DE10336056A1

DE10336056A1 - Verfahren zur Gewinnung eines pharmakologischen Wirkstoffs aus Artemisia annua

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Publication number: DE10336056A1
Application number: DE10336056A
Authority: DE
Inventors: Otto Prof. Dr.Dr.h.c. Pulz; Horst Dipl.-Ing. Franke; Petra Dipl.-Chem. Sandau; Katrin Dipl.-Ing. Döbel
Original assignee: IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Current assignee: IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-08-02
Also published as: DE10336056B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines pharmakologischen Wirkstoffs aus Pflanzen der Spezies Artemisia annua. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Nutzung unter industriellen Bedingungen bzw. für industrielle Anlagen, wobei hierunter, bezogen auf den Verfahrensschritt der Extraktion, Anlagen einer Größenordnung von wenigstens 4 l, vorzugsweise darüber, verstanden werden sollen. DOLLAR A Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches bei der Durchführung auf industriellen Anlagen eine effiziente Produktion mit hohen und reproduzierbaren Artemisininausbeuten und die Bereitstellung von Präparaten mit definierter Artemisinindosierung ermöglicht. DOLLAR A Dazu werden die oberirdischen Pflanzenteile von Artemisia annua zermalen und das entstehende Pulver einer CO¶s¶-Hochdruckextraktion (HDE) unterzogen. Aus dem gereinigten Extraktionsgemisch wird Artemisinin isoliert und hieraus ein in Lösung gebrachter Wirkstoff erzeugt. In erfindungswesentlicher Weise erfolgt die Extraktion bei einem Druck zwischen 60 barr und 85 bar sowie einer Temperatur zwischen 20 DEG C und 35 DEG C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Gewinnung eines pharmakologischen Wirkstoffs aus Pflanzen der Spezies Artemisia annua. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Nutzung unter industriellen Bedingungen bzw. für industrielle Anlagen, wobei hierunter bezogen auf den Verfahrensschritt der Extraktion Anlagen einer Größenordnung von wenigstens 41, vorzugsweise darüber, verstanden werden sollen.

Bereits aus der traditionellen chinesischen Heilkunst ist die Verwendung der Pflanze Artemisia annua für Heilmittel gegen die gefährliche Tropenkrankheit Malaria bekannt. Die Wirkung der Pflanze geht auf das darin enthaltende Artemisinin zurück.

Durch die ständig steigende Zahl von Flugreisen ist auch eine zunehmende Verbreitung der häufig tödlich verlaufenden Malaria zu verzeichnen. So haben sich nach Angaben des Robert-Koch-Instituts beispielsweise im Jahre 1999 wenigstens 918 Deutsche bei einer Geschäfts- oder Urlaubsreise in die Tropen mit Malaria infiziert. Insofern kommt effizienten Verfahren zur Gewinnung des zur Bekämpfung der Krankheit eingesetzten Wirkstoffs Artemisinin eine nicht unerhebliche Bedeutung zu. In neueren Studien wird darüber hinaus die Möglichkeit eines Einsatzes von Artemisinin bei der Therapie von Krebs oder Aids untersucht.

Nach dem Stand der Technik erfolgt die Gewinnung von Artemisinin in der Regel in einem Prozess, der sich in 3 wesentliche Prozessstufen unterteilen lässt. Als wesentliche Prozessstufen sind dabei anzusehen die Aufbereitung des pflanzlichen Rohstoffs mit dessen Reinigung, Trocknung und Zerkleinerung durch Zermahlen, die Extraktion des Artemisinin aus den zermahlenen Pflanzenteilen und schließlich die Isolierung des Wirkstoffs aus dem Extraktionsgemisch sowie dessen Aufbereitung für eine geeignete Applikation.

Diese Vorgehensweise ist hinlänglich bekannt. Dennoch ist es wünschenswert, im Interesse einer hohen Artemisininausbeute, Möglichkeiten zu finden, die Prozessgestaltung weiter zu verbessern. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Extraktion des Artemisinins aus dem pflanzlichen Ausgangsmaterial zu. Weit verbreitet ist die Extraktion von Artemisinin unter Einsatz organischer Lösungsmittel. Hierbei sind allerdings in der Regel lange Extraktionszeiten zu verzeichnen. Auch kann die Ausbeute an Artemisinin durch einen sich im Verlaufe der Extraktion vollziehenden Wirkstoffabbau häufig nicht als befriedigend bezeichnet werden. Ein weiterer Nachteil ist im Verbrauch großer Mengen hochtoxischer, teurer Lösungsmittel zu sehen. Die Extraktion von Artemisinin mit Hexan wird beispielsweise in der US 4,952,603 beschrieben.

Ein mehr versprechender Weg ist hingegen die Extraktion mittels CO₂. Dabei kommt die sogenannte CO₂-Hochdruckextraktion (HDE) zum Einsatz. Ausführungen hierzu finden sich beispielsweise im Journal of Chromatography A, Nr. 785 (1997) 353–360. In dem Artikel sehen M. Kohler et al. die Durchführung der Hochdruckextraktion bei einem Druck von wenigstens 150 bar und einer Temperatur von 40°C als optimal an. Sie schlagen konkret einen Temperaturbereich zwischen 40°C und 80°C und einem Druckbereich zwischen 150 bar und 300 bar bei gleichzeitiger Verwendung eines Modifiers, nämlich Methanol vor. Zu vergleichbaren Ergebnissen kommt die US 6,180,105 B1 . Bei den darin beschriebenen Verfahren werden zur Extraktion Drücke zwischen 100 bar und 310 bar angewandt. Abweichend von Kohler empfiehlt die Schrift einen Verzicht auf Lösungsmittel.

Die Ergebnisse von Kohler und der letztgenannten US-Schrift können grundsätzlich bestätigt werden. Unter Laborbedingungen und mit kleinen Anlagen werden in den genannten Druck- und Temperaturbereichen gute Ausbeuten an Artemisinin erzielt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese im Stand der Technik genannten Extraktionsbedingungen mit Blick auf größere Produktionsvolumina auf industriemäßig produzierende Anlagen nicht übertragbar sind.

Ein weiteres Problem besteht bei der direkten Applikation von Artemisinin. Bei aus der Pflanze (Artemisia annua) hergestellten Tees ist der Wirkstoffgehalt an Artemisinin starken Schwankungen unterworten. Dies kann zu einer Unterdosierung, aber auch zu einer Überdosierung an Artemisinin führen, so dass die gewünschte pharmakologische Wirkung nur abgeschwächt oder gar nicht eintritt. Neben der Bereitstellung erforderlicher Mengen des Wirkstoffs ist es daher ein Bestreben, Präparate zur Verfügung stellen zu können, die den Wirkstoff in einer medizinisch wirksamen und konstanten Dosierung enthalten. Dabei besteht jedoch eine Schwierigkeit darin, dass Artemisinin im Grunde eine wasserunlösliche Verbindung ist. Die Pharmazie umgeht dieses Problem dadurch, dass sie Präparate aus dem wasserlöslichen Derivat des Artemisinins erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung eines pharmakologischen Wirkstoffes aus Artemisia annua anzugeben, welches bei der Durchführung auf industriellen Anlagen eine effiziente Produktion mit hohen und reproduzierbaren Artemisininausbeuten und die Bereitstellung von Präparaten mit definierter Artemisinindosierung ermöglicht. Entsprechend einer Weiterbildung des Verfahrens soll es dabei möglich sein, ohne auf ein Derivat des Artemisinins zurückgreifen zu müssen, einen Wirkstoff zur vorzugsweisen Verwendung in flüssig applizierbaren Präparaten zu erzeugen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Nach dem vorgeschlagenen Verfahren werden in an sich bekannter Weise zunächst die oberirdischen Pflanzenteile von Pflanzen der Spezies Artemisia annua zermalen. Das entstehende Pulver wird zur Extraktion von Artemisinin einer CO₂-Hochdruckextraktion (HDE) unterzogen. Anschließend wird aus dem gereinigten Extraktionsgemisch Artemisinin isoliert und hieraus, ein in Lösung gebrachter Wirkstoff zur Verwendung in vorzugsweise flüssig applizierbaren Präparaten erzeugt. In erfindungswesentlicher Weise erfolgt dabei die Extraktion, abweichend von den Empfehlungen des Standes der Technik, bei einem Druck zwischen 60 bar und 85 bar sowie einer Temperatur zwischen 20°C und 35°C.

Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass durch diese, insbesondere im Hinblick auf den Druck, vorgenommene Veränderung der Verfahrensparameter mit größeren Anlagen, wie sie bei der Erzeugung pharmakologischer Wirkstoffe im industriellen Maßstab Verwendung finden, gute Extraktausbeuten mit einem vergleichsweise hohem Artemisiningehalt erzielt werden. So konnten beispielsweise Extraktausbeuten von ca. 8 % mit einem Artemisiningehalt von nahezu 0,15 % nachgewiesen werden. Das Verfahren ist bei niedrigeren Drücken und Temperaturen selektiver. Schwerer lösliche Verbindungen verbleiben im Extraktionsgut, dadurch wird die sich anschließende Aufreinigung des Rohextraktes zur Isolierung von Artemisinin erleichtert. Durch die niedrigeren Temperaturen wird zudem vorteilhafterweise der Wirkstoffabbau des thermolabilen Artemisinins verhindert.

Der gegenüber den bisher empfohlenen Vorgaben verringerte Druck ist aber, über die Vorteile die sich für die Extraktion selbst ergeben, auch für die Auslegung von zur Verfahrensdurchführung geeigneten Anlagen als sehr vorteilhaft anzusehen. Insbesondere verringert sich der aparative Aufwand zur Erzeugung der erforderlichen Drücke und damit der investive Aufwand.

Als vorteilhaft hat sich dabei die Durchführung der Extraktion mit Drücken zwischen 70 bar und 80 bar und bei einer Temperatur zwischen 20°C und 35°C erwiesen. Besonders gute Resultate wurden bei einem Druck von vorzugsweise 60 bar und einer Temperatur von 20°C erzielt. Zwar bringt eine Verwendung von Modifiern, wie Sie aus dem Stand der Technik bekannt ist auch Nachteile mit sich, jedoch kann der Zusatz von Modifiern bei der Extraktion im Einzelfalle auch vorteilhaft sein. Demnach werden entsprechend einer praxisgerechten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Extraktion Modifier in einer Konzentration zwischen 2 % und 20 % zugesetzt. Als Modifier kommen insbesondere Methanol und Ethanol in Betracht, wobei Ethanol der Vorzug zu geben ist.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird unmittelbar das aus dem Extraktionsgemisch isolierte Artemisinin in ein flüssig applizierbares Präparat eingebettet. Hierzu wird entsprechend einer besonders vorteilhaften Verfahrensführung vorgeschlagen, das Artemisinin in vorgegebener Konzentration Zwischenprodukten zuzudosieren, welche bei der Durchführung des Verfahrens entstehen und Bestandteile von Artemisia annua mit pflanzeneigenen Verbindungen enthalten, die als Lösungsvermittler für das Artemisinin wirken. Dadurch wird der von Tees bekannte Vorteil genutzt, dass pflanzliche Bestandteile der Artemisia annua offenbar das Vermögen besitzen, Artemisinin in Lösung zu bringen, ohne die Nachteile einer schwankenden und nicht bekannten Dosierung des Artemisinins in Kauf nehmen zu müssen.

Eine Möglichkeit der Nutzung pflanzeneigener Verbindungen zur Lösung des Artemisinins besteht darin, das isolierte Artemisinin einem wässrigen Extrakt des HDE-Rückstandes zuzudosieren. Gemäß einer anderen Variante wird das aus dem Extraktionsgemisch isolierte Artemisinin einem wässrigen Auszug aus den pulverisierten Pflanzenteilen von Artemisia annua zudosiert, wie sie auch als Ausgangsmaterial für die HDE-Extraktion dienen. Zur Verbesserung des Geschmacks ist es dabei möglich, dem in Lösung gebrachten Wirkstoff mit anderen Tees aus anderen Heilkräutern zu mischen.

Gemäß einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens wird das aus der Zudosierung des Artemisinins zu den Zwischenprodukten oder den pulverisierten Pflanzenteilen entstehende Endprodukt einem Mineralwasser beigegeben. Hierdurch wird ein Erfrischungsgetränk erhalten, das zur Prophylaxe und/oder Therapie für die Behandlung der Nieren gegen Nieren- und Harnsteine, insbesondere aber auch bei fieberhaften Nierenerkrankungen verwendbar ist. Die Ursache der Harnsteinbildung ist die Übersättigung harnsteinbildender Substanzen im Urin. Diese Übersättigung resultiert neben einer erhöhten Konzentration dieser Substanzen aus einem Ungleichgewicht zwischen harnsteinfördernden und -hemmenden Substanzen. Dabei soll die harnsteinhemmende Wirkung des Erfrischungswassers durch den Geschmack und die damit verbundene Anregung zu einer erhöhten Flüssigkeitsaufnahme einerseits sowie durch die Beeinflussung des angesprochenen Gleichgewichts in Richtung einer vermehrten Ausscheidung harnsteinhemmender Substanzen im Urin erzielt werden. Obwohl das Produkt eine therapeutisch/prophylaktische Intention hat, ist eine Zulassung im Sinne des Arzneimittelgesetzes nicht erforderlich.

Im Hinblick auf die Korngröße des zur Durchführung der Hochdruckextraktion verwendeten pflanzlichen Pulvers der Artemisia annua wird empfohlen, deren oberirdische Pflanzenteile bis zu einer Korngröße zwischen 1 mm und 5 mm zu zermalen. Als besonders Vorteilhaft wird dabei eine Korngröße von 4 mm angesehen.

Das Verfahren soll nachfolgend in der Art eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden.
Zur Gewinnung eines artemisininhaltigen Präparats mit definiertem Wirkstoffgehalt aus Artemisia annua wird demnach folgende Vorgehensweise vorgeschlagen:
Die oberirdischen Teile der Pflanze werden zu einem Pulver mit einer Korngröße von ca. 4 mm zermahlen, wobei die optimale Partikelgröße im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm rohstoffabhängig ist und unter anderem von Herkunft, Anbau und Aufarbeitung des Rohstoffes abhängt. Durch die Feinvermahlung wird eine optimale Oberfläche für das Durchströmen der Extraktionsmittel gewährleistet, zum anderen aber eine Kanalbildung, wie sie bei einer Feinstvermahlung mit deutlich geringeren Korngrößen auftritt, ausgeschlossen. Dabei erfolgt die Vermahlung möglichst schonend, insbesondere unter Vermeidung einer Erhitzung des Rohstoffes.
Das erhaltene Pulver wird in einer entsprechenden Anlage (Extraktor) mit einer Größe von wenigstens 4 Litern Schüttvolumen einer CO₂-Extraktion unterworfen. Zur Extraktion wird die Anlage bei einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von 20°C betrieben. Zur Verbesserung der Lösungskapazität des verdichteten CO₂ erfolgt die Extraktion unter Zugabe eines Modifiers. Sie erfolgt vorzugsweise bei kontinuierlicher Modifikation des CO₂-Stroms mit 2 – 20 % Ethanol. Die Zudosierung erfolgt in einer solchen Menge und Geschwindigkeit (10 – 50 ml/min), dass sich ausreichend Ethanol im CO₂-Strom befindet und zudem der Modifier das Extraktionsgut in der Extraktionskolonne langsam aufsteigend durchströmt. Der vermahlene pflanzliche Rohstoff wird dabei vom Modifier bereits teilweise mazeriert bzw. extrahiert und erleichtert bzw. verstärkt damit den nachfolgenden Effekt der CO₂-Hochdruckextraktion von Artemisia annua. Das einströmende CO₂ löst auf dem Weg durch den Extraktor die extrahierbaren Stoffe sowohl aus dem Extraktionsgut als auch die bereits im Modifier gelösten Wirkstoffe.
Optimale Extraktionsbedingungen konnten für Artemisinin bei CO₂-Dichten größer 0.79 g/ml und bei kontinuierlicher Modifikation des CO₂-Stroms mit 10% Ethanol gefunden werden. Nach der Extraktion werden zunächst Verunreinigungen und die Artemisininvorstufen Artemisininsäure, Arteannuin B und Artemisiten vom Extraktionsgemisch getrennt. Die Isolierung des Artemisinins erfolgt über Säulenchromatographie und anschließende Umkristallisation.
Das in der beschriebenen Weise erhaltene Artemisinin wird schließlich für die vorzugsweise Verwendung in flüssig applizierbaren Präparaten in Lösung gebracht. Hierzu wird der Wirkstoff einem wässrigen Extrakt des HDE-Rückstands in der für das Präparat vorgesehenen Menge und Konzentration zudosiert, wobei das Artemisinin durch die pflanzeneigenen Verbindungen der in dem Rückstand enthaltenen Pflanzenteile von Artemisia annua in Lösung geht. Optional kann das erhaltene Präparat nach einer Sprühtrocknung auch als trockenes Produkt mit definiertem Wirkstoffgehalt verwendet werden.
Bei Versuchen zur Bestätigung des Verfahrens erfolgte die Extraktion in einer Anlage gemäß dem in 1 gezeigten Schema. Flüssiges CO₂ strömt aus einem Sammelbehälter 2 über einen ersten Wärmetauscher 3 zu einer Pumpe 4, die das CO₂ auf Extraktionsdruck komprimiert und es durch einen zweiten Wärmetauscher 5, in dem es auf Extraktionstemperatur erwärmt wird, in den Extraktor bzw. in die Extraktionskolonne 1 fördert. Auf dem Weg durch den Extraktor 1 (bzw. die Kolonne) lösen sich die extrahierbaren Stoffe im CO₂. Das mit den gelösten Stoffen beladene CO₂ wird über einen weiteren Wärmetauscher 6 zum Separator 7 geleitet. Durch Änderung von Druck und/oder Temperatur wird die Lösungsfähigkeit des CO₂ im Separator 7 verringert, so dass die Extrakte dort abgeschieden werden. Die Abscheidung kann in mehreren Stufen erfolgen, so dass man Extraktfraktionen unterschiedlicher Qualitäten erhält. Das gasförmige CO₂ aus dem Separator 7 wird in einem gekühlten Kondensator 8 verflüssigt und im Sammelbehälter 2 wieder aufgefangen.
Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Extraktor (Extraktionskolonne)
2: Sammelbehälter
3: Wärmetauscher
4: Pumpe
5: Wärmetauscher
6: Wärmetauscher
7: Separator
8: Kondensator

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines pharmakologischen Wirkstoffs aus Pflanzen der Spezies Artemisia annua, bei dem die oberirdischen Pflanzenteile zermalen werden, das entstehende Pulver zur Extraktion von Artemisinin einer Hochdruckextraktion (HDE) mittels des inerten Gases CO₂ unterzogen, aus dem gereinigten Extraktionsgemisch Artemisinin isoliert und hieraus, ein in Lösung gebrachter Wirkstoff zur Verwendung in vorzugsweise flüssig applizierbaren Präparaten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei einem Druck zwischen 60 bar und 85 bar sowie einer Temperatur zwischen 20°C und 50°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei einem Druck zwischen 70 bar und 80 bar erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei einer Temperatur zwischen 20°C und 35°C erfolgt
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von 20 C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion unter Verwendung eines Modifiers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Modifier in einer Konzentration zwischen 2% und 20% zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Modifier Ethanol verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Extraktionsgemisch isolierte Artemisinin in eine wasserlösliche Form überführt wird, indem das Artemisinin in vorgegebener Konzentration Zwischenprodukten zudosiert wird, welche bei der Durchführung des Verfahrens entstehen und Bestandteile von Artemisia annua mit pflanzeneigenen Verbindungen enthalten, die als Lösungsvermittler für das Artemisinin wirken.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Extraktionsgemisch isolierte Artemisinin einem wässrigen Extrakt des HDE-Rückstandes zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Extraktionsgemisch isolierte Artemisinin einem wässrigen Auszug aus den pulverisierten Pflanzenteilen von Artemisia annua zudosiert wird, wie sie auch als Ausgangsmaterial für die HDE-Extraktion dienen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in Lösung gebrachte Wirkstoff zur Verbesserung des Geschmacks mit anderen Heilkräutertees gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Zudosierung des Artemisinins zu den Zwischenprodukten oder den pulverisierten Pflanzenteilen entstehende Endprodukt einem Mineralwasser beigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Hochdruckextraktion ein Pulver mit einer Korngröße zwischen 1 mm und 5 mm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur HDE ein Pulver mit einer Korngröße von 4 mm verwendet wird.