气体信号分子H2S与缺血性脑损伤的关系

骆海坤 张建新 李国风

·综述与讲座·

气体信号分子H2S与缺血性脑损伤的关系

骆海坤 张建新 李国风

硫化氢；缺血性脑病；组织保护

硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)是一种具有臭鸡蛋气味的气体，数百年来，人们普遍认为硫化氢是有害气体，其毒性作用已被大量报道。然而，自20世纪末以来，Abe等[1]首次通过实验证明，内源性H2S可能作为一种神经活性物质而存在。同时，Kimura[2]对H2S的不断研究中证实，脑组织内存在相对较高浓度的H2S，H2S能促进N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的活性，诱导海马突触的长时程增强效应(long-term potentiation，LTP)，提示气体H2S在神经系统发挥着重要的生物学功能。H2S与多种缺血性脑损伤疾病有着密切的关系，但机制尚不够清楚。因此，H2S在神经系统的生成、生理作用、机制及其与缺血性脑血管病的关系有待进一步研究。

1 H2S在体内的分布及合成

1.1 H2S在体内的生成 目前的研究发现，哺乳动物的多种组织器官和细胞中都能合成不同量的内源性H2S气体，它主要由机体中的含硫氨基酸包括蛋氨酸、同型半胱氨酸和L-半胱氨酸等合成。内源性H2S在哺乳动物体内的合成主要通过3种途径，两种途径是5’-磷酸吡哆醛依赖性：即胱硫醚-β合酶(cystathionine-β-synthase，CBS)和胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)途径，主要在细胞浆内进行，以L-半胱氨酸和同型半胱氨酸为底物通过转硫作用生成H2S、丙酮酸盐和铵[1]；第三种是3-巯基丙酮酸硫转移酶(3MST)途径，Kimura等[3,4]发现，3MST是神经系统生成H2S的重要酶，3MST与半胱氨酸丙转氨酶(CAT)共同作用，以L-半胱氨酸和a-酮戊二酸为底物，生成H2S[5]。内源性生成H2S的酶存在组织分布差异，除了肝、肾表达外，CBS主要表达于神经系统，而CSE主要分布于心血管系统包括心肌、主动脉、肺动脉、肠系膜动脉、尾动脉和门静脉等[1]。MST是一类锌依赖性酶，主要分布于脑和血管内皮组织中[3]，在红细胞中活性较强。

1.2 H2S在中枢神经系统的合成 Eto等[6]通过基因敲除研究证实，脑组织内产生H2S的主要酶是CBS，CBS在神经系统的表达水平最高。CBS在脑中主要分布在海马、小脑、皮质、和脑干等部位，尤以海马和小脑较高[1]，改变CBS的活性可以调节H2S的生成。最近通过对敲除CBS基因的小鼠研究发现脑组织匀浆中仍存在H2S，从而发现3MST是脑组织内生成H2S的重要酶，并且证实神经系统中由3MST酶促产生的H2S含量较高。3MST结合CAT，以L-半胱氨酸和α-酮戊二酸为底物生成H2S。CAT与3MST酶体系的发现，可能为研究H2S的生成及作为一种信号分子提供新的途径。3MST主要在神经元中表达，而CBS主要在星形胶质细胞中表达，所以两者是通过不同的作用调节脑中H2S的表达。

2 H2S在中枢神经系统的生理作用及机制

生理条件下，脑组织H2S的含量在50～160 μmol/L。H2S对大脑功能的调节有着重要的作用，H2S 参与学习和记忆的调节，发挥类似神经递质的中枢调节作用，已被很多研究者报道。

2.1 H2S的抗氧化功能 氧化应激(oxidative stress，OS)是指机体在遭受各种有害刺激时，体内氧化作用失衡，导致组织损伤。氧化应激损伤引起神经元细胞凋亡是多种神经性疾病的主要发生机制。

研究表明， H2S可以增强γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)的活力促进细胞内γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GC)的合成，对抗谷氨酸的氧化应激，同时正性调节半胱氨酸的转运的限速过程。Kimura等[7]认为硫化氢通过两种途径使神经细胞免受氧化应激损伤，提高胱氨酸转运速率而增加GSH水平和重新分配至线粒体的GSH分布，线粒体自身的H2S也可对抗氧化应激，这为神经元免受氧化应激损伤提供了新的机制，并且H2S也能抑制过氧化氢(H2O2)导致的氧化应激。杨燕等[8]以1-甲基-4-苯基吡啶离子(MPP+)处理PC12细胞作为帕金森病(PD)细胞模型，探讨气体信使硫化氢对该模型的保护作用及其机制。H2S可以通过促进细胞内源性抗氧化系统活性改善PD细胞模型的氧化应激状态，以减少氧自由基生成，稳定线粒体膜电位，减少线粒体损伤，最终减少细胞死亡。综上所述，神经系统内H2S通过抑制及清除氧化性物质的作用，减轻氧化应激，从而起到保护神经元的作用。

2.2 H2S促进海马的长时程增强效应 海马长时程记忆增强(LTP)，是一种关于学习和记忆机制的突触模型。实验发现生理浓度的H2S能够通过选择性提高NMDA受体介导的电流从而诱导LTP。

Abe等[2]实验发现，当H2S存在时，一个较弱的电刺激就能够易化海马CA1 区引出LTP，如果没有H2S，则该刺激不能引出海马LTP。生理水平的H2S剂量依赖性地易化海马CA1区LTP的产生。H2S引发LTP能被NMDA受体阻断剂阻滞，提示H2S诱发的LTP是NMDA受体依赖型。同时Kimura等[9]通过实验发现，在生理浓度的H2S作用下，原代培养的神经原细胞产生环磷酸腺苷(cAMP)，并证实H2S可以作用于这些细胞，以cAMP作为其信号传导的第二信使。而不同细胞对H2S反应不同，提示神经细胞上可能存在有H2S受体，且细胞上有对H2S敏感的腺苷酸环化酶。表明H2S可能是通过调节神经元胞体内的cAMP水平而实现对LTP的调节作用。生理浓度的H2S通过选择性升高神经细胞内cAMP水平，加强NMDA受体介导的突触后兴奋性电位，从而提高诱导海马LTP。H2S 诱导海马LTP 效应能促进学习和认知能力。阿尔茨海默病(AD)是一种进行性发展的，以认知障碍和记忆力损害为主的中枢神经系统退行性疾病，AD患者大脑中的H2S 水平明显降低[6]。H2S对LTP的易化作用可能是其参与AD的机制。另外β-淀粉样蛋白(amyloid B-peptide,Aβ)的沉积也被认为与AD发病有关，而外源性的H2S 能够抑制Aβ25-35 引起的细胞凋亡[10]。

2.3 H2S通过Ca2+通道作用于神经胶质细胞 神经胶质细胞分布在神经元之间，参与神经元的活动，对神经元起到支持保护，营养等功能。

胶质细胞通过提高细胞内Ca2+浓度及传递，自发产生或因不同刺激产生的钙波与周围细胞进行信息交换。Nagai等[11]通过应用荧光染色Ca2+成像(calcium imaging)发现H2S 可以增加大鼠海马星形胶质细胞内Ca2+浓度，增加Ca2+内流和细胞内Ca2+的释放，引发钙波和周围细胞之间的信息交换，进一步观察H2S水平与细胞钙离子浓度的变化关系，H2S水平下降时Ca2+浓度减低，反之随H2S含量增加Ca2+浓度升高，提示H2S水平与细胞Ca2+浓度有正性调节关系。Lee等[12]发现用H2S供体NaHS对原代培养的SD大鼠小胶质细胞作预处理，浓度在0.1～0.5 nmol/L范围内，也能浓度依赖性增加小胶质细胞Ca2+浓度，证实H2S可以提高脑星形细胞细胞内Ca2+浓度，机制主要包括细胞外Ca2+内流，部分由于细胞内Ca2+释放。但是，H2S作用于Ca2+通道的类型还不能确定，有待进一步研究。

3 H2S与缺血性脑病

3.1 H2S与脑缺血 Wong等[13]对脑缺血模型，给予H2S的生成底物半胱氨酸，观察到脑组织缺血灶的体积呈剂量依赖性增大，这种作用能够被CBS的阻断剂氨基氧乙酸(AOAA)抑制，提示高浓度的半胱氨酸可能引起H2S含量的增多而导致组织损伤。Qu 等[14]在局灶性脑缺血模型中发现给予NaHS 或L-半胱氨酸处理，大脑中动脉栓塞诱导的脑梗死体积减小，而大脑皮层H2S水平是升高的，给予 AOAA能够减小梗死体积，而高剂量的AOAA对脑组织不具有保护作用，提示过度抑制H2S的生成可能会产生有害作用。郑永强等[15]检测了167 例脑梗死(CI)患者和108 例健康对照者的H2S 血清浓度，发现脑梗死患者血浆H2S、CBS含量均明显低于健康对照组，在167 例脑梗死患者中，大面积脑梗死患者H2S含量明显高于中面积和腔隙性脑梗死患者，CBS含量显著低于腔隙性脑梗死患者。由此推测血浆中H2S、CBS 含量的变化可能参与脑梗死的发病机制。

3.2 H2S与脑缺血再灌注 任彩丽等[16]通过研究硫化氢对全脑缺血-再灌注(I/R)大鼠损伤的作用，发现H2S 对脑I/R损伤有明显的保护作用，其作用机制可能跟抗脂质过氧化损伤、清除自由基，提高抗氧化剂能力有关。黄琬璐等[17]观察了全脑I/R大鼠血浆中H2S的动态变化，和正常对照组比较，凝闭6 h组和I/R 6 h组血浆中H2S水平明显升高，I/R 12 h组血浆H2S水平与正常组无明显差异，I/R 24 h组H2S水平显著降低，I/R 48 h组和I/R 72 h组血浆H2S水平显著升高。在全脑I/R过程中，H2S可能通过抗氧化应激作用，升高细胞内谷胱甘肽水平，对脑组织起到保护作用，也可能通过增强NMDA受体介导的钙超载而发挥损伤作用。在I/R过程中，H2S对脑组织起到保护作用还是损伤作用，及其作用机制还有待进一步研究。

3.3 H2S与短暂性脑缺血发作 短暂性脑缺血发作指短时间内脑血流量减少引起的脑功能障碍，持续数秒，数分钟或数小时，一般不超过24 h。TIA症状虽轻，但后果严重，通常被认为是脑血管病的危险信号。周丽等[18]对入院后24h 短暂性脑缺血发作患例研究，并测定患例血清中H2S水平及CBS活性，发现TIA患例血清H2S含量和CBS活性均明显高于正常对照组，已经发生脑梗死的TIA患例H2S含量明显高于痊愈组，CBS活性明显升高。提示短暂性脑缺血发作时，脑组织缺血引起CBS 活性升高，内源性H2S水平升高。生理范围的H2S升高，起到舒张血管的效应，促进血液循环，血流供应，而减轻脑组织损伤。另外，如果短时间内反复发作，脑组织反复的缺血，可能也会引起H2S水平及其酶的变化。

3.4 H2S与缺血缺氧性脑病 在缺氧缺血性脑损伤(HIBD)过程中新生大鼠皮层脑组织H2S水平亦呈动态变化[19]。任彩丽等[16]观察了不同时间点大鼠脑组织H2S水平，发现在缺血缺氧早期(HIBD 12 h)，大鼠脑组织产生较高水平的H2S，提示神经元兴奋可能引起H2S的生成。在生理状态下由于细胞代谢保持稳态，体内H2S也维持在生理水平。而在缺血缺氧情况下，组织和细胞发生病理损伤，细胞稳态被破坏，内源性H2S平衡被破坏，H2S超出了生理水平，产生组织损伤作用。内源性H2S含量升高可能引起炎性因子变化，而加重脑缺血损伤，另外可能通过抑制细胞色素c氧化酶的活性，使细胞呼吸障碍，引起细胞能量合成障碍，而损伤神经元。在HIBD 48 h时，大鼠脑组织H2S水平降至最低，可能是H2S发挥抗氧化应激作用，清除自由基而被消耗所致。邓芳帆等[20]通过研究硫化氢对新生大鼠缺氧缺血性脑损伤的作用得出结论，H2S可下调脑组织Caspase-3 表达，抑制神经细胞凋亡，对大脑有保护作用。

H2S作为一种新型的气体信号分子，是近年来的研究热点。其作为一种新的神经活性物质，广泛地参与了机体生理及病理生理过程，把握H2S的生物学效应对于深入理解H2S在一些疾病中的作用、发病机制以及研发潜在可释放H2S的药物具有重要的指导意义。目前H2S对缺血性脑损伤的作用及其机制，还存在争议。如何控制患者H2S 的水平，将H2S作为药物应用于临床，为缺血性脑血管病治疗提供新的用药途径，将是一个新的研究方向。对H2S的深入研究必将开辟一个崭新的医学研究领域。

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医学论文中有关实验动物描述的要求

在医学论文的描述中，凡涉及到实验动物者，在描述中应符合以下要求：(1)品种、品系描述清楚；(2)强调来源交待；(3)遗传背景；(4)微生物学质量；(5)明确体质量；(6)明确等级；(7)明确饲养环境和实验环境；(8)明确性别；(9)有无质量合格证；(10)有对饲养的描述(如饲料类型、营养水平、照明方式、温度要求、湿度要求)；(11)所有动物数量准确；(12)详细描述动物的健康状况；(13)对动物实验的处理方式有单独清楚的交代；(14)全部有对照，部分可采用双因素方差分析。

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2014-04-11)