新型氣體信號分子硫化氫的研究進(jìn)展

趙書(綜述) 張杰(審校)

(1.四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院;2.四川大學(xué)華西醫(yī)院腎臟內(nèi)科,四川 成都 610041)

硫化氫(Hydrogen sulfide,H2S)是一種帶有臭雞蛋味的有毒氣體,一直被認(rèn)為是空氣和水源污染的重要污染物,過量吸入可以影響肺、腦、腎等多種臟器的正常功能。以往對H2S的研究都偏重其毒性作用,直到20世紀(jì)90年代中期,科學(xué)家首先證明人體內(nèi)源性H2S,由此可作為一種神經(jīng)活性物質(zhì)而存在。越來越多的研究證明,H2S是繼NO和CO之后發(fā)現(xiàn)的一種新型氣體信號分子[1]。H2S在體內(nèi)主要由胱硫醚-β-合成酶(Cystathionine-β-synthase,CBS)、胱硫醚-γ-裂解 酶(Cystathionine-γ-1yase,CSE)催化 L-半胱氨酸產(chǎn)生。CSE和 CBS的分布具有組織特異性,在大鼠的主動脈、肺動脈、腸系膜動脈、尾動脈和門靜脈的平滑肌中只發(fā)現(xiàn)CSE的表達(dá),而無CBS表達(dá);在腦組織中,特別是海馬和小腦,只有 CBS表達(dá);此外,回腸、肝臟和腎臟則同時(shí)存在有CBS和CSE[2]。部分研究表明內(nèi)源性H2S具有多種生理功能,Kimura等證實(shí)H2S通過cAMP通路提高NMDA受體的活性,調(diào)節(jié)突觸活動,影響海馬長時(shí)程增強(qiáng)(LTP,與學(xué)習(xí)、記憶有關(guān));Kobian等發(fā)現(xiàn)H2S能使腦橋中縫核神經(jīng)元去極化或超極化;Hu等通過新生大鼠腦片發(fā)現(xiàn),內(nèi)源性H2S參與了呼吸調(diào)節(jié);此外,H2S具有調(diào)節(jié)消化道和血管平滑肌張力,抑制血管平滑肌增殖和調(diào)節(jié)下丘腦一垂體一腎上腺軸的功能等,本文將著重對報(bào)道較少的H2S在消化、呼吸、泌尿系統(tǒng)多種疾病病理過程中發(fā)揮的重要作用做一綜述。

1 H2S與消化系統(tǒng)

1.1 H2S與胃腸道

1.1.1 H2S與非甾體類抗炎藥所致的急性胃黏膜損傷(NSAID-associated acute gastro-mucosa damage)

胃黏膜損傷是非甾體抗炎藥(NSAIDs)-個(gè)常見的并發(fā)癥,其原因可能與腸系膜的血流量明顯減少,髓過氧化物酶(用來評價(jià)胃黏膜的中性粒細(xì)胞的聚集程度)、腫瘤壞死因子-a(TNF-a)、細(xì)胞問黏附因子-1(CAF-1)、環(huán)氧合酶-2等炎性介質(zhì)顯著增加有關(guān)。最近有研究運(yùn)用激光-多譜勒流式儀測定發(fā)現(xiàn)H2S可使胃黏膜血流增加25%,使血壓下降 10 mmHg。提示 H2S具有黏膜保護(hù)作用。Fiorucci等[3]實(shí)驗(yàn)表明NSAIDs可以明顯抑制胃黏膜CSE的表達(dá),減少內(nèi)源性H2S的生成。Wallace等[4]發(fā)現(xiàn)通過給小鼠喂養(yǎng)ATB-337(雙氯芬酸與H2S釋放劑通過酯鍵連接的復(fù)合體),既可產(chǎn)生NSAIDs的抗炎作用又可以預(yù)防或減少NSAID的胃黏膜損傷作用。NSAIDs能引起內(nèi)源性H2S生成減少,使其在胃的微循環(huán)中的調(diào)節(jié)作用和抑制炎性介質(zhì)聚集的作用減弱,從而減少胃黏膜的屏障作用,與NSAIDs合用適當(dāng)?shù)腍2S供體可能可以預(yù)防或治療NSAIDs引起的急性胃黏膜損傷。

1.1.2 H2S與腸易激綜合征(Iritable bowel syndrome,IBS)

腸易激綜合癥屬胃腸功能紊亂性疾病,病理改變纖維鏡可見腸管痙攣,充氣激惹性疼痛,黏液分泌可能增加或可見輕度的充血水腫。Distrutti[5]通過給IBS模型的Wistar大鼠尾靜脈注射NaHS(H2S的供體)后,發(fā)現(xiàn)大鼠對直結(jié)腸擴(kuò)張的腹部撤離反射積分(用于評價(jià)大鼠內(nèi)臟疼痛程度)減少,脊髓的c-fox和P物質(zhì)(評價(jià)內(nèi)臟傷害性知覺引起傳入神經(jīng)纖維興奮性的指標(biāo))表達(dá)減少,并且在一定的濃度范圍內(nèi)與劑量呈正相關(guān),提示當(dāng)注射較大濃度的硫氫化鈉(60 mol?kg-1)時(shí),可以使直結(jié)腸產(chǎn)生自主擴(kuò)張作用,降低腸道內(nèi)的壓力,減少傷害性刺激從神經(jīng)纖維傳入中樞。H2S的不足可能是IBS的發(fā)病原因之一,適當(dāng)補(bǔ)充H2S的供體可能會為IBS的治療另辟蹊徑。

1.2 H2S與肝臟

Fiorucci等[6]近期發(fā)現(xiàn)CSE在肝細(xì)胞和星狀細(xì)胞內(nèi)表達(dá),而在肝竇血管內(nèi)皮中不表達(dá)。Garcia-Tevijano等[7]通過對膽管結(jié)扎形成的大鼠肝硬化模型中的研究發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞及星狀細(xì)胞中CSE mRNA和蛋白水平的下調(diào),使得內(nèi)源性H2S合成減少。去甲腎上腺素可引起正常及肝硬化大鼠肝血管收縮,給予NaHS可減輕此作用,這種作用可被格列本脲所阻斷。由于H2S能夠抑制I、Ⅲ型前膠原的合成,因此,星狀細(xì)胞 H2S減少對I、Ⅲ型膠原的抑制也降低[8],這在肝硬化和門靜脈高壓的形成中具有重要的意義。

2 H2S與呼吸系統(tǒng)

2.1 H2S與肺動脈高壓(Pulmonary arterial hypertention)

一系列研究[9-12]發(fā)現(xiàn)：腹腔注射NaHS((H2S供體)的低氧性PAH(肺動脈高壓)大鼠與低氧組PAH大鼠相比：肺動脈平均壓(MPAP)降低31.2%,CSE基因表達(dá)水平上調(diào),PCNA(小鼠抗大鼠增殖細(xì)胞核抗原)蛋白和U-Ⅱ(尾加壓素Ⅱ)蛋白表達(dá)減少,肺動脈平滑肌細(xì)胞Bcl-2蛋白表達(dá)下調(diào),單位凋亡率增高62.5%,Fas和caspase-3蛋白表達(dá)分別增高84.8%和34.5%,肺血管壁I、Ⅲ型膠原及其前膠原mRNA的表達(dá)明顯減少,提示H2S可能通過舒張血管、抑制平滑肌細(xì)胞增殖、促進(jìn)平滑肌細(xì)胞凋亡、改變細(xì)胞外基質(zhì)等調(diào)節(jié)作用降低肺動脈高壓,改善肺血管結(jié)構(gòu)重建。

2.2 H2S與肺間質(zhì)纖維化(Pulmonary interstitial fibrosis)

李虹等[13]應(yīng)用氣管滴人博來霉素A5制備肺間質(zhì)纖維化大鼠模型發(fā)現(xiàn);第7天和第28天測試CSE mRNA的基因表達(dá)均明顯升高,尤以第28天時(shí)顯著。應(yīng)用NaHS治療肺纖維化,光鏡下可見第7天時(shí)的炎癥及第28天時(shí)的肺纖維化程度均較肺纖維化組明顯減輕。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),第7天及第28天時(shí)肺纖維化組大鼠肺組織丙二醛及羥脯氨酸(氧化應(yīng)激指標(biāo))含量均較正常對照組顯著升高,給予NaHS可顯著抑制丙二醛的產(chǎn)生以及羥脯氨酸的合成。上述實(shí)驗(yàn)提示,CSE/H2S參與肺間質(zhì)纖維化的發(fā)生,其作用機(jī)制可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)減輕博來霉素造成的肺損傷從而減輕肺纖維化的發(fā)生。

2.3 H2S與慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease,COPD)

COPD是一組常見的慢性進(jìn)行性呼吸道疾病,Chen等[14]對37例穩(wěn)定期COPD和27例急性期COPD患者以及13例老年對照者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在穩(wěn)定期COPD患者的血清中H2S含量較急性期COPD患者和健康對照者均升高,其中在穩(wěn)定期COPD患者中,Ⅲ期患者較I期患者血清中H2S含量降低;急性期COPD患者血清中H2S含量較健康對照者降低,推測在COPD穩(wěn)定期患者血清中H2S含量升高,對呼吸道起到保護(hù)性作用;而在急性期COPD患者血清中H2S含量降低,對呼吸道的保護(hù)性作用減弱而使病情惡化。

3 H2S與泌尿系統(tǒng)

3.1 H2S與糖尿病腎病(Diabetic nephropathy,DN)

糖尿病腎病是以細(xì)胞外基質(zhì)過度積聚為特征的進(jìn)展性腎病.黃雯等[15]通過建立DN大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)：注射了CSE阻斷劑的大鼠腎臟中FN(纖維黏連蛋白,是衡量細(xì)胞外基質(zhì)過度積聚的主要指標(biāo)之一)的分布及含量均較H2S干預(yù)組(注射NaHS)明顯升高,推測由于阻斷了CSE的作用,使機(jī)體內(nèi)源性H2S降低,這可能加重了糖尿病大鼠糖尿病腎病病理變化。與之相比,補(bǔ)充H2S后大鼠腎小球基質(zhì)中FN的分布減少,接近正常對照組水平,FN的含量亦明顯下降,提示H2S干預(yù)組動物糖尿病腎病的病理變化較DN組減輕。在糖尿病腎病發(fā)病過程中,內(nèi)源性H2S的缺乏可能導(dǎo)致其舒張血管的功能減弱,造成腎小球高灌注和高濾過,導(dǎo)致腎組織缺氧,進(jìn)一步促進(jìn)系膜細(xì)胞增生和細(xì)胞外基質(zhì)過度積聚。補(bǔ)充H2S可減輕細(xì)胞外基質(zhì)的過度積聚,抑制系膜細(xì)胞的異常增生,減輕腎小球基底膜增厚和系膜的擴(kuò)張,緩解糖尿病腎病的病變。

3.2 H2S與高血壓腎病(Hypertensive nephropathy)

高血壓腎損害所致的晚期腎衰竭是威脅高血壓患者生命的主要并發(fā)癥之一,而高血壓腎損害的進(jìn)展也會導(dǎo)致血壓進(jìn)一步升高,二者相互作用,形成惡性循環(huán),進(jìn)一步加重高血壓患者的病情。王繼榮等[16]研究發(fā)現(xiàn)：高血壓伴有腎損害的患者血漿硫化氫的水平較正常人明顯下降,并且隨著高血壓病分級的提高硫化氫的濃度進(jìn)行性下降,提示血漿中硫化氫水平的下降可反應(yīng)高血壓所致的腎臟損害呈負(fù)相關(guān),考慮隨著血壓的進(jìn)一步升高和腎損害的加重進(jìn)一步抑制了血漿硫化氫的濃度及其降壓作用。此外,吳代琴等[17]也研究顯示：腎血管性高血壓大鼠硫化氫體系受到嚴(yán)重抑制,可能是腎性高血壓形成的重要因素,外源性的給予硫化氫供體有助于緩解高血壓的形成。

3 小結(jié)和展望

H2S作為繼一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后的一種新的氣體信號分子,其具有多種生物學(xué)作用,除了以上列舉的以外,大量文獻(xiàn)也已證實(shí)H2S在心血管和神經(jīng)系統(tǒng)具有重要的作用,此外它還可以作為一種細(xì)胞的電子載體,抑制紅細(xì)胞氧化和衰老,H2S也參與妊娠高血壓綜合征的發(fā)生和發(fā)展。但其細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和生物學(xué)功能仍未完全明確,目前的研究也僅局限于幾種組織、器官和系統(tǒng),此外,H2S與潰瘍性結(jié)腸炎、直結(jié)腸癌等疾病的關(guān)系尚有爭議,有待于進(jìn)一步明確。因此深入開展H2S在消化、呼吸、泌尿系統(tǒng)疾病的研究,可能具有潛在的、重要的臨床價(jià)值。

1 Wang R.Two's company,three gas a crowd：Can H2S be the third endogenous gaseous transmitter[J].FASEB J,2002,l6(13)：1792-1798.

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3 Fiorucci S,Antonelli E,Distrutti E,et al.Inhibition of hydrogen sulfide generation contributes to gastric injury caused by anti-inflammatory nonsteroidal drugs[J].Gastroentero1ogy,2005,129(4)：1210-1224.

4 Wallace JI,Caliendo G,Santagada V,et al.Gastrointestinal safety and anti-inflammatory effects of a hydrogen sulfide-releasing diclofenac derivative in the rat[J].Gastroentero1ogy,2007,132(1)：261-271.

5 Distrutti E,Sediari I,M encarelli A,et al.Evidence that hydrogen sulfide ex erts antinociceptive effects in the gastrointestinal tract by activating KA TP channels[J].J Pharmacol Exp Ther,2006,316(1)：325-335.

6 Fiorucci S,Antonelli E,Menearelli A,et al.T he third gas：H2S regulates pedusion pressure in both the isolated and perfused normal rat liver and in cirrhosis[J].Hepatology,2005,42(3)：539-548.

7 Garcia-Tevijano ER,Berasain C,Rodriguez JA,et al.Hyperhomocysteinemia in liver cirrhosis：mechanisms androle in vascular and hepmic fibrosis[J].Hypertension,2001,38(5)：1217-1221.

8 Jin H F,Cong B L,Zhao B,et al.Effects of hydrogen sulfide on hypoxic pulmonary vascular structural remodeling[J].Life Sci,2006,78(12)：1299-1306.

9 陳曉波,杜軍保,張春雨,等.新型氣體信號分子硫化氫對低氧性肺動脈高壓和肺血管結(jié)構(gòu)重建的調(diào)節(jié)作用[J].中華兒科雜志,2004,42(4)：303-304.

10 張春雨,杜軍保,閆輝新,等.新型內(nèi)源性氣體信號分子硫化氫對低氧性肺血管膠原重塑的影響[J].中華結(jié)核和呼吸雜志,2005,28(7)：448-453.

11 陳曉波,杜軍保,張春雨,等.新型氣體信號分子硫化氫對低氧大鼠肺動脈平滑肌細(xì)胞凋亡的影響[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2004,36(4)：341-344.

12 陳曉波,杜軍保,張春雨,等.硫化氫對低氧性肺動脈高壓大鼠肺動脈增殖細(xì)胞核抗原及 Bcl-2的調(diào)節(jié)作用[J].實(shí)用兒科臨床雜志,2004,19(3)：185-187.

13 李虹,劉新民,耿彬,等.新型氣體信號分子硫化氫在大鼠肺纖維化發(fā)病中的作用[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2006,38(2)：140-146.

14 Chen YH,Yac WZ,Geng B,et al.Endogenous hydrogen sulfide in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Chest,2005,128(5)：3205-3211.

15 黃雯,李曉璐,張紅,等.內(nèi)源性H2S對糖尿病腎病細(xì)胞外基質(zhì)積聚的作用[J].首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2)：133-136.

16 王繼榮,來春林.血漿硫化氫水平變化與原發(fā)性高血壓腎損害的相關(guān)性研究[J].中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志,2009,7(12)：1486-1487.

17 吳代琴,程友琴,唐朝樞,等.氣體信使硫化氫在大鼠腎血管性高血壓中的調(diào)節(jié)作[J].中華老年心血管病雜志,2006,8(11)：478-451.