Studie: Innovative Entwicklungen bei Nanopartikel-Verabreichungssysteme für Nährstoffe und Nutrazeutika
Inhaltsangabe:
1. Entwicklung und Herstellung von Nanopartikelsystemen für Nährstoffe und Nutrazeutika
2. Das mechanische Verfahren
3. Das chemische Verfahren
4. Die Schlüsselrolle von Nanopartikeln bei der Erhöhung der Bioverfügbarkeit
1. Entwicklung und Herstellung von Nanopartikelsystemen für Nährstoffe und Nutrazeutika
Der Bereich der Nanopartikelsysteme für schwer wasserlösliche Nährstoffe und Nutraceuticals hat in den letzten fünf Jahren eine rasante Entwicklung erlebt. In diesem Zeitraum hat sich der Bereich der Nanopartikelsysteme für schwer wasserlösliche Nährstoffe und Nahrungsergänzungsmittel nahezu exponentiell entwickelt und einige dieser Technologien werden bereits in Lebensmitteln eingesetzt. Das Interesse an pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Anwendungen dieser Technologien hat zu erheblichen Fortschritten bei mechanischen (Top-down) und chemischen (Bottom-up) Verfahren zur Herstellung solcher Nanopartikelsysteme geführt. Mechanische Verfahren sind in der Lage, Nanopartikel im Bereich von 100-1000 nm herzustellen, während chemische Verfahren eher Partikel im Bereich von 10-100 nm erzeugen. Trotz dieser technologischen Fortschritte fehlt es an umfassenden Informationen über das Design solcher Nanopartikelsysteme.
Die grundlegenden thermodynamischen Gleichungen und Stofftransportgleichungen legen nahe, dass die Herstellung von Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 100 nm oder weniger ein breites Spektrum abdecken sollte. Experimentelle Daten zeigen jedoch, dass in einigen Fällen sogar Nanopartikel im Bereich von 100-1000 nm die Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen deutlich verbessern können.
In den meisten Fällen scheint diese Verbesserung der Bioverfügbarkeit mit der direkten Absorption der Nanopartikel zusammenzuhängen, wobei die Größe und Oberflächenchemie des Nanopartikelsystems die direkte Absorption beeinflussen. Die Nutzung der direkten Resorption von Nanopartikeln, insbesondere für lösliche, aber schlecht resorbierbare Inhaltsstoffe, ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet für die Zukunft. Es ist jedoch auch wichtig, mögliche Nebenwirkungen dieser Nanopartikelträger zu untersuchen.
Es gibt zwei grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanopartikelsystemen. Der eine ist der "Top-down"-Ansatz, bei dem kleine Partikel durch verschiedene (mechanische) Zerkleinerungsprozesse hergestellt werden, der andere ist der "Bottom-up"-Ansatz, bei dem Nanopartikel durch die Selbstorganisation kleinerer Moleküle wie Lipide und Proteine (chemische Prozesse) erzeugt werden. Es gibt jedoch einen zunehmenden Trend, Bottom-up- und Top-down-Ansätze zu kombinieren, um Nanopartikelsysteme herzustellen. Hier werden nur die gebräuchlichsten mechanischen und chemischen Verfahren sowie die Eigenschaften der hergestellten Partikel beschrieben.
2. Das mechanische Verfahren
In diesem Artikel bezieht sich der Begriff "mechanisches Verfahren" auf Verfahren, die Scherung oder Teilchenkollisionen als Energiequelle nutzen, um größere Einheiten in kleinere nanoskalige Aggregate zu zerkleinern. Solche mechanischen Prozesse können als Teil des oben erwähnten "Top-down"-Ansatzes betrachtet werden. Der potenzielle Vorteil mechanischer Verfahren gegenüber chemischen Verfahren liegt darin, dass sie nur einen minimalen Einsatz chemischer Zusatzstoffe erfordern, was die Bedenken hinsichtlich der Vorschriften für diese Formulierungsbestandteile mindert. Es gibt zwei Hauptarten mechanischer Verfahren: Mahlverfahren zur Nano-Zerkleinerung von Feststoffpartikeln (im Gegensatz zur Mikronisierung) und mikrofluidische Verfahren zur Nano-Zerkleinerung von Flüssigkeiten oder Schmelzen. Abbildung 2 zeigt ausgewählte Beispiele für Mahlverfahren und mikrofluidische Verfahren. Es versteht sich von selbst, dass bei der Herstellung von Nanopartikelsystemen mittels mechanischer Verfahren gewisse Herausforderungen auftreten können.
3. Das chemische Verfahren
Der Begriff "chemische Verfahren" bezieht sich auf Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln, bei denen entweder chemische Reaktionen und/oder die Selbstorganisation von Tensiden und Polymeren die Haupttriebkräfte des Prozesses sind. Bei diesen Verfahren beschränkt sich der Einsatz mechanischer Energie in der Regel auf die vollständige Durchmischung der Suspension und die Verhinderung von Agglomeration und Sedimentation. An chemischen Prozessen sind in der Regel fünf Komponenten beteiligt: der gelöste Stoff, ein internes (dispergiertes) Lösungsmittel, ein externes Lösungsmittel (in der Regel Wasser), ein Tensid, das in dem (den) externen Lösungsmittel(n) dispergiert ist, und in einigen Fällen ein Polymer, das in dem internen Lösungsmittel löslich, aber in dem externen Lösungsmittel unlöslich ist. Horn und Rieger haben die chemischen Methoden zur Herstellung organischer Nanopartikel nach der Art des internen Lösungsmittels klassifiziert. Nach ihrem System gibt es drei Arten von internen Lösungsmitteln: ein lipophiles Lösungsmittel, ein amphiphiles Lösungsmittel und ein hydrophiles Lösungsmittel. Diese Verfahren sind in Abbildung 3 dargestellt. Bei der Methode mit dem lipophilen Lösungsmittel handelt es sich im Wesentlichen um einen Emulgier-/Homogenisierungsprozess, bei dem die Anwesenheit eines Tensids und/oder Polymers die für die Emulgierung erforderliche Energie emulgiert (durch Verringerung der Grenzflächenspannung) und die Nanotröpfchen vor Koaleszenz schützt.
4. Die Schlüsselrolle von Nanopartikeln bei der Erhöhung der Bioverfügbarkeit
Unter Bioverfügbarkeit versteht man den Anteil einer Dosis, der am Wirkort im Körper zur Verfügung steht. Für die meisten oralen Dosen ist dies der Anteil der Dosis, der in den Blutkreislauf gelangt. Die Resorption (oder intestinale Absorption) hingegen ist der Anteil der Dosis, der durch die Darmwände absorbiert wird. Obwohl beide Definitionen miteinander verbunden sind, ist es aufgrund der verschiedenen Prozesse, die bei der Nährstoffaufnahme eine Rolle spielen, möglich, dass nicht die gesamte über den Darm aufgenommene Dosis bioverfügbar ist. Um effektive nanopartikuläre Verabreichungssysteme für Nährstoffe, Nutraceuticals und verwandte Wirkstoffe zu entwickeln, ist es notwendig, die biologischen Prozesse zu verstehen, die die Absorption und Bioverfügbarkeit regulieren. Das Schema in Abb. 4 veranschaulicht einige der wichtigsten Prozesse, die an der Aufnahme von Nährstoffen und Wirkstoffen beteiligt sind. Nach der teilweisen Verdauung (hauptsächlich durch Kauen) in der Mundhöhle durchläuft die Nahrung im Magen einen Auflösungsprozess unter sauren Bedingungen (pH ~ 1 bis 2) über einen Zeitraum von 1 bis 3 Stunden. Im Magen werden Enzyme (Pepsin und andere) freigesetzt, die helfen, einen Teil der Proteine und Kohlenhydrate aufzuspalten. Je nach Säuregrad kann die Auflösung der Nanopartikel im Magen erwünscht oder unerwünscht sein. Wenn die Nanopartikel vor dem sauren Milieu des Magens geschützt werden müssen, können sie mit magensaftresistenten Beschichtungen mikroverkapselt werden.
Durch den Einsatz nanostrukturierter Darreichungsformen kann die Aufnahme von Medikamenten im Körper verbessert werden. Die genauen Mechanismen, wie dies geschieht, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Diese Mechanismen können durch eine verbesserte Löslichkeit des Wirkstoffs, eine erhöhte Transfergeschwindigkeit, eine längere Verweildauer im Körper oder eine direkte Aufnahme der Nanopartikel beeinflusst werden.
Die Abbildung zeigt die relative Aufnahme und Bioverfügbarkeit in Abhängigkeit von der Partikelgröße. Forscher haben dies in verschiedenen Studien untersucht. Die relative Aufnahme/Bioverfügbarkeit wird ermittelt, indem der Wert für eine bestimmte Partikelgröße durch die maximale Aufnahme/Bioverfügbarkeit in der jeweiligen Studie dividiert wird.
Insgesamt gibt es verschiedene Mechanismen, wie nanostrukturierte Darreichungsformen die Arzneimittelaufnahme beeinflussen, und die Effekte können von Studie zu Studie variieren.
In der Serie über die Absorption von Nanopartikeln präsentieren Desai et al. Daten zur Absorption von Poly(lactid-co-glycolsäure)-Partikeln, die mit vier verschiedenen Methoden hergestellt wurden: Beschallung (100 nm), Mikrofluidisierung (500 nm), Hochdruckhomogenisierung (1000 nm) und einfaches Vortex-Mischen (10000 nm). Die Forscher verwendeten ein in-situ-Rattenmodell, um die Partikel in einen Abschnitt des Darms einzubringen und die Anzahl der Partikel zu bestimmen, die pro Flächeneinheit des Darmgewebes absorbiert wurden. Die Bioverfügbarkeit wurde auf der Grundlage der Anfangsdosis berechnet. Die Arbeit von Jani et al. wurde in ähnlicher Weise durchgeführt, aber sie verwendeten eine kontinuierliche (chronische) Exposition und bestimmten die Anzahl der absorbierten Polymerpartikel (in ihrem Fall Latex) in verschiedenen Geweben.
Wie in Abbildung 5 dargestellt, führt eine Verringerung der Partikelgröße auf Werte unter 500 nm zu einer höheren Absorption des Arzneimittels und zu einer höheren Partikelabsorption. Die relative Absorption oder Bioverfügbarkeit für große Partikel (größer als 500 nm) hängt jedoch vom jeweiligen System ab. Es ist bemerkenswert, dass die Steigungen des linearen Teils der Absorptions-/Resorptionskurven in Abbildung 5 relativ ähnlich sind, obwohl die Daten aus unterschiedlichen Quellen stammen. Dies deutet darauf hin, dass die Absorption des Nanopartikelträgers ein wichtiger Faktor für die Erhöhung der Bioverfügbarkeit des Arzneimittels ist (siehe Abbildung 5 unten).
Eine der grundlegenden Gleichungen, die bei der Entwicklung von Nanopartikelsystemen verwendet wird, ist die Ostwald-Freundlich-Gleichung, die die Zunahme der Löslichkeit einer gegebenen Substanz aufgrund der Zunahme der Grenzflächenenergie bei hoher Krümmung (kleine Partikelgröße) beschreibt.
Weitere Details und Ergebnisse der Studie finden Sie unter diesem Link: https://bit.ly/46Xz4HB
Quelle
Acosta, E. (2009). Bioavailability of nanoparticles in nutrient and nutraceutical delivery. University of Toronto, Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry, Canada. Current Opinion in Colloid & Interface Science 14. 3–15.
