氣體信號分子H2S與缺血性腦損傷的關(guān)系

駱海坤 張建新 李國風(fēng)

·綜述與講座·

氣體信號分子H2S與缺血性腦損傷的關(guān)系

駱海坤 張建新 李國風(fēng)

硫化氫；缺血性腦病；組織保護

硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)是一種具有臭雞蛋氣味的氣體，數(shù)百年來，人們普遍認(rèn)為硫化氫是有害氣體，其毒性作用已被大量報道。然而，自20世紀(jì)末以來，Abe等[1]首次通過實驗證明，內(nèi)源性H2S可能作為一種神經(jīng)活性物質(zhì)而存在。同時，Kimura[2]對H2S的不斷研究中證實，腦組織內(nèi)存在相對較高濃度的H2S，H2S能促進N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體的活性，誘導(dǎo)海馬突觸的長時程增強效應(yīng)(long-term potentiation，LTP)，提示氣體H2S在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。H2S與多種缺血性腦損傷疾病有著密切的關(guān)系，但機制尚不夠清楚。因此，H2S在神經(jīng)系統(tǒng)的生成、生理作用、機制及其與缺血性腦血管病的關(guān)系有待進一步研究。

1 H2S在體內(nèi)的分布及合成

1.1 H2S在體內(nèi)的生成 目前的研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物的多種組織器官和細(xì)胞中都能合成不同量的內(nèi)源性H2S氣體，它主要由機體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。內(nèi)源性H2S在哺乳動物體內(nèi)的合成主要通過3種途徑，兩種途徑是5’-磷酸吡哆醛依賴性：即胱硫醚-β合酶(cystathionine-β-synthase，CBS)和胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)途徑，主要在細(xì)胞漿內(nèi)進行，以L-半胱氨酸和同型半胱氨酸為底物通過轉(zhuǎn)硫作用生成H2S、丙酮酸鹽和銨[1]；第三種是3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶(3MST)途徑，Kimura等[3,4]發(fā)現(xiàn)，3MST是神經(jīng)系統(tǒng)生成H2S的重要酶，3MST與半胱氨酸丙轉(zhuǎn)氨酶(CAT)共同作用，以L-半胱氨酸和a-酮戊二酸為底物，生成H2S[5]。內(nèi)源性生成H2S的酶存在組織分布差異，除了肝、腎表達(dá)外，CBS主要表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)，而CSE主要分布于心血管系統(tǒng)包括心肌、主動脈、肺動脈、腸系膜動脈、尾動脈和門靜脈等[1]。MST是一類鋅依賴性酶，主要分布于腦和血管內(nèi)皮組織中[3]，在紅細(xì)胞中活性較強。

1.2 H2S在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的合成 Eto等[6]通過基因敲除研究證實，腦組織內(nèi)產(chǎn)生H2S的主要酶是CBS，CBS在神經(jīng)系統(tǒng)的表達(dá)水平最高。CBS在腦中主要分布在海馬、小腦、皮質(zhì)、和腦干等部位，尤以海馬和小腦較高[1]，改變CBS的活性可以調(diào)節(jié)H2S的生成。最近通過對敲除CBS基因的小鼠研究發(fā)現(xiàn)腦組織勻漿中仍存在H2S，從而發(fā)現(xiàn)3MST是腦組織內(nèi)生成H2S的重要酶，并且證實神經(jīng)系統(tǒng)中由3MST酶促產(chǎn)生的H2S含量較高。3MST結(jié)合CAT，以L-半胱氨酸和α-酮戊二酸為底物生成H2S。CAT與3MST酶體系的發(fā)現(xiàn)，可能為研究H2S的生成及作為一種信號分子提供新的途徑。3MST主要在神經(jīng)元中表達(dá)，而CBS主要在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，所以兩者是通過不同的作用調(diào)節(jié)腦中H2S的表達(dá)。

2 H2S在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理作用及機制

生理條件下，腦組織H2S的含量在50～160 μmol/L。H2S對大腦功能的調(diào)節(jié)有著重要的作用，H2S 參與學(xué)習(xí)和記憶的調(diào)節(jié)，發(fā)揮類似神經(jīng)遞質(zhì)的中樞調(diào)節(jié)作用，已被很多研究者報道。

2.1 H2S的抗氧化功能 氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)是指機體在遭受各種有害刺激時，體內(nèi)氧化作用失衡，導(dǎo)致組織損傷。氧化應(yīng)激損傷引起神經(jīng)元細(xì)胞凋亡是多種神經(jīng)性疾病的主要發(fā)生機制。

研究表明， H2S可以增強γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)的活力促進細(xì)胞內(nèi)γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GC)的合成，對抗谷氨酸的氧化應(yīng)激，同時正性調(diào)節(jié)半胱氨酸的轉(zhuǎn)運的限速過程。Kimura等[7]認(rèn)為硫化氫通過兩種途徑使神經(jīng)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷，提高胱氨酸轉(zhuǎn)運速率而增加GSH水平和重新分配至線粒體的GSH分布，線粒體自身的H2S也可對抗氧化應(yīng)激，這為神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激損傷提供了新的機制，并且H2S也能抑制過氧化氫(H2O2)導(dǎo)致的氧化應(yīng)激。楊燕等[8]以1-甲基-4-苯基吡啶離子(MPP+)處理PC12細(xì)胞作為帕金森病(PD)細(xì)胞模型，探討氣體信使硫化氫對該模型的保護作用及其機制。H2S可以通過促進細(xì)胞內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)活性改善PD細(xì)胞模型的氧化應(yīng)激狀態(tài)，以減少氧自由基生成，穩(wěn)定線粒體膜電位，減少線粒體損傷，最終減少細(xì)胞死亡。綜上所述，神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)H2S通過抑制及清除氧化性物質(zhì)的作用，減輕氧化應(yīng)激，從而起到保護神經(jīng)元的作用。

2.2 H2S促進海馬的長時程增強效應(yīng) 海馬長時程記憶增強(LTP)，是一種關(guān)于學(xué)習(xí)和記憶機制的突觸模型。實驗發(fā)現(xiàn)生理濃度的H2S能夠通過選擇性提高NMDA受體介導(dǎo)的電流從而誘導(dǎo)LTP。

Abe等[2]實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H2S存在時，一個較弱的電刺激就能夠易化海馬CA1 區(qū)引出LTP，如果沒有H2S，則該刺激不能引出海馬LTP。生理水平的H2S劑量依賴性地易化海馬CA1區(qū)LTP的產(chǎn)生。H2S引發(fā)LTP能被NMDA受體阻斷劑阻滯，提示H2S誘發(fā)的LTP是NMDA受體依賴型。同時Kimura等[9]通過實驗發(fā)現(xiàn)，在生理濃度的H2S作用下，原代培養(yǎng)的神經(jīng)原細(xì)胞產(chǎn)生環(huán)磷酸腺苷(cAMP)，并證實H2S可以作用于這些細(xì)胞，以cAMP作為其信號傳導(dǎo)的第二信使。而不同細(xì)胞對H2S反應(yīng)不同，提示神經(jīng)細(xì)胞上可能存在有H2S受體，且細(xì)胞上有對H2S敏感的腺苷酸環(huán)化酶。表明H2S可能是通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元胞體內(nèi)的cAMP水平而實現(xiàn)對LTP的調(diào)節(jié)作用。生理濃度的H2S通過選擇性升高神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)cAMP水平，加強NMDA受體介導(dǎo)的突觸后興奮性電位，從而提高誘導(dǎo)海馬LTP。H2S 誘導(dǎo)海馬LTP 效應(yīng)能促進學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力。阿爾茨海默病(AD)是一種進行性發(fā)展的，以認(rèn)知障礙和記憶力損害為主的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，AD患者大腦中的H2S 水平明顯降低[6]。H2S對LTP的易化作用可能是其參與AD的機制。另外β-淀粉樣蛋白(amyloid B-peptide,Aβ)的沉積也被認(rèn)為與AD發(fā)病有關(guān)，而外源性的H2S 能夠抑制Aβ25-35 引起的細(xì)胞凋亡[10]。

2.3 H2S通過Ca2+通道作用于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分布在神經(jīng)元之間，參與神經(jīng)元的活動，對神經(jīng)元起到支持保護，營養(yǎng)等功能。

膠質(zhì)細(xì)胞通過提高細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度及傳遞，自發(fā)產(chǎn)生或因不同刺激產(chǎn)生的鈣波與周圍細(xì)胞進行信息交換。Nagai等[11]通過應(yīng)用熒光染色Ca2+成像(calcium imaging)發(fā)現(xiàn)H2S 可以增加大鼠海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，增加Ca2+內(nèi)流和細(xì)胞內(nèi)Ca2+的釋放，引發(fā)鈣波和周圍細(xì)胞之間的信息交換，進一步觀察H2S水平與細(xì)胞鈣離子濃度的變化關(guān)系，H2S水平下降時Ca2+濃度減低，反之隨H2S含量增加Ca2+濃度升高，提示H2S水平與細(xì)胞Ca2+濃度有正性調(diào)節(jié)關(guān)系。Lee等[12]發(fā)現(xiàn)用H2S供體NaHS對原代培養(yǎng)的SD大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞作預(yù)處理，濃度在0.1～0.5 nmol/L范圍內(nèi)，也能濃度依賴性增加小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+濃度，證實H2S可以提高腦星形細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，機制主要包括細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流，部分由于細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放。但是，H2S作用于Ca2+通道的類型還不能確定，有待進一步研究。

3 H2S與缺血性腦病

3.1 H2S與腦缺血 Wong等[13]對腦缺血模型，給予H2S的生成底物半胱氨酸，觀察到腦組織缺血灶的體積呈劑量依賴性增大，這種作用能夠被CBS的阻斷劑氨基氧乙酸(AOAA)抑制，提示高濃度的半胱氨酸可能引起H2S含量的增多而導(dǎo)致組織損傷。Qu 等[14]在局灶性腦缺血模型中發(fā)現(xiàn)給予NaHS 或L-半胱氨酸處理，大腦中動脈栓塞誘導(dǎo)的腦梗死體積減小，而大腦皮層H2S水平是升高的，給予 AOAA能夠減小梗死體積，而高劑量的AOAA對腦組織不具有保護作用，提示過度抑制H2S的生成可能會產(chǎn)生有害作用。鄭永強等[15]檢測了167 例腦梗死(CI)患者和108 例健康對照者的H2S 血清濃度，發(fā)現(xiàn)腦梗死患者血漿H2S、CBS含量均明顯低于健康對照組，在167 例腦梗死患者中，大面積腦梗死患者H2S含量明顯高于中面積和腔隙性腦梗死患者，CBS含量顯著低于腔隙性腦梗死患者。由此推測血漿中H2S、CBS 含量的變化可能參與腦梗死的發(fā)病機制。

3.2 H2S與腦缺血再灌注 任彩麗等[16]通過研究硫化氫對全腦缺血-再灌注(I/R)大鼠損傷的作用，發(fā)現(xiàn)H2S 對腦I/R損傷有明顯的保護作用，其作用機制可能跟抗脂質(zhì)過氧化損傷、清除自由基，提高抗氧化劑能力有關(guān)。黃琬璐等[17]觀察了全腦I/R大鼠血漿中H2S的動態(tài)變化，和正常對照組比較，凝閉6 h組和I/R 6 h組血漿中H2S水平明顯升高，I/R 12 h組血漿H2S水平與正常組無明顯差異，I/R 24 h組H2S水平顯著降低，I/R 48 h組和I/R 72 h組血漿H2S水平顯著升高。在全腦I/R過程中，H2S可能通過抗氧化應(yīng)激作用，升高細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平，對腦組織起到保護作用，也可能通過增強NMDA受體介導(dǎo)的鈣超載而發(fā)揮損傷作用。在I/R過程中，H2S對腦組織起到保護作用還是損傷作用，及其作用機制還有待進一步研究。

3.3 H2S與短暫性腦缺血發(fā)作 短暫性腦缺血發(fā)作指短時間內(nèi)腦血流量減少引起的腦功能障礙，持續(xù)數(shù)秒，數(shù)分鐘或數(shù)小時，一般不超過24 h。TIA癥狀雖輕，但后果嚴(yán)重，通常被認(rèn)為是腦血管病的危險信號。周麗等[18]對入院后24h 短暫性腦缺血發(fā)作患例研究，并測定患例血清中H2S水平及CBS活性，發(fā)現(xiàn)TIA患例血清H2S含量和CBS活性均明顯高于正常對照組，已經(jīng)發(fā)生腦梗死的TIA患例H2S含量明顯高于痊愈組，CBS活性明顯升高。提示短暫性腦缺血發(fā)作時，腦組織缺血引起CBS 活性升高，內(nèi)源性H2S水平升高。生理范圍的H2S升高，起到舒張血管的效應(yīng)，促進血液循環(huán)，血流供應(yīng)，而減輕腦組織損傷。另外，如果短時間內(nèi)反復(fù)發(fā)作，腦組織反復(fù)的缺血，可能也會引起H2S水平及其酶的變化。

3.4 H2S與缺血缺氧性腦病 在缺氧缺血性腦損傷(HIBD)過程中新生大鼠皮層腦組織H2S水平亦呈動態(tài)變化[19]。任彩麗等[16]觀察了不同時間點大鼠腦組織H2S水平，發(fā)現(xiàn)在缺血缺氧早期(HIBD 12 h)，大鼠腦組織產(chǎn)生較高水平的H2S，提示神經(jīng)元興奮可能引起H2S的生成。在生理狀態(tài)下由于細(xì)胞代謝保持穩(wěn)態(tài)，體內(nèi)H2S也維持在生理水平。而在缺血缺氧情況下，組織和細(xì)胞發(fā)生病理損傷，細(xì)胞穩(wěn)態(tài)被破壞，內(nèi)源性H2S平衡被破壞，H2S超出了生理水平，產(chǎn)生組織損傷作用。內(nèi)源性H2S含量升高可能引起炎性因子變化，而加重腦缺血損傷，另外可能通過抑制細(xì)胞色素c氧化酶的活性，使細(xì)胞呼吸障礙，引起細(xì)胞能量合成障礙，而損傷神經(jīng)元。在HIBD 48 h時，大鼠腦組織H2S水平降至最低，可能是H2S發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用，清除自由基而被消耗所致。鄧芳帆等[20]通過研究硫化氫對新生大鼠缺氧缺血性腦損傷的作用得出結(jié)論，H2S可下調(diào)腦組織Caspase-3 表達(dá)，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，對大腦有保護作用。

H2S作為一種新型的氣體信號分子，是近年來的研究熱點。其作為一種新的神經(jīng)活性物質(zhì)，廣泛地參與了機體生理及病理生理過程，把握H2S的生物學(xué)效應(yīng)對于深入理解H2S在一些疾病中的作用、發(fā)病機制以及研發(fā)潛在可釋放H2S的藥物具有重要的指導(dǎo)意義。目前H2S對缺血性腦損傷的作用及其機制，還存在爭議。如何控制患者H2S 的水平，將H2S作為藥物應(yīng)用于臨床，為缺血性腦血管病治療提供新的用藥途徑，將是一個新的研究方向。對H2S的深入研究必將開辟一個嶄新的醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。

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·消 息·

醫(yī)學(xué)論文中有關(guān)實驗動物描述的要求

在醫(yī)學(xué)論文的描述中，凡涉及到實驗動物者，在描述中應(yīng)符合以下要求：(1)品種、品系描述清楚；(2)強調(diào)來源交待；(3)遺傳背景；(4)微生物學(xué)質(zhì)量；(5)明確體質(zhì)量；(6)明確等級；(7)明確飼養(yǎng)環(huán)境和實驗環(huán)境；(8)明確性別；(9)有無質(zhì)量合格證；(10)有對飼養(yǎng)的描述(如飼料類型、營養(yǎng)水平、照明方式、溫度要求、濕度要求)；(11)所有動物數(shù)量準(zhǔn)確；(12)詳細(xì)描述動物的健康狀況；(13)對動物實驗的處理方式有單獨清楚的交代；(14)全部有對照，部分可采用雙因素方差分析。

本刊編輯部

10.3969/j.issn.1002-7386.2014.22.052

054000 河北省邢臺市第三醫(yī)院(駱海坤)；河北省醫(yī)學(xué)科學(xué)院(張建新、李國風(fēng))

R 743.31

A

1002-7386(2014)22-3479-03

2014-04-11)