Ultraljudsbaserad formulering av nanostrukturerade lipidbärare för läkemedel

Nanostrukturerade lipidbärare (NLC) är en avancerad form av system för läkemedelstillförsel i nanostorlek med en lipidkärna och ett vattenlösligt skal. NLC har hög stabilitet, skyddar de aktiva biomolekylerna mot nedbrytning och ger en förlängd läkemedelsfrisättning. Ultraljudsbehandling är en tillförlitlig, effektiv och enkel teknik för att framställa laddade nanostrukturerade lipidbärare.

Framställning av nanostrukturerade lipidbärare med ultraljud

Nanostrukturerade lipidbärare (NLC) innehåller fast lipid, flytande lipid och ytaktivt ämne i ett vattenbaserat medium, vilket ger dem goda egenskaper vad gäller löslighet och biotillgänglighet. NLC används i stor utsträckning för att formulera stabila läkemedelsbärarsystem med hög biotillgänglighet och förlängd läkemedelsfrisättning. NLC har ett brett användningsområde som sträcker sig från oral till parenteral administrering och omfattar topikal/transdermal, oftalmisk (okulär) och pulmonell administrering.
Dispergering och emulgering med ultraljud är en tillförlitlig och effektiv teknik för att framställa nanostrukturerade lipidbärare laddade med aktiva föreningar. Framställning av NLC med ultraljud har den stora fördelen att varken organiska lösningsmedel, stora mängder ytaktivt ämne eller tillsatsämnen behövs. Formulering av NLC med ultraljud är en relativt enkel metod där den smältande lipiden tillsätts till lösningen av ytaktivt ämne och sedan ultraljudsbehandlas.

Exempel på protokoll för nanostrukturerade lipidbärare laddade med hjälp av ultraljud

Dexametasonladdade NLC genom ultraljudsbehandling
Ett icke-toxiskt NLC-system med potential för oftalmisk användning framställdes med ultraljudsbehandling, vilket resulterade i en snäv storleksfördelning, hög inkapslingseffektivitet för dexametason och förbättrad penetration. NLC-system framställdes med ultraljud med hjälp av Hielscher UP200S som ultraljudsapparat och med Compritol 888 ATO, Miglyol 812N och Cremophor RH60 som komponenter.
Den fasta lipiden, den flytande lipiden och det ytaktiva ämnet smältes med hjälp av en magnetomrörare med uppvärmning vid 85ºC. Därefter tillsattes dexametason till den smälta lipidblandningen och dispergerades. Det rena vattnet värmdes vid 85ºC och de två faserna ultraljudsbehandlades (vid 70% amplitud i 10 min) med Hielscher UP200S som ultraljudshomogenisator. NLC-systemet kyldes i ett isbad.
De NLC som framställts med ultraljud uppvisar en snäv storleksfördelning, hög inkapslingseffektivitet för DXM och förbättrad penetration.
Forskarna rekommenderar en låg koncentration av ytaktivt ämne och en låg lipidkoncentration (t.ex. 2,5% ytaktivt ämne och 10% total lipidhalt), eftersom de kritiska stabilitetsparametrarna (Z_ave, ZP, PDI) och läkemedelsladdningskapaciteten (EE%) då är lämpliga, samtidigt som emulgatorkoncentrationen kan hållas på låga nivåer.
(jfr Kiss et al. 2019)

Retinylpalmitatladdade NLC genom ultraljudsbehandling
Retinoider är vanligt förekommande ingredienser i dermatologiska behandlingar av rynkor. Retinol och retinylpalmitat är två föreningar i retinoidgruppen som har förmågan att öka epidermis tjocklek och är effektiva som medel mot rynkor.
NLC-formuleringen framställdes med ultraljudsbehandling. Formuleringen innehöll 7,2% cetylpalmitat, 4,8% oljesyra, 10% Tween 80, 10% glycerol och 2% retinylpalmitat. Följande steg utfördes för att framställa retinylpalmitatladdade NLC: Blandningen av smälta lipider blandas med det ytaktiva ämnet, det ytaktiva hjälpämnet, glycerol och avjoniserat vatten vid 60–70°C. Denna blandning omrörs med en högskjuvningsblandare vid 9800rpm i 5 min. När föremulsionen har bildats ultraljudsbehandlas den omedelbart med en ultraljudshomogenisator av sondtyp i 2 min. Därefter förvarades de erhållna NLC vid rumstemperatur i 24 h. Emulsionen förvarades vid rumstemperatur i 24 h och nanopartikelstorleken mättes. NLC-formuleringen uppvisade partikelstorlekar i intervallet 200–300nm. De erhållna NLC har ett blekgult utseende, en globulstorlek på 258±15,85 nm och ett polydispersitetsindex på 0,31±0,09. TEM-bilden nedan visar de retinylpalmitatladdade NLC som framställts med ultraljud.
(jfr Pamudji et al. 2015)

NLC laddade med Zingiber zerumbet genom ultraljudsbehandling
Nanostrukturerade lipidbärare består av en blandning av fast lipid, flytande lipid och tensid. De är utmärkta läkemedelsleveranssystem för att administrera bioaktiva ämnen med låg vattenlöslighet och avsevärt öka deras biotillgänglighet.
Följande steg utfördes för att formulera NLC laddade med Zingiber zerumbet. 1% fast lipid, dvs. glycerylmonostearat, och 4% flytande lipid, dvs. jungfrukokosolja, blandades och smältes vid 50°C för att erhålla en homogen, klar lipidfas. Därefter tillsattes 1% Zingiber zerumbet-olja till lipidfasen, medan temperaturen kontinuerligt hölls 10°C över glycerylmonostearatets smälttemperatur. För att bereda vattenfasen blandades destillerat vatten, Tween 80 och sojalecitin i rätt proportioner. Vattenblandningen tillsattes omedelbart till lipidblandningen för att bilda en föremulsionsblandning. Föremulsionen homogeniserades sedan med en homogenisator med hög skjuvning vid 11 000 rpm i 1 min. Därefter ultraljudsbehandlades föremulsionen med en ultraljudsapparat av sondtyp vid 50% amplitud i 20 min. Slutligen kyldes NLC-dispersionen i ett isvattenbad till rumstemperatur (25±1°C) för att snabbkyla suspensionen i det kalla badet och förhindra partikelaggregation. NLC-bärarna förvarades vid 4°C.
NLC-bärarna laddade med Zingiber zerumbet uppvisar en storlek i nanometer på 80,47±1,33, ett stabilt polydispersitetsindex på 0,188±2,72 och en zetapotential på -38,9±2,11. Inkapslingseffektiviteten visar lipidbärarens förmåga att kapsla in Zingiber zerumbet-olja med en effektivitet på mer än 80%.
(jfr Rosli et al. 2015)

NLC laddade med Valsaratan genom ultraljudsbehandling
Valsaratan är en angiotensin II-receptorblockerare som används i blodtryckssänkande läkemedel. Valsartan har en låg biotillgänglighet på endast cirka 23% på grund av sin låga vattenlöslighet. Genom att använda smältemulgering med ultraljud kunde NLC laddade med Valsaratan framställas med en avsevärt förbättrad biotillgänglighet.
Enkelt uttryckt blandades en oljelösning av Val med en viss mängd smält lipidmaterial vid en temperatur 10°C över lipidens smältpunkt. En vattenbaserad tensidlösning bereddes genom att lösa upp vissa mängder Tween 80 och natriumdeoxikolat. Tensidlösningen värmdes sedan till samma temperatur och blandades med den oljehaltiga lipid- och läkemedelslösningen genom ultraljudsbehandling med sond i 3 min. för att bilda en emulsion. Därefter dispergerades den bildade emulsionen i kylt vatten genom magnetomrörning i 10 min. De bildade NLC-bärarna separerades genom centrifugering. Prover togs från supernatanten och analyserades med avseende på koncentrationen av Val med en validerad HPLC-metod.
Smältemulgering med ultraljud har ett antal fördelar, bland annat enkelhet med minimalt påfrestande förhållanden och avsaknad av giftiga organiska lösningsmedel. Den högsta uppnådda inkapslingseffektiviteten var 75,04%
(jfr Albekery et al. 2017)

Även andra aktiva substanser såsom paklitaxel, klotrimazol, domperidon, puerarin och meloxikam införlivades framgångsrikt i fasta lipidnanopartiklar och nanostrukturerade lipidbärare med hjälp av ultraljudstekniker. (jfr Bahari och Hamishehkar 2016)

Ultraljudsbehandling som beredningsmetod för formulering av nanolipidbärare (NLC) kan användas som teknik för kall- eller varmhomogenisering. Ultraljudshomogenisering ger en snäv partikelstorleksfördelning, vilket förbättrar NLC-bärarnas stabilitet och lagringsegenskaper.

Kallhomogenisering med ultraljud

När kallhomogenisering används för att framställa nanostrukturerade lipidbärare löses de farmakologiskt aktiva molekylerna, dvs. läkemedlet, i lipidsmältan och kyls sedan snabbt med flytande kväve eller torris. Under kylningen stelnar lipiderna. Den fasta lipidmassan mals sedan till nanopartikelstorlek. Lipidnanopartiklarna dispergeras i en kall tensidlösning, vilket ger en kall försuspension. Slutligen ultraljudsbehandlas denna suspension vid rumstemperatur, ofta i en ultraljudsreaktor med flödescell.
Eftersom ämnena endast värms upp en gång i det första steget används kallhomogenisering med ultraljud främst för att formulera värmekänsliga läkemedel. Eftersom många bioaktiva molekyler och farmaceutiska föreningar är känsliga för termisk nedbrytning är kallhomogenisering med ultraljud en allmänt använd tillämpning. En ytterligare fördel med kallhomogeniseringstekniken är att en vattenfas undviks, vilket gör det lättare att kapsla in hydrofila molekyler som annars skulle kunna fördela sig från den flytande lipidfasen till vattenfasen under varmhomogenisering.

Varmhomogenisering med ultraljud

När ultraljudsbehandling används för varmhomogenisering dispergeras de smälta lipiderna och den aktiva föreningen (dvs. den farmakologiskt aktiva substansen) i en varm tensid under intensiv omrörning för att erhålla en föremulsion. För varmhomogeniseringsprocessen är det viktigt att båda lösningarna, lipid-/läkemedelssuspensionen och tensiden, har värmts upp till samma temperatur (cirka 5–10°C över den fasta lipidens smältpunkt). I det andra steget behandlas föremulsionen sedan med högpresterande ultraljud medan temperaturen bibehålls.

Högpresterande ultraljudsapparater för nanostrukturerade lipidbärare

Hielscher Ultrasonics kraftfulla ultraljudssystem används över hela världen inom farmaceutisk forskning, utveckling och produktion för att framställa högkvalitativa läkemedelsbärare i nanostorlek, såsom fasta lipidnanopartiklar (SLN), nanostrukturerade lipidbärare (NLC), nanoemulsioner och nanokapslar. För att uppfylla kundernas krav levererar Hielscher ultraljudsapparater från den kompakta men kraftfulla handhållna laboratoriehomogenisatorn och ultraljudsapparater för bänkbruk till helt industriella ultraljudssystem för produktion av stora volymer farmaceutiska formuleringar. Ett brett utbud av ultraljudssonotroder och reaktorer finns tillgängligt för att säkerställa en optimal utrustningskonfiguration för din produktion av nanostrukturerade lipidbärare (NLC). Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
För att våra kunder ska kunna uppfylla god tillverkningssed (GMP) och etablera standardiserade processer är alla digitala ultraljudsapparater utrustade med intelligent programvara för exakt inställning av ultraljudsparametern, kontinuerlig processtyrning och automatisk registrering av alla viktiga processparametrar på ett inbyggt SD-kort. Hög produktkvalitet är beroende av processtyrning och en genomgående hög standard på bearbetningen. Hielschers ultraljudsapparater hjälper dig att övervaka och standardisera din process!

Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: