外源性硫化氫在腎移植中改善缺血再灌注損傷的機制研究進展

張 闊 綜述，王 巖 審校

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院泌尿外科,黑龍江哈爾濱 150001)

近年來，隨著移植技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)對腎移植手術(shù)并發(fā)癥及器官排斥的手段更加成熟，為許多腎功能衰竭患者帶來希望。傳統(tǒng)的腎移植手術(shù)在取下供體腎臟后，采用冷(4°C)標(biāo)準(zhǔn)威斯康星大學(xué)(University of Wisconsin，UW)保存液灌注移植或保存，而當(dāng)移植完成后腎血流再灌注發(fā)生的腎臟損傷在所難免，如何改善腎移植中的缺血再灌注損傷(ischaemia-reperfusion injury，IRI)是如今腎臟移植領(lǐng)域面臨的一大問題。腎臟缺血再灌注損傷(renal ischemia reperfusion injury，RIRI)主要包括4個病理過程：①腎組織內(nèi)炎性反應(yīng)的發(fā)生；②腎組織內(nèi)氧化應(yīng)激的增加；③腎小管上皮細(xì)胞凋亡通路的激活；④腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的激活[1-2]。最新研究發(fā)現(xiàn)，用氣體遞質(zhì)治療供體腎是腎移植過程中限制IRI的潛在治療策略[3]，H2S是這個分子家族的特征成員之一，它涉及血壓控制、電解質(zhì)平衡和細(xì)胞凋亡等自我平衡的功能，并且可以調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、炎癥等病理過程[4]，現(xiàn)針對腎移植缺血再灌注損傷機制及硫化氫對其保護作用的研究進展綜述如下。

1 移植腎臟缺血再灌注損傷概述

RIRI是泌尿外科臨床領(lǐng)域中最為常見的病理生理過程之一，腎臟組織的血流灌注豐富，且對缺血再灌注損傷極為敏感，如果術(shù)中腎臟組織缺血時間過長，不僅可導(dǎo)致急性腎小管壞死，更可能造成急性腎功能衰竭[5]，這是腎移植術(shù)后腎功能難以恢復(fù)的重要原因，并且與移植腎臟之存活率密切相關(guān)。UW保存液的應(yīng)用雖然已經(jīng)從幾個方面改善了移植后腎臟缺血再灌注損傷：①KH2PO4作為氫離子緩沖液，能有效減輕細(xì)胞酸中毒；②MgSO4、地塞米松具有膜穩(wěn)定的作用；③還原性谷胱甘肽作為氧自由基清除劑；④別嘌醇可抑制氧自由基形成;⑤大分子量的羥乙基淀粉有效防止細(xì)胞間質(zhì)腫脹。但其保護移植腎臟應(yīng)對缺血再灌注損傷的作用仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2 腎臟缺血再灌注損傷的病理改變

2.1腎組織細(xì)胞炎癥反應(yīng)的發(fā)生腎臟組織細(xì)胞炎癥因子水平升高，炎癥反應(yīng)的發(fā)生是缺血再灌注損傷的重要機制。研究證實，在缺血再灌注的腎臟組織細(xì)胞內(nèi)可以觀察到白介素-6 (interleukin-6，IL-6)和單核細(xì)胞趨化因子-1 (monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)的增加。IL-6是具有多種生物活性的細(xì)胞因子，在應(yīng)激反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)以及自身免疫性疾病的發(fā)病中起重要作用，高表達的IL-6不僅誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生炎癥，還會加重移植腎的排斥反應(yīng)[6]。單核細(xì)胞趨化因子-1 (monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)在是小分子量的趨化因子，通過激活受體介導(dǎo)趨化活性，使單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞遷移滲出到炎癥部位。此外，MCP-1還可能通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞釋放溶酶體酶以及表達一些促炎因子來進一步加重局部組織的炎癥反應(yīng)。相關(guān)研究表明缺血再灌注的發(fā)生，可通過轉(zhuǎn)錄因子NF-kB家族 (nuclear factor-kappa B，NF-kB)和氧自由基增加使MCP-1表達增加從而使單核巨噬細(xì)胞浸潤增加[7-8]，加重組織細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。

2.2腎組織細(xì)胞中氧化應(yīng)激增加在正常機體內(nèi)存在著自由基生成和清除兩個系統(tǒng)，共同維持機體氧化-抗氧化平衡，被稱為“氧化還原穩(wěn)態(tài)”。內(nèi)源性活性氧的來源包括還原型輔酶Ⅱ、細(xì)胞色素P450、過氧化物酶、黃嘌呤氧化酶、環(huán)加氧酶、脂加氧酶、線粒體等[9]，同時體內(nèi)存在自由基清除機制，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶、過氧化氫酶(catalase，CAT)及谷胱甘肽(glutathione，GSH)等活性酶可以清除過多的自由基[10]。當(dāng)缺血再灌注發(fā)生后，活性氧(reactive oxygen,ROS)爆發(fā)性地產(chǎn)生已經(jīng)超出了機體清除的能力，同時，機體SOD、CAT、GSH等抗氧化酶的活力下降，導(dǎo)致氧自由基的清除能力下降，大量的氧自由基可以通過抑制酶活性、對蛋白質(zhì)的破壞以及激活細(xì)胞凋亡通路造成細(xì)胞相應(yīng)的功能損害[11]。

2.3腎小管上皮細(xì)胞凋亡通路的激活廣泛研究證實細(xì)胞凋亡是腎缺血再灌注損傷的重要發(fā)病機制之一[12]，而且這一過程的細(xì)胞凋亡主要發(fā)生于腎小管上皮細(xì)胞。通常半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(Caspase)的活化可以促進細(xì)胞凋亡[13],當(dāng)腎缺血再灌注損傷發(fā)生后，通過死亡受體通路FasL或TNF-α激活caspase-8或線粒體通路激活caspase-9導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞凋亡的發(fā)生[14]。通過caspase-8或caspase-9途徑激活caspase-3后可以引起DNA鏈的斷裂和細(xì)胞凋亡的發(fā)生。此外，腎缺血再灌注后腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生致凋亡/抗凋亡基因的失衡也引起細(xì)胞凋亡的發(fā)生，bax、bad、bak等促進細(xì)胞凋亡的基因表達增加，抑制凋亡的基因bcl-2、bcl-x等表達減少，促進了細(xì)胞凋亡的發(fā)生[8,15]。

2.4腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的增加腎臟缺血再灌注后，腎上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志性蛋白GRP78表達增加，同時伴有eIF2a磷酸化水平升高，而eIF2a磷酸化可以激活NF-kB (nuclear factor-kappa B，NF-kB)信號通路表達,NF-KB正是免疫炎癥反應(yīng)的核心轉(zhuǎn)錄因子，可誘導(dǎo)白介素、單核細(xì)胞趨化因子、腫瘤壞死因子等炎性因子表達。也有研究稱缺血再灌注觸發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可誘導(dǎo)葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94 (gloucose requlated protein 94,GRP94)的表達，激活caspase-12，eIF2a磷酸化，從而暫停或減少蛋白質(zhì)的合成[16-17],從而損傷腎臟正常的生理功能。

3 外源性硫化氫對腎移植中缺血再灌注損傷腎臟的保護作用

國外學(xué)者在標(biāo)準(zhǔn)UW液中加入外源性硫化氫建立動物實驗組，移植后從腎臟存活率、血清肌酐濃度、對急性腎小管壞死評分等方面與采用傳統(tǒng)的UW液組相比較，發(fā)現(xiàn)加入外源性硫化氫的標(biāo)準(zhǔn)UW保存液組顯著提高了腎臟存活率并改善了腎臟功能[18]，在經(jīng)過長期的分子水平的研究后，外源性硫化氫在其中發(fā)揮的具體作用逐步揭示，以下從3個方面進行闡述。

3.1外源性硫化氫的抗炎作用缺血再灌注加重腎臟炎癥反應(yīng)，是腎功能受損的始動因素。白細(xì)胞是RIRI中炎癥反應(yīng)的主要免疫細(xì)胞，而研究發(fā)現(xiàn)H2S可以減少髓過氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)陽性中性粒細(xì)胞和CD68陽性巨噬細(xì)胞的數(shù)量，并且下調(diào)促炎癥基因IFN-γ和ICAM-1的表達[19]，這種顯著的抗白細(xì)胞作用減輕了炎癥的發(fā)生[20]。與H2S體外研究相一致，在移植腎IRI的過程中，它依然減少轉(zhuǎn)錄因子-KB (NF-KB)的激活進一步減少中性粒細(xì)胞活化，從而發(fā)揮抗炎作用[8]。H2S也減少了其他不利于早期同種異體移植功能和存活的炎癥途徑，降低了參與細(xì)胞對炎癥的應(yīng)激反應(yīng)的蛋白酶抑制劑表達，如α-1抗胰糜蛋白酶(SerpinA3)、含Ⅰ型血小板結(jié)合蛋白基序的ADAMTS-1(a disintesrin and metalloprotease with thrombospondintype 1 motifs)、以及降低了細(xì)胞氧化應(yīng)激應(yīng)答基因轉(zhuǎn)錄激活因子3 (activating transcription factor3,ATF3)和myc基因的表達[20]。

3.2外源性硫化氫的抗氧化及抗凋亡作用缺血再灌注損傷的中間環(huán)節(jié)中，腎臟在缺血缺氧的狀態(tài)下，ATP消耗引起線粒體Na+/K+離子通道抑制，導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜通透性增加，Ca2+流量增加及線粒體腫脹，長時間缺血可永久性損傷電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)中復(fù)合物，易發(fā)生電子泄露和爆發(fā)性ROS產(chǎn)生，高水平的ROS和Ca2+誘導(dǎo)的線粒體腫脹導(dǎo)致線粒體膜受損和線粒體通透轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)開放，釋放凋亡因子、細(xì)胞色素C和凋亡誘導(dǎo)因子，激活Caspase9/3信號級聯(lián)，啟動細(xì)胞凋亡[21]。相關(guān)研究采用線粒體靶向硫化氫供體對移植腎臟進行處理，發(fā)現(xiàn)減少了細(xì)胞內(nèi)的ROS，維持了線粒體膜電位的正常，進而增加了細(xì)胞存活率，這可以表明外源性硫化氫通過保護線粒體以減少ROS起到抗凋亡的作用。除此之外，外源性硫化氫減少了移植腎臟細(xì)胞內(nèi)的促凋亡基因BID的表達，并減弱了抗凋亡基因ERK-1的減少，這說明外源性硫化氫也可以通過與凋亡信號傳導(dǎo)通路相互作用來減少細(xì)胞凋亡[18]。

3.3外源性硫化氫的其他保護作用在外源性硫化氫處理的移植腎臟中，多種細(xì)胞增殖基因表達，如cdkn3、mki67、Rrm2等，這些基因參與DNA合成、細(xì)胞骨架的形成及細(xì)胞質(zhì)分裂[20]，也有研究證實外源性硫化氫可以促進細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期停滯，并且可以減輕對傷口愈合的有害刺激[22]，加速移植后早期腎功能的恢復(fù)。不僅如此，外源性硫化氫處理的移植腎臟中參與凝血級聯(lián)的基因的顯著上調(diào)，如纖維蛋白原(fibrinogen)、激肽原(prokinin Kininogen，KNG)、纖溶酶原激活物抑制劑1(Serpine1)，相關(guān)研究也已經(jīng)證實，H2S可以①影響細(xì)胞內(nèi)Ca2+聚集減弱血小板活化；②抑制TXB2的形成和膠原蛋白引發(fā)的CPLA2/MAPKs的磷酸化；③抑制了p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶2(extracellular regulated protein kinases2，ERK2)、c-Jun氨基末端激酶2(c-Jun N-terminal kinase2，JNK2)的磷酸化[23]。通過抑制血小板聚集來調(diào)節(jié)凝血級聯(lián)，從而可能阻止血栓的形成[24-25]。因此，促進組織再生和維持腎血流量可能是外源性改善移植后移植物功能的重要作用。

4 總結(jié)與展望

目前，眾多學(xué)者已經(jīng)從分子水平對移植腎缺血再灌注損傷的機制進行探究，RIRI主要從促進腎臟炎性反應(yīng)、增加組織內(nèi)的氧化應(yīng)激、激活細(xì)胞的凋亡通路及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激這幾個方面對移植腎臟造成損害。近年來，硫化氫的廣泛作用已得到共識，它自身是生物體內(nèi)生的氣體分子遞質(zhì)，具有多種物理及化學(xué)特性，對肝臟、心肌、肺臟、腦及腎的IRI均具有保護作用[26-28]，值得注意的是硫化氫具有毒性，故研究中一般采用低濃度的硫氫化鈉(NaHS)的生理鹽水溶液提供外源性硫化氫，由于硫氫化鈉在常溫下比較穩(wěn)定，操作人員佩戴口罩及安全防護眼鏡，并穿防護服、戴手套，在通風(fēng)的操作臺小心操作即可避免硫化氫對研究人員的損害。

本綜述就外源性硫化氫在腎移植缺血再灌注損傷中發(fā)揮的保護作用進行了探討，對其在分子水平發(fā)揮著的諸多作用進行總結(jié)，相信隨著國內(nèi)外學(xué)者的深入研究，在不久的將來，硫化氫可有效應(yīng)用于臨床并取得滿意的療效，有望成為解決腎移植缺血再灌注損傷的新途徑，并應(yīng)為更多腎臟疾病的治療提供新思路。