Relative bioavailability of curcumin as affected by formulation strategies : from in vitro digestion and cell culture experiments to human clinical trials

Abstract

Curcumin, the bioactive component of turmeric (Curcuma longa L.), has been used for thousands of years in traditional medicine for the prevention or treatment of several diseases and symptoms. Nowadays, curcumin is investigated worldwide as a nutritional supplement. To overcome the central limitation of its naturally low oral bioavailability, several formulation strategies have been developed, such as its co-administration with turmeric oils or piperine to inhibit its metabolism and efflux or its incorporation into micelles, cyclodextrin complexes or phospholipid bilayers to improve its stability and solubility. So far, the different formulations have not been compared directly, in one cohort of participants and at equal doses. The present doctoral thesis aimed, for the first time, at a direct comparison of the bioavailability of curcumin in form of a native curcuma extract or seven formulations, namely polysorbate 80 micelles, g-cyclodextrin complexes, liposomes, phytosomes, submicron-particle curcumin or curcumin administered with turmeric oils or piperine, in healthy adults. The project further aimed to investigate several critical factors for curcumin bioavailability in vitro and to explain thereby the observations made in vivo. In a randomized, double-blind crossover trial with 12 healthy participants (6 females, 6 males), curcumin pharmacokinetics, namely AUC (area under the plasma concentration-time curve), Cmax (maximum plasma concentration) and tmax (time to reach Cmax) were compared after administration of a single oral dose of 207 mg curcumin in form of a native curcuma extract or one of the seven formulations. Curcumin incorporated into polysorbate 80 micelles or g-cyclodextrin complexes showed 57-fold and 30-fold improved bioavailability compared to the native extract, whereas all other formulations showed no or minor effects. tmax of the better bioavailable formulations was smaller (1 to 2 hours) compared to all others (up to 7 hours). To compare the formulations regarding their digestion characteristics and transepithelial transport, in vitro digestion experiments followed by Caco-2 cell transport assays were conducted with the formulations normalized to their curcumin content. In parallel to the effects in vivo, curcumin showed higher stability, solubility and micellization efficiency when it was incorporated into polysorbate 80 micelles (100%, 80%, 55%) or g-cyclodextrin complexes (73%, 33%, 23%), whereas curcumin permeability through Caco-2 cell monolayers was not affected by its formulation. In the next study, curcumin efflux, partially mediated by P-glycoprotein (P-gp), was investigated, because the inhibition of curcumin efflux from the intestinal cells back to the intestinal lumen is targeted by the co-administration of curcumin with turmeric oils or piperine. In LS180 (colon adenocarcinoma) cells, native curcuma extract and the seven formulations were studied regarding cellular curcumin uptake within 1 hour and efflux within further 8 hours, as well as their effects on P-gp activity. Independently from its formulation, curcumin inhibited the activity of P-gp. Cellular curcumin uptake and efflux showed significant variability between formulations but no consistent effects. Cellular uptake and efflux may thus not be important for curcumin bioavailability in vivo. Another potential factor influencing bioavailability, that was investigated for native and micellar curcumin, was the time-dependent intracellular distribution in intestinal cells. Uptake and intracellular distribution in Caco-2 cells mainly did not differ between native and micellar curcumin. After 30 minutes, both were localized in lysosomes and mitochondria, after 180 minutes in peroxisomes and native curcumin also in mitochondria. The temporary localization in lysosomes is in line with the involvement of endocytosis in cellular uptake of curcumin. Nevertheless, the intracellular localization of curcumin was not affected by its incorporation into polysorbate 80 micelles. The data generated in this doctoral project thus demonstrate that the incorporation of curcumin into polysorbate 80 micelles or g-cyclodextrin complexes successfully improve its bioavailability. The improved bioavailability of both formulations can be explained by enhanced digestive stability, solubility and micellization efficiency and appears to be independent from post-digestive processes, such as intestinal permeability, cellular uptake, cellular efflux or intracellular distribution. Consequently, the present doctoral thesis delivers relevant information for the therapeutical application of curcumin, for the development of highly bioavailable formulations, as well as the basis for further clinical research on the health beneficial effects of curcumin.

Curcumin, der bioaktive Inhaltsstoff der Gelbwurz (Curcuma longa L.), wird bereits seit Jahrtausenden in der traditionellen Medizin zur Behandlung von zahlreichen Erkrankungen und Symptomen eingesetzt. Heutzutage wird es weltweit als Nahrungsergänzungsmittel erforscht. Um gegen seine schlechte Bioverfügbarkeit, die seinen Einsatz limitiert, anzugehen, wurden verschiedene Formulierungsstrategien entwickelt. Beispielweise zielt die gleichzeitige Gabe von Ölen der Gelbwurz oder Piperin auf die Hemmung des Stoffwechsels und Efflux; die Einlagerung in Mizellen, Cyclodextrin-Komplexe oder Phospholipid-Doppelschichten auf die Erhöhung der Stabilität und Löslichkeit, ab. Bislang wurden die Formulierungen nicht direkt, in einer Kohorte und unter Gabe identischer Dosen verglichen. Die vorliegende Doktorarbeit erzielte den erstmaligen, direkten Vergleich der Bioverfügbarkeit von Curcumin in Form eines nativen Kurkuma-Extraktes oder sieben Formulierungen, nämlich Polysorbat 80-Mizellen, g-Cyclodextrinkomplexe, Liposomen, Phytosomen, Curcumin in einer kleinen Partikelgröße und Curcumin mit Zusatz von Ölen der Gelbwurz oder Piperin, in gesunden Erwachsenen. Ein weiteres Ziel war die Erforschung verschiedener ausschlaggebender Faktoren für die Curcumin-Bioverfügbarkeit in vitro und damit die Erklärung der in vivo-Beobachtungen. In einer randomisierten, doppelblinden Crossover-Studie mit 12 gesunden Erwachsenen (6 Frauen, 6 Männer), wurde die Pharmakokinetik von Curcumin anhand der AUC (Fläche unter der Plasmakonzentration-Zeitkurve), Cmax (maximale Plasmakonzentration) und tmax (Zeit zum Erreichen von Cmax) nach einer einmaligen oralen Gabe von 207 mg Curcumin in Form eines nativen Kurkuma-Extraktes oder einer der sieben Formulierungen verglichen. Curcumin eingelagert in Polysorbat 80-Mizellen oder g-Cyclodextrinkomplexe war 57-fach bzw. 30-fach besser bioverfügbar als natives Curcumin. tmax der besser bioverfügbaren Formulierungen war geringer (1 bis 2 Stunden) als aller anderen (bis zu 7 Stunden). Zum Vergleich der Formulierungen bezüglich ihrer Verdaueigenschaften und des transepithelialen Transports von Curcumin, wurde ein in vitro-Verdau mit anschließenden Caco-2-Transportversuchen durchgeführt, wofür die Formulierungen auf ihre Curcumingehalte normalisiert wurden. Gleich der Effekte in vivo, zeigte Curcumin eine höhere Stabilität, Löslichkeit und Mizellierungseffizienz, wenn es in Polysorbat 80-Mizellen (100 %, 80 %, 55 %) oder g-Cyclodextrinkomplexe (73 %, 33 %, 23 %) eingelagert war. Die Permeabilität von Curcumin durch Caco-2-Zellmonolayer war hingegen unbeeinflusst von dessen Formulierung. In der nächsten Studie lag der Fokus auf dem Curcumin-Efflux, der unter anderem mittels P-glykoprotein (P-gp) erfolgt. Die gleichzeitige Gabe von Ölen der Gelbwurz oder Piperin mit Curcumin zielt auf die Hemmung des Curcumin-Efflux aus den Darmzellen zurück in das Darmlumen ab. Der native Extrakt und die sieben Formulierungen wurden hinsichtlich der Curcumin-Aufnahme innerhalb 1 Stunde sowie des Efflux innerhalb weiterer 8 Stunden und ihrer Effekte auf die Aktivität von P-gp in LS180 (Kolonkarzinom)-Zellen untersucht. Unabhängig von dessen Formulierung hemmte Curcumin die Aktivität von P-gp. Zelluläre Curcuminaufnahme und -efflux variierten signifikant zwischen einzelnen Formulierungen, wobei die Effekte nicht einheitlich waren. Die zelluläre Aufnahme und der Efflux von Curcumin scheinen für dessen Bioverfügbarkeit nicht von relevanter Bedeutung zu sein. Die Zeit-abhängige intrazelluläre Verteilung in intestinalen Zellen, exemplarisch untersucht für natives und mizellares Curcumin, ist ein weiterer potentieller Einflussfaktor für die Bioverfügbarkeit. Die Aufnahme und Verteilung in Caco-2-Zellen unterschied sich nicht grundlegend zwischen nativem und mizellarem Curcumin. Nach 30 Minuten waren beide in Lysosomen, nach 180 Minuten in Peroxisomen und natives Curcumin in Mitochondrien lokalisiert. Die zeitweise Lokalisation in den Lysosomen geht mit der Beteiligung der Endozytose an der zellulären Aufnahme von Curcumin einher. Nichtsdestotrotz wurde die Lokalisation von Curcumin nicht durch dessen Formulierung beeinflusst. Insgesamt wurde beobachtet, dass die Einlagerung von Curcumin in Polysorbat 80-Mizellen oder g-Cyclodextrinkomplexe dessen Bioverfügbarkeit verbessert. Die in vivo beobachteten Effekte sind primär auf die Verbesserung der Verdaustabilität, Löslichkeit und Mizellierungseffizienz und weniger auf Faktoren wie die intestinale Permeabilität, zelluläre Aufnahme, Efflux oder intrazelluläre Verteilung zurückzuführen. Infolgedessen liefert die vorliegende Doktorarbeit wichtige Informationen für die therapeutische Anwendung von Curcumin, für die Entwicklung bioverfügbarer Formulierungen, und eine bedeutende Grundlage für die weitere klinische Erforschung seiner Gesundheitseffekte.