内源性含硫气体分子心血管调节作用及抗粥样硬化

1、内源性含硫气体分子心血管调节作用及抗粥样硬化数百年以来，H2S一直被认为是一种存在于动物组织里的有毒气体,缺乏生理学意义。1989年，研究者发现脑组织可经酶促反应内源性生成H2S,随后开始对该气体分子进行系统性研究。而SO2，一直被人们视为具有心血管毒性作用的大气污染物,可导致内皮功能障碍及心脏的氧化损伤。但近年来有研究者发现在含硫氨基酸代谢过程中，SO2可由天门冬氨酸氨基转移酶1（AAT1）及天门冬氨酸氨基转移酶2（AAT2）内源性生成，且由此产生的SO2及其衍生物在体内可降低血压并在体外实验中具有血管扩张作用。 人们一直不断地对粥样硬化（AS）的发病机制进行探索，先后发现了脂质代谢异常、免

2、疫-炎症系统在粥样硬化中的作用，近年来有新的研究显示这两种内源性含硫气体分子不仅对血脂代谢有影响，更能从促进抗炎效应、增加抗氧化应激作用、减小斑块形成及提高血浆一氧化氮（NO）含量等多方面抑制AS进展。因此，本文将对此两种气体分子的体内代谢、心血管调节作用及抗粥样硬化作用做一综述。两种气体分子的体内代谢过程 体内硫化氢(H2S)由酶促反应、非酶催化反应（如含巯基化合物的还原反应）或细胞内H2S池产生。细胞内H2S池，在哺乳动物有两个主要储存形式，酸不稳定的硫和硫烷硫。大多数组织中，胱硫醚-裂解酶(cystathionine-lyase,CSE)及胱硫醚-合成酶(cystathionine-sy

3、nthase,CBS)主要负责生成H2S。供体主要是含硫氨基酸，如L-半胱氨酸。最多的是CBS催化下L-半胱氨酸和丝氨酸缩合形成胱硫醚，而后胱硫醚裂解生成H2S，当然,CBS还催化半胱氨酸和同型半胱氨酸反应生成胱硫醚和H2S。这两种酶在体内分布不同，神经系统内主要为CBS而不含CSE，血管等具有平滑肌的组织上只有CSE而不含CBS，而两者共同存在的组织与器官有肝脏、回肠及肾脏。研究还发现，大脑中约90的H2S是由3-巯基丙酮酸硫基转移酶（3-MST）生成。3-MST主要位于线粒体，利用-酮戊二酸和L-半胱氨酸生成H2S。HS可在线粒体内迅速被氧化为硫代硫酸盐，最终转化为硫酸盐及亚硫酸盐，经尿排

4、泄。SO2生成与H2S代谢密切相关。L-半胱氨酸在半胱氨酸双加氧酶的氧化作用下生成L-半胱氨酸亚磺酸， L-半胱氨酸亚磺酸经GOT的转氨基作用生成-亚磺酰丙酮，最终自发分解为丙酮酸与SO2。H2S可通过硫化物氧化酶生成硫代硫酸，后者经硫代硫酸硫基转移酶或谷胱甘肽（GSH）依赖的硫代硫酸还原酶生成亚硫酸。而有研究表明，在被氧化应激激活的中性粒细胞中，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH氧化酶)可将细胞内的H2S转化为亚硫酸（图1）但有研究发现通过歧化反应，一氧化硫这种非常不稳定的气体也可产生SO2。在体内SO2可被进一步水合为亚硫酸盐，然后被亚硫酸盐氧化为硫酸盐，最终也经尿排泄。 对于心

5、血管系统的调节作用 生理状态下SO2可以提升内皮型一氧化氮合成酶（eNOS）和血浆NO的水平，引起血管舒张及血压下降 。Li等研究人员采用不同浓度的SO2对大鼠的主动脉组织进行处理，观察到SO2不仅对eNOS活性有促进作用，而且还能够提升eNOS基因转录，即被SO2处理过的大鼠eNOS mRNA水平相比对照组有显著提高，并且在实验组300M浓度相对于1500M浓度处理后的大鼠主动脉eNOS mRNA水平增加更为明显。上述结果证实了SO2在上游水平对血管内皮的调节作用。而在之前的一项相关研究中，该课题组成员通过对大鼠进行不同SO2浓度处理，观察到低浓度（小于450M）时SO2的血管扩张作用是内皮

6、依赖性的，主要与ATP敏感的钾通道和L型钙通道相关。而在高浓度（大于500M）是内皮非依赖性的，并且认为SO2是血管活性因子，和NO协同调节血管内皮状态，提示同样的SO2处理在不同浓度下对eNOS的影响是不同的，或许并不呈现线性关系，单纯增加SO2的浓度并不能完全使得血管扩张作用达到最大获益。 而H2S可上调eNOS受体，使NO生成增加。NO激活鸟苷酸环化酶（guanylyl cyclase，GC）后，第二信使cGMP激活蛋白激酶（PKG）产生血管扩张效应。而SO2也是借由此途径发挥效应，LI等研究人员通过使用SO2与SO2溶液对离体大鼠胸主动脉环进行处理，实验结果发现延长在SO2的暴露时间（

7、2至4小时），可使动脉环组织eNOS活性增加，而增加了NO及cGMP的产生，同时降低了由去甲肾上腺素造成的血管收缩作用。这不仅说明了内源性气体分子对血管内皮的影响，更进一步证实了相关气体信号分子的协同作用。 对动脉的保护作用和抗AS效应 在一项针对CSE/H2S通路对动脉重塑进程影响的研究中，Yang等研究人员以外源性注射硫氢化钠（NaHS）作为H2S的供体，对CSE基因敲除（knockout，KO）小鼠与野生型（wild-type，WT）小鼠的颈动脉结扎血管损伤模型进行了比对，结果表明加入NaHS干预后，KO小鼠平滑肌细胞（SMCs）迁移和粘附比率同WT小鼠相比增加了81.8 4.5（图1）

8、，且KO小鼠血管内膜出现有意义的增生。以往的研究表明VSMCs的迁移和粘附与动脉粥样硬化进展相关，由此看来H2S可能是动脉粥样硬化新的治疗靶点。而之前有研究表明，再狭窄被认为是“局部血管在损伤后发生的过度愈合性反应”。NaHS作为H2S供体，对VSMCs的增殖和迁移有明确的抑制作用。而实验中作为研究核心的51-整连蛋白（51-integrin）和基质金属蛋白酶-2（MMP-2）被认为与平滑肌的增殖和迁移相关，这两种物质在KO小鼠体内表达均出现了表达增加。之前也有研究发现，与WT小鼠相比较，KO小鼠的主动脉1-integrin表达显著增加。实验中针对于51-integrin和基质金属蛋白酶-2（

9、MMP-2）两者在AS进程中的作用，研究人员进行了更深入的研究，对于KO小鼠及WT小鼠的SMCs进行培养后，使用51-整连蛋白抗体，发现明显减弱了MMP-2的表达。由此提出51-integrin处于MMP-2的上游，二者共同调控了AS进程中动脉内皮损伤后的平滑肌增殖和迁移，而补充外源的H2S同时降低了MMP-2及整联蛋白的表达。图1（两组间平滑肌细胞增殖差异） 有多项研究表明，动脉细胞间黏附分子（ICAM）作为动脉粥样硬化的血管内皮炎症指标，也是心血管病风险的预测因素。在一项关于ICAM-1对载脂蛋白-E 敲除 (apoE/)小鼠和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的影响的实验研究显示，H2S生

10、成酶抑制剂炔丙基甘氨酸（PPG）能够提高apoE/小鼠血浆及动脉ICAM-1水平，而使用NaHS为H2S供体的apoE/小鼠ICAM-1的表达减低；而在细胞实验中，NaHS能够显著抑制ICAM-1 在TNF-诱导的HUVECs中的过表达。这是第一次直接显示了在AS发生和进展过程中CSE/H2S通路的参与及调节作用，探讨了可能的机制，包括H2S对细胞粘附分子如通过NF-B通路的ICAM-1在体内及离体的抑制作用。作为一个转录因子蛋白家族，NF-B调控了参与免疫反应的早期和炎症反应各阶段的许多分子，包括TNF-、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）及之前提及的ICAM-1等，这均与AS进程密不可分。 在

11、使用空白对照组及氧肟酸盐（HDX）组大鼠相比较下，发现在实验进程中实验组大鼠由于外源性SO2的作用，抑制了HDX导致的VSMC增殖及肺血管重塑、肺动脉高压及因HDX下调SO2/GOT通路作用而产生的炎症反应。这表明SO2在调节缺氧引起的胶原重塑有重要作用。赵霞等研究人员，使用WKY4周龄雄性自发性高血压大鼠（SHR）及WKY大鼠研究SO2生成酶抑制剂天冬氨酸异羟肟酸HDX对大鼠血压及血管结构影响，他们将SHR大鼠与WKY大鼠分别分为对照组及HDX干预组，HDX组每日注射HDX3.7mg/Kg,5周后发现WKY+HDX干预组胸主动脉内膜厚度与内径比例较对照组相比显著增加，主动脉VSMC PI及P

12、-ERK蛋白表达明显增加，而血浆与胸主动脉SO2水平及GOT活性较对照组明显下降，提示内源性SO2生成减少可促进血管重塑的发生，这也客观证实了SO2对血管重塑的调节作用。与这种作用相关的是类似H2S对抑制MMPs的抑制。在这项研究中，金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）对于MMPs的调节作用也被观察到。作为MMPs的抑制剂，TIMPs不仅可以抑制活化的MMPs，也能阻止和延缓MMPs从原型到活化的活性形式转换。在外源性SO2作用下，SO2通过对TIMPs及MMPs的调控抑制了在低氧条件下肺动脉的异常胶原沉积。ICAM-1和NF-B的表达在SO2作用下也受到抑制，这证明了在肺高压情况下SO2也能对炎症及细胞迁移产生抑制作用。 目前已有研究表明SO2抗动脉硬化的效应可能通过增加内源性H2S生成而发挥作用。之前的研究称亚硫酸是一种作为宿主防御和/或炎症的内源性媒介，增加了氧自由基的生成。杜军保等研究人员以高胆固醇饲养小鼠8周诱导AS。与AS小鼠比较，亚硫酸钠/亚硫酸氢钠（N