气体信号分子硫化氢的研究进展

气体信号分子硫化氢的研究进展罗慧琴 林健清 【摘要】：背景 硫化氢(hydrogen sulfide, H 2S)长期以来一直被视为是一种有毒废气，近年来的研究表明， H2S作为最新发现的内源性气体信号分子，具有重要的生物学活性，广泛参与机体的多种生理、病理过程。 目的 探讨H 2S的生理病理以及与疾病的关系，并就其研究进展作一综述。 内容 H 2S不仅对全身多系统的缺血性等疾病有治疗作用，对神经性及炎症性疼痛的双向性调节作用更是关系密切，其机制可能与其是内源性血管平滑肌的K ATP通道开放剂及具有抗氧化作用相关。趋向 H 2S这些新用途对探寻临床相关疾病的有效治疗方法具有重要意义，未来研究重点应在H 2S对于疼痛作用的确切机制上。【关键词】：H 2S；气体信号分子；作用机制Research progress of gaseous signal molecule hydrogen sulfide LUO Hui-qin, LIN Jian-qing. Department of Anesthesiology, First Affiliated Hospital, Fujian Medical University, Fuzhou 350005, China 【Abstract】 Background Hydrogen sulfide (H2S) has been regarded as a noxious gas for a long time, Studies in recent years have shown that H2S acts as the new discovered endogenous gas signal molecule at present, which has important biological activity and take part in many physiological and pathological processes widely in the body. Objective To discuss the relation between the physiology and pathology effect of gaseous signal molecules H2S and diseases, and provides a detailed description of the H2S research processes. Content H2S not only has therapeutic effects on ischemic diseases of the systemic multisystem, but also has two phases influence on neuropathic and inflammatory pain. The mechanism might be related to that H2S is endogenous vascular smooth muscle KATP channel openers and it has antioxidant activity. Trend These new uses of H2S have important significance for exploring the effective method in related clinical diseases. Future work should be emphasized on the precise mechanism of H2S for the pain. 【Key words 】 Hydrogen sulfide; Gaseous signal molecule; Mechanism of action气体信号分子的发现开创了生命医学研究的新领域，硫化氢（hydrogen sulfide，H 2S）作为继一氧化氮(nitric oxide，NO)和一氧化碳(carbon monoxide，CO) 之后发现的第三种新型内源性气体信号传递分子 1，具有复杂的生物学活性，广泛参与机体疼痛及各系统的功能调节，对多器官的缺血-再灌注损伤（ischemia/reperfusion injury，I/RI）有保护作用，在临床研究及治疗应用中，受到了越来越多的关注。本文主要叙述 H2S 的生理病理及其相关的基础和临床研究方面的进展，以及对机体各系统的生物学作用。1. H2S 的生理2在哺乳动物组织中，产生内源性H 2S的酶有三种：胱硫醚-合成酶（cystathionine -synthase，CBS）、胱硫醚- 裂解酶（cystathionine -lyase， CGL or CSE）和3-巯基丙酮酸硫基转移酶(3-mercaptopyruvate sulfur transferase，3MST) 2。在哺乳动物机体的组织中，这三种酶的表达具有组织特异性，CBS在大脑组织的表达最高，CSE主要分布于各种血管组织，3MST在红细胞中活性较强，而在肝、肾、胰腺和胃肠道组织中这三种酶含量都很丰富。CBS和CSE是 5-磷酸-吡哆醛依赖性酶，利用L-半胱氨酸和同型半胱氨酸为底物，释放出铵、丙酮酸和H 2O1。后来发现，在大脑中产生的将近90%的H 2S，是3MST通过调节 CBS的作用，从L-半胱氨酸和- 酮戊二酸通过半胱氨酸氨基转移酶的新陈代谢中产生 2。在生理条件下，三分之二的H 2S解离为H +和HS ，另三分之一保持着未解离状态(H 2SHS+H+，pKa=6.9) 1，H 2S在体内主要有三条去路，首先，体内产生的大部分H 2S是在线粒体中被氧化，其余的H 2S或是通过巯基-S-甲基转移酶（thiol S-methyltransferase，TSMT）甲醇化为甲硫醇和二甲基硫，或是与氧化血红素结合形成硫高铁血红蛋白，其终产物为硫酸盐和硫代硫酸盐，最后经尿液排泄。2. 硫化氢与生物各系统疾病的关系H2S是是一种有恶臭的、长期以来被认为有毒的气体分子。1989年，Warenycia等 3首次报道，在研究急性H 2S脑中毒时，发现H 2S可以内源性低浓度地产生。随着这次报导后，H 2S的生理学功能开始逐渐得以阐明，其在生物各系统中的生理作用也越来越令人感兴趣。2.1 H2S与疼痛H2S发挥其生物效应的重要靶点有NMDA受体、MAPK信号通路、NF-B 信号通路、PKC信号通路以及多种离子通道等。离子通道包括ATP敏感性钾通道(ATP-sensitive potassium channel，K ATP)、Ca 2+通道、 Cl-通道、大电导钙敏感性钾通道和瞬态电压感受器阳离子通道(包括TRPV和 TRPA)等。作为内脏痛觉的负性调节因子，H 2S主要通过K ATP通道 4、T 型Ca 2+通道 5和TRPV 1来发挥其镇痛的生物学效应。目前，对于H 2S在疼痛中的调节作用有不同的观点：有学者认为内源性或外源性的H 2S在外周水平都有致痛作用，也有学者认为H 2S是直接作用于伤害性感受神经元而产生镇痛作用 6。H 2S的致痛作用可能是由于产生局限性炎症反应后诱导了机械性的痛觉过敏，或是直接作用于初级传入神经的结果 7。镇痛作用则可能是由于诱发突触前抑制，减少了神经递质的释放；或通过突触后抑制以减少突触后膜的超极化等，下调P物质及其他神经递质的释放，从而抑制痛觉过敏形成 8。2.2 H2S 与神经系统疾病目前研究表明，H 2S与神经系统疾病的研究包括脑缺血再灌注损伤、脑梗死、高热惊厥和阿尔茨海默病（Alzheimers disease ，AD ）、帕金森综合症和血管性痴呆）等。2.2.1 H2S与脑I/R大量研究证明，氧化应激与I/R对神经元可造成严重损伤 , 在神经细胞中，3H2S本身不具备抗氧化功能，但可诱导抗氧化剂谷胱甘肽(glutathione，GSH) 的产生来调节氧化应激，上调抗氧化信号，维持线粒体功能以达细胞保护的作用9。Kimura等 10研究表明，硫氢化钠（sodium hydrosulfide，NaHS 100M)可保护神经元免受谷氨酸毒性的损伤。克隆一个完整的海马神经细胞系（HT22）作为氧化应激模型，使HT22细胞暴露于谷氨酸(5mM)后，再予以NaHS(10300M)，结果显示，细胞存活率高于那些未受干预的细胞。随后，他们又建立了子宫内的胚胎小鼠大脑的I/R (5 min/24 hr)模型，以研究H 2S对谷胱甘肽水平的影响 11。I/R导致胚胎鼠大脑中的GSH水平下降24%，然而，若在缺血前15分钟予NaHS (0.4375 mol/kg, i.p.)预处理，胚胎鼠大脑中的GSH 水平与未处理组相比有提高，这表明H 2S是通过恢复GSH的水平来达到在I/R期间对胚胎鼠大脑的保护作用 11。2.2.2 硫化氢与脑梗死Florian等 12研究显示H 2S可通过诱导低温状态来保护神经，减少梗死面积。在大脑中，低浓度的H 2S通过恢复GSH的水平来调节氧化应激，高浓度的H 2S其作用范围则从缺血性脑梗死模型中的脑损伤到调节神经细胞功能，诱导神经保护状态 13。2.2.3 H2S与AD对于阿尔茨海默病、帕金森综合症和血管性痴呆等神经退行性疾病，氧化应激损伤导致神经元细胞凋亡也是其主要发生机制。海马长时程增强是一种关于学习和记忆机制的突触模型。1996年，Abe等 14实验表明，H 2S是内源性神经递质，大鼠的海马和小脑高表达CBS，体外脑组织可产生H 2S,在生理浓度下，增强NMDA受体介导的反应和辅助诱导海马长时程增强，与正常人比较，AD患者大脑中的H 2S水平显著降低，CBS活性不足，大脑皮质中的S- 腺苷甲硫氨酸含量也非常低。大量的研究结果表明，给予外源性H 2S，可显著改善AD大鼠的认知功能，减轻海马神经细胞的损伤，具有显著的神经保护作用。2.3 H2S与呼吸系统疾病2.3.1 H2S与慢性阻塞性肺疾病Chen等 15在临床研究中发现，H 2S与慢性阻塞性肺疾病患者气道阻塞的发病机制有关，其在血浆的水平与病情程度相关。研究表明，肺组织的H 2S含量与呼气峰流速显著相关，与肺组织的病理学评分呈负关联，给予外源性H 2S能减轻哮喘的炎症反应 16。2.3.2 H2S与肺损伤Fu等 17探讨了 H2S气体对肺的保护功能，H 2S活化CSE以降低I/R 诱导的肺组织损伤，增加肺灌注流量，降低肺湿/干重比，改善肺的顺应性。丙二醛（Malondialdehyde，MDA ）含量的测定可用来确定氧化细胞的数量，结果发现，H2S明显降低 MDA水平，表明 H2S可以减轻肺的氧化应激。2.3.3 H2S与肺动脉高压研究发现 18，在肺高血流性动脉高压的大鼠肺组织中，H 2S含量明显低于4正常大鼠，以NaHS处理后，大鼠肺动脉的压力显著降低，表明H 2S在肺动脉高压形成中可能起重要作用，在判断病情程度及预后中有一定的作用。2.3.4 H2S与肺纤维化在博来霉素诱导Wistar大鼠肺纤维化的动物模型中发现，给予NaHS干预，可降低肺羟脯氨酸含量，减轻肺泡炎症，从而延缓肺纤维化的发展，其机制可能是减少了MDA的产生所造成的氧自由基的损伤 19。2.4 H2S与心血管系统疾病现在一般认为，H 2S具有舒张血管和降低血压的生理功能，与冠心病及高血压的发病相关，对心肌缺血有保护作用。2.4.1 H2S与心肌的I/RIH2S是迄今为止发现的惟一的内源性血管平滑肌K ATP通道开放剂，Sivarajah等 20首次证明内源性H 2S通过调节K ATP敏感性通道的开放，实行对心肌损伤的保护作用。Calvert等 21研究显示，抑制小鼠内源性H 2S的产生，可加剧心肌的I/RI。2.4.2 H2S与高血压抑制小鼠内源性H 2S的产生，可导致高血压和内皮依赖性血管舒张功能降低 22，机体慢性H 2S缺乏，则全身血管阻力增加，引起肾血管收缩和系统性高血压。H 2S通过兴奋K ATP通道，使细胞膜超级化，血管平滑肌舒张，血压降低。2.5 H2S与消化系统疾病2.5.1 H2S与胃肠疾病H2S是内源性血管平滑肌松弛剂，适当的H 2S供体与非甾体抗炎药（Non-steroidal anti-inflammatory drugs，NSAID）合用，可防治由 NSAID引起的急性胃黏膜损伤 23，H 2S也可能与肠易激综合征、溃疡性结肠炎和直结肠癌的发病相关。2.5.2 H2S与肝脏疾病H2S对肝脏细胞有保护作用，Jha等 9证明，H 2S通过复杂的调节作用，降低脂质过氧化反应，增加抗氧化和抗凋亡信号，以达到保肝作用。2.6 H2S 与生殖系统疾病骆华等 24研究显示，人类阴茎组织通过分解L-半胱氨酸产生CBS和CSE两种酶，给予NaHS或L- 半胱氨酸后，海绵体组织舒张效应呈剂量依赖性。这提示H2S有可能在人类勃起功能中发挥作用，进一步了解其作用机制将可能引导治疗勃起功能障碍的新方向。2.7 H2S 与内分泌系统疾病胰岛素抵抗是2型糖尿病及血脂异常的共性，H 2S在胰岛素抵抗的发生发展中可能发挥重要作用。5Liu Y等 25调查发现，血脂紊乱组与血脂正常组的儿童相比，血浆中 H2S的含量显著降低，证实H 2S与血脂异常具有明显相关性。Jain SK等 26实验表明，H2S可抑制胰岛 细胞中胰岛素的分泌和释放，（脂肪组织来源的H 2S）抑制基础状态和胰岛素刺激的葡萄糖摄取。因而推测，内源性H 2S增多也可能与糖尿病发病有关。2.8 H2S与其他系统疾病最近有研究表明 27，H 2S对耳蜗血流量的调节和减少噪音对内耳的伤害有重要的保护作用，如果进行深入的相关研究，将可能提供一个全新的角度来对噪声性耳聋和其他与血液供应相关的内耳疾病进行预防和治疗。Julia Biermann等 28发现，通过抗凋亡作用， H2S对视网膜的I/RI有保护作用，可减少视神经损伤。3 H2S的治疗前景目前，H 2S作用机制在许多研究领域已取得大量进展，但在不同的器官系统中的生理作用，仍有许多待进一步研究发展的空间。首先，这些产生内源性H 2S的酶(CBS ，CSE和3MST) 需要进一步研究它们可能在体内生物系统的其他功能和调节机制，可根据对那些有治疗需要的组织进行靶向调节内源性H 2S的浓度。Roy等 29研究表明，产生H 2S的酶CBS的活性可弥补CSE的功能缺陷，以维持内源性H 2S的水平。其次，H 2S供体包括H 2S气体、H 2S饱和水溶液、NaHS溶液、Na 2S溶液（IK-1001） 、 GYY4137等多种形式。目前基础实验研究中最常用的H 2S供体形式是NaHS溶液，其接近于H 2S在水溶液中的生理状态；也常以临床药物为母体合成可释放H 2S的新型H 2S供体，如ATB-337和ATB-429，ACS67和ACS6等。传统的H 2S供体（如NaHS和Na 2S）作用时间短，不能持续释放H 2S；且H 2S气体效应窗窄，易中毒。所以应进一步改进H 2S的供体使其更加安全有效地模拟内源性H 2S在体内的治疗保护作用。Benavides 等 30进行的一项研究表明，大蒜衍生物富含硫化合物，包括二烯丙基二硫(diallyl disulfide，DADS)和二烯丙基三硫(diallyl trisulfide，DATS) ，DADS和DATS 可诱导H 2S的产生并具有调控血管的活性，其已广泛应用于动脉粥样硬化、高脂血症、高血压、血栓形成和糖尿病等的预防和治疗。最后，H 2S与疼痛关系密切。Ekundi-Valentim 等 31认为H 2S对疼痛及炎症的双向作用与其来源不同相关，外源性H 2S可发挥镇痛及抗炎效应，而内源性H 2S的抗炎效应甚微。因此，H 2S在炎症反应中是发挥镇痛抗炎还是促炎作用，可能与其浓度、来源及生成速率相关。H 2S的生物效应广泛复杂，而其自身又是一种有毒的气体，生理和毒理学效应窗窄，使H 2S在疼痛双相性调节研究上难度很大 5。对于H 2S与疼痛的关系，目前见解不一，有待于今后的工作中进一步研究探讨。4 展望H2S是一种有臭鸡蛋样气味的气体，长期以来，一直被视为是一种造成环境和职业性危害的有毒废气，近年来的研究表明，内源性H 2S作为最新发现的气体信号分子明星，具有重要的生物学活性，在多个系统中具有复杂的生理病理学意义。因此，H 2S像一座丰富的宝藏，吸引着越来越多的学者进行研究探索,成为当前许多不同研究领域的研究热点。然而，关于内源性H 2S在疼痛治疗中6的研究还是非常少，且结论不统一，因此，探讨内源性H 2S在疼痛的生理病理及治疗作用将是今后的研究重点。参 考 文 献1 Lowicka E, Beltowski J. 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