Ultraljudsutfällning av kurkuminsuperpartiklar
- Eftersom gurkmeja endast innehåller 2-9 wt% kurkuminoider behövs en effektiv extraktions- eller syntesteknik för att erhålla ett medicinskt potent pulver.
- Ultraljudsassisterad utfällning med antilösningsmedel är en mycket effektiv metod för att syntetisera kurkuminpartiklar.
- Ultraljudsutfällning med antilösningsmedel kan enkelt skalas upp för produktion av stora mängder kurkumin av hög kvalitet.
Kurkumin
Kurkumin, en polyfenol, är en svårlöslig läkemedelssubstans i vatten som finns i örtkryddan gurkmeja (Curcuma longa). Det har mycket potenta antioxidanter och är känt för sina antiinflammatoriska, cancerhämmande, svampdödande och antimikrobiella egenskaper. Särskilt på grund av sitt breda spektrum av kemopreventiva och kemoterapeutiska effekter används kurkumin som en föredragen läkemedelssubstans.
Som en potent antioxidant ökar kurkumin aktiviteten i serum hos antioxidanter såsom superoxiddismutas (SOD) och fångar upp och neutraliserar fria radikaler såsom reaktiva syre- och kväveföreningar (ROS och RNS). Dessutom förstärker det aktiviteten hos kroppens egna antioxidativa enzymer. Kurkumin är också känt för att minska hjärtsjukdomar och förbättra hjärnfunktionen. På grund av dessa många gynnsamma medicinska egenskaper används kurkumin i stor utsträckning som krydda, kosttillskott och läkemedel.
Ultraljudsutfällning med flytande antilösningsmedel
Ultraljudsassisterad utfällning med flytande antilösningsmedel (LAS) är en enkel och snabb syntesteknik i ett enda reaktionskärl för att framställa kurkuminnanopartiklar med ortorombisk superstruktur. Ultraljudsutfällning med antilösningsmedel är en enkel, snabb och skalbar process som möjliggör utfällning av kurkumin av hög kvalitet inom läkemedels- och livsmedelsindustrin.
Hypotetisk mekanism för bildning av kurkuminsuperpartiklar i frånvaro och närvaro av ultraljud utan stabilisatorer. Bild © 2014 Thorat et al.
Protokoll för ultraljudsutfällning:
För ultraljudsutfällning av kurkuminpartiklar tillsätts en organisk lösning av kurkumin i etanol (5 mg/mL) till 100mL vatten som innehåller ett ytaktivt ämne (0,02 wt% i vatten) eller saknar ytaktivt ämne. Som reaktionskärl används ett mantlat glaskärl med en volym på cirka 500mL, en diameter på 7cm och ett L/D-förhållande på 1,7. Blandningens temperatur hålls konstant vid 1ºC. För ultraljudsutfällningen sänks sonotroden på en ultraljudshomogenisator såsom UP200Ht eller UP200St utrustad med en S26d14-sonotrod ned i blandningen av lösningsmedel och antilösningsmedel. Vid en amplitudinställning på 100% och 10min. ultraljudsbehandling dispergeras blandningen.
Ultraljudsbehandlingstiden gör det möjligt att styra kurkuminkristallernas polymorfism. När ultraljudsbehandlingens varaktighet förlängs ökar andelen ortorombiska partiklar. Detta tyder på att en ökning av ultraljudsenergin främjar bildningen av den ortorombiska formen framför den monoklina formen, oavsett vilken tillsats som används.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW ultraljudsprocessor för utfällning av API
Förbättrad biotillgänglighet genom ultraljudsinkapsling
Eftersom kurkumin är en lipofil molekyl och svårlösligt i vatten (= hydrofobt) har det låg systemisk biotillgänglighet. Därför är det nödvändigt att bereda kurkuminformuleringar som förbättrar dess biotillgänglighet. Vid beredning av vattenbaserade kurkuminlösningar tillsätts ytaktiva ämnen, lipider, albuminer, cyklodextriner, biopolymerer etc. för att kapsla in eller ladda kurkuminmolekylerna i liposomer, nanopartiklar och andra läkemedelsbärare.
Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att formulera läkemedelsbärare såsom liposomer, kärna–skal-strukturerade nanopartiklar, biopolymerer och dubbelemulsioner! Nedan finns ett exempel på ett protokoll för ultraljudsinkapsling av kurkumin.
Protokoll för ultraljudsinkapsling av kurkumin:
Kur kuminladdade nanopartiklar av poly(mjölksyra-co-glykolsyra) (PLGA)
- Först löses PLGA-polymeren i etylacetat. Kurkumin (15% w/w) tillsätts och får lösas upp medan lösningen vortexblandas intermittent.
- Blandningen av fast ämne i olja tillsätts till en vattenfas med PVA (w/v) för att bilda en S-O/W-emulsion. Därefter vortexblandas lösningen av läkemedlet/polymeren i PVA vid 8 000 rpm.
- Den resulterande lösningen ultraljudsbehandlas i cirka 300sec vid 45% amplitud med en ultraljudshomogenisator såsom UP200Ht eller UP200St (200W, 26kHz). Omedelbart efter ultraljudsbehandlingen hälls emulsionen i vattenfasen (0,1% PVA i vatten; 200mL) för diffusion under snabb omrörning med en magnetomrörare.
- Denna kolloidala suspension rörs kontinuerligt om med en magnetomrörare tills lösningsmedlet har avdunstat helt. Därefter samlas nanopartiklarna upp genom centrifugering och tvättas 3 gånger med destillerat Milli Q-vatten. Slutligen resuspenderas de i en kryoskyddande lösning (sackaros (2 %w/w) och trehalos (5% w/w)), torkas i ett frystorkningssystem av typen ATR FD3.0 och kan förvaras vid 4°C i minst 6 månader.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Ultraljudsprocessorer för utfällning och formulering av kurkumin
Hielscher Ultrasonics erbjuder högpresterande ultraljudsutrustning för syntes av nanopartiklar (t.ex. aktiva farmaceutiska substanser) och extraktion av föreningar från växtmaterial. Vårt produktsortiment omfattar avancerade ultraljudsapparater för laboratoriebruk, bänkmodeller och industriella ultraljudsapparater, vilket möjliggör utveckling av tillämpningar från liten till kommersiell skala. Alla resultat från laboratorie- och pilotförsök kan skalas upp helt linjärt till kommersiell produktionsnivå. Alla system är byggda för drift dygnet runt, är robusta och enkla att använda.
Serien UIPxxxxhdT omfattar våra ultraljudssystem av industrikvalitet, som kan användas i bänkskala, för processoptimering och för industriell produktion. Våra industriella system finns som 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) och 16 000W (UIP16000, världens kraftfullaste ultraljudsapparat). Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan köras kontinuerligt dygnet runt vid mycket höga amplituder på upp till 200µm. För ännu högre amplituder erbjuder Hielscher kundanpassade ultraljudssonotroder. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör tillförlitlig drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer.
För alla våra ultraljudssystem erbjuder vi ett brett sortiment av tillbehör såsom sonotroder, förstärkarhorn, flödesceller och reaktorer i flera storlekar, former och geometrier. Med dessa verktyg blir det enkelt att anpassa våra ultraljudsprocessorer optimalt till de processförhållanden som krävs.
För utfällning och bottom-up-syntes erbjuder Hielscher en unik flödescellsinsats – MultiPhaseCavitator MPC48. Med MultiPhaseCavitator injiceras den andra fasen (antilösningsmedlet) via 48 fina kanyler direkt i ultraljudets kavitationszon, där den blandas in i den första fasen inom millisekunder. Som resultat fälls homogena nanopartiklar ut.
Kraftfull ultraljudsbehandling från laboratorie- och bänkskala till industriell produktion.
Litteratur/referenser
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Kurkumin: En översikt över dess effekter på människors hälsa. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Partikelbildningsvägar och polymorfism hos kurkumin inducerade av ultraljud och tillsatser vid utfällning med flytande antilösningsmedel. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Uppskalning, optimering och stabilitetsanalys av nanopartiklar laddade med Curcumin C3 complex för cancerbehandling. Tidskrift för nanobioteknik 2012, 10:38.
Fakta värda att känna till
Kurkumin
Kurkumin är en gulfärgad kemisk förening som finns i gurkmeja. Gurkmeja är en flerårig örtartad växt med jordstam (Curcuma longa) i familjen ingefärsväxter. Kurkumin är en polyfenol som extraheras ur jordstammarna och används i stor utsträckning som krydda. Beroende på ursprung och markförhållandena där den odlas innehåller gurkmeja 2%–9% kurkuminoider. Kurkumin är den huvudsakliga kurkuminoiden i gurkmeja (Curcuma longa, Zingiberaceae). Det används som kosttillskott, medicinsk substans, smak- och färgtillsats i livsmedel samt ingrediens i kosmetika.
En renad form av kurkumin, som endast består av följande tre huvudkomponenter – kurkumin, bisdemetoxikurkumin och demetoxikurkumin – kallas även kurkumin C3-komplex. Rent kurkumin kan separeras från C3-blandningen av kurkumin, bisdemetoxikurkumin och demetoxikurkumin genom kolonnkromatografi.
När det gäller de farmakologiska egenskaperna har rent, omodifierat kurkumin ett stort problem: På grund av sin dåliga vattenlöslighet och därmed låga biotillgänglighet kan omodifierat kurkumin inte utöva sina terapeutiska effekter, utan metaboliseras snabbt i levern och tarmväggen. För att övervinna kurkuminets låga absorptionsgrad inkapslas de aktiva molekylerna i nanobärare (t.ex. liposomer, nanosfärer) eller laddas på nanokomplex (t.ex. nanopartiklar, komplex av fosfolipider, cyklodextriner och fasta dispersioner). Dessutom kan kurkuminets biotillgänglighet ökas med cirka 2000% när dosen kombineras med piperin, som är ett extrakt av svartpeppar.
På grund av dessa förhållanden är nanoformulerat kurkumin (nanokurkumin) den föredragna beredningsformen för kurkumin, eftersom kurkumin i nanoform övervinner de ovannämnda problemen med läkemedelstillförsel. Nanokurkumin kan utöva sina terapeutiska effekter tack vare förbättrad tillförsel till den sjuka vävnaden, bättre upptag i cellerna och minskad systemisk eliminering.
Kurkumin finns i flera beredningsformer, bland annat pulver, kapslar, tabletter, salvor, näringsdrycker och kosmetiska krämer.
Medicinska tillämpningar av kurkumin
Kurkumin har undersökts i stor omfattning för sina många användningsområden inom medicin och nutrition. Forskning har visat att kurkumin har hög antioxidantaktivitet, som inducerar apoptos, hämmar cellproliferation, celladhesion och cellmotilitet samt har antiangiogena och antimikrobiella egenskaper. På grund av dessa effekter används kurkumin som läkemedel för att behandla olika inflammatoriska sjukdomar, cancersjukdomar, neurodegenerativa sjukdomar, hjärt-kärlsjukdomar samt diabetes.
Ultraljudsframställda administreringsformer i nanoskala av kurkumin för medicinsk behandling omfattar nanopartiklar, liposomer, miceller, nanoemulsioner, cyklodextrinkomplex, nanodiskar, nanofibrer, fasta lipidnanopartiklar och kurkuminkonjugat. Dessa beredningsformer i nanoskala övervinner kurkuminets låga biotillgänglighet och möjliggör riktad och effektiv tillförsel av ett mycket potent kurkuminläkemedel.
Kurkuminets kemiska struktur
Kurkumin är en symmetrisk molekyl, även känd som diferuloylmetan. Kurkuminets IUPAC-namn är (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxi-3-metoxifenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion, med den kemiska formeln C21H20O6. Kurkuminkristaller kan förekomma i olika former, såsom monoklin (nålformig), ortorombisk (riskornsliknande) och amorf form.