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Publication
Green extraction of artemisinin from Artemisia annua L. and evaluation of the antimalarial activity
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Authors
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Abstract(s)
Malaria remains one of the greatest global public health challenges, affecting millions of people, especially in tropical and subtropical regions. One of the main obstacles to treating the disease is the low water solubility of antimalarial compounds, which compromises their bioavailability. In this work, terpenes are proposed as alternative solvents and pharmaceutical excipients for processing and formulating these drugs, aiming for higher sustainability and safety in line with green chemistry principles. First, the COSMO-RS model was used to investigate approximately 8000 systems that combine solvents from different classes with antimalarial drugs (artemisinin, quinine, quinidine, tetracycline, artemether, dapsone, and pyrimethamine). Focusing on artemisinin and the evaluated terpene candidates, thymol and its mixtures with α-pinene, β-pinene, γ-terpinene, and p-cymene showed the greatest potential, and were selected as solvents to extract artemisinin from the plant Artemisia annua L. Heat extractions with magnetic stirring were performed using a carousel system under the conditions: 50 °C, 600 rpm, 1 hour, and 1:10 solid-liquid ratio. Besides artemisinin (ART), dihydroartemisinic acid (DHAA) was also identified in significant amounts. The extraction yields using conventional solvents were 1.15 mg ART/gplant and 5.53 mg DHAA/gplant for water and 7.11 mg ART/gplant and 9.42 mg DHAA/gplant for ethanol. Higher global yields were obtained using pure terpenes (α-pinene and β-pinene), and all the equimolar thymol mixtures. The highest values were 10.43 mg ART/gplant for the thymol:α-pinene mixture and 11.86 mg DHAA/gplant for α-pinene. These values are consistent with the maximum amount available in the plant (11.2 ± 0.8 mg ART/gplant, 13.4 ± 1.0 mg DHAA/gplant), obtained by performing five consecutive extraction cycles with an Accelerated Solvent Extractor (100 °C, 5 min, 1:10 S/L ratio). A selected set of extracts (water, dichloromethane, ethanol, p-cymene, γ-terpinene, α-pinene, β-pinene) was subject to in vitro antimalarial activity assays against Plasmodium falciparum (strain 3D7-GFP). All extracts obtained with terpenes were proven to be significant inhibitors, with IC50 values ranging from 5.19 nM (γ-terpinene) to 8.17 nM (α-pinene), close to the value of the standard artemisinin (IC50 = 4.20 nM). Terpenes maintained high activity, highlighting them and reinforcing their predictions as a green alternative for the extraction and formulation of antimalarial compounds.
A malária continua a ser um dos maiores desafios globais de saúde pública, afetando milhões de pessoas, especialmente em regiões tropicais e subtropicais. Um dos principais obstáculos ao tratamento da doença é a baixa solubilidade em água dos compostos antimaláricos, o que compromete a sua biodisponibilidade. Neste trabalho, propõem-se os terpenos como solventes alternativos e excipientes farmacêuticos para o processamento e formulação destes fármacos, com o objetivo de promover uma maior sustentabilidade e segurança, em conformidade com os princípios da química verde. Numa primeira fase, recorreu-se ao modelo COSMO-RS para investigar aproximadamente 8000 sistemas que combinam solventes de diferentes classes com fármacos antimaláricos (artemisinina, quinina, quinidina, tetraciclina, arteméter, dapsona e pirimetamina). Centrando a análise na artemisinina e nos candidatos terpénicos avaliados, o timol e as suas misturas com α-pineno, β-pineno, γ-terpineno e p-cimeno revelaram o maior potencial, tendo sido selecionados como solventes para a extração de artemisinina da planta Artemisia annua L. Realizaram-se extrações térmicas com agitação magnética, utilizando um sistema tipo carrossel, nas seguintes condições: 50 °C, 600 rpm, 1 hora e uma razão sólido líquido de 1:10. Para além da artemisinina (ART), identificou-se também a presença de ácido diidroartemisinínico (DHAA) em quantidades significativas. Os rendimentos de extração com solventes convencionais foram de 1,15 mg ART/gplanta e 5,53 mg DHAA/gplanta para a água, e de 7,11 mg ART/gplanta e 9,42 mg DHAA/gplanta para o etanol. Obtiveram-se rendimentos globais superiores utilizando terpenos puros (α-pineno e β-pineno) e todas as misturas equimolares com timol. Os valores mais elevados foram de 10,43 mg ART/gplanta para a mistura timol:α-pineno e 11,86 mg DHAA/gplanta para o α-pineno. Estes resultados estão em concordância com a quantidade máxima disponível na planta (11.2 ± 0.8 mg ART/gplant, 13.4 ± 1.0 mg DHAA/gplant), obtida através de cinco ciclos consecutivos de extração com um extrator acelerado de solventes (100 °C, 5 min, razão S/L de 1:10). Um conjunto selecionado de extratos (água, diclorometano, etanol, p-cimeno, γ-terpineno, α-pineno e β pineno) foi submetido a ensaios in vitro de atividade antimalárica contra Plasmodium falciparum (cepa 3D7-GFP). Todos os extratos obtidos com terpenos revelaram atividade inibitória significativa, com valores de IC50 entre 5,19 nM (γ-terpineno) e 8,17 nM (α-pineno), próximos do valor da artemisinina padrão (IC50 = 4,20 nM). Os terpenos mantiveram elevada atividade, evidenciando o seu potencial e reforçando as previsões que apontam para a sua utilização como alternativa verde na extração e formulação de compostos antimaláricos.
A malária continua a ser um dos maiores desafios globais de saúde pública, afetando milhões de pessoas, especialmente em regiões tropicais e subtropicais. Um dos principais obstáculos ao tratamento da doença é a baixa solubilidade em água dos compostos antimaláricos, o que compromete a sua biodisponibilidade. Neste trabalho, propõem-se os terpenos como solventes alternativos e excipientes farmacêuticos para o processamento e formulação destes fármacos, com o objetivo de promover uma maior sustentabilidade e segurança, em conformidade com os princípios da química verde. Numa primeira fase, recorreu-se ao modelo COSMO-RS para investigar aproximadamente 8000 sistemas que combinam solventes de diferentes classes com fármacos antimaláricos (artemisinina, quinina, quinidina, tetraciclina, arteméter, dapsona e pirimetamina). Centrando a análise na artemisinina e nos candidatos terpénicos avaliados, o timol e as suas misturas com α-pineno, β-pineno, γ-terpineno e p-cimeno revelaram o maior potencial, tendo sido selecionados como solventes para a extração de artemisinina da planta Artemisia annua L. Realizaram-se extrações térmicas com agitação magnética, utilizando um sistema tipo carrossel, nas seguintes condições: 50 °C, 600 rpm, 1 hora e uma razão sólido líquido de 1:10. Para além da artemisinina (ART), identificou-se também a presença de ácido diidroartemisinínico (DHAA) em quantidades significativas. Os rendimentos de extração com solventes convencionais foram de 1,15 mg ART/gplanta e 5,53 mg DHAA/gplanta para a água, e de 7,11 mg ART/gplanta e 9,42 mg DHAA/gplanta para o etanol. Obtiveram-se rendimentos globais superiores utilizando terpenos puros (α-pineno e β-pineno) e todas as misturas equimolares com timol. Os valores mais elevados foram de 10,43 mg ART/gplanta para a mistura timol:α-pineno e 11,86 mg DHAA/gplanta para o α-pineno. Estes resultados estão em concordância com a quantidade máxima disponível na planta (11.2 ± 0.8 mg ART/gplant, 13.4 ± 1.0 mg DHAA/gplant), obtida através de cinco ciclos consecutivos de extração com um extrator acelerado de solventes (100 °C, 5 min, razão S/L de 1:10). Um conjunto selecionado de extratos (água, diclorometano, etanol, p-cimeno, γ-terpineno, α-pineno e β pineno) foi submetido a ensaios in vitro de atividade antimalárica contra Plasmodium falciparum (cepa 3D7-GFP). Todos os extratos obtidos com terpenos revelaram atividade inibitória significativa, com valores de IC50 entre 5,19 nM (γ-terpineno) e 8,17 nM (α-pineno), próximos do valor da artemisinina padrão (IC50 = 4,20 nM). Os terpenos mantiveram elevada atividade, evidenciando o seu potencial e reforçando as previsões que apontam para a sua utilização como alternativa verde na extração e formulação de compostos antimaláricos.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Malaria Artemisia annua L. Artemisinin derivatives Active pharmaceutical ingredients Green solvents COSMO-RS Antimalarial tests