《ACS Central Science》：Integrated Scaffold Redesign and iPSC-Based Screening Reveal Potent Antifibrotic Artemisinin Analogs in Systemic Sclerosis Models
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中文摘要翻译：
纤维化疾病仍是最难治的人类疾病之一，主要原因是缺乏能够直接调控驱动病理性基质沉积和组织重塑的核心细胞程序的治疗药物。为应对这一未满足的医疗需求，研究人员报道了一个整合的、化学驱动的功能导向分子设计与发现平台，该平台将经典天然产物药效团的支架重构
中文摘要翻译：
纤维化疾病仍是最难治的人类疾病之一，主要原因是缺乏能够直接调控驱动病理性基质沉积和组织重塑的核心细胞程序的治疗药物。为应对这一未满足的医疗需求，研究人员报道了一个整合的、化学驱动的功能导向分子设计与发现平台，该平台将经典天然产物药效团的支架重构与人诱导多能干细胞（iPSC）基于表型的筛选相结合，以鉴定强效抗纤维化药物。对青蒿素支架的系统性修饰导致了6-氮杂青蒿素（6-aza-artemisinins）的发现，该类化合物具有显著增强的抗纤维化活性，其中一种N6–N6′二聚体类似物在亚微摩尔浓度下表现出高效力。这些化合物抑制了系统性硬化症患者来源成纤维细胞中的胶原蛋白产生，并在博来霉素诱导的鼠模型中改善了纤维化，其疗效优于临床使用的抗疟药物青蒿琥酯（artesunate）。值得注意的是，即使在纤维化建立后开始治疗，仍观察到疗效。转录组学分析揭示了核心纤维化和炎症通路的协调抑制，为观察到的治疗效果提供了机制性见解。综上所述，这些发现确立了6-氮杂青蒿素作为抗纤维化干预的新化学型，并阐明了天然产物的支架水平重构与疾病相关的干细胞模型相结合，如何能够实现下一代功能驱动的治疗发现。
论文解读：6-氮杂青蒿素——基于iPSC筛选与支架重构的抗纤维化新化学型
一、研究背景与科学问题
纤维化是众多慢性疾病的共同病理特征，也是器官衰竭和死亡的重要诱因。无论受累器官为肝脏、肺、皮肤还是肾脏，纤维化过程均由成纤维细胞在转化生长因子-β（TGF-β）等炎症和促纤维化信号持续刺激下，异常活化为产生细胞外基质的肌成纤维细胞所驱动。尽管TGF-β信号轴在疾病进展中发挥核心作用，目前有效的抗纤维化治疗手段仍然匮乏，迫切需要能够直接调控纤维化通路而非单纯依赖广谱免疫抑制的新策略。
系统性硬化症（SSc）是一种进行性自身免疫性疾病，以微血管损伤和累及皮肤及内脏器官的广泛纤维化为特征。其中，间质性肺病（ILD）尤为常见，是SSc相关死亡的主要原因。现有治疗手段，包括免疫抑制剂和尼达尼布（nintedanib）等抗纤维化药物，虽可延缓疾病进展，但对已确立纤维化的改善能力有限。因此，开发能够直接靶向纤维化机制的新型治疗药物具有迫切的临床需求。
在前期研究中，研究人员利用携带ACTA2–红色荧光蛋白（RFP）报告基因的人诱导多能干细胞（iPSC）分化的静息态肝星状细胞（qHSC）平台，对约1,500种临床已批准化合物进行了高通量筛选，鉴定出抗疟天然产物青蒿素为抑制肝星状细胞活化的强效候选化合物。然而，青蒿素直接应用于抗纤维化治疗受到水溶性差和化学衍生化机会有限的严重制约。现有临床使用的青蒿素衍生物，如青蒿琥酯，其结构修饰几乎全部局限于C10位，复杂的内过氧化物桥连四环核心基本未被改造。因此，探索超越C10取代的支架水平重构的治疗潜力，开发合成可行且可合理修饰的新支架，成为该领域的关键科学问题。
二、研究内容与主要发现
针对上述挑战，研究人员设计并开发了6-氮杂青蒿素——一类将青蒿素四环核心C6碳原子替换为氮原子的新型全合成类似物。这一元素替换策略不仅实现了四环核心的模块化、步骤经济性催化不对称构建，还在天然产物中不可及的C6位引入了可化学修饰的杂原子位点，为后期多样化衍生提供了战略切入点。基于此平台，研究人员进一步通过C10位三氟甲基化改善代谢稳定性，并利用N6位点的可及性构建了N6–N6′连接的二聚体类似物，开创了青蒿素药物化学中此前未探索的新拓扑结构。
研究结果表明，C10三氟甲基化与N6–N6′二聚化的协同效应显著增强了体外抗纤维化活性。在iPSC来源qHSC的ACTA2–荧光素酶报告基因检测中，C10三氟甲基化的单体类似物4较其母体化合物13表现出显著增强的ACTA2、COL1A1和COL3A1表达抑制。进一步N6–N6′二聚化得到的C2对称二聚体5，携带两个C10/C10′三氟甲基化半缩酮结构，成为该系列中活性最强的抗纤维化药物，活性超越青蒿琥酯及所有其他测试的6-氮杂青蒿素衍生物。免疫荧光成像证实，300 nM的二聚体5即可显著降低肌成纤维细胞活化标志物ACTA2/α-SMA和胶原蛋白I的表达，且该效应并非由细胞毒性引起。
转录组学分析揭示了6-氮杂青蒿素的作用机制。基因集富集分析（GSEA）显示，化合物4和5协调抑制了与核心促纤维化信号模块相关的转录程序，包括细胞因子–细胞因子受体相互作用、IL-17信号通路和TGF-β信号通路等驱动成纤维细胞活化、炎症放大和细胞外基质产生的关键通路。此外，两者还抑制了与自身免疫性炎症（如系统性红斑狼疮）、细胞衰老和中性粒细胞胞外陷阱（NET）形成相关的通路模块。二聚体5在纤维化相关通路中诱导了比单体4更深的抑制，与其在细胞功能实验中的优越效力一致。
在系统性硬化症患者来源的真皮成纤维细胞中，二聚体5在0.1 μM浓度下即显著降低ACTA2和COL1A1转录水平，而青蒿琥酯和单体4在该浓度下无活性。5-氨基乙酰丙酸（ALA）作为血红素生物合成前体，可增强青蒿素衍生物的内过氧化物桥还原裂解依赖性药理活性。联合给药实验表明，ALA可显著增强单体4的抗纤维化活性，使其将ACTA2和COL1A1表达降至对照的10%以下，而二聚体5在0.1 μM下即可实现接近完全的促纤维化基因表达抑制。
代谢稳定性评估显示，C10/C10′三氟甲基化与N6–N6′苄基连接二聚体结构的组合提供了最佳的微粒体代谢稳定性改善。在人和小鼠肝微粒体中，二聚体5均表现出最低的内在清除率，在小鼠肝微粒体中较单体4或未三氟甲基化二聚体16低约25倍，且低于青蒿素和青蒿琥酯。
体内药效学评价采用博来霉素（BLM）诱导的皮肤纤维化模型。在预防模型中，单体4（5 mg/kg）联合ALA（1.5 mg/mL饮水）有效保护真皮结构，显著降低胶原纤维束密度和真皮厚度。值得注意的是，二聚体5在0.3 mg/kg低剂量单独给药时即表现出显著抗纤维化活性，无需ALA联用，组织学分析显示真皮结构显著恢复，胶原纤维束更薄且排列更规则。分子水平上，二聚体5显著抑制Col1a1、Col1a2、Il4和Snai1等关键促纤维化和促炎转录本的表达。在治疗模型中，即在纤维化建立后开始给药，化合物4+ALA和5均产生了可重复的组织学改善，凸显了靶向已确立纤维化病变的临床相关性。比较评估显示，4+ALA和5的疗效远超青蒿琥酯（4.2 mg/kg）和ALA单独给药。
三、关键技术与方法
本研究采用整合型发现平台，核心方法包括：基于人iPSC分化的静息态肝星状细胞（qHSC）携带ACTA2–荧光素酶（ACTA2-Luc）报告基因的高灵敏度表型筛选系统；青蒿素支架的从头催化不对称合成及6-氮杂青蒿素的模块化构建；C10位三氟甲基化修饰与N6–N6′二聚化策略；系统性硬化症患者来源真皮成纤维细胞的体外验证模型；小鼠和大鼠肝微粒体代谢稳定性评估；博来霉素诱导的皮肤纤维化小鼠模型的体内药效学评价，涵盖预防和治疗两种给药方案。
四、讨论与结论
本研究建立了连接iPSC表型筛选、合成创新与体内治疗验证的整合型发现平台。通过将青蒿素C6碳原子替换为氮原子，研究人员创造了一个在天然青蒿素中不可及的新合成位点，实现了N6和C10位置的双向系统修饰，包括N6–N6′连接的二聚化。这一模块化平台使得生物活性和代谢稳定性能够同步优化。微粒体稳定性研究表明，C10/C10′三氟甲基化和连接子结构均对有利的代谢特征有贡献，其中苄基连接的二聚体5表现出最佳稳定性。
研究结论表明，6-氮杂青蒿素确立了一类新的抗纤维化干预化学型。该研究通过支架水平重构克服了天然青蒿素固有的药理学和化学局限性，建立了合成可行且模块化的机制导向抗纤维化药物发现平台。二聚体5在亚毫克每千克剂量下即可在预防和治疗两种模型中显著改善皮肤纤维化，其疗效超越临床使用的青蒿琥酯，且无需ALA联用。转录组学分析揭示了核心纤维化和炎症通路的协调抑制，为观察到的治疗效果提供了机制性见解。该研究发表于《ACS Central Science》，为纤维化疾病的治疗开发提供了新的候选药物和发现策略，展示了天然产物支架重构与疾病相关干细胞模型整合在下一代功能驱动治疗发现中的潜力。
