Geschichte der Cyclodextrine: Eine lange Geschichte in Kürze
Cyclodextrine sind zyklische Oligomere der Glucose, die auf natürliche Weise beim enzymatischen Abbau des wichtigsten Polysaccharids, der Stärke, entstehen. Sie sind seit fast 130 Jahren bekannt, doch der Durchbruch gelang ihnen erst in den 1980er Jahren mit ersten Anwendungen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie. Seit den 1980er Jahren übersteigt die Gesamtzahl der Veröffentlichungen und Patente zu Cyclodextrinen 53.000.
1891-1936: Die Entdeckungsperiode
Ihre Geschichte beginnt 1891 in Frankreich, als der Apotheker und Chemiker Antoine Villiers den ersten Hinweis auf Cyclodextrine veröffentlicht. Villiers beschäftigte sich mit der Wirkung von Enzymen auf verschiedene Kohlenhydrate und beschrieb, dass Kartoffelstärke unter bestimmten Bedingungen unter der Wirkung von Bacillus amylobacter fermentieren kann, um hauptsächlich Dextrine zu ergeben. Der Begriff Dextrine wurde bereits damals zur Beschreibung der Abbauprodukte von Stärke verwendet. Villiers schlug vor, diese kristalline Substanz aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Cellulose „Cellulosin“ zu nennen [1].
Einige Jahre später isolierte der „Gründervater“ der Cyclodextrinchemie, Franz Schardinger, ein österreichischer Mikrobiologe, einen Mikroorganismus (Bacillus macerans), der bei Kultivierung auf einem stärkehaltigen Medium reproduzierbar zwei verschiedene kristalline Substanzen produzierte [2]. Er identifizierte diese beiden Arten von Polysacchariden als kristallines Dextrin A und kristallines Dextrin B und gab die erste detaillierte Beschreibung der Herstellung und Trennung dieser beiden Dextrine.
1936–1970: Die Erkundungsperiode
Von 1911 bis 1935 kam es zu einer Zeit des Zweifels und der Meinungsverschiedenheiten, und erst Mitte der 1930er Jahre entwickelte sich die Forschung zu Dextrinen wieder.
Die Forschungszeit war geprägt von den zahlreichen Ergebnissen Freudenbergs und Frenchs zur Struktur der „Schardinger-Dextrin“-Moleküle. In den 1940er Jahren entdeckten Freudenberg und seine Mitarbeiter γ-CD und lösten anschließend die zyklische Oligosaccharidstruktur von Cyclodextrinmolekülen.
1950–1970: Die Reifezeit
Nachdem Freudenberg, Cramer und Plieninger die Machbarkeit der Herstellung von Cyclodextrin-Einschlusskomplexen entdeckt hatten, veröffentlichten sie 1953 das erste CD-bezogene Patent über die Anwendung von Cyclodextrinen in pharmazeutischen Formulierungen und leiteten damit ihren Übergang von der akademischen Forschung zu industriellen Anwendungen in unserem täglichen Leben ein lebt [3].
1970-heute: Der Bewerbungszeitraum
Ab 1970 nahm das Interesse an Cyclodextrinen zu. Seitdem haben wir zahlreiche industrielle und pharmazeutische Anwendungen kennengelernt, eine beeindruckende wissenschaftliche Literatur angesammelt und die Zahl der Patentanmeldungen hat zugenommen. Heutzutage faszinieren Cyclodextrine Forscher immer noch und jedes Jahr widmen sich mehr als 2000 Veröffentlichungen, darunter Artikel und Buchkapitel, Cyclodextrinen [4].
Anwendungen von Cyclodextrinen
Cyclodextrine und ihre Derivate finden aufgrund ihrer Biokompatibilität und Vielseitigkeit vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie finden breite Anwendung in der Textil- und Pharmaindustrie sowie in der Agrochemie, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Katalyse und Kosmetik.
Cyclodextrine wurden auf dem Gebiet der Arzneimittel für die Entwicklung verschiedener Arzneimittelverabreichungssysteme umfassend erforscht. Sie sind vor allem als Wirkstoffe bekannt, die die Stabilität erhöhen und die Wasserlöslichkeit und Bioverfügbarkeit aktiver Verbindungen und Einheiten verbessern. Sie gelten als nützliche pharmazeutische Hilfsstoffe, während jüngste Entwicklungen in der Cyclodextrinforschung ihr Potenzial als pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) für die Behandlung mehrerer Krankheiten (z. B. Hypercholesterinämie, Krebs, Niemann-Pick-Typ-C-Krankheit) gezeigt haben [7].
Weitere Anwendungen von Cyclodextrinen umfassen analytische Chemie, organische Chemie (Synthese), makromolekulare Chemie (Materialien), Click-Chemie, supramolekulare Chemie, Membranen, Enzymtechnologie und Nanotechnologie (Nanopartikel/Nanoschwämme für verschiedene Bereiche). Allerdings bleiben die Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie die Hauptzielmärkte für Cyclodextrine [5].
Bildung von Einschlusskomplexen
Die meisten dieser Anwendungen sind aufgrund der Fähigkeit von Cyclodextrinen möglich, Einschlusskomplexe mit einer Vielzahl fester, flüssiger und gasförmiger Verbindungen zu bilden. In diesen Komplexen werden die physikochemischen Eigenschaften der Gastmoleküle, die vorübergehend im Hohlraum des Wirts (Cyclodextrine) eingeschlossen oder eingesperrt sind, tiefgreifend verändert, was zu einer Verbesserung der Löslichkeit, Stabilisierung und anderen vorteilhaften Eigenschaften führt [6].
Verweise:
1. Crini G., (2014). Rezension: Eine Geschichte der Cyclodextrine. Chemical Reviews, 114(21), 10940–10975. DOI:10.1021/cr500081p
2. Szejtli J., (2004). Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Cyclodextrinforschung. Pure and Applied Chemistry, 76(10), 1825–1845. DOI:10.1351/pac200476101825
3. Wüpper S., Lüersen K., Rimbach G., (2021). Cyclodextrine, natürliche Verbindungen und pflanzliche Bioaktivstoffe – eine ernährungsphysiologische Perspektive. Biomoleküle. 11(3):401. DOI: 10.3390/biom11030401. PMID: 33803150; PMCID: PMC7998733.
4. Morin-Crini N., Fourmentin S., Fenyvesi É., Lichtfouse E., Torri G., Fourmentin M., Crini G., (2021). 130 Jahre Cyclodextrin-Entdeckung für Gesundheit, Ernährung, Landwirtschaft und Industrie: ein Rückblick. Environmental Chemistry Letters, 19(3), 2581–2617. DOI:10.1007/s10311-020-01156-w
5. Crini G., Fourmentin S., Fenyvesi É., Torri G., Fourmentin M. und Morin-Crini N., (2018). Grundlagen und Anwendungen von Cyclodextrinen. Cyclodextrin-Grundlagen, Reaktivität und Analyse, 1–55. DOI:10.1007/978-3-319-76159-6_1
6. Singh M., Sharma R. und Banerjee U., (2002). Biotechnologische Anwendungen von Cyclodextrinen. Biotechnology Advances, 20(5-6), 341–359. DOI:10.1016/s0734-9750(02)00020-4
7. Di Cagno M. (2016). Das Potenzial von Cyclodextrinen als neuartige pharmazeutische Wirkstoffe: Ein kurzer Überblick. Molecules, 22(1), 1. DOI:10.3390/molecules22010001
