气体信号分子硫化氢的研究进展

1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(hydrogensulfide,H2S)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H2S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H2S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KATP通道开放剂及具有抗氧化作用相关。趋向H2S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H2S对于疼痛作用的确切机制上。【关键词】：H2S；气体信号分子；作用机制ResearchprogressofgaseoussignalmoleculehydrogensulfideLUOHui-qin,LINJian-qing.DepartmentofAnesthesiology,FirstAffiliatedHospital,FujianMedicalUniversity,Fuzhou350005,China【Abstract】BackgroundHydrogensulfide(H2S)hasbeenregardedasanoxiousgasforalongtime,StudiesinrecentyearshaveshownthatH2Sactsasthenewdiscoveredendogenousgassignalmoleculeatpresent,whichhasimportantbiologicalactivityandtakepartinmanyphysiologicalandpathologicalprocesseswidelyinthebody.ObjectiveTodiscusstherelationbetweenthephysiologyandpathologyeffectofgaseoussignalmoleculesH2Sanddiseases,andprovidesadetaileddescriptionoftheH2Sresearchprocesses.ContentH2Snotonlyhastherapeuticeffectsonischemicdiseasesofthesystemicmultisystem,butalsohastwophasesinfluenceonneuropathicandinflammatorypain.ThemechanismmightberelatedtothatH2SisendogenousvascularsmoothmuscleKATPchannelopenersandithasantioxidantactivity.TrendThesenewusesofH2Shaveimportantsignificanceforexploringtheeffectivemethodinrelatedclinicaldiseases.FutureworkshouldbeemphasizedontheprecisemechanismofH2Sforthepain.【Keywords】Hydrogensulfide;Gaseoussignalmolecule;Mechanismofaction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（hydrogensulfide，H2S）作为继一氧化氮(nitricoxide，NO)和一氧化碳(carbonmonoxide，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/reperfusioninjury，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的生理在哺乳动物组织中，产生内源性H2S的酶有三种：胱硫醚β-合成酶（cystathionineβ-synthase，CBS）、胱硫醚γ-裂解酶（cystathionineγ-lyase，CGLorCSE）和3-巯基丙酮酸硫基转移酶(3-mercaptopyruvatesulfurtransferase，3MST)2[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H2O[1]。后来发现，在大脑中产生的将近90%的H2S，是3MST通过调节CBS的作用，从L-半胱氨酸和α-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H2S解离为H+和HS−，另三分之一保持着未解离状态(H2S⇔HS−+H+，pKa=6.9)[1]，H2S在体内主要有三条去路，首先，体内产生的大部分H2S是在线粒体中被氧化，其余的H2S或是通过巯基-S-甲基转移酶（thiolS-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H2S脑中毒时，发现H2S可以内源性低浓度地产生。随着这次报导后，H2S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。2.1H2S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-κB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-sensitivepotassiumchannel，KATP)、Ca2+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，H2S主要通过KATP通道[4]、T型Ca2+通道[5]和TRPV1来发挥其镇痛的生物学效应。目前，对于H2S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H2S在外周水平都有致痛作用，也有学者认为H2S是直接作用于伤害性感受神经元而产生镇痛作用[6]。H2S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]。2.2H2S与神经系统疾病目前研究表明，H2S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（Alzheimer'sdisease，AD）、帕金森综合症和血管性痴呆）等。2.2.1H2S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，H2S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（sodiumhydrosulfide，NaHS100μM)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(10–300μM)，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(5min/24hr)模型，以研究H2S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NaHS3(0.4375μmol/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H2S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H2S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H2S通过恢复GSH的水平来调节氧化应激，高浓度的H2S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]。2.2.3H2S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，H2S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H2S,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H2S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H2S，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。2.3H2S与呼吸系统疾病2.3.1H2S与慢性阻塞性肺疾病Chen等[15]在临床研究中发现，H2S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H2S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H2S能减轻哮喘的炎症反应[16]。2.3.2H2S与肺损伤Fu等[17]探讨了H2S气体对肺的保护功能，H2S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。2.3.3H2S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，H2S含量明显低于正常大鼠，以NaHS处理后，大鼠肺动脉的压力显著降低，表明H2S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。2.3.4H2S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]。2.4H2S与心血管系统疾病现在一般认为，H2S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。2.4.1H2S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KATP通道开放剂，Sivarajah等[20]首次证明内源性H2S通过调节KATP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H2S的产生，可加剧心肌的I/RI。2.4.2H2S与高血压抑制小鼠内源性H2S的产生，可导致高血压和内皮依赖性血管舒张功能降4低[22]，机体慢性H2S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。H2S通过兴奋KATP通道，使细胞膜超级化，血管平滑肌舒张，血压降低。2.5H2S与消化系统疾病2.5.1H2S与胃肠疾病H2S是内源性血管平滑肌松弛剂，适当的H2S供体与非甾体抗炎药（Non-steroidalanti-inflammatorydrugs，NSAID）合用，可防治由NSAID引起的急性胃黏膜损伤[23]，H2S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。2.5.2H2S与肝脏疾病H2S对肝脏细胞有保护作用，Jha等[9]证明，H2S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