 500mL, premerom 7cm in razmerjem L/D 1,7. Temperatura zmesi se stalno vzdržuje pri 1ºC. Za postopek ultrazvočnega obarjanja se sonotroda ultrazvočnega homogenizatorja, kot je UP200Ht ali UP200St , opremljenega s sonotrodo S26d14, potopi v zmes topila in antitopila. Pri nastavitvi amplitude na 100% in 10min. sonikacije se zmes dispergira.
Čas sonikacije omogoča uravnavanje polimorfizma kristalov kurkumina. S podaljševanjem sonikacije se povečuje delež ortorombskih delcev. To kaže, da povečanje ultrazvočne energije spodbuja nastajanje ortorombske oblike v primerjavi z monoklinsko obliko, ne glede na uporabljeni dodatek.
[prim. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultrazvočni procesor za obarjanje aktivnih farmacevtskih učinkovin (API)
Izboljšana biološka uporabnost z ultrazvočno enkapsulacijo
Ker je kurkumin lipofilna molekula in je v vodi slabo topen (= hidrofoben), ima nizko sistemsko biološko uporabnost. Zato je treba pripraviti formulacije kurkumina, ki povečajo njegovo biološko uporabnost. Za pripravo vodnih raztopin kurkumina se dodajajo površinsko aktivne snovi, lipidi, albumini, ciklodekstrini, biopolimeri itd., da se molekule kurkumina enkapsulirajo ali vključijo v liposome, nanodelce in druge nosilce zdravilnih učinkovin.
Sonikacija je zelo učinkovita in zanesljiva tehnika za pripravo nosilcev zdravilnih učinkovin, kot so liposomi, nanodelci s strukturo jedro–lupina, biopolimeri in dvojne emulzije! Spodaj je primer protokola za ultrazvočno enkapsulacijo kurkumina.
Protokol ultrazvočne enkapsulacije kurkumina:
Nanodelci kopolimera mlečne in glikolne kisline (PLGA) s kurkuminom
- Najprej se polimer PLGA raztopi v etil acetatu. Doda se kurkumin (15% w/w), ki se raztaplja ob občasnem vrtinčnem mešanju raztopine.
- Zmes trdne snovi v olju se doda v vodno fazo PVA (w/v), da nastane emulzija S-O/W. Nato se raztopina zdravilne učinkovine/polimera v PVA vrtinčno meša pri 8.000 rpm.
- Dobljena raztopina se sonificira približno 300sec pri 45% amplitudi z ultrazvočnim homogenizatorjem, kot je UP200Ht ali UP200St (200W, 26kHz). Takoj po sonikaciji se emulzija vlije v vodno fazo (0,1% PVA v vodi; 200mL), da poteče difuzija ob hitrem mešanju z magnetnim mešalom.
- Ta koloidna suspenzija se neprekinjeno meša z magnetnim mešalom, dokler topilo v celoti ne izhlapi. Nato se nanodelci zberejo s centrifugiranjem in 3-krat sperejo z destilirano vodo Milli Q. Nazadnje se ponovno suspendirajo v raztopini krioprotektantov (saharoza (2 %w/w) in trehaloza (5% w/w)), posušijo v sistemu za liofilizacijo ATR FD3.0 in se lahko hranijo pri 4°C vsaj 6 mesecev.
[prim. Ranjan et al. 2012]
Ultrazvočni procesorji za obarjanje in formulacijo kurkumina
Hielscher Ultrasonics ponuja visokozmogljivo ultrazvočno opremo za sintezo nanodelcev (npr. aktivnih farmacevtskih učinkovin) in ekstrakcijo rastlinskih spojin. Naš nabor izdelkov vključuje napredne laboratorijske, namizne in industrijske ultrazvočne naprave, kar omogoča razvoj aplikacij od majhnega do komercialnega merila. Vse rezultate laboratorijskih in pilotnih preizkusov je mogoče povsem linearno prenesti na raven komercialne proizvodnje. Vsi sistemi so izdelani za delovanje 24/7, so robustni in preprosti za uporabo.
Serija UIPxxxxhdT vključuje naše industrijske ultrazvočne sisteme, ki se lahko uporabljajo za delo v namiznem merilu, optimizacijo procesov in industrijsko proizvodnjo. Naši industrijski sistemi so na voljo kot 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) in 16.000W (UIP16000, najmočnejša ultrazvočna naprava na svetu). Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko neprekinjeno delujejo 24/7 pri zelo visokih amplitudah do 200µm. Za še višje amplitude Hielscher ponuja prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča zanesljivo celodnevno delovanje pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Za vse naše ultrazvočne sisteme ponujamo širok nabor dodatne opreme, kot so sonotrode, ojačevalni rogovi, pretočne celice in reaktorji različnih velikosti, oblik in geometrij. S temi pripomočki je mogoče naše ultrazvočne procesorje preprosto in optimalno prilagoditi zahtevanim procesnim pogojem.
Za obarjanje in sintezo od spodaj navzgor Hielscher ponuja edinstven vložek za pretočno celico – MultiPhaseCavitator MPC48. Z napravo MultiPhaseCavitator se druga faza (antitopilo) skozi 48 tankih kanil vbrizga neposredno v območje ultrazvočne kavitacije, kjer se v nekaj milisekundah vmeša v prvo fazo. Tako se oborijo homogeni nanodelci.
Zmogljiva sonikacija od laboratorijskega in namiznega merila do industrijske proizvodnje.
Literatura/viri
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumin: pregled njegovih učinkov na zdravje ljudi. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Poti nastajanja delcev in polimorfizem kurkumina, ki ju povzročajo ultrazvok in dodatki med obarjanjem s tekočim antitopilom. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102–11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Prenos v večje merilo, optimizacija in analiza stabilnosti nanodelcev s kompleksom kurkumina C3 za zdravljenje raka. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Koristna dejstva
Kurkumin
Kurkumin je rumeno obarvana kemična spojina, ki jo najdemo v kurkumi. Kurkuma je zelnata trajnica s koreniko (Curcuma longa) iz družine ingverjevk. Kurkumin je polifenol, ki se pridobiva iz korenik in se pogosto uporablja kot začimba. Glede na izvor in razmere v tleh, kjer raste, kurkuma vsebuje 2%–9% kurkuminoidov. Kurkumin je glavni kurkuminoid kurkume (Curcuma longa, Zingiberaceae). Uporablja se kot prehransko dopolnilo, zdravilna spojina, dodatek za aromatiziranje in barvanje živil ter kozmetična sestavina.
Prečiščena oblika kurkumina, ki je sestavljena samo iz naslednjih treh glavnih sestavin – kurkumina, bisdemetoksikurkumina in demetoksikurkumina – se imenuje tudi kompleks kurkumina C3. Čisti kurkumin je mogoče s kolonsko kromatografijo ločiti iz zmesi C3, ki vsebuje kurkumin, bisdemetoksikurkumin in demetoksikurkumin.
Glede farmakoloških lastnosti ima čisti, nemodificirani kurkumin veliko težavo: zaradi slabe topnosti v vodi in posledično slabe biološke uporabnosti nemodificirani kurkumin ne more razviti svojih terapevtskih učinkov, temveč se hitro presnovi v jetrih in črevesni steni. Za premagovanje nizke stopnje absorpcije kurkumina se aktivne molekule enkapsulirajo v nanonosilce (npr. liposome, nanosfere) ali vključijo v nanokomplekse (npr. nanodelce, komplekse fosfolipidov, ciklodekstrine in trdne disperzije). Poleg tega se lahko biološka uporabnost kurkumina poveča za približno 2000%, kadar se njegov odmerek kombinira s piperinom, ki je izvleček črnega popra.
Zaradi teh dejstev je kurkumin v nanoformulaciji (nanokurkumin) prednostna farmacevtska oblika kurkumina, saj kurkumin v nanoobliki premaga prej omenjene težave z dostavo zdravilne učinkovine. Nanokurkumin lahko razvije svoje terapevtske lastnosti zaradi izboljšane dostave do obolelega tkiva, boljšega privzema v celice in zmanjšanega sistemskega izločanja.
Kurkumin je na voljo v različnih oblikah za dajanje, vključno s praški, kapsulami, tabletami, mazili, prehranskimi napitki in kozmetičnimi kremami.
Medicinska uporaba kurkumina
Kurkumin je bil obsežno raziskan zaradi številnih načinov uporabe v medicini in prehrani. Raziskave so pokazale, da ima kurkumin visoko antioksidativno aktivnost, ki sproža apoptozo celic, zavira proliferacijo, adhezijo in gibljivost celic ter zagotavlja antiangiogene in protimikrobne lastnosti. Zaradi teh učinkov se kurkumin uporablja kot zdravilo za zdravljenje različnih vnetnih bolezni, rakavih obolenj, nevrodegenerativnih bolezni, srčno-žilnih bolezni in sladkorne bolezni.
Ultrazvočno pripravljene nanooblike za dajanje kurkumina za medicinsko zdravljenje vključujejo nanodelce, liposome, micele, nanoemulzije, komplekse s ciklodekstrini, nanodiske, nanovlakna, trdne lipidne nanodelce in konjugate kurkumina. Te farmacevtske oblike nanovelikosti premagajo slabo biološko uporabnost kurkumina ter omogočajo ciljno in učinkovito dostavo zelo močne zdravilne učinkovine kurkumina.
Kemijska struktura kurkumina
Kurkumin je simetrična molekula, znana tudi kot diferuloilmetan. Ime kurkumina po IUPAC je (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, njegova kemijska formula pa je C21H20O6. Kristali kurkumina se lahko pojavljajo v različnih oblikah, kot so monoklinska (igličasta), ortorombska (podobna riževemu zrnu) in amorfna oblika.