Ультразвукове осадження суперчастинок куркуміну
- Оскільки куркума містить лише 2–9 wt% куркуміноїдів, для отримання порошку з потужною лікувальною дією потрібна ефективна технологія екстракції або синтезу.
- Осадження антирозчинником за сприяння ультразвуку є високоефективним методом синтезу частинок куркуміну.
- Ультразвукове осадження антирозчинником можна легко масштабувати для виробництва великих кількостей високоякісного куркуміну.
Куркумін
Куркумін, поліфенол, є погано розчинною у воді лікарською речовиною, що міститься в рослинній прянощі куркумі (Curcuma longa). Він містить надзвичайно потужні антиоксиданти й відомий своїми протизапальними, протираковими, протигрибковими та антимікробними властивостями. Саме завдяки широкому спектру хіміопрофілактичної та хіміотерапевтичної активності куркумін використовують як лікарську сполуку, якій надають перевагу.
Як потужний антиоксидант, куркумін підвищує активність антиоксидантів у сироватці крові, зокрема супероксиддисмутази (SOD), а також уловлює та нейтралізує вільні радикали, зокрема активні форми кисню й азоту (ROS і RNS). Крім того, він посилює активність власних антиоксидантних ферментів організму. Також відомо, що куркумін зменшує серцеві захворювання і покращує роботу мозку. Завдяки цим численним корисним лікувальним властивостям куркумін широко використовують як пряність, добавку та лікарський засіб.
Ультразвукове осадження рідким антирозчинником
Осадження рідким антирозчинником (LAS) за сприяння ультразвуку є простим і швидким методом синтезу в одній реакційній посудині для отримання наночастинок куркуміну з орторомбічною надструктурою. Ультразвукове осадження антирозчинником є простим, швидким і масштабованим процесом, який дає змогу осаджувати високоякісний куркумін у фармацевтичній та харчовій промисловості.
Гіпотетичний механізм утворення суперчастинок куркуміну за відсутності та за наявності ультразвуку без стабілізаторів. Зображення © 2014 Thorat et al.
Протокол ультразвукового осадження:
Для ультразвукового осадження частинок куркуміну органічний розчин куркуміну в етанолі (5 mg/mL) додають до 100mL води, що містить поверхнево-активну речовину (0,02 wt% у воді), або до води без поверхнево-активної речовини. Як реакційну посудину використовують скляну посудину з сорочкою об’ємом приблизно 500mL, діаметром 7cm і співвідношенням L/D 1,7. Температуру суміші постійно підтримують на рівні 1ºC. Для процесу ультразвукового осадження сонотрод ультразвукового гомогенізатора, такого як UP200Ht або UP200St , оснащеного сонотродом S26d14, занурюють у суміш розчинника й антирозчинника. За встановленої амплітуди 100% і тривалості ультразвукової обробки 10min. суміш диспергують.
Тривалість ультразвукової обробки дає змогу керувати поліморфізмом кристалів куркуміну. Зі збільшенням тривалості ультразвукової обробки частка орторомбічних частинок зростає. Це свідчить про те, що збільшення ультразвукової енергії сприяє переважному утворенню орторомбічної форми порівняно з моноклінною, незалежно від використаної добавки.
[пор. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – ультразвуковий процесор потужністю 1kW для осадження активних фармацевтичних інгредієнтів (API)
Покращення біодоступності завдяки ультразвуковій інкапсуляції
Оскільки куркумін є ліпофільною молекулою та погано розчиняється у воді (= гідрофобний), він має низьку системну біодоступність. Тому необхідно готувати препаративні форми куркуміну, які підвищують його біодоступність. Для приготування водних розчинів куркуміну додають поверхнево-активні речовини, ліпіди, альбуміни, циклодекстрини, біополімери тощо, щоб інкапсулювати або завантажити молекули куркуміну в ліпосоми, наночастинки та інші носії лікарських речовин.
Ультразвукова обробка є високоефективним і надійним методом отримання таких носіїв лікарських речовин, як ліпосоми, наночастинки типу «ядро–оболонка», біополімери та подвійні емульсії! Нижче наведено приклад протоколу ультразвукової інкапсуляції куркуміну.
Протокол ультразвукової інкапсуляції куркуміну:
Наночастинки кополімеру молочної та гліколевої кислот (PLGA), завантажені куркуміном
- Спочатку полімер PLGA розчиняють в етилацетаті. Додають куркумін (15% w/w) і дають йому розчинитися, періодично перемішуючи розчин на вортексному змішувачі.
- Суміш типу «тверда речовина в олії» додають до водної фази PVA (w/v), щоб утворити емульсію S-O/W. Потім розчин лікарської речовини/полімеру в PVA перемішують на вортексі за 8 000 об/хв.
- Отриманий розчин піддають ультразвуковій обробці протягом приблизно 300с за амплітуди 45% за допомогою ультразвукового гомогенізатора, такого як UP200Ht або UP200St (200W, 26kHz). Відразу після ультразвукової обробки емульсію виливають у водну фазу (0,1% PVA у воді; 200mL) для дифузії за інтенсивного перемішування магнітною мішалкою.
- Цю колоїдну суспензію безперервно перемішують магнітною мішалкою до повного випаровування розчинника. Потім наночастинки збирають центрифугуванням і 3 рази промивають дистильованою водою Milli Q. Насамкінець їх повторно суспендують у розчині кріопротекторів (сахарози (2 %w/w) і трегалози (5% w/w)), висушують у ліофілізаторі ATR FD3.0 і можуть зберігати за 4°C щонайменше 6 місяців.
[див. Ranjan et al. 2012]
Ультразвукові процесори для осадження куркуміну та розроблення його лікарських форм
Hielscher Ultrasonics пропонує високопродуктивне ультразвукове обладнання для синтезу наночастинок (наприклад, активних фармацевтичних інгредієнтів) та екстракції рослинних сполук. Наш асортимент охоплює сучасні лабораторні, настільні та промислові ультразвукові апарати, що дає змогу розробляти застосування від малого до комерційного масштабу. Усі результати лабораторних і пілотних випробувань можна повністю лінійно масштабувати до рівня комерційного виробництва. Усі системи розраховані на роботу в режимі 24/7, міцні та прості у використанні.
Серія UIPxxxxhdT охоплює наші ультразвукові системи промислового класу, які можна використовувати для настільних установок, оптимізації процесів і промислового виробництва. Наші промислові системи доступні у варіантах 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10 000W (UIP10000) та 16 000W (UIP16000, найпотужніший ультразвуковий апарат у світі). Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть безперервно працювати в режимі 24/7 за дуже високих амплітуд до 200µm. Для ще вищих амплітуд Hielscher пропонує ультразвукові сонотроди, виготовлені за індивідуальними вимогами. Міцність ультразвукового обладнання Hielscher забезпечує надійну цілодобову роботу за великих навантажень і в складних умовах експлуатації.
Для всіх наших ультразвукових систем ми пропонуємо широкий асортимент допоміжного оснащення, як-от сонотроди, підсилювачі амплітуди, проточні комірки та реактори різних розмірів, форм і геометрій. Завдяки цьому оснащенню наші ультразвукові процесори можна легко й оптимально адаптувати до необхідних умов процесу.
Для осадження та синтезу за принципом «знизу вгору» Hielscher пропонує унікальну вставку для проточної комірки – MultiPhaseCavitator MPC48. За допомогою MultiPhaseCavitator другу фазу (антирозчинник) вводять через 48 тонких канюль безпосередньо в зону ультразвукової кавітації, де вона протягом мілісекунд змішується з першою фазою. У результаті осаджуються однорідні наночастинки.
Потужна ультразвукова обробка від лабораторних і настільних установок до промислового виробництва.
Література / Посилання
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Куркумін: огляд його впливу на здоров’я людини. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Шляхи утворення частинок і поліморфізм куркуміну, індуковані ультразвуком і добавками під час осадження рідким антирозчинником. CrystEngComm, 2014, 16, 11 102–11 114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Масштабування, оптимізація та аналіз стабільності наночастинок, навантажених комплексом Curcumin C3, для терапії раку. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Корисні відомості
Куркумін
Куркумін – це хімічна сполука жовтого кольору, що міститься в куркумі. Куркума – багаторічна трав’яниста кореневищна рослина (Curcuma longa) родини імбирних. Куркумін – це поліфенол, який екстрагують із кореневищ і широко використовують як пряність. Залежно від походження та ґрунтових умов вирощування куркума містить 2%–9% куркуміноїдів. Куркумін є основним куркуміноїдом куркуми (Curcuma longa, Zingiberaceae). Його використовують як харчову добавку, лікарську сполуку, харчову смакоароматичну та барвну добавку, а також як косметичний інгредієнт.
Очищену форму куркуміну, яка складається лише з таких трьох основних компонентів – куркуміну, бісдеметоксикуркуміну та деметоксикуркуміну, – також називають комплексом куркуміну C3. Чистий куркумін можна відокремити від суміші C3, що містить куркумін, бісдеметоксикуркумін і деметоксикуркумін, методом колонкової хроматографії.
Щодо фармакологічних властивостей, чистий немодифікований куркумін має суттєву проблему: через низьку розчинність у воді й, відповідно, низьку біодоступність немодифікований куркумін не може реалізувати свої терапевтичні ефекти, натомість швидко метаболізується в печінці та стінці кишечника. Щоб подолати низьку швидкість всмоктування куркуміну, активні молекули інкапсулюють у наноносії (наприклад, ліпосоми, наносфери) або завантажують у нанокомплекси (наприклад, наночастинки, комплекси фосфоліпідів, циклодекстринів і тверді дисперсії). Крім того, біодоступність куркуміну можна підвищити приблизно на 2000%, якщо його дозу поєднувати з піперином, який є екстрактом чорного перцю.
З огляду на ці факти куркумін у наноформі (нанокуркумін) є переважною лікарською формою куркуміну, оскільки куркумін у наноформі долає вищезгадані проблеми доставки лікарського засобу. Нанокуркумін може реалізувати свої терапевтичні властивості завдяки поліпшеній доставці до ураженої тканини, кращій інтерналізації та зменшеному системному виведенню.
Куркумін доступний у різних формах доставки, зокрема у вигляді порошків, капсул, таблеток, мазей, поживних напоїв і косметичних кремів.
Медичне застосування куркуміну
Куркумін широко досліджували щодо різноманітних форм його застосування в медицині та харчуванні. Дослідження показали, що куркумін має високу антиоксидантну активність, яка індукує апоптоз клітин, пригнічує проліферацію, адгезію та рухливість клітин, а також забезпечує антиангіогенні та антимікробні властивості. Завдяки цим ефектам куркумін застосовують як лікарський засіб для лікування різних запальних захворювань, онкологічних захворювань, нейродегенеративних захворювань, серцево-судинних захворювань, а також діабету.
Отримані за допомогою ультразвуку нанорозмірні лікарські форми куркуміну для медичної терапії включають наночастинки, ліпосоми, міцели, наноемульсії, комплекси циклодекстринів, нанодиски, нановолокна, тверді ліпідні наночастинки та кон’югати куркуміну. Ці нанорозмірні лікарські форми долають низьку біодоступність куркуміну та забезпечують цільову й ефективну доставку високоефективного лікарського засобу на основі куркуміну.
Хімічна структура куркуміну
Куркумін – симетрична молекула, також відома як диферулоїлметан. Назва куркуміну за номенклатурою IUPAC – (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, його хімічна формула – C21H20O6. Кристали куркуміну можуть мати різні форми, зокрема моноклінну (голчасту), орторомбічну (подібну до рисового зерна) та аморфну.