Miliusa velutina茎皮富含生物碱提取物的可持续生产：工艺优化、生命周期评估及抗炎抗癌治疗潜力

《Sustainable Chemistry for Climate Action》：Sustainable production of alkaloid-enriched extract from Miliusa velutina stem bark: Process optimization, life cycle assessment, and therapeutic potential against inflammation and cancer

　　

本研究提出一个可持续框架，整合了工艺优化、生命周期评估（LCA）和药理学评价，用于从Miliusa velutina茎皮中回收富含生物碱的提取物。研究人员采用面心中心复合设计-响应面法（CCD-RSM）优化了超声辅助提取（UAE）。应用最优条件（79.2°C，18.3 min，61.3%乙醇，1:13 w/v固液比）获得的实验产率为161.00 ± 5.46 mg AE/g提取物，与模型预测值（164.77 mg AE/g提取物，R2 = 0.9990）高度吻合。为符合气候响应化学要求，研究人员进行了符合ISO 14040/14044标准的生命周期评估。该生命周期评估验证了优化后的超声辅助提取方案显著降低了环境负担和能源消耗，提供了一种可持续、低碳的替代方案。除了生态效率，优化后的提取物通过显著抑制脂多糖（LPS）刺激的RAW264.7巨噬细胞中一氧化氮（NO）的产生而不诱导细胞毒性，表现出强效的抗炎活性。此外，该提取物对SK-LU-1、HepG2和MKN7癌细胞系表现出显著的剂量依赖性细胞毒性（IC₅₀值分别为20.75 ± 0.59、15.63 ± 0.71和21.85 ± 0.64 μg/mL），远优于非优化提取物。这些发现表明，优化后的M. velutina茎皮生物碱提取成功地将环境可持续性与显著的药理功效相协调，使其成为一种有前景的生态友好型治疗剂。

**论文解读：Miliusa velutina茎皮生物碱的可持续提取、环境评估及抗炎抗癌潜力**

**研究背景与问题**

慢性炎症与癌症是全球公共卫生的重大挑战。据Sung等报道，2020年全球新发癌症病例约1930万，癌症相关死亡近1000万，预计到2040年全球癌症负担将增至2840万例，较2020年增加47%。其中，肺癌死亡率最高（18%），其次为肝癌（8.3%）和胃癌（7.7%）。Zhao等强调，慢性炎症在致癌过程中起关键作用，约20%的人类癌症与感染相关。尽管已有多种抗炎和抗癌疗法，但其临床应用受限于毒性、严重副作用及耐药性。因此，具有良好安全性和多靶点机制的天然化合物受到日益关注。在各类天然生物活性物质中，生物碱因其结构多样性和广谱生物活性被视为最有前景的候选物之一。代表性化合物如小檗碱、东莨菪碱、长春碱和长春新碱已显示出强效抗炎活性和抗增殖作用。Miliusa velutina是一种分布于亚洲多个地区的植物，在传统医学中广泛应用。近期研究指出该植物含有多种具有显著生物潜力的次生代谢物，其茎皮中已报道含有liriodenine、reticuline、isocorydine、norcorydine及(+)-isocorydine α-N-oxide等生物碱。然而，该植物组织的总生物碱含量信息极为有限，尚未建立实现最大生物碱产率的最优提取条件，且对富含生物碱提取物的细胞抗炎和抗癌活性缺乏全面评估。这些不足凸显了关于M. velutina药理潜力的重要知识空白。为填补这些知识空白，必须采用绿色技术优化提取方案。现代天然产物研究要求在最大化化学产率的同时，必须兼顾环境可持续性。超声辅助提取（UAE）结合响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）提供了一种统计上稳健的方法，可在最小化溶剂和能源投入的同时最大化目标生物碱回收率。此外，整合生命周期评估（LCA）对于精确量化提取路线的环境足迹至关重要，确保该工艺通过推广低排放策略直接推动可持续发展目标13（气候行动）。本研究的创新性在于其整体性、三元一体化的方法。据研究人员所知（截至2026年3月），这是首次同时整合绿色提取优化、环境影响验证以及M. velutina生物碱的全面药理学分析的研究。因此，本研究有两个主要目标：第一，利用面心CCD-RSM系统优化UAE条件，实现M. velutina茎皮生物碱产率最大化，同时运用LCA量化优化工艺的可持续性和环境影响；第二，全面评估优化后的富含生物碱提取物的生物活性，重点研究其在脂多糖（LPS）激活的细胞模型中的抗炎作用，以及对SK-LU-1、HepG2和MKN7癌细胞系的细胞毒性。

**主要关键技术方法**

研究人员采用面心中心复合设计-响应面法（face-centered CCD-RSM）优化超声辅助提取（UAE）参数，包括温度、时间、乙醇浓度和固液比。利用生命周期评估（LCA）工具（OpenLCA 2.4.1软件，CML-IA baseline方法）评估环境足迹，功能单位（FU）定义为1 g M. velutina茎皮，系统边界为“门到门”（gate-to-gate）。抗炎活性通过LPS刺激的RAW264.7巨噬细胞中一氧化氮（NO）产生的抑制进行评价。抗癌活性采用磺酰罗丹明B（SRB）法检测SK-LU-1（肺癌）、HepG2（肝癌）和MKN7（胃癌）细胞系的半数抑制浓度（IC₅₀）。植物材料（M. velutina茎皮）于2024年1月采集自越南安江省，并经形态学鉴定。

**研究结果**

**3.1 单个提取参数对总生物碱含量的影响**
通过单因素实验（OFAT）发现，总生物碱含量（TAC）随温度升高而增加，在70°C时达到峰值（约174.89 mg AE/g提取物），超过80°C后因热降解而下降。最佳提取时间为20 min（TAC=177.11 mg AE/g提取物），延长至35 min后因氧化降解或再吸附而下降。70%乙醇（v/v）获得最大回收率（173.78 mg AE/g提取物），过低或过高浓度均降低效率。固液比1/15（w/v）时TAC最高（144.06 mg AE/g提取物），进一步增加溶剂体积无益，符合Fick第一定律。

**3.2 生物碱提取条件的优化**
采用面心CCD-RSM优化四个关键参数（温度60–80°C、时间15–25 min、乙醇浓度60–80%、固液比1/10–1/20）。二次多项式模型高度显著（模型F值=1041.33，p<0.0001），失拟不显著（p=0.2280），R2=0.9990，预测R2=0.9950。温度（A）和固液比（D）的线性贡献最大（分别占52.90%和46.27%），时间（B）的二次效应显著（B2的F值=3511.41）。三维响应面图显示凸面穹顶形态，证实存在真实最优值。最终最优条件为：温度79.2°C、时间18.3 min、乙醇浓度61.3%、固液比1/13（w/v），预测TAC为164.77 mg AE/g提取物，验证实验值为161.00 ± 5.46 mg AE/g提取物，模型高度可靠。

**3.3 优化提取工艺的生命周期评估（LCA）**
与两种已报道的优化提取方案（Mansoa alliacea花的UAE工艺和Coptis chinensis Fries根茎的热回流提取工艺）比较，本研究的优化工艺（工艺A）在10个环境影响类别中均表现出最低值。例如，全球变暖潜能（GW）方面，工艺A仅产生0.115 kg CO? eq，而工艺C高达2.472 kg CO? eq；人类毒性（HT）方面，工艺A为8.505E-03 kg 1,4-DB eq，工艺C为1.818E-01 kg 1,4-DB eq。这些差异直接源于工艺A较低的电力消耗（0.06976 kWh）和溶剂用量（乙醇6.33 g，水5.22 g），证实了其作为绿色、低碳提取替代方案的可行性。

**3.4 RAW264.7细胞中的体外抗炎活性**
在12.5–50 μg/mL浓度范围内，非优化提取物和优化提取物均未对RAW264.7细胞产生显著细胞毒性（存活率均>90%），符合国际标准（ISO 10993-5/12）。在LPS刺激下，单独LPS处理使细胞存活率降至约80%，而两种提取物共处理均能恢复存活率至>90%。优化提取物在50 μg/mL时显著抑制NO产生至31.10 μM，优于非优化提取物（54.51 μM）和阳性对照L-NAME（44.72–47.77 μM），且呈剂量依赖性。该效应归因于优化条件提高了生物碱等活性成分的浓度。

**3.5 对癌细胞的细胞毒性**
SRB法测定显示，优化提取物在5–50 μg/mL范围内对SK-LU-1、HepG2和MKN7细胞均呈剂量依赖性抑制。在50 μg/mL时，优化提取物对HepG2的抑制率达77.59%，显著高于非优化提取物（52.02%）。IC₅₀值方面，优化提取物对HepG2、SK-LU-1和MKN7的IC₅₀分别为15.63、20.75和21.85 μg/mL，而非优化提取物分别为44.49、49.39和41.05 μg/mL，优化后效能提升2–3倍。阳性对照ellipticine的IC₅₀为0.72–0.90 μg/mL，但优化提取物作为部分纯化馏分显示强效活性，表明M. velutina生物碱具有抗癌潜力。

**总结讨论与结论**

研究人员在讨论部分指出，该研究成功建立了高效且气候响应的框架，用于从M. velutina茎皮中回收生物活性生物碱。通过面心CCD-RSM系统优化了UAE工艺，实现了与预测模型高度吻合的优异生物碱产率。关键的是，整合的LCA验证了该优化方案是可持续、低碳的替代方案，相比其他方法能显著减轻环境负担和能源消耗。除了生态效率，优化后的富含生物碱提取物表现出显著的药理潜力：在LPS刺激的巨噬细胞中显著抑制NO产生而不诱导细胞毒性，显示强效抗炎特性；对SK-LU-1、HepG2和MKN7癌细胞呈剂量依赖性细胞毒性，远优于非优化提取物。最终结论为：这些发现凸显了M. velutina茎皮作为有前景的生态友好型抗炎和抗癌治疗候选物的重要性，强调了将高效植物化学回收与可持续化学策略相结合的关键意义。