Formulering av niosomer med ultraljud

Niosomer är vesiklar i nanostorlek som kan användas som bärare för läkemedel (t.ex. cancerläkemedel) och andra bioaktiva ämnen. Ultraljudsemulgering är en enkel och snabb metod för att formulera små niosomer med hög läkemedelsbelastning.

Niosomvesiklar som nanobärare för aktiva substanser

En niosom är en vesikel baserad på nonjoniska tensider, som vanligen bildas av en nonjonisk tensid med kolesterol införlivat som hjälpämne. Niosomer är mer motståndskraftiga mot kemisk nedbrytning eller oxidation och har lång lagringstid jämfört med liposomer. Tack vare de tensider som används vid framställningen av niosomer är de biologiskt nedbrytbara, biokompatibla och icke-immunogena. Niosomer är osmotiskt aktiva, kemiskt stabila och erbjuder längre lagringstid än liposomer. Beroende på storlek och lamellaritet finns olika framställningsmetoder tillgängliga, såsom ultraljudsbehandling, omvänd fasavdunstning, tunnfilmshydrering eller läkemedelsupptag med en transmembran pH-gradient. Framställning av niosomer med ultraljud är den föredragna tekniken för att producera unilamellära vesiklar som är små och har enhetlig storlek.

Formulering av niosomer med ultraljud

För att formulera niosomer måste en olja-i-vatten-emulsion (o/w) framställas av en organisk lösning av tensid och kolesterol samt en vattenlösning som innehåller den bioaktiva föreningen, dvs. läkemedlet. Ultraljudsemulgering är den överlägsna tekniken för att blanda oblandbara vätskor som olja och vatten. Genom att utsätta dropparna i båda faserna för skjuvning och bryta ned dem till nanostorlek erhålls en nanoemulsion. Därefter avdunstas det organiska lösningsmedlet, vilket ger niosomer laddade med terapeutiska substanser som är dispergerade i vattenfasen. Jämfört med mekanisk omrörning utmärker sig tekniken för formulering av niosomer med ultraljud genom att i en snabb process bilda niosomer med mindre genomsnittlig storlek och lägre polydispersitetsindex. Användning av mindre vesiklar är i allmänhet att föredra, eftersom de tenderar att undgå kroppens elimineringsmekanismer bättre än större partiklar och stannar längre i blodomloppet. (jfr Bragagni et al. 2014)
Läs mer om ultraljudsbehandling för förbättrade niosomformuleringar!

Protokoll för framställning av niosomer med ultraljud

Formulering av niosomer med ultraljudsbehandling har studerats ingående, och därför finns det många vetenskapligt validerade protokoll för produktion av niosomer med ultraljud.
Nedan finns en kort översikt över några formuleringsprotokoll för framställning och laddning av niosomer med ultraljudsbehandling.

Niosomer laddade med extrakt av Withania somnifera
Chinembiri et al. (2017) formulerade råextrakt av Withania somnifera i niosomer avsedda för topikal applicering. De bioaktiva föreningarna inkapslades genom lösningsmedelsinjektion. För detta omrördes den organiska fasen och vattenfasen kontinuerligt med magnetomrörare, och temperaturen hölls vid 60°C ± 2°C tills det organiska lösningsmedlet hade drivits av. Den resulterande formuleringen kyldes och ultraljudsbehandlades på is med ultraljudsapparaten Hielscher UP200ST. Niosomerna hade en genomsnittlig storlek på cirka 165,9 ± 9,4 och uppvisade hög inkapslingseffektivitet (EE%) för withanolid A.

Doxorubicinladdade niosomer
Niosomer av N-palmitoylglukosamin (Glu) laddade med doxorubicin, ett cancerläkemedel, framställdes genom att skaka en blandning av NPG (16 mg), Span 60 (65 mg), kolesterol (58 mg) och Solulan C24 (54 mg) i doxorubicinlösning (1,5 mg/ml, 2 ml, beredd i PBS) vid 90°C i 1 h, följt av ultraljudsbehandling med sond i 10 min (75% av max).
Vesiklar av palmitoylglykolkitosan (GCP) framställdes enligt tidigare beskrivning (11) genom ultraljudsbehandling med sond av glykolkitosan (10 mg) och kolesterol (4 mg) i doxorubicinlösning (1,5 mg/ml). (Dufes et al. 2004)

Alternativa metoder för framställning av niosomer

Alternativa metoder för formulering av niosomer, såsom omvänd fasavdunstning eller läkemedelsupptag via en transmembran pH-gradient, innefattar tillförsel av ultraljudsenergi. Båda teknikerna används främst för att formulera multilamellära vesiklar (MLV). Nedan följer en kort beskrivning av båda teknikerna och det ingående ultraljudsbehandlingssteget.

Ultraljudsbehandling vid framställning av niosomer genom omvänd fasavdunstning

Vid metoden med omvänd fasavdunstning (REV) löses komponenterna i niosomformuleringen i en blandning av eter och kloroform och tillsätts till vattenfasen, som innehåller läkemedlet. Ultraljudsemulgering används för att omvandla blandningen till en findroppig emulsion. Därefter indunstas den organiska fasen. De niosomer som erhålls när det organiska lösningsmedlet avdunstar är stora unilamellära vesiklar.

Läkemedelsupptag via en transmembran pH-gradient

Vid läkemedelsupptag via en transmembran pH-gradient (sur insida), med fjärrinlastning, löses tensid och kolesterol i kloroform. Lösningsmedlet avdunstas sedan under vakuum så att en tunn film bildas på rundkolvens vägg. Filmen hydratiseras med 300 mM citronsyra (pH 4,0) genom att suspensionen vortexblandas. De multilamellära vesiklarna fryses och tinas tre gånger och ultraljudsbehandlas därefter med en ultraljudsapparat av sondtyp. Till denna niosomsuspension tillsätts en vattenlösning som innehåller 10 mg/ml läkemedel, varefter blandningen vortexblandas. Provets pH höjs sedan till pH 7,0–7,2 med 1M dinatriumfosfat. Därefter värms blandningen till 60°C i 10 minuter. Denna teknik ger multilamellära vesiklar. (jfr Kazi et al. 2010)

Storleksreduktion av niosomer med ultraljud

Niosomer ligger vanligtvis inom storleksintervallet 10nm till 1000nm. Beroende på framställningstekniken är niosomer ofta relativt stora och tenderar att bilda aggregat. Specifika niosomstorlekar är dock en viktig faktor för den avsedda typen av leveranssystem. Exempelvis är en mycket liten niosomstorlek i nanometerområdet lämpligast för systemisk läkemedelsleverans, där läkemedlet måste transporteras genom cellmembran för att nå målplatsen i cellen, medan större niosomer rekommenderas för intramuskulär och intrakavitär läkemedelsleverans eller oftalmiska tillämpningar. Storleksreduktion av niosomer med ultraljud är ett vanligt steg vid framställning av mycket potenta niosomer. Ultraljudets skjuvkrafter bryter upp agglomerat och dispergerar niosomerna till monodispersa nanoniosomer.

Protokoll – Storleksreduktion av LipoNiosomes med ultraljud

Naderinezhad et al. (2017) formulerade biokompatibla LipoNiosomes (en kombination av niosom och liposom) innehållande Tween 60: kolesterol: DPPC (i förhållandet 55 : 30 : 15 : 3) med 3% DSPE-mPEG. För att minska storleken på de framställda LipoNiosomes ultraljudsbehandlade de suspensionen efter hydratisering i 45 min (15 sekunder på och 10 sekunder av, amplitud 70% vid 100 watt) för att minimera partikelaggregation med hjälp av ultraljudshomogenisatorn UP200St (Hielscher Ultrasonics GmbH, Tyskland). För metoden med pH-gradient hydratiserades de torkade filmerna av CUR, tensider och lipider med 1300 mL ammoniumsulfat (pH 1⁄4 4) vid 63 C i 47 min. Därefter ultraljudsbehandlades nanopartiklarna över ett isbad för att producera små vesiklar.

Ultraljudsapparater för framställning av niosomer

Hielscher Ultrasonic har lång erfarenhet av konstruktion, tillverkning, distribution och service av högpresterande ultraljudshomogenisatorer för läkemedels-, livsmedels- och kosmetikindustrin.
Framställning av högkvalitativa niosomer, liposomer, fasta lipidnanopartiklar, polymera nanopartiklar, cyklodextrinkomplex och andra nanostrukturerade läkemedelsbärare är processer där Hielschers ultraljudsapparater utmärker sig genom sin höga tillförlitlighet, konstanta uteffekt och precisa reglerbarhet. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör exakt kontroll av alla processparametrar, såsom amplitud, temperatur, tryck och ultraljudsenergi. Den intelligenta programvaran loggar automatiskt alla ultraljudsparametrar (tid, datum, amplitud, nettoenergi, total energi, temperatur, tryck) på det inbyggda SD-kortet.
Hielschers robusta ultraljudsapparater möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: