气体信号分子硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的心肌保护作用

体外循环(CPB)技术已经广泛应用于心脏外科领域，但CPB导致的心肌缺血再灌注损伤(MIRI)一直是困扰临床医师的问题[1]。如何能够降低MIRI导致的心肌细胞损伤，有效地保护心肌，改善患者预后，成为当前研究的热点。既往研究证实，内源性硫化氢(H2S)具有抗氧化、抗凋亡、抗炎等多种生物活性，在心血管系统中发挥重要的病理、生理作用[2]。

1 H2S的生物学特性

1.1 H2S的合成和代谢

半胱氨酸和同型半胱氨酸作为哺乳动物体内H2S合成的底物，在半胱硫醚γ裂解酶(CSE)、胱硫醚β合酶(CBS)、半胱氨酸转移酶(CAT)和3-巯基丙酮酸转硫酶(3MST)的调控下，通过酶促反应生成内源性H2S[3]。这些酶的分布具有组织特异性，其中CSE高表达于心血管组织，CBS、CAT和3MST则主要分布在中枢神经系统。研究发现，D-氨基酸氧化酶(DAO)也可以调控内源性H2S的合成，DAO主要分布于肾脏和脑组织[4-5]。由于参与调控内源性H2S合成的酶分布广泛，H2S可在心血管组织、脑组织等机体内大部分组织中生成。生理状态下，H2S在体内大多以离子形式H+和HS-存在，只有小部分以非解离状态下的气体形式存在，在体内处于动态平衡[6]。在细胞线粒体中，H2S能被迅速氧化成硫代硫酸根(S2O32-)，并被转化成亚硫酸根(SO32-)和更稳定的硫酸根(SO42-)，后两者是内源性H2S在体内主要的终产物，通过肾脏经尿液排泄。

1.2 H2S的生物学功能

H2S能够通过调节血管平滑肌，发挥扩张容量血管、降低血压的生物学功能。同时，H2S能够通过促进血管平滑肌细胞的凋亡，抑制其增殖，有效抑制单核细胞的迁移及其与内皮细胞的黏附，减少炎性因子的释放，减缓动脉粥样硬化的进展。除了对心血管系统的保护作用外，在神经系统、消化系统、免疫系统中H2S也发挥了重要的作用。既往研究证实，在中枢神经系统中，H2S能够选择性易化N-甲基-D-天冬氨酸受体，促进海马长时程增强效应。此外，H2S可以抑制脂多糖对胶质细胞的激活和促炎性因子的生成释放。

2 H2S在心血管系统及MIRI中的作用

2.1 H2S在心血管系统中的作用

H2S在心肌损伤后对于心肌的保护作用已被证实，并且外源性H2S与内源性H2S具有相同的心肌保护作用。Predmore等[7]的研究证实，内源性H2S不仅可以通过调节血管平滑肌促进血管舒张，而且具有对抗动脉粥样硬化及减轻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。在一项以自发性高血压大鼠为研究对象的观察性试验中，Wallace等[8]发现随着大鼠年龄的增长，体内的CSE和H2S的水平降低，这种变化加速了高血压的进展。在给予外源性H2S后，自发性高血压大鼠的血压明显降低。此外，在对高血压、肺动脉高压、门静脉高压等患者的研究中均能观察到类似现象，即内源性H2S水平明显降低[9]。为探究H2S在抗炎、抗动脉粥样硬化方面的作用，Wang等[10]通过敲除小鼠体内载脂蛋白E基因并采用高脂饲料饲喂的方法构建小动脉粥样硬化动物模型，发现发生动脉粥样硬化的小鼠体内内源性H2S水平明显降低、炎性介质明显升高；在补充外源性H2S后，动脉粥样硬化的进展明显减慢，且炎性介质水平逐渐降低。H2S在动脉瘤的发生、发展中也有重要作用。Gomez等[11]的研究发现，腹主动脉瘤患者体内的前列腺素E2(PGE2)、基质金属蛋白酶(MMP)1与MMP组织抑制因子1/2(TIMP1/2)的比值明显增加，且体内CSE表达和H2S水平明显降低；在给予外源性H2S后，PGE2和MMP1/TIMP的比值较前显著下降，证明了H2S在延缓动脉瘤进展方面的作用。

2.2 H2S在MIRI中的作用

Sodha等[12]研究发现，当发生心肌缺血时，由内源性H2S介导的心肌蛋白化学修饰明显增加，从而更快地激活保护通路，减少心肌缺血对机体造成的损害。Li等[13]通过在体与离体动物实验，发现在MIRI发生前采用H2S预处理能够显著降低心肌缺血后梗死面积与心肌肌钙蛋白I水平，增加心肌细胞活力及心肌收缩力；采用H2S预处理能够降低因MIRI导致的心律失常的发生率和持续时间。研究表明，在心肌缺血预处理(IPC)中，蛋白激酶C信号途径的激活与肌浆网腺苷三磷酸敏感性K+通道(KATP)的开放是内源性H2S调控细胞内信号转导、发挥心肌保护效应的主要途径[14]。KATP的开放促使肌浆网摄入更多的Ca2+，同时增强Na+/Ca2+转运、加快Ca2+外排，拮抗MIRI所致心肌细胞的Ca2+超载，避免心肌细胞过度收缩[15]。此外，在心肌缺血后再灌注阶段给予内源性H2S进行缺血后处理也能产生显著的心肌保护效应，主要表现在缩小再灌注心肌梗死面积、促进心功能恢复等方面[16]。

3 H2S在MIRI中的心肌保护机制

3.1 抗细胞凋亡

细胞凋亡是细胞主动耗能的自发性、程序性的死亡过程，该过程受到一系列基因的调控，主要表现为细胞体积缩小、细胞质密度增加、线粒体膜通透性改变、核质浓缩、核膜核仁破裂、凋亡小体形成等。研究表明，心肌缺血后再灌注阶段的MIRI与心肌细胞凋亡关系密切[17]。尽管细胞凋亡的机制尚未完全明确，但综合现阶段MIRI中细胞凋亡信号转导与H2S作用机制的研究结果，发现H2S主要通过线粒体通路、内质网通路途径，抑制MIRI时的细胞凋亡。

3.1.1 抑制线粒体通路 线粒体通路又称内源性凋亡途径。既往研究表明，线粒体膜通透性改变是诱发细胞凋亡的主要因素，而线粒体膜通透性改变已经被证实与线粒体内膜、外膜之间存在线粒体通透性转换孔(mPTP)密切相关[18]。H2S能够通过激活胞外信号调节激酶(ERK)1/2和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信号通路抑制mPTP的开放，进而抑制线粒体膜电位的下降，减轻MIRI时心肌细胞凋亡，发挥心肌保护作用[19]。

3.1.2 抑制内质网通路 内质网通路即内质网应激(ERS)引起的细胞凋亡，是近年新发现的一种凋亡途径。内质网是真核细胞中重要的细胞器，主要参与蛋白质的合成与转运、脂类代谢、糖类代谢等过程。此外，作为信号转导的枢纽平台，内质网在MIRI导致的心肌损害过程中发挥着重要作用。ERS指由于病理生理刺激(缺血缺氧、氧化应激等)引起的内质网腔内未折叠与错误折叠蛋白聚集，Ca2+平衡的紊乱[20]。既往研究显示，适度的ERS可通过促进内质网处理未折叠及错误折叠蛋白等降低细胞损伤，而持久或严重的ERS则可引起细胞凋亡[21]。其中未折叠蛋白反应(UPR)和胱天蛋白酶-12、c-Jun氨基端激酶(JNK)、转录因子同源蛋白(CHOP)3条经典通路的激活是介导ERS造成细胞凋亡的主要途径[22-23]。H2S可能通过下调MIRI时心肌细胞UPR重要分子CHOP、葡萄糖调节蛋白78(GRP78)的mRNA和蛋白表达水平，减少心肌细胞的凋亡[24]。胱天蛋白酶-12产生于内质网，仅在ERS时被活化，是介导ERS凋亡的关键分子。在正常生理情况下，胱天蛋白酶-12以无活性的酶原形式存在，在ERS损伤状态下，胱天蛋白酶-12酶原特异性激活，并协同其他ERS分子激活胱天蛋白酶-9酶原，再通过胱天蛋白酶-3途径直接或间接导致细胞凋亡。Sivarajah等[25]研究表明，H2S能够通过降低胱天蛋白酶-9酶原的活性和JNK磷酸化的水平，拮抗MIRI导致的心肌细胞凋亡过程。

3.2 抗氧化应激

氧化应激是发生MIRI的重要原因之一。MIRI发生时，机体内的促氧化功能增强，而抗氧化功能减弱，心肌组织促氧化和抗氧化功能的动态平衡被打破，导致心肌组织的氧化程度远超出抗氧化系统的清除能力，引起机体氧化应激显著增强，进而导致线粒体功能发生障碍，致使大量氧自由基和超氧阴离子等活性氧(ROS)产生，造成脂质过氧化和各种细胞器的损伤，最终导致心肌损害[26]。此外，因氧化应激导致的炎性反应也是造成MIRI的重要机制，包括白细胞介素-1(IL-1)、肿瘤坏死因子(TNF)、IL-6等多种细胞因子的参与[27]。Sun等[28]在对缺氧/复氧大鼠心肌细胞的研究中发现，H2S能够增强超氧化物歧化酶(SOD)的活性，降低ROS水平，发挥保护心肌的作用。ROS主要产生于线粒体中，H2S能够通过抑制线粒体复合体Ⅳ的活性，减少线粒体ROS的产生[29]。心肌缺血发生时，心肌缺血区除伴随炎性细胞的浸润、炎性介质的释放外，还伴随着炎性反应相关转录因子的激活等。其中，核因子κB(NF-κB)激活后进入细胞核启动多种炎性因子的转录是MIRI早期炎性介质表达的关键因素[30]。有研究证实，提高内源性H2S水平可以抑制NF-κB通路，降低炎性因子IL-1、IL-6引起的中性粒细胞浸润，从而减轻氧化应激导致的炎性反应，发挥心肌保护作用[31]。

3.3 抗Ca2+超载

既往研究已经证实，心肌细胞内Ca2+大量聚集是造成MIRI的另一重要因素。当心肌发生缺血再灌注时，为了保持胞浆内Ca2+水平的相对稳定，线粒体主动摄取大量的Ca2+以降低胞浆内Ca2+水平，但大量聚集在线粒体中的Ca2+能够激活线粒体膜上的磷脂酶，导致线粒体膜的通透性及基本结构发生改变，造成心肌细胞不可逆的损伤[32]。蛋白激酶C(PKC)是一种多功能丝氨酸/苏氨酸激酶(Akt)，PKCα、PKCε、PKCδ是主要分布于心肌组织中的3种PKC亚型。当发生MIRI时，内源性H2S通过激活PKC途径，进一步提高肌浆网上Ca2+ATP 酶的活性，同时加速浆膜Na+/Ca2+交换体介导的离子交换，从而降低胞浆内Ca2+水平，减少心肌细胞内Ca2+超载的发生，发挥心肌保护的作用[24]。此外，H2S可以通过促进ATP敏感性钾通道(KATP)的开放，使肌浆网摄入更多的Ca2+，进而抵抗心肌细胞内Ca2+超载；H2S还具有抑制L型Ca2+通道开放的作用，从而避免心肌细胞过度收缩，减少MIRI导致的心肌损伤[33]。

4 小结与展望

H2S在心血管系统及减轻MIRI等心肌保护方面的作用已经得到大量研究的证实，但对于H2S减轻MIRI的具体机制还未完全明确。内源性H2S在体内的分布具有器官特异性，在心肌组织中H2S主要由高表达的CSE调控合成。在MIRI的过程中，H2S主要通过抗细胞凋亡(抑制线粒体通路、抑制内质网通路等途径)，抗氧化应激，抗Ca2+超载等机制发挥心肌保护作用。随着基础研究的不断深入，对于H2S减轻MIRI的具体机制也在进一步完善。Hackfort等[34]研究发现，H2S可能通过上调或下调特定的微小RNA改善心脏功能障碍。Wu等[35]指出，H2S与NO在MIRI中可能通过特定的转导通路和信号机制发挥交互调节的功能，产生心肌保护的作用。

尽管现有的研究已经证实H2S对心血管系统及MIRI的积极作用，但具有剧毒、水溶性质不稳定、与空气混合易爆炸等理化性质阻碍了其作为药物应用于临床。目前，对H2S供体药物的研究主要围绕外源性与内源性H2S两方面展开，前者以2008年首次合成的新型水溶性H2S缓释剂GYY4137为代表[13]；后者则主要围绕纳米载体靶向给药技术开展研究。通过构建CSE的缺血心肌组织靶向给药系统，使其特异性过表达于缺血心肌组织，上调内源性H2S表达。

综上所述，对H2S在MIRI中心肌保护作用机制的深入研究将为临床心肌保护策略的制定、心脏外科手术的发展提供支持。