Czy ekstrakcja ultradźwiękowa może zwiększyć działanie przeciwgrypowe Aloe Vera?

1 Zasada ekstrakcji ultradźwiękowej

Ultradźwięki definiuje się jako falę dźwiękową o częstotliwości większej niż 20 kHz, która przekracza granicę wykrywalności ludzkiego słuchu. Ultradźwięki to fala mechaniczna o dużej gęstości energii. Jego źródłem energii dźwiękowej jest zwykle wibrujący obiekt, który może powodować wibrację otaczającego ośrodka, a następnie przekazywać energię innym sąsiednim cząstkom. Kiedy ultradźwięki przechodzą przez ośrodek, powodują podłużne przemieszczenie cząstek. Te gęste efekty molekularne powodują uszkodzenie ściany komórkowej i przyspieszają szybkość przenoszenia masy skutecznych substancji w pożywce, osiągając w ten sposób cel polegający na poprawie szybkości ekstrakcji. Ekstrakcja ultradźwiękowa nie opiera się na pojedynczym mechanizmie działania, ale działa w sposób ciągły lub jednocześnie poprzez wiele mechanizmów fizycznych, takich jak fragmentacja mechaniczna, efekt termiczny i efekt kawitacji. W homogenacie mieszaniny ciało stałe-ciecz mikrowiązki i mikroturbulencje generowane przez kawitację akustyczną w ciekłym ośrodku będą powodować silne zaburzenia mechaniczne, intensyfikując w ten sposób zderzenia pomiędzy cząstkami, co może łatwo doprowadzić do rozkładu i lokalnego pęknięcia niektórych kruchych materiałów. Z drugiej strony, w wyniku zmniejszenia wielkości cząstek, zwiększa się szybkość przenoszenia masy cząstek stałych oraz powierzchnia kontaktu fazy stałej z ciekłą, co sprzyja przyspieszeniu rozpuszczania zawartości w matrycy próbki.

Efekt kawitacji jest unikalnym i złożonym zjawiskiem fizycznym powodowanym propagacją i wibracjami ultradźwięków w cieczy. Ogólnie odnosi się do procesu tworzenia, rozszerzania i pękania pęcherzyków kawitacyjnych w cieczy. Mówiąc najprościej, gdy stosowane są ultradźwięki o dużej intensywności, przyciąganie pomiędzy średnimi cząsteczkami może przekroczyć wartość krytyczną, generując w ten sposób duże naprężenia ścinające w cieczy, a następnie tworząc pęcherzyki kawitacyjne. 1 Pęcherzyk kawitacyjny tworzy się w pobliżu powierzchni matrycy. Po przejściu ciągłych cykli sprężania-rozrzedzania, pęcherzyk kawitacyjny pęknie podczas cyklu sprężania i wygeneruje krótkotrwałą energię cieplną, tworząc w ten sposób szybki płyn mikrostrumieniowy na powierzchni matrycy i generując silne fale uderzeniowe. Proces ten może sprawić, że lokalna temperatura otoczenia osiągnie nawet około 5000 K, a chwilowe ciśnienie może osiągnąć 50 ~ 1000 atm. Wytworzone środowisko o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze zniszczy ścianę komórkową macierzy roślinnej, uwalniając w ten sposób substancje wewnątrzkomórkowe do roztworu. Na zdjęciach ze skaningowego mikroskopu elektronowego liści bazylii wykonanych przez CHEMAT i innych przed i po ekstrakcji olejku można zaobserwować wyraźniej: przed ekstrakcją gruczoły na liściach są gładkie i pełne; po ekstrakcji zaczynają się kurczyć, ale struktura gruczołu pozostaje nienaruszona; a po ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami gruczoły zostają całkowicie rozbite i cała ich zawartość zostaje uwolniona.

Aloes zyskał dużą popularność i został skomercjalizowany jako środek kosmetyczny, środek przeczyszczający, lek ziołowy, a wykazano jego działanie przeciwbakteryjne. Jednakże, poza kilkoma doniesieniami, działanie przeciwwirusowe aloesu nie zostało dobrze udowodnione. Obecnie powszechną praktyką jest ekstrakcja związków aloesu przy użyciu rozpuszczalników organicznych, ponieważ składniki aktywne można skutecznie ekstrahować metanolem. W tym badaniu zastosowaliśmy 5-minutową metodę ekstrakcji ultradźwiękowej, aby skutecznie wyekstrahować związki aloiny i aloeemodyny z aloesu w wodzie. Ten szybki proces ekstrakcji w jednym naczyniu usprawnił ekstrakcję flawonoidów i fenoli w ultradźwiękowym ekstrakcie wodnym oraz wzbogacił frakcje aloiny i aloeemodyny. Ekstrakty przetestowano pod kątem ich działania przeciw grypie, a wyniki wykazały, że ekstrakcja ultradźwiękowa umożliwiła ekstraktowi wodnemu wykazanie doskonałej aktywności przeciwgrypowej porównywalnej z ekstraktem metanolowym. Cytotoksyczność ekstraktu wodnego była zerowa w porównaniu z ekstraktem metanolowym, który charakteryzował się wysoką cytotoksycznością. Skanowanie spektrofotometryczne ekstraktów potwierdziło wzbogacenie pików aloiny i aloesu-emodyny w ultradźwiękowym ekstrakcie z aloesu, wskazując, że to ich dzieło kryje się za działaniem przeciwgrypowym. Zademonstrowane techniki, jeśli zostaną odpowiednio zastosowane, doprowadzą do obiecujących rozwiązań w badaniach farmaceutycznych w zakresie zwalczania wirusów grypy.

Do chwili obecnej w żelu Aloe Vera odkryto ponad 200 bioaktywnych substancji chemicznych, a ich bioaktywność prawdopodobnie wynika z synergistycznego działania związków, a nie pojedynczych związków. Dlatego właściwa ekstrakcja związków bioaktywnych jest kluczowa, aby w pełni wykorzystać wszystkie składniki aktywne pod kątem ich właściwości fizjologicznych i leczniczych.

Stwierdzono, że żel Aloe Vera jest skuteczny zarówno przeciwko bakteriom Gram-dodatnim, jak i Gram-ujemnym, a także niektórym grzybom i wirusom. Zgłaszano hamujące działanie Bacillus versicolor na ludzkiego wirusa cytomegalii, wirusa opryszczki pospolitej typu 2 (HSV-2) i wirusa polio. Grypa to ostra infekcja dróg oddechowych wywołana przez wirusy grypy o ogromnym zasięgu globalnym. Wirus ten może spowodować poważne pandemie i straty gospodarcze. Jego genom jest bardzo zmienny i charakteryzuje się dużą częstością mutacji, co czyni go odpornym na wiele leków. Obecnie syntetyczne leki przeciwwirusowe i metody (inhibitory nukleoprotein, inhibitory neuraminidazy, blokery kanałów jonowych i technologia siRNA) mają ograniczone zastosowanie ze względu na pojawienie się szczepów lekoopornych, wysokie koszty i szkodliwe skutki uboczne. Leki ziołowe są tanie, mają niską toksyczność i często mają działanie wielokierunkowe, które mogą nie tylko działać jako leki przeciwwirusowe, ale także stymulować układ odpornościowy do walki z wirusami. Klasycznie zdefiniowane mechanizmy przeciwwirusowe roślin leczniczych obejmują hamowanie replikacji wirusa, blokowanie przyłączania wirusa, inaktywację wirusów i zapobieganie infekcji wirusowej. Zainteresowanie badaczy i klientów stosowaniem tych leków wzrosło ze względu na preferencję dla leków naturalnych i obawy dotyczące toksycznego działania materiałów syntetycznych.

Ultradźwięki charakteryzują się wysoką częstotliwością (18 kHz-1 MHz), małym przemieszczeniem (poniżej około 50 mm), umiarkowaną prędkością (ms-1), stromym poprzecznym gradientem prędkości (do 4000 s-1) i bardzo dużym przyspieszeniem (do około 80 000 g). Kiedy pobór mocy akustycznej jest wystarczająco wysoki, ultradźwięki wytwarzają kawitację, umożliwiając wytwarzanie mikropęcherzyków w miejscu zarodkowania. Pęcherzyki rosną w fazie rozrzedzania fali dźwiękowej, a następnie zapadają się w fazie kompresji. Podczas zapadnięcia się przez ośrodek przechodzą silne fale uderzeniowe. Cały proces zarodkowania, wzrostu i pękania pęcherzyków pod wpływem silnych fal dźwiękowych nazywa się kawitacją. Jeśli chodzi o ekstrakcję, ekstrakcja za pomocą ultradźwięków lub ultradźwiękowego rozrywania membrany ma tę zaletę, że znacznie skraca czas ekstrakcji i zwiększa wydajność ekstrakcji. Zastosowanie ultradźwięków niszczy strukturę ściany komórkowej i przyspiesza dyfuzję błony komórkowej; w związku z tym komórki ulegają lizie, ułatwiając w ten sposób uwalnianie zawartości komórek. Ponadto wykazano, że zwiększenie nawodnienia tkanki roślinnej podczas ultradźwięków zbiega się z rozbiciem tkanki roślinnej i prowadzi do zwiększonej ekstrakcji podczas ultradźwięków. Dlatego też zastosowanie technologii ultradźwiękowej w ekstrakcji aloesu ma dobre perspektywy.

Obecne prace skupiają się na ekstrakcji bogatych związków bioaktywnych z ekstraktu aloesu metodami opartymi na ultradźwiękach. Częstotliwość ekstrakcji ultradźwiękowej została zoptymalizowana w celu osiągnięcia pożądanego efektu ekstrakcji. Ekstrakcja ultradźwiękowa pozwoliła uzyskać nanoopakowania aktywnych metabolitów o zwiększonej rozpuszczalności w wodzie. Po raz pierwszy wykazano skuteczność technologii ultradźwiękowej w ekstrakcji składników aloiny i rabarbaru, które były najlepszymi ekstraktorami w rozpuszczalnikach organicznych w wodzie.