Scutellarin 通过激活 PI3K/AKT/Nrf2 信号通路，缓解香烟烟雾引起的慢性阻塞性肺疾病中的铁死亡（ferroptosis）现象

《Journal of Ethnopharmacology》：Scutellarin alleviates ferroptosis in cigarette smoke-induced chronic obstructive pulmonary disease via activation of the PI3K/AKT/Nrf2 signaling pathway

紫花地丁苷通过抑制铁死亡和激活PI3K/AKT/Nrf2通路改善慢性阻塞性肺病，研究结合网络药理学和分子对接筛选核心靶点，体外实验证实其抗铁死亡作用，体内实验显示其改善肺功能及肺泡结构损伤，药理干预验证PI3K/AKT/Nrf2通路的关键性。

　　本研究探讨了从传统医学中提取的化合物——黄酮类物质山楂素（Scu）在慢性阻塞性肺疾病（COPD）治疗中的作用，特别是其对铁死亡（ferroptosis）的调控及相关的分子机制。COPD是一种全球范围内导致严重疾病负担的主要慢性疾病之一，其病理过程涉及小气道的进行性阻塞以及肺泡结构的破坏，这些过程通常与慢性炎症和病理组织重塑有关。尽管现有的治疗方法包括支气管扩张剂、糖皮质激素和新型生物制剂，但这些干预手段主要缓解症状，无法有效改变疾病的进展。因此，开发针对疾病机制的新型治疗策略显得尤为重要。

铁死亡是一种新型的铁依赖性调控细胞死亡形式，其特点是抗氧化代谢紊乱、脂质过氧化和铁过载。铁死亡的调控核心在于谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），它利用谷胱甘肽（GSH）来清除脂质过氧化物。此外，胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白SLC7A11为细胞内提供半胱氨酸，用于GSH的合成。抑制SLC7A11或GPX4会增加脂质活性氧（ROS）水平，引发过氧化反应链，从而生成具有细胞毒性的醛类物质，如4-羟基壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA）。这些产物会破坏细胞膜的完整性，导致细胞破裂。脂质过氧化过程包括多个酶促阶段：初始阶段由长链酰基辅酶A合成酶家族成员4（ACSL4）催化将多不饱和脂肪酸（PUFAs）转化为多不饱和脂肪酰基辅酶A（PUFA-CoA）酯；随后，溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）介导这些活化的脂肪酸与磷脂酰乙醇胺结合，形成膜结构；最终，脂氧合酶（LOX）和环氧化酶（COX）氧化含有PUFA的磷脂，生成脂质过氧化物——这是铁死亡的关键执行者。铁代谢通过芬顿化学反应（Fenton chemistry）促进铁死亡，其中转铁蛋白（TF）结合循环中的三价铁（Fe3?），形成TF-Fe复合物，通过转铁蛋白受体1（TFR1）内吞进入细胞。游离的二价铁（Fe2?）过量会通过芬顿反应催化羟基自由基的生成，从而启动脂质过氧化反应链。

大量研究证据表明，铁死亡是多种疾病背景下的一种关键病理驱动因素，包括肿瘤和慢性炎症性疾病，这提示了靶向调控这一独特细胞死亡途径的治疗策略具有广阔前景。临床研究表明，吸烟者和COPD患者的气道上皮中GPX4表达显著下降，这与肺功能恶化有关，表现为FEV1和FEV1/FVC值的下降。在动物模型中，铁死亡抑制剂（如去铁胺、ferrostatin-1）已被证明能够减轻CS诱导的肺损伤、肺功能障碍、炎症反应和实质损害。这些发现揭示了铁死亡作为COPD干预目标的重要性。

在传统中医（TCM）中，黄酮类物质具有多种治疗特性，能够调节氧化应激和亲电子应激反应，从而为针对铁死亡驱动病理的精准治疗提供基础。本研究聚焦的植物——**Erigeron breviscapus**（Vaniot）Hand.-Mazz.，主要分布在中国云南、广西和贵州等地。它在苗族、彝族等少数民族的传统医学中已有长期使用历史，最早可追溯至明代《南滇植物志》中的记载。值得注意的是，该植物的应用不仅限于心血管和脑血管疾病，还包括治疗慢性支气管炎等呼吸系统炎症疾病，这在民族药理学调查中得到了权威确认。这一传统用途促使现代科学研究其在肺部疾病治疗中的潜力。临床观察表明，使用**Erigeron breviscapus**制剂可以为COPD患者带来一定的益处。该植物的主要活性成分山楂素已被证实具有显著的抗炎、抗氧化和抗凋亡特性。这些药理学活动为山楂素在呼吸系统疾病中的传统应用提供了机制依据，并推动了其在肺部疾病治疗中的现代研究。

山楂素还被确认为一种铁死亡抑制剂，在神经模型中表现出保护作用。然而，其在COPD发病机制中的具体作用及与铁死亡抑制之间的关系仍未被充分探索。因此，本研究通过整合计算和实验方法，系统地评估了山楂素在CS诱导的COPD治疗中的效果，并揭示了其抑制铁死亡的分子机制。研究结果表明，山楂素具有显著的抗铁死亡作用，主要通过激活PI3K/AKT/Nrf2信号通路来实现。这一通路的激活在体内和体外实验中均得到了验证，并且通过药理学干预PI3K或Nrf2进一步确认了其在山楂素保护作用中的核心地位。

本研究通过网络药理学和分子对接技术，揭示了山楂素在COPD治疗中的多靶点机制。通过筛选数据库，研究人员发现了193个与山楂素相关的靶点和4,095个与COPD相关的基因，其中125个靶点是共同的（图1A-C）。这些靶点通过STRING工具构建了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络（图1D），随后通过Cytoscape 3.6.2进行分析，生成了整合的PPI网络，其中靶点按度中心性进行了排序（图1E）。PPI网络的分析揭示了山楂素与COPD相关的多种潜在作用机制，为后续实验验证提供了理论依据。

实验部分显示，山楂素在体外实验中表现出显著的抗铁死亡效果。在体内实验中，山楂素改善了CS诱导的肺功能障碍和肺泡破坏，同时抑制了肺组织中的铁死亡。通过药理学抑制PI3K或Nrf2，进一步验证了PI3K/AKT/Nrf2通路在山楂素保护作用中的关键地位。这些结果表明，山楂素通过调控铁死亡，有效缓解了COPD的病理过程，为其作为COPD治疗候选药物提供了坚实的药理学基础。

此外，本研究还对实验中使用的化学物质进行了详细说明。山楂素（CAS 27740-01-8；分子量462.37；纯度≥98%）是从GlpBio（美国）和上海源叶生物科技（中国）获得的，分别用于体外实验和体内研究。铁死亡抑制剂ferrostatin-1（Cat# GC10380）、特异性PI3K抑制剂LY294002（Cat# GC15485）和特异性Nrf2抑制剂ML385（Cat# GC19254）均来自GlpBio（美国）。用于Western blot的4-HNE（Cat# ab46545）抗体、ACSL4（Cat# ab62352）抗体以及FTH1等实验材料也进行了详细说明。这些化学物质的使用确保了实验的准确性和可重复性。

在讨论部分，本研究进一步探讨了CS诱导的铁死亡在COPD病理过程中的作用。研究发现，山楂素的治疗显著减轻了这些疾病特征。更重要的是，研究确定了一种新的机制，即山楂素通过激活PI3K/AKT/Nrf2信号通路来抑制铁死亡，从而缓解COPD的进展。这些发现不仅加深了对COPD发病机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了新的思路。

本研究的结论表明，山楂素的补充能够通过减轻肺功能障碍和肺泡扩张来改善COPD的病理过程，其作用机制主要涉及抑制氧化应激和继而抑制支气管上皮细胞的铁死亡。药理学上，这些保护作用是通过激活PI3K/AKT/Nrf2信号通路实现的，该通路在体内、体外及药理学干预中均得到了验证。这一研究不仅为山楂素在COPD治疗中的应用提供了坚实的科学依据，也为未来探索其作为新型治疗药物的可能性奠定了基础。

本研究的作者贡献声明指出，每位作者在研究的不同阶段都发挥了重要作用。Yi Gou负责方法设计、数据分析和数据管理；Xiaowen He和Kai Ding负责撰写初稿、验证和方法分析；Libing Ma负责撰写审阅与编辑、监督、资金获取、概念设计；Shengkui Tan负责监督；Zixin Song、Yaxi Liang和Jiale Su负责数据管理；Yamei Luo负责数据可视化、实验调查和数据管理。这些明确的分工确保了研究的顺利进行和结果的可靠性。

关于数据和材料的可用性，本研究的所有数据集均包含在本文中。如果需要进一步支持研究结果的数据，可以通过正当请求向通讯作者获取。在声明部分，作者声明没有竞争性利益，无论是财务还是非财务的。此外，本研究的致谢部分表明，本研究未涉及任何致谢内容。

本研究的缩写部分提供了研究中涉及的各种术语的全称，包括4-HNE（4-羟基壬烯醛）、ACSL4（长链酰基辅酶A合成酶家族成员4）、AKT（蛋白激酶B）、CCK-8（细胞计数试剂盒-8）、COPD（慢性阻塞性肺疾病）、ELISA（酶联免疫吸附测定）、FTH1（铁蛋白重链1）、GO（基因本体）、GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）、GSH（谷胱甘肽）、KEGG（京都基因与基因组百科全书）、MDA（丙二醛）、MEC（最小有效浓度）和Nrf2（核因子红系）。这些缩写的解释有助于读者更好地理解研究内容。

本研究的资金支持来自多个项目，包括广西“百桂青年人才培训计划”（2023）、国家自然科学基金（82260008）、广西自然科学基金（2022GXNSFAA035452）和广西研究生教育创新项目（YCBZ2024184）。这些资金的提供为研究的顺利进行提供了重要保障。

总之，本研究通过系统的科学方法，揭示了山楂素在COPD治疗中的重要作用，特别是在抑制铁死亡方面的潜力。研究结果不仅为山楂素作为COPD治疗候选药物提供了坚实的科学依据，也为未来探索其在其他疾病中的应用提供了新的视角。随着对铁死亡机制的深入理解，针对这一细胞死亡途径的药物开发将有望为COPD患者带来更有效的治疗方案。