Sähkökapselointi voi parantaa suun kautta annettavien niukkaliukoisten lääkeaineiden imeytymistä elimistöön (Väitös: FM Jorma Roine, 9.2.2019, fysiikka)
Monet lääkeaineet liukenevat veteen huonosti, jolloin niiden imeytyminen elimistöön voi suun kautta annettaessa estyä. Tällaisissa tapauksissa on käytettävä muuta lääkkeen antotapaa toivotun vaikutuksen saavuttamiseksi. Turun yliopistossa väittelevä Jorma Roine on tutkinut rinnakkaissuuttimin tehtävää sähköstaattista kapselointia menetelmänä vangita lääkeaine mikrokuljettimiin helppoliukoisessa olomuodossa. Menetelmä voisi mahdollistaa entistä useamman niukkaliukoisen lääkeaineen antamisen myös suun kautta.
FM Jorma Roine on väitöstutkimuksessaan havainnut, että vastakkaismerkkisin rinnakkaissuuttimin tehtävän sähkökapseloinnin avulla on mahdollista tuottaa mikrolääkekuljettimia, jotka voivat parantaa niihin ladatun niukkaliukoisen lääkeaineen liukenevuutta. Komposiittikuljettimet, joissa lääkeaine on esiladattu huokoisesta piistä koostuviin nanopartikkeleihin, voivat tutkimustulosten mukaan edesauttaa myös lääkeaineen kulkeutumista suolenseinämän läpi.
– Lisäksi lääkeaineen vapautuminen kuljettimista on mahdollista kohdistaa ruoansulatuskanavassa lääkeaineen imeytymisen kannalta otolliseen paikkaan. Parhaassa tapauksessa nämä vaikutukset yhdessä parantavat huomattavasti niukkaliukoisen lääkeaineen suolenseinämän läpi imeytyvää osuutta, mikä voi puolestaan ratkaisevasti edistää joidenkin lääkeaineiden päätymistä verenkiertoon, Roine sanoo.
Tutkimuksessa havaittiin myös, että sähköstaattisen atomisaation avulla on mahdollista valmistaa joistakin lääkeaineista uudenlaisia vakaan kidemuodon omaavia mikropartikkeleita, joita ei ole saatu valmistettua muilla menetelmillä.
– Tällainen hallittu kidemuodon muutos voi parantaa tiettyjen kehnosti liukenevien lääkeaineiden liukenevuutta suoraan, eikä erillistä kuljetinta tai muuta tukirakennetta tarvita lääkeainepartikkelien helppoliukoisuuden säilyttämiseksi, väittelijä kertoo.
Sähkökapselointi estää lääkeaineen kiteytymisen
Monien uusien lääkeaineiden niukkaliukoisuuden perustana ovat niiden yhä monimutkaisemmat molekyylirakenteet. Kiinteän aineen molekyylit voivat järjestäytyä useanlaisiksi säännöllisiksi, jaksollisesti toistuviksi rakenteiksi, kiteiksi.
– Saman kiinteän aineen erilaisissa kiderakenteissa voi olla suuriakin eroja niiden energeettisen edullisuuden suhteen, mikä puolestaan vaikuttaa kiteen liukenevuuteen, tai paremminkin herkkyyteen, jolla kiteestä irtoaa molekyylejä sitä ympäröivään nesteeseen. Kiinteä aine voi esiintyä myös epäjärjestäytyneessä eli amorfisessa muodossa.
Pääsääntöisesti aineen amorfinen muoto on energeettisempi kuin sen kiteinen muoto, ja siten amorfinen muoto usein myös liukenee parhaiten. Aineen amorfinen muoto ja sen energeettisimmät kidemuodot voivat kuitenkin olla epävakaita.
– Sähkökapseloinnin avulla lääkeaine voidaan sitoa amorfisessa muodossa tai erillisinä molekyyleinä esimerkiksi polymeerimatriisiin siten, ettei kiteytymistä pääse tapahtumaan. Vapautuvan lääkeaineen liukenevuus voi olla tällöin merkittävästi parempi kuin kiteisessä muodossa olevan verrokkilääkeaineen. Lääkeaineen riittävä liukeneminen ruoansulatuskanavassa on puolestaan alkuedellytys sille, että suun kautta otettu lääkeaine pääsee kulkeutumaan lopulta elimistön verenkiertoon, Roine selventää.
Sähköstaattinen atomisaatio mahdollistaa lääkeaineiden mikrokapseloinnin
Sähköstaattinen atomisaatio on induktiovarautumiseen perustuva menetelmä, jolla neste voidaan hajottaa pieniksi, mikro- tai jopa nanokokoluokan sähköisesti varautuneiksi pisaroiksi. Vastakkaismerkkisin rinnakkaissuuttimin tehdyssä sähkökapseloinnissa atomisoidaan kahta nestettä erillisistä suuttimista, kuten tehtiin myös Roineen tutkimuksessa.
Erimerkkisesti varautuneet pisarat ohjataan sähkökenttien avulla yhteiseen tilaan siten, että ne voivat vetää toisiaan puoleensa ja yhdistyä. Mikäli erimerkkiset pisarat koostuvat keskenään sekoittumattomista nesteistä, ne muodostavat yhdistyessään kapselirakenteen, jossa pienemmän pintajännityksen omaava neste kääriytyy suuremman pintajännityksen omaavan nestepisaran ympärille. Muussa tapauksessa yhdistyvien pisaroiden nesteet sekoittuvat.
– Näin muodostuvan kapselin tai uuden pisaran sähköinen varaus neutralisoituu osittain tai kokonaan osapisaroiden kontaktin välityksellä. Lopuksi ylimääräinen liuotin voidaan haihduttaa pois. Menetelmä mahdollistaa monenlaisten kiinteiden tai kiinteäkuoristen mikrokapseli- ja mikropartikkelirakenteiden tuottamisen. Lääkekuljettimia valmistettaessa lääkeaine sekä esimerkiksi sitova polymeeri liuotetaan atomisoitaviin nesteisiin etukäteen, Roine kertoo.
Tutkimuksessa käytetty sähkökapselointimenetelmä on monimutkainen prosessi, jossa tuotettujen mikrokapseleiden tai -partikkelien määrää ja ominaisuuksia, kuten kokoa, rakennetta sekä varautumista, säätelevät lukuisat parametrit. Kahden rinnakkaisen suuttimen sähkökapselointiprosessi optimoitiin karkeasti Taguchin menetelmin muuttamalla yhtäaikaisesti kymmentä parametria.
– Vaikka tutkimuksessa käytetyn laitteiston materiaalituotto on optimoitunakin pieni ajatellen teollisia tuotantomääriä, tuottoa voidaan periaatteessa kasvattaa lisäämällä suutinten määrää tuntuvasti. Varattujen suuttimien ja nesteiden välisten keskinäisten sähköisten vuorovaikutuksien lukumäärän lisääntyminen tekisi puolestaan tällaisen laitteiston prosessiparametrien säätämisestä haastavampaa, mikä tarjoaisi luontaisesti mielenkiintoisen jatkotutkimusaiheen sähkökapseloinnin parissa, toteaa Roine lopuksi.
***
FM Jorma Roine esittää väitöskirjansa ”Electroencapsulation and Electrospraying of Pharmaceutical Materials in Preparation for Oral Drug Delivery Applications” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 9.2.2019 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku)
Vastaväittäjänä toimii professori Lucian Dascalescu (University of Poitiers, Ranska) ja kustoksena professori Petriina Paturi (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.
Väittelijän yhteystiedot: p. 040 039 8305, jtroin@utu.fi
