Geschiedenis van cyclodextrinen: kortom een lang verhaal
Cyclodextrinen zijn cyclische oligomeren van glucose die van nature voorkomen bij de enzymatische afbraak van de meest essentiële polysachariden, zetmeel. Ze zijn al bijna 130 jaar bekend, maar braken pas echt door in de jaren tachtig met de eerste toepassingen in de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie. Sinds de jaren tachtig bedraagt het totale aantal publicaties en patenten over cyclodextrinen meer dan 53.000.
1891-1936: De ontdekkingsperiode
Hun geschiedenis begint in 1891 in Frankrijk, wanneer Antoine Villiers, apotheker en scheikundige, de eerste verwijzing naar cyclodextrinen publiceert. Villiers werkte aan de werking van enzymen op verschillende koolhydraten en beschreef dat aardappelzetmeel onder bepaalde omstandigheden kan fermenteren tot voornamelijk dextrines onder invloed van Bacillus amylobacter. De term dextrines werd destijds al gebruikt om de afbraakproducten van zetmeel te beschrijven. Villiers stelde voor om deze kristallijne stof ‘cellulose’ te noemen vanwege de overeenkomsten met cellulose [1].
Een paar jaar later isoleerde de ‘grondlegger’ van de cyclodextrinechemie, Franz Schardinger, een Oostenrijkse microbioloog, een micro-organisme (Bacillus macerans) dat reproduceerbaar twee verschillende kristallijne stoffen produceerde wanneer het werd gekweekt op een zetmeelhoudend medium [2]. Hij identificeerde deze twee soorten polysachariden, als kristallijne dextrine A en kristallijne dextrine B, en gaf de eerste gedetailleerde beschrijving van de bereiding en scheiding van deze twee dextrinen.
1936–1970: de verkenningsperiode
Van 1911 tot 1935 volgde een periode van twijfel en onenigheid, en pas halverwege de jaren dertig ontwikkelde het onderzoek naar dextrines zich opnieuw.
De onderzoeksperiode werd gekenmerkt door de talrijke resultaten verkregen door Freudenberg en French over de structuur van de “Schardinger-dextrine” -moleculen. In de jaren veertig ontdekten Freudenberg en zijn collega's γ-CD en losten vervolgens de cyclische oligosacharidestructuur van cyclodextrinenmoleculen op.
1950–1970: De rijpingsperiode
Nadat ze de haalbaarheid hadden ontdekt van het bereiden van cyclodextrine-inclusiecomplexen, publiceerden Freudenberg, Cramer en Plieninger in 1953 het eerste CD-gerelateerde patent, betreffende de toepassingen van cyclodextrinen in farmaceutische formuleringen, waarmee de overgang van academisch onderzoek naar industriële toepassingen werd geïnitieerd, als onderdeel van onze dagelijkse leeft [3].
1970-heden: De aanvraagperiode
Vanaf 1970 nam de belangstelling voor cyclodextrinen toe. Sindsdien hebben we kennis gemaakt met talloze industriële en farmaceutische toepassingen, terwijl er indrukwekkende wetenschappelijke literatuur is opgebouwd en het aantal patentaanvragen is toegenomen. Tegenwoordig fascineren cyclodextrinen onderzoekers nog steeds, en elk jaar worden er meer dan 2000 publicaties, waaronder artikelen en hoofdstukken in boeken, aan cyclodextrinen gewijd [4].
Toepassingen van Cyclodextrinen
Cyclodextrinen en hun derivaten hebben, vanwege hun biocompatibiliteit en veelzijdigheid, een grote verscheidenheid aan toepassingen. Ze worden op grote schaal gebruikt in de textiel- en farmaceutische industrie, maar ook in de agrochemie, voedseltechnologie, biotechnologie, katalyse en cosmetica.
Cyclodextrinen zijn overvloedig onderzocht op het gebied van medicijnen voor het ontwerp van verschillende medicijnafgiftesystemen. Ze zijn voornamelijk bekend als middelen die de stabiliteit verhogen en de wateroplosbaarheid en biologische beschikbaarheid van actieve verbindingen en delen verbeteren. Ze zijn erkend als nuttige farmaceutische hulpstoffen, terwijl recente ontwikkelingen in het onderzoek naar cyclodextrine hun potentieel hebben aangetoond als actieve farmaceutische ingrediënten (API's) voor de behandeling van verschillende ziekten (bijvoorbeeld hypercholesterolemie, kanker, de ziekte van Niemann-Pick Type C) [7].
Andere toepassingen van cyclodextrinen zijn onder meer analytische chemie, organische chemie (synthese), macromoleculaire chemie (materialen), klikchemie, supramoleculaire chemie, membranen, enzymtechnologie en nanotechnologie (nanodeeltjes/nanosponzen voor verschillende domeinen). De farmaceutische, voedings- en cosmetische industrie blijven echter de belangrijkste doelmarkten voor cyclodextrinen [5].
Inclusiecomplexvorming
De meeste van deze toepassingen zijn mogelijk vanwege het vermogen van cyclodextrinen om inclusiecomplexen te vormen met een breed scala aan vaste, vloeibare en gasvormige verbindingen. In deze complexen worden de fysisch-chemische eigenschappen van de gastmoleculen die tijdelijk zijn opgesloten of gekooid in de holte van de gastheer (cyclodextrinen) diepgaand gewijzigd, wat een verbetering van de oplosbaarheid, stabilisatie en andere gunstige eigenschappen oplevert [6].
Referenties:
1. Crini G., (2014). Recensie: Een geschiedenis van cyclodextrinen. Chemische beoordelingen, 114(21), 10940–10975. DOI:10.1021/cr500081p
2. Szejtli J., (2004). Verleden, heden en toekomst van cyclodextrineonderzoek. Zuivere en toegepaste chemie, 76(10), 1825–1845. DOI:10.1351/pac200476101825
3. Wüpper S., Lüersen K., Rimbach G., (2021). Cyclodextrinen, natuurlijke verbindingen en bioactieve planten - een voedingsperspectief. Biomoleculen. 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 jaar cyclodextrine-ontdekking voor de gezondheid, voeding, landbouw en de industrie: een overzicht. Milieuchemiebrieven, 19(3), 2581–2617. DOI:10.1007/s10311-020-01156-w
5. Crini G., Fourmentin S., Fenyvesi É., Torri G., Fourmentin M., & Morin-Crini N.,(2018). Grondbeginselen en toepassingen van cyclodextrinen. Cyclodextrine Grondbeginselen, Reactiviteit en Analyse, 1–55. DOI:10.1007/978-3-319-76159-6_1
6. Singh M., Sharma R., & Banerjee U., (2002). Biotechnologische toepassingen van cyclodextrinen. Vooruitgang in de biotechnologie, 20(5-6), 341–359. DOI:10.1016/s0734-9750(02)00020-4
7. Di Cagno M. (2016). Het potentieel van cyclodextrinen als nieuwe actieve farmaceutische ingrediënten: een kort overzicht. Moleculen, 22(1), 1. DOI:10.3390/moleculen22010001
