新型气体信号分子硫化氢的研究进展

赵书(综述) 张杰(审校)

(1.四川大学华西基础医学与法医学院;2.四川大学华西医院肾脏内科,四川 成都 610041)

硫化氢(Hydrogen sulfide,H2S)是一种带有臭鸡蛋味的有毒气体,一直被认为是空气和水源污染的重要污染物,过量吸入可以影响肺、脑、肾等多种脏器的正常功能。以往对H2S的研究都偏重其毒性作用,直到20世纪90年代中期,科学家首先证明人体内源性H2S,由此可作为一种神经活性物质而存在。越来越多的研究证明,H2S是继NO和CO之后发现的一种新型气体信号分子[1]。H2S在体内主要由胱硫醚-β-合成酶(Cystathionine-β-synthase,CBS)、胱硫醚-γ-裂解 酶(Cystathionine-γ-1yase,CSE)催化 L-半胱氨酸产生。CSE和 CBS的分布具有组织特异性,在大鼠的主动脉、肺动脉、肠系膜动脉、尾动脉和门静脉的平滑肌中只发现CSE的表达,而无CBS表达;在脑组织中,特别是海马和小脑,只有 CBS表达;此外,回肠、肝脏和肾脏则同时存在有CBS和CSE[2]。部分研究表明内源性H2S具有多种生理功能,Kimura等证实H2S通过cAMP通路提高NMDA受体的活性,调节突触活动,影响海马长时程增强(LTP,与学习、记忆有关);Kobian等发现H2S能使脑桥中缝核神经元去极化或超极化;Hu等通过新生大鼠脑片发现,内源性H2S参与了呼吸调节;此外,H2S具有调节消化道和血管平滑肌张力,抑制血管平滑肌增殖和调节下丘脑一垂体一肾上腺轴的功能等,本文将着重对报道较少的H2S在消化、呼吸、泌尿系统多种疾病病理过程中发挥的重要作用做一综述。

1 H2S与消化系统

1.1 H2S与胃肠道

1.1.1 H2S与非甾体类抗炎药所致的急性胃黏膜损伤(NSAID-associated acute gastro-mucosa damage)

胃黏膜损伤是非甾体抗炎药(NSAIDs)-个常见的并发症,其原因可能与肠系膜的血流量明显减少,髓过氧化物酶(用来评价胃黏膜的中性粒细胞的聚集程度)、肿瘤坏死因子-a(TNF-a)、细胞问黏附因子-1(CAF-1)、环氧合酶-2等炎性介质显著增加有关。最近有研究运用激光-多谱勒流式仪测定发现H2S可使胃黏膜血流增加25%,使血压下降 10 mmHg。提示 H2S具有黏膜保护作用。Fiorucci等[3]实验表明NSAIDs可以明显抑制胃黏膜CSE的表达,减少内源性H2S的生成。Wallace等[4]发现通过给小鼠喂养ATB-337(双氯芬酸与H2S释放剂通过酯键连接的复合体),既可产生NSAIDs的抗炎作用又可以预防或减少NSAID的胃黏膜损伤作用。NSAIDs能引起内源性H2S生成减少,使其在胃的微循环中的调节作用和抑制炎性介质聚集的作用减弱,从而减少胃黏膜的屏障作用,与NSAIDs合用适当的H2S供体可能可以预防或治疗NSAIDs引起的急性胃黏膜损伤。

1.1.2 H2S与肠易激综合征(Iritable bowel syndrome,IBS)

肠易激综合症属胃肠功能紊乱性疾病,病理改变纤维镜可见肠管痉挛,充气激惹性疼痛,黏液分泌可能增加或可见轻度的充血水肿。Distrutti[5]通过给IBS模型的Wistar大鼠尾静脉注射NaHS(H2S的供体)后,发现大鼠对直结肠扩张的腹部撤离反射积分(用于评价大鼠内脏疼痛程度)减少,脊髓的c-fox和P物质(评价内脏伤害性知觉引起传入神经纤维兴奋性的指标)表达减少,并且在一定的浓度范围内与剂量呈正相关,提示当注射较大浓度的硫氢化钠(60 mol◦kg-1)时,可以使直结肠产生自主扩张作用,降低肠道内的压力,减少伤害性刺激从神经纤维传入中枢。H2S的不足可能是IBS的发病原因之一,适当补充H2S的供体可能会为IBS的治疗另辟蹊径。

1.2 H2S与肝脏

Fiorucci等[6]近期发现CSE在肝细胞和星状细胞内表达,而在肝窦血管内皮中不表达。Garcia-Tevijano等[7]通过对胆管结扎形成的大鼠肝硬化模型中的研究发现肝细胞及星状细胞中CSE mRNA和蛋白水平的下调,使得内源性H2S合成减少。去甲肾上腺素可引起正常及肝硬化大鼠肝血管收缩,给予NaHS可减轻此作用,这种作用可被格列本脲所阻断。由于H2S能够抑制I、Ⅲ型前胶原的合成,因此,星状细胞 H2S减少对I、Ⅲ型胶原的抑制也降低[8],这在肝硬化和门静脉高压的形成中具有重要的意义。

2 H2S与呼吸系统

2.1 H2S与肺动脉高压(Pulmonary arterial hypertention)

一系列研究[9-12]发现：腹腔注射NaHS((H2S供体)的低氧性PAH(肺动脉高压)大鼠与低氧组PAH大鼠相比：肺动脉平均压(MPAP)降低31.2%,CSE基因表达水平上调,PCNA(小鼠抗大鼠增殖细胞核抗原)蛋白和U-Ⅱ(尾加压素Ⅱ)蛋白表达减少,肺动脉平滑肌细胞Bcl-2蛋白表达下调,单位凋亡率增高62.5%,Fas和caspase-3蛋白表达分别增高84.8%和34.5%,肺血管壁I、Ⅲ型胶原及其前胶原mRNA的表达明显减少,提示H2S可能通过舒张血管、抑制平滑肌细胞增殖、促进平滑肌细胞凋亡、改变细胞外基质等调节作用降低肺动脉高压,改善肺血管结构重建。

2.2 H2S与肺间质纤维化(Pulmonary interstitial fibrosis)

李虹等[13]应用气管滴人博来霉素A5制备肺间质纤维化大鼠模型发现;第7天和第28天测试CSE mRNA的基因表达均明显升高,尤以第28天时显著。应用NaHS治疗肺纤维化,光镜下可见第7天时的炎症及第28天时的肺纤维化程度均较肺纤维化组明显减轻。进一步的实验研究发现,第7天及第28天时肺纤维化组大鼠肺组织丙二醛及羟脯氨酸(氧化应激指标)含量均较正常对照组显著升高,给予NaHS可显著抑制丙二醛的产生以及羟脯氨酸的合成。上述实验提示,CSE/H2S参与肺间质纤维化的发生,其作用机制可能通过调节细胞的氧化应激反应减轻博来霉素造成的肺损伤从而减轻肺纤维化的发生。

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

COPD是一组常见的慢性进行性呼吸道疾病,Chen等[14]对37例稳定期COPD和27例急性期COPD患者以及13例老年对照者进行研究发现,在稳定期COPD患者的血清中H2S含量较急性期COPD患者和健康对照者均升高,其中在稳定期COPD患者中,Ⅲ期患者较I期患者血清中H2S含量降低;急性期COPD患者血清中H2S含量较健康对照者降低,推测在COPD稳定期患者血清中H2S含量升高,对呼吸道起到保护性作用;而在急性期COPD患者血清中H2S含量降低,对呼吸道的保护性作用减弱而使病情恶化。

3 H2S与泌尿系统

3.1 H2S与糖尿病肾病(Diabetic nephropathy,DN)

糖尿病肾病是以细胞外基质过度积聚为特征的进展性肾病.黄雯等[15]通过建立DN大鼠模型研究发现：注射了CSE阻断剂的大鼠肾脏中FN(纤维黏连蛋白,是衡量细胞外基质过度积聚的主要指标之一)的分布及含量均较H2S干预组(注射NaHS)明显升高,推测由于阻断了CSE的作用,使机体内源性H2S降低,这可能加重了糖尿病大鼠糖尿病肾病病理变化。与之相比,补充H2S后大鼠肾小球基质中FN的分布减少,接近正常对照组水平,FN的含量亦明显下降,提示H2S干预组动物糖尿病肾病的病理变化较DN组减轻。在糖尿病肾病发病过程中,内源性H2S的缺乏可能导致其舒张血管的功能减弱,造成肾小球高灌注和高滤过,导致肾组织缺氧,进一步促进系膜细胞增生和细胞外基质过度积聚。补充H2S可减轻细胞外基质的过度积聚,抑制系膜细胞的异常增生,减轻肾小球基底膜增厚和系膜的扩张,缓解糖尿病肾病的病变。

3.2 H2S与高血压肾病(Hypertensive nephropathy)

高血压肾损害所致的晚期肾衰竭是威胁高血压患者生命的主要并发症之一,而高血压肾损害的进展也会导致血压进一步升高,二者相互作用,形成恶性循环,进一步加重高血压患者的病情。王继荣等[16]研究发现：高血压伴有肾损害的患者血浆硫化氢的水平较正常人明显下降,并且随着高血压病分级的提高硫化氢的浓度进行性下降,提示血浆中硫化氢水平的下降可反应高血压所致的肾脏损害呈负相关,考虑随着血压的进一步升高和肾损害的加重进一步抑制了血浆硫化氢的浓度及其降压作用。此外,吴代琴等[17]也研究显示：肾血管性高血压大鼠硫化氢体系受到严重抑制,可能是肾性高血压形成的重要因素,外源性的给予硫化氢供体有助于缓解高血压的形成。

3 小结和展望

H2S作为继一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后的一种新的气体信号分子,其具有多种生物学作用,除了以上列举的以外,大量文献也已证实H2S在心血管和神经系统具有重要的作用,此外它还可以作为一种细胞的电子载体,抑制红细胞氧化和衰老,H2S也参与妊娠高血压综合征的发生和发展。但其细胞内信号转导途径和生物学功能仍未完全明确,目前的研究也仅局限于几种组织、器官和系统,此外,H2S与溃疡性结肠炎、直结肠癌等疾病的关系尚有争议,有待于进一步明确。因此深入开展H2S在消化、呼吸、泌尿系统疾病的研究,可能具有潜在的、重要的临床价值。

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.

2 Zhao WM,Zhang J,Lu Y,et al.The vasorelaxant effect of a novel endogenous gaseous KATP channel opener[J].EMBO J,2001,20(21)：6006-6016.

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 陈晓波,杜军保,张春雨,等.新型气体信号分子硫化氢对低氧性肺动脉高压和肺血管结构重建的调节作用[J].中华儿科杂志,2004,42(4)：303-304.

10 张春雨,杜军保,闫辉新,等.新型内源性气体信号分子硫化氢对低氧性肺血管胶原重塑的影响[J].中华结核和呼吸杂志,2005,28(7)：448-453.

11 陈晓波,杜军保,张春雨,等.新型气体信号分子硫化氢对低氧大鼠肺动脉平滑肌细胞凋亡的影响[J].北京大学学报(医学版),2004,36(4)：341-344.

12 陈晓波,杜军保,张春雨,等.硫化氢对低氧性肺动脉高压大鼠肺动脉增殖细胞核抗原及 Bcl-2的调节作用[J].实用儿科临床杂志,2004,19(3)：185-187.

13 李虹,刘新民,耿彬,等.新型气体信号分子硫化氢在大鼠肺纤维化发病中的作用[J].北京大学学报(医学版),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 黄雯,李晓璐,张红,等.内源性H2S对糖尿病肾病细胞外基质积聚的作用[J].首都医科大学学报,2009,30(2)：133-136.

16 王继荣,来春林.血浆硫化氢水平变化与原发性高血压肾损害的相关性研究[J].中西医结合心脑血管病杂志,2009,7(12)：1486-1487.

17 吴代琴,程友琴,唐朝枢,等.气体信使硫化氢在大鼠肾血管性高血压中的调节作[J].中华老年心血管病杂志,2006,8(11)：478-451.