硫化氫在糖尿病腎病中的保護作用及機制研究進展

李 超 綜述，王 巖 審校

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院泌尿外科,哈爾濱 150001)

糖尿病腎病(DN)是糖尿病的常見并發(fā)癥之一，也是2型糖尿病患者最主要的致死因素之一，其發(fā)病率逐年上升，常常進展到末期腎衰竭，對患者的經(jīng)濟及身體造成嚴重負擔。DN的病理形態(tài)學改變主要是細胞外基質(zhì)的過量聚集、腎小球和腎小管基膜的增厚及系膜基質(zhì)的增多，從而引起腎小球和腎小管的纖維化。此外高糖會引起腎臟內(nèi)多種代謝和血液動力學變化，包括晚期糖基化終末產(chǎn)物增加、氧化應激活性氧(ROS)的過量產(chǎn)生、炎癥細胞因子的增加、腎素血管緊張素的激活，這些都涉及到DN的發(fā)生、發(fā)展過程，加重腎臟的損害[1]。直到目前為止，還未找到任何有效的藥物能夠控制DN的進展[1]。因此迫切需要一種新的治療DN的藥物。

硫化氫是一種具有臭雞蛋氣味的、無色的氣體分子，過去人們主要關(guān)注其毒性作用，硫化氫的毒性主要體現(xiàn)在它能夠抑制細胞色素C氧化酶、碳酸酐酶、單胺氧化酶，以及三磷酸腺苷氧化酶，嚴重破壞細胞的能量代謝過程，同時硫化氫也能抑制體內(nèi)的能量攝取[2]。直到1996年發(fā)現(xiàn)硫化氫是一種體內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì)，并且廣泛存在于正常機體中，因此關(guān)于硫化氫在人體中的作用漸漸受到重視。隨著硫化氫在大腦和心臟中的作用漸漸被廣泛熟知，它在腎臟中的作用也開始引起了人們的重視。尤其是近期很多文獻證實，在體內(nèi)、外實驗中一定水平的硫化氫能夠改善DN，延緩其向腎衰竭的發(fā)生、發(fā)展[2]。本篇綜述主要探討近些年來硫化氫在DN中的作用及其機制。

1 硫化氫在腎臟中的產(chǎn)生及作用

在哺乳動物體內(nèi)存在3種最主要的硫化氫產(chǎn)生通路，分別是半胱氨酸胱硫醚2β2合成酶(CSE)、胱硫醚2γ2裂解酶(CBS)、3巰基丙酮酸巰基轉(zhuǎn)移酶(3-MST)通路，腎臟能夠產(chǎn)生大量硫化氫，因為腎臟中存在以上所有硫化氫產(chǎn)生通路。目前證實腎臟中最主要的硫化氫產(chǎn)生酶是CBS酶、CSE酶。這些酶主要存在于腎皮質(zhì)的腎小管中。生理條件下，內(nèi)源性的硫化氫能夠增加腎臟的排泄功能、抑制腎素血管緊張素的釋放。此外硫化氫能夠促進腎臟細胞內(nèi)氧氣的轉(zhuǎn)運及供給，維持細胞能量供應平衡[3]。因此硫化氫可能與DN之間存在一定聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠腎臟中的硫化氫含量顯著低于正常小鼠腎臟中的硫化氫含量，進一步研究發(fā)現(xiàn)：通過腹腔灌注外源性硫化氫供體硫氫化鈉(NASH)之后，糖尿病小鼠的血尿素氮、蛋白尿及肌酐均有一定明顯程度下降，表明給予一定水平的硫化氫之后，能夠改善DN的發(fā)生、發(fā)展[3]。目前查閱的文獻發(fā)現(xiàn)，硫化氫存在以下幾種作用。

1.1抗氧化作用 ROS刺激機體誘發(fā)一系列氧化應激連鎖反應，對細胞產(chǎn)生破壞作用，研究證據(jù)表明在DN的腎臟細胞中ROS過量表達，隨即引起抗氧化產(chǎn)物谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SOD)及天然抗氧化劑系細胞核轉(zhuǎn)錄因子2(NRF2)的表達減少，降低細胞的抗氧化應激能力，從而引起細胞凋亡，因此ROS在DN的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[4]。硫化氫與ROS在腎臟中能夠相互調(diào)節(jié)，證據(jù)表明在DN患者的腎皮質(zhì)中，伴隨著硫化氫表達水平的下降，硫化氫表達酶CSE、CBS的水平明顯下降，基質(zhì)細胞中ROS表達水平明顯增加，說明腎臟中過量的ROS能夠減少硫化氫的產(chǎn)生[5]。在DN小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，用一定量的NASH腹腔灌注處理糖尿病小鼠之后，小鼠腎臟中ROS的表達水平下降，抗氧化產(chǎn)物的表達增加，表明在DN中硫化氫通過減少ROS的表達增加細胞的抗氧化能力，從而保護腎臟免受氧化應激損害[5]。在其他疾病模型中也能發(fā)現(xiàn)硫化氫能夠增加SOD、過氧化物酶、NRF2的表達，所以充分證明硫化氫在大部分人體器官中具有抗氧化作用。此外，硫化氫能夠通過線粒體氧化呼吸鏈與NO和CO相互作用從而激活ATP敏感鉀離子通道開放，誘導抗氧化通路激活，增強細胞抗氧化能力[6]。

1.2抗纖維化作用 高糖會引起腎臟細胞中轉(zhuǎn)移生長趨化因子β1(TGF-β1)的表達增加，TGF-β1能夠引起腎臟中巨噬細胞大量增殖、細胞外基質(zhì)大量聚集，從而引起腎小球和腎小管上皮細胞的纖維化。除了TGF-β1之外，高糖也會引起腎皮質(zhì)細胞中Ⅳ型膠原的增加，Ⅳ型膠原會引起腎臟細胞病理性肥大、腎小球硬化[7]。腎臟細胞中TGF-β1和Ⅳ型膠原水平的增加與細胞內(nèi)硫化氫表達酶含量的減少息息相關(guān)，在糖尿病小鼠的模型中發(fā)現(xiàn)，TGF-β1和Ⅳ型膠原較正常組小鼠相比其水平明顯升高，而給予外源性硫化氫之后，小鼠腎臟中Ⅳ型膠原、TGF-β1、巨噬細胞的水平都下降，并且腎臟細胞的病理性肥大也得到明顯改善，因此能夠延緩腎臟纖維化的進展[8]。也有部分研究發(fā)現(xiàn)，在DN實驗模型中硫化氫能夠減少腎臟細胞內(nèi)纖維化蛋白真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1(4E-BP1)和P70核糖體蛋白S6激酶(P70S6)的表達，增加抗纖維化蛋白系的表達，并且硫化氫也能直接降低成纖維細胞的形成，加強細胞的抗纖維化作用[9]。此外，有學者發(fā)現(xiàn)使用5磷酸二脂酶抑制劑他達拉菲，能夠通過激活H2S -NO-AMPK通路，減少腎臟足突細胞基質(zhì)蛋白的形成，證明硫化氫與NO之間存在協(xié)同作用，共同發(fā)揮抗纖維化作用[10-11]。

1.3抗炎作用 高糖能夠引起小鼠體內(nèi)核因子κB(NF-κB)的表達增加，NF-κB是關(guān)鍵的炎癥調(diào)節(jié)因子，能夠刺激促炎性下游通路的激活，引起腫瘤壞死因子、白細胞介素-1、白細胞介素-6的表達增加，這些產(chǎn)物會延長和加強炎性反應，引起細胞外基質(zhì)的過量聚集，從而加重腎臟的損害過程，在鏈霉素誘導的糖尿病小鼠腹腔中灌注NASH之后，能夠抑制NF-κB信號通路，并且會減少促炎性因子的釋放，這些過程都減輕了DN引起的腎臟損害[12]。同樣，硫化氫在DN中的具體抗炎作用機制也未知，部分研究表明，硫化氫其中一個抗炎作用機制是通過抑制巨噬細胞的滲透作用，從而減少腫瘤壞死因子和白細胞介素的表達[13]。此外也有學者證實硫化氫在DN中也能減少促炎性蛋白SMAD3的磷酸化，減輕炎性反應[14]。硫化氫其他具體抗纖維化機制有待進一步研究。

當然也有部分文獻發(fā)現(xiàn)在DN中硫化氫具有減少糖基化產(chǎn)物、增加腎小球濾過率的作用，這些保護作用有待進一步的證實。

2 硫化氫保護DN的具體機制

2.1NRF2通路 核因子E2相關(guān)因子2(NRF2)是機體的一種防御基因，它的表達產(chǎn)物能夠與抗氧化成分相互發(fā)生作用進而調(diào)節(jié)抗氧化基因的表達[15]。Keap-NRF2通路是一種進化上高度保守的抗氧化應激和抗異物刺激的防御通路，在正常生理條件下，NRF2僅僅局限在細胞質(zhì)中與kelch樣環(huán)氧氯丙烷蛋白(Keap1)相互結(jié)合，在氧化應激和親電子刺激下，NRF2和Keap1復合物會相互分離，因此能夠促進NRF2的釋放并且轉(zhuǎn)運到細胞核中，促進抗氧化應激相關(guān)的基因的表達。在DN小鼠的腎臟中，NRF2的表達水平下降，給予外源性硫氫化鈉之后，NRF2的表達水平增加，引起腎臟組織中的抗氧化蛋白水平相對增加[15]。此外，硫化氫能夠抑制K基因結(jié)合基因(NF-κB)的表達，NF-κB家族由多項轉(zhuǎn)錄因子組成，這些因子調(diào)節(jié)細胞內(nèi)、外多種炎癥通路之間的交叉系統(tǒng)，生理條件下，NF-κB與核因子(IκB)形成復合物，暫時不發(fā)揮作用，其傳統(tǒng)通路一旦被激活，IκB酶復合物迅速被激活從而使IκB磷酸化，引起NF-κB與IκB結(jié)合的蛋白水解，進而游離的NF-κB二聚體進入到細胞核中，與NF-κB緊密結(jié)合，隨后激活氧化基因的表達，增加細胞內(nèi)氧化產(chǎn)物水平，促進細胞凋亡。在DN中與DNA結(jié)合的NF-κB的活性增加，這與DN的發(fā)展過程息息相關(guān)[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫能夠通過激活NRF2通路減少IκB的磷酸化抑制NF-κB的表達，從而能夠減弱腎臟中的炎性反應[17]。此外DN引起腎臟中血管緊張素系統(tǒng)(RAS)大量激活，促進血管緊張素Ⅱ的釋放，它能夠收縮血管并且主要作用于腎小球的出球小動脈，借此能夠增加腎小囊的靜水壓和血漿蛋白的超濾作用，但是血管緊張素Ⅱ也可以通過促進細胞增殖、纖維化和炎性反應加速腎臟的損害，硫化氫能夠通過NRF2通路抑制RAS的激活，減少血管緊張素Ⅱ的釋放[18]。綜上所述，在DN中硫化氫能夠通過激活NRF2通路，從而對腎臟有一定的保護作用。

2.2AMPK通路 DN引起的腎臟細胞病理性肥大及細胞外基質(zhì)的過量聚集能夠引起腎臟細胞的纖維化，腎細胞病理性肥大常常出現(xiàn)在DN的早期，有部分研究發(fā)現(xiàn)在1型糖尿病中高糖能夠抑制AMP依賴蛋白激酶(AMPK)的活性從而引起腎臟細胞的病理性肥大，以及足突細胞的凋亡，DN細胞肥大以及纖維化都需要蛋白質(zhì)合成刺激[19-20]。大部分學者認為，蛋白質(zhì)合成的mRNA轉(zhuǎn)錄階段是一種有限制的過程，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)復合物1調(diào)節(jié)該mRNA的起始和結(jié)束過程，硫化氫能夠調(diào)節(jié)mTOR復合物1的活性，減少不必要蛋白質(zhì)的合成，同時并不會影響基本蛋白質(zhì)的合成[21]。P70S6和4E-BP1酶是mTOR1復合物的兩種目靶，mTOR1與之結(jié)合能夠刺激不必要蛋白質(zhì)的合成，硫化氫能夠激活AMPK通路減少高糖誘導的P70S6和4E-BP1酶的磷酸化和降解，因此AMPK和硫化氫都是高糖誘導的蛋白質(zhì)合成的抑制劑[22]。硫化氫調(diào)節(jié)AMPK的活性機制也已經(jīng)有人做出研究，磷酸化AMPKα(Thr-172)是一種催化AMPK磷酸化的亞基，Thr-172的激活方式主要是通過鈣調(diào)素依賴蛋白激酶β(CaMKKβ)的介導，CaMKKβ能夠促進Thr-172的磷酸化，增加AMPK的激活，因此能夠減弱高糖引起AMPK磷酸化的減少并使其恢復到正常生理水平，從而保護細胞免受高糖的損害[23]。這已經(jīng)在小鼠腎臟模型及腎小球基質(zhì)細胞中得到證實[24]。因此硫化氫能夠通過激活AMPK信號通路從而在DN中發(fā)揮重要的保護作用。

2.3NOX通路 ROS是DN引起氧化應激的主要誘因之一，ROS的產(chǎn)生通路多種多樣，但是氮氧化合物(NOX)家族酶是ROS產(chǎn)生的最主要來源，它們是一種還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADPH)氧化酶，尤其是在腎臟細胞中含量豐富，其同系物包括NOX1、NOX2、NOX4和NOX5，這些同系物同樣也主要在腎臟中產(chǎn)生。當腎小管上皮細胞在含有高糖的培養(yǎng)基中生長24 h后，NOX4的表達水平明顯增加，使用NOX4抑制劑能夠預防腎臟細胞病理性肥大和矩形膨脹，研究發(fā)現(xiàn)硫化氫能夠抑制NOX4的表達，將腎小管上皮細胞在高糖環(huán)境下培養(yǎng)一段時間后加入硫化氫，NOX4的表達明顯下降，使用NO抑制劑L-NAME能夠翻轉(zhuǎn)這種作用[25]。在NOS涉及的病理過程中，硫化氫不會引起內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達反而會增加還原性氮氧化物(iNOS)的表達，這些證據(jù)都表明硫化氫能夠增加iNOS的表達從而增加NO的產(chǎn)生，NO本身是一種抗氧化劑。此外，有研究證明硫化氫與NO能夠形成一種復合物：亞硝酰氫(HNO)，HNO的化學特性表明它是一種強抗氧化劑，較低水平的HNO在機體內(nèi)就能產(chǎn)生強大的抗氧化作用，因此可以推斷出HNO能夠減少機體內(nèi)強氧化代謝過程，比如脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的活性中間產(chǎn)物，同時HNO也能激活環(huán)磷酸鳥苷(GMP)依賴信號通路，這種通路主要激活抗氧化產(chǎn)物的表達[23]。此外有部分專家發(fā)現(xiàn)HNO能夠增加血紅素氧化酶蛋白質(zhì)的表達，從而增加細胞內(nèi)抗氧化劑的表達以及細胞的自我保護作用[26]。如果在氧化應激下增加細胞內(nèi)HNO的表達，能夠促進NO的有效利用率[27]。因此，硫化氫能夠通過促進NO的形成及其有效利用率，從而減弱DN誘導的氧化應激。

3 小 結(jié)

內(nèi)源性或者外源性硫化氫在一定水平范圍內(nèi)能夠保護腎臟免受DN的損害，并且闡述了近年來硫化氫保護腎臟的相關(guān)作用機制，這些結(jié)果都暗示著應用外源性硫化氫及硫化氫的通路能夠成為治療DN的一種新思路，從而為DN的治療提供更廣泛的選擇，然而硫化氫在DN中仍有許多保護作用機制沒有得到充分的探究，硫化氫主要通過哪種通路保護腎臟，如何啟動這種機制，都需要進一步探索。此外，硫化氫具有毒性作用，特定水平的硫化氫產(chǎn)生保護作用的同時是否對人體產(chǎn)生損害作用，都有待考證，目前在美國等地，硫化氫灌注液已經(jīng)開始投入市場，但是其在DN中的運用還未實行，表明硫化氫與DN之間的研究仍然存在很大空間，都需要科研人員進行大量研究?？傊?，本文證明硫化氫能夠治療及緩解DN引起的腎臟損害，其作用及機制有待進一步研究。