《International Journal of Biological Macromolecules》：Development of lignin-based nanoparticles using green chemistry for targeted delivery of doxorubicin to breast cancer cells:
In-silico and in-vitro study
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阿霉素递送系统基于油棕空果皮纳米木质素开发，通过绿色深共熔溶剂和超声辅助提取木质素，形成pH响应性纳米乳剂。实验显示该系统粒径15.83 nm，包封效率达93%，在酸性肿瘤微环境中释放增强，DFT模拟证实木质素与阿霉素的氢键和π-π堆积作用稳定药物负载，MTT检测表明其抗癌活性优于游离阿霉素，且符合绿色化学原则。
Maulidan Firdaus | Faradila Putri Dewinta Azzahra | Miftahul Rohmah | Seruni Bunga Widayat | Khairunnisa Nabilla | Naela Husna | Fajar Rakhman Wibowo
印度尼西亚苏拉卡塔Sebelas Maret大学数学与自然科学学院化学系，Ir. Sutami路36A号，邮编57126
摘要
基于纳米结构的药物递送系统在癌症治疗领域的开发不断进步，但大多数已报道的方法仍然依赖于金属或合成材料，这些材料在生物相容性和环境可持续性方面可能存在局限性。以乳液为基础的纳米结构平台作为环保解决方案的研究相对较少。本研究利用从油棕空果串（OPEFB）中提取的纳米木质素，通过绿色深共晶溶剂（DES）制备了一种多柔比星（DOX）递送系统。所得木质素经超声处理后转化为纳米木质素，并与Tween 80、丙酸乙酯和DOX共同配制成纳米乳液。该纳米乳液系统具有纳米级颗粒大小、高包封效率及良好的物理稳定性。药物释放测试显示其释放行为受pH值影响，在酸性条件（pH 6.4）下DOX释放速率增加，这模拟了肿瘤微环境。Korsmeyer-Peppas模型解释了DOX在肿瘤微环境中的释放机制，表明其释放过程遵循准Fickian扩散规律。使用MCF-7细胞进行的MTT实验表明，富含木质素的配方具有最强的细胞毒性。密度泛函理论（DFT）实验进一步证实了这一点，显示木质素富集系统具有更高的结合能，表明分子间相互作用更强。此外，绿色星形区域指数（GSAI）也验证了该过程的环保性，符合绿色化学原则。因此，这种基于乳液的药物递送系统为生物医学应用提供了一个有前景、高效且环保的解决方案，特别是作为传统药物递送系统的绿色替代品。
引言
乳腺癌是最常见的癌症类型之一，也是全球女性癌症死亡的主要原因。GLOBOCAN 2022报告指出，全球每年新增病例超过230万例，死亡人数约67万例[1]。这凸显了亟需更有效的治疗策略。手术、化疗、放疗和激素治疗等传统方法虽然提高了许多女性的生存率，但也存在固有挑战[2, 3]。这些治疗方式往往影响整个身体而不仅仅是肿瘤，导致更多副作用、治疗效果不佳以及癌症复发率升高。多柔比星（DOX）因其强大的抗肿瘤能力而成为乳腺癌治疗的主要药物[4]，但其也存在局限性：DOX对癌细胞无选择性，会在全身循环并对健康组织造成损伤；高剂量会增加心脏毒性，且药物在体内停留时间不足，影响疗效[5-7]。因此，开发安全、靶向且高效的DOX递送系统对于提高疗效并减少不良反应至关重要。
基于纳米技术的药物递送系统成为克服传统化疗局限性的有希望的方法。靶向治疗策略的发展提高了癌症治疗的特异性[8]，这些系统通过增强渗透性和保留效应（EPR）使药物在肿瘤组织中积累，从而降低全身毒性。肿瘤的血管通透性高且淋巴引流不良，有利于药物在肿瘤内的积累[9, 10]。纳米载体可控制药物释放，保持肿瘤细胞内的高浓度同时减少对健康组织的伤害[11]。已开发出多种纳米载体，包括天然来源的磁性修饰纳米载体和生物合成金属纳米颗粒[12]，在DOX递送方面表现出显著改进[13, 14]。然而，现有系统通常存在包封效率低、药物释放不均匀、生产成本高以及合成过程对环境有害等问题，亟需更可持续、环保且经济高效的纳米载体设计[15]。
木质素是一种天然丰富的芳香族生物聚合物，来源于木质纤维素生物质，逐渐被视为可再生、可生物降解且对环境友好的纳米材料，适用于先进生物医学应用。其富含羟基和酚基官能团，能与药物分子形成强氢键和π-π堆叠相互作用，提高药物在递送系统中的包封效率和稳定性[16, 17]。在农业废弃物中，油棕空果串（OPEFB）是印度尼西亚最具潜力但未充分利用的木质素来源之一。作为棕榈油产业的主要副产品，OPEFB虽产生大量农业废弃物，但其高木质纤维素含量可转化为功能性生物材料[18, 19]。利用这种生物质有助于实现废物转化增值，促进循环生物经济的可持续发展[15]。
传统木质素提取方法通常使用有机溶剂或碱法，能耗高且产生有害化学废物。相比之下，深共晶溶剂（DES）是一种环保高效的选择。DES具有生物降解性、非挥发性，能选择性断裂木质素-碳水化合物键，同时减少纤维素降解[20, 21]。研究表明，DES辅助提取不仅提高木质素回收率，还降低溶剂消耗和处理时间，符合绿色化学原则（如使用可再生原料、提高能源效率和减少废物[15]。
为进一步提高提取过程的可持续性，可结合超声技术，缩短反应时间、增强传质效果并降低能耗[22, 23]。DES与超声的协同作用为OPEFB中木质素的提取和改性提供了环保途径[24]。现有研究多关注提取效率或溶剂重复利用率，但较少优化决定木质素物理化学特性的工艺条件。响应面法（RSM）是一种有效的优化工具[25, 26]，但在OPEFB木质素提取中的应用较少。将DES提取的木质素转化为纳米木质素可显著增加其表面积、分散性和载药能力，有助于开发绿色纳米载体用于DOX靶向递送[22, 31]。这一综合策略体现了绿色化学的核心理念，通过节能环保的方法将农业废弃物转化为高价值纳米材料，实现可持续性与生物医学创新的结合。
最新研究表明，木质素纳米颗粒（LNPs）可提升DOX的治疗效果，递送效率提高67.65%，生物利用度提高十倍以上[27]；另有研究显示木质素纳米颗粒和木质素稳定微乳液能有效递送DOX、控制其释放并增强抗癌活性[28]。然而，传统木质素基递送系统仍存在颗粒尺寸分布不均、释放不稳定等问题[29, 30]。这些研究使用的木质素大多来自硫酸盐法或碱法，这些方法依赖有害化学物质和能源密集型工艺，与绿色化学的可持续性原则相悖。
为解决这些问题，本研究提出了一种基于OPEFB木质素的可持续纳米递送系统，采用DES提取并通过RSM和超声辅助合成进行优化。DES具有生物降解性、非挥发性，能选择性去除木质素；超声技术提高颗粒均匀性并降低能耗，形成环保高效的提取过程[22, 31]。该方法符合绿色化学原则，包括使用可再生原料、提高能源效率和减少废物。为评估合成过程的可持续性，需基于绿色化学12项原则进行综合评估。本研究采用绿色星形区域指数（GSAI）[32, 33]来评估该过程。
提取木质素后，制备了载有DOX的纳米木质素（LNPs-DOX），以增强靶向递送并降低全身毒性。通过密度泛函理论（DFT）模拟了木质素与DOX之间的分子相互作用，预测了氢键和π-π堆叠的强度和稳定性。体外细胞毒性实验进一步证实了LNPs-DOX的增强治疗效果和降低的脱靶毒性。
本研究利用从OPEFB中提取的木质素，通过DES和超声辅助合成制备了DOX递送系统。DES具有生物降解性、非挥发性，能选择性去除木质素；超声技术提高颗粒均匀性并降低能耗，形成环保高效的提取过程[22, 31]。
本研究利用Sebelas Maret大学2025财年的预算（RKAT）及印尼学习与学生事务局的资助，完成了该研究。
作者声明没有可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
作者感谢Sebelas Maret大学和HGR（研究组资助）在项目实施过程中提供的资金和设施支持。
