内源性硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的心肌保护作用研究进展▲

马宪鲁 郑宝石 冯 旭 黄柳柳 罗 程 黎玉贵

(1 山东省济宁市第一人民医院心外科，济宁市 272011，E-mial：ma.xianlu@163.com；2 广西医科大学第一附属医院心脏外科，南宁市 530021)

综 述

内源性硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的心肌保护作用研究进展▲

马宪鲁1郑宝石2冯 旭2黄柳柳2罗 程2黎玉贵2

(1 山东省济宁市第一人民医院心外科，济宁市 272011，E-mial：ma.xianlu@163.com；2 广西医科大学第一附属医院心脏外科，南宁市 530021)

目前体外循环(CPB)心脏不停跳技术已经成熟应用于心血管疾病的外科治疗，大幅度降低心肌缺血再灌注损伤(MIRI)带来的心肌细胞凋亡，但是由于CPB的自身因素以及手术过程对心脏的影响，患者术后仍存在一定程度的心肌缺血缺氧。胱硫醚-γ-裂解酶催化产生的内源性硫化氢(H2S)能够作用于心血管系统，通过保护线粒体、抑制内质网应激、减少炎性反应等方式来减轻心肌细胞凋亡，为今后临床心肌保护方面提供新思路。本文内源性H2S在MIRI中的心肌保护作用研究进展进行一综述。

心肌缺血；再灌注损伤；内源性硫化氢；心肌保护；细胞凋亡；综述

目前体外循环(cardiopulmonary bypass，CPB)技术在心脏外科领域中仍占据主导地位，现阶段仍有不少医疗机构采用CPB心脏停搏手术来进行心血管疾病的外科治疗。但以CPB技术为基础的心脏手术中面临的最大问题是心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia-reperfusion injury，MIRI)，而心肌细胞凋亡是影响MIRI后心功能恢复的重要因素[1]。如何能够减少MIRI所带来的心肌细胞凋亡、有效地保护心肌、提高手术成功率以及患者术后生存质量一直是当前研究的重点。目前较为成熟的心肌保护措施是低温技术的使用、改善CPB设施、麻醉用药、围术期药物使用的改善、心脏停搏液的改良[2]等，其在一定程度上提高了心肌耐受缺氧等能力，但没有改变MIRI本质的影响。20世纪90年代何巍、林辉教授将浅低温CPB心脏不停跳技术运用至临床，大幅度降低了MIRI的程度，并且使CPB技术能够运用于重症瓣膜病、心力衰竭的换瓣患者[3-4]，但该术式存在增加气栓发生率、心室颤动、反复吸血破坏血细胞[5]等不足，且仍有MIRI的发生。近几年研究显示内源性硫化氢(H2S)MIRI过程中对心肌保护具有重要的作用[6]。在术中提供内源性H2S，并与浅低温心脏不停跳手术结合可全面保护心肌。本文就内源性H2S在MIRI中的心肌保护作用研究进展进行综述。

1 内源性H2S生物学特性及在MIRI中的作用

内源性H2S是一种神经活性物质，其在心血管系统、消化系统、神经系统以及泌尿系统均发挥着重要的作用，是继一氧化氮和一氧化碳后第三类气体信号分子[7]，在20世纪90年代，该气体在机体内被发现。

1.1 内源性H2S的生物学特性 内源性H2S的合成经酶促反应完成，以半胱氨酸作为底物，主要是通过胱硫醚-β-合成酶、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)、半胱氨酸转移酶(cysteine aminotransferase，CAT)以及丙酮酸巯基转硫酶(mercaptopyruvate sulfurtransferase，MST)催化产生，而心血管系统的内源性H2S主要是依靠CSE催化产生[8]。H2S可在机体内大部分组织中生成，包括心脑血管、肝、肾等重要脏器，以小部分气体形式以及大部分的硫氢化钠(NaHS)形式存在，内源性H2S与NaHS在人体中达到一种动态平衡[9]。CSE主要存在心血管中，CBS主要存在脑组织中，而CAT及MST可在脑组织及血管中调控内源性H2S的合成[10]。

1.2 内源性H2S在心血管系统中的病理生理作用 内源性H2S在心血管中可以促进血管舒张、调节血管平滑肌以控制血压，且具有对抗动脉粥样硬化及MIRI、抑制心血管平滑肌细胞增殖、参与休克时血管的低反应及负性心肌肌力等作用[11-12]，因此CSE催化产生内源性H2S可以减少MIRI过程中的心肌细胞凋亡。内源性H2S能够促进心肌蛋白化学修饰、激活保护通路，对抗心肌缺血的发生[13]。在体与离体动物实验结果显示，在心肌缺血缺氧前给予H2S预处理可以产生显著心肌保护效应，包括能够缩小心肌缺血后梗死面积、降低心肌肌钙蛋白Ⅰ的含量、减轻缺血缺氧后至心律失常的程度以及持续时间、增加心肌细胞活力以及心肌收缩力[14]。介导内源性H2S在心肌缺血预处理(ischemic preconditioning，IPC)保护效应的细胞内信号途径主要是激活蛋白激酶C信号途径及开放肌浆网三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)敏感性K+通道(KATP)，进一步促进细胞内Ca2+再摄取进入肌浆网，同时增强Na+/Ca2+转运促Ca2+外排，从而抵抗缺血再灌注损伤所致Ca2+超载及心肌细胞过度收缩[15]。内源性H2S除了在IPC效应保护心肌外，在心肌缺血后再灌注阶段给予内源性H2S进行缺血后处理(ischemic post-conditioning，IPO)也能产生非常明显的心肌保护作用，主要表现在改善心脏功能恢复，缩小再灌注心肌梗死面积[16]。

1.3 内源性H2S在MIRI中的心肌保护作用 Bian等[17]研究发现在IPC过程中通过增加内源性H2S的化合物NaHS的含量能够增加MIRI后离体心肌的细胞活性，减少心肌细胞凋亡，而减少H2S含量则心肌保护作用减弱。徐钢等[18]利用Langendorff灌流模式制造大鼠离体心脏MIRI模型，发现IPO中CSE/H2S含量增高，缺血后心肌梗死面积减小，而在加入CSE抑制剂后心肌缺血程度加重且缺血后梗死面积加大，证实了内源性H2S参与IPO减轻MIRI。Elrod等[19]实验研究发现，CSE催化产生的内源性H2S能够有效减少MIRI后心肌损害，提高心肌收缩功能。以上研究结果表明，CSE催化产生的内源性H2S能够在一定程度上在MIRI中起到心肌保护作用，为心脏外科CPB中心肌保护提供了新的临床路径。

2 内源性H2S在MIRI中的心肌保护作用机制

心肌损害的程度主要表现在心肌细胞凋亡的程度上，而细胞凋亡是一种主动耗能、受特殊程序控制、各细胞器参与逐步凋亡通路激活的细胞程序性死亡过程，可表现为细胞皱缩变圆、细胞质浓缩、核膜断裂、细胞膜水泡化、凋亡小体出现等[20]。目前有研究表明心肌细胞凋亡发生在心肌缺血后的再灌注阶段[21]，而主导细胞凋亡的方式包括：线粒体途径的调控导致细胞凋亡[22]，内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)通路在MIRI的一系列信号传导通路引起的细胞凋亡[23]，同时在心肌缺血以及MIRI过程中产生的炎性介质等激活凋亡通路介导细胞凋亡[24]。内源性H2S通过抑制上述机制来减少MIRI过程导致的细胞凋亡。

2.1 内源性H2S通过保护线粒体功能减少细胞凋亡 在线粒体的调控途径中，由于MIRI中ATP的急剧减少导致线粒体电子传递过程障碍、大量氧自由基生成、Ca2+超载等，使线粒体肿胀增加线粒体膜通透性，凋亡效应因子从线粒体漏出。由于线粒通透性转换通道打开，细胞色素C释放后中断呼吸链，在减少ATP的生成时激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate-specific proteinase，caspase)-3表达介导细胞凋亡，而CSE/H2S通路能够减轻线粒体肿胀、保护线粒体在缺氧后的完整性、减少线粒通透性转换通道的开放、清除氧自由基生成、降低caspase-3活性等机制进行心肌保护[25]。

2.2 内源性H2S抵抗ERS减少细胞凋亡 缺血、缺氧、Ca2+超载以及大量氧自由基生成等因素可引起ERS，而这些不利因素可影响从内质网到细胞质甚至细胞核的信号传导而启动细胞凋亡[26]。ERS时caspase-12位于内质网膜，以caspase-12前体形式存在，在线粒体凋亡途径中不被活化，仅特异地被内质网信号通路水解激活，是ERS介导凋亡的关键蛋白酶[27]。caspase-12作为内质网特有的凋亡蛋白在ERS时表达量增高，从而在激活caspase-9后间接激活caspase-3表达或者直接促进后者表达而促进细胞凋亡[28]。研究表明CSE催化产生的内源性H2S能够通过激活细胞外信号调解酶通路来拮抗MIRI过程中诱发ERS致心肌细胞凋亡[29]。

2.3 内源性H2S通过抑制炎性反应减少细胞凋亡 心肌缺血后缺血区域常伴随着炎性细胞的浸润、炎性介质的释放以及炎症相关转录因子的激活等[30]。炎症是造成MIRI的重要机制，包括肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白细胞介素(interleukin，IL)-1、IL-6等多种细胞因子的参与其中[31]。核转录因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)作为一个二聚体转录因子，能够调节细胞相关因子、生长相关因子以及细胞凋亡等[32]。单纯缺血也能导致NF-κB的活性增加，并参与MIRI时的细胞凋亡。TNF-α、IL-1等细胞因子表达增高能够促进NF-κB表达进而诱导细胞凋亡，而CSE/H2S能够通过抑制NF-κB通路活性表达以减轻炎性与细胞毒性反应，减少细胞凋亡[3]，同时CSE催化产生的内源性H2S能够减少细胞因子IL-1、IL-6引起的中性粒细胞浸润[34]。可见H2S能够通过抑制MIRI所带来的炎性介质反应来保护心肌。

3 内源性H2S在临床工作中的应用前景

虽然内源性H2S参与机体特别是心血管系统的多种生理病理过程，且心血管系统对其血清浓度非常敏感，但单纯H2S属于剧毒气体，并且水溶液性质不稳定，其前体衍生物NaHS也极易分解，均不能直接作为药物使用，因此对于内源性H2S的药物性使用研究仍有待展开[7]。2008年Whiteman等[35]发现了H2S缓释剂GYY4137，开启了H2S作为药物的临床研究。近期有学者发现该缓释剂较稳定，可作为较稳定、缓释、毒副作用相对低的硫化氢供体，用于研究硫化氧的细胞功能调节和急性心血管调节病理生理学作用机制，虽其毒副作用相对较低，但仅适用于急性动物实验[36]。目前大多实验中心中以NaHS作为H2S的供体，在IPC、IPO中给予NaHS来进行研究。但由于H2S作为一种毒性气体，可对生物体在呼吸系统、消化系统、神经系统、细胞活性等方面造成伤害[37]，所以很少实验直接采用H2S气体进行研究。目前多在现有药物基础上进行基团改造，使其能在体内分解代谢中产生H2S[38]。近年来的实验研究大多是对大鼠、兔等啮齿类动物的研究，而高等哺乳动物研究不多。美国的Ikaria公司在缺血缺氧性疾病的研究中已经完成注射用硫化钠的Ⅰ期临床实验。加拿大的Antibe公司有关能够释放H2S的非载体类抗炎药衍生物的研究已经完成Ⅰ期临床实验研究，并取得不错效果。

综上所述，内源性H2S对心血管系统疾病意义显著，其生物学特征及病理生理学作用均揭示了其在MIRI中对心肌保护作用的机制，为临床上心肌保护工作的开展与应用提供了新的理论与实验依据。通过CSE催化产生内源性H2S可在CPB心脏手术中降低MIRI、减少心肌细胞凋亡、提高术后心肌活力，具有良好的应用前景。

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广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1355005-2-3)；广西自然科学基金(2013GXNSFAA019152)

马宪鲁(1990～)，男，在读硕士研究生，研究方向：心血管外科。

郑宝石(1969～)，男，博士，教授，主任医师，研究方向：心血管外科，E-mail：zhengbs25@vip.sina.com。

R 541

A

0253-4304(2016)11-1581-04

10.11675/j.issn.0253-4304.2016.11.28

2016-05-12

2016-07-01)