氣體信號(hào)分子硫化氫在心肌缺血再灌注損傷中的心肌保護(hù)作用

體外循環(huán)(CPB)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于心臟外科領(lǐng)域，但CPB導(dǎo)致的心肌缺血再灌注損傷(MIRI)一直是困擾臨床醫(yī)師的問(wèn)題[1]。如何能夠降低MIRI導(dǎo)致的心肌細(xì)胞損傷，有效地保護(hù)心肌，改善患者預(yù)后，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。既往研究證實(shí)，內(nèi)源性硫化氫(H2S)具有抗氧化、抗凋亡、抗炎等多種生物活性，在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮重要的病理、生理作用[2]。

1 H2S的生物學(xué)特性

1.1 H2S的合成和代謝

半胱氨酸和同型半胱氨酸作為哺乳動(dòng)物體內(nèi)H2S合成的底物，在半胱硫醚γ裂解酶(CSE)、胱硫醚β合酶(CBS)、半胱氨酸轉(zhuǎn)移酶(CAT)和3-巰基丙酮酸轉(zhuǎn)硫酶(3MST)的調(diào)控下，通過(guò)酶促反應(yīng)生成內(nèi)源性H2S[3]。這些酶的分布具有組織特異性，其中CSE高表達(dá)于心血管組織，CBS、CAT和3MST則主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，D-氨基酸氧化酶(DAO)也可以調(diào)控內(nèi)源性H2S的合成，DAO主要分布于腎臟和腦組織[4-5]。由于參與調(diào)控內(nèi)源性H2S合成的酶分布廣泛，H2S可在心血管組織、腦組織等機(jī)體內(nèi)大部分組織中生成。生理狀態(tài)下，H2S在體內(nèi)大多以離子形式H+和HS-存在，只有小部分以非解離狀態(tài)下的氣體形式存在，在體內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡[6]。在細(xì)胞線粒體中，H2S能被迅速氧化成硫代硫酸根(S2O32-)，并被轉(zhuǎn)化成亞硫酸根(SO32-)和更穩(wěn)定的硫酸根(SO42-)，后兩者是內(nèi)源性H2S在體內(nèi)主要的終產(chǎn)物，通過(guò)腎臟經(jīng)尿液排泄。

1.2 H2S的生物學(xué)功能

H2S能夠通過(guò)調(diào)節(jié)血管平滑肌，發(fā)揮擴(kuò)張容量血管、降低血壓的生物學(xué)功能。同時(shí)，H2S能夠通過(guò)促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞的凋亡，抑制其增殖，有效抑制單核細(xì)胞的遷移及其與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附，減少炎性因子的釋放，減緩動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展。除了對(duì)心血管系統(tǒng)的保護(hù)作用外，在神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)中H2S也發(fā)揮了重要的作用。既往研究證實(shí)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，H2S能夠選擇性易化N-甲基-D-天冬氨酸受體，促進(jìn)海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)。此外，H2S可以抑制脂多糖對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞的激活和促炎性因子的生成釋放。

2 H2S在心血管系統(tǒng)及MIRI中的作用

2.1 H2S在心血管系統(tǒng)中的作用

H2S在心肌損傷后對(duì)于心肌的保護(hù)作用已被證實(shí)，并且外源性H2S與內(nèi)源性H2S具有相同的心肌保護(hù)作用。Predmore等[7]的研究證實(shí)，內(nèi)源性H2S不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)血管平滑肌促進(jìn)血管舒張，而且具有對(duì)抗動(dòng)脈粥樣硬化及減輕MIRI、抑制心血管平滑肌細(xì)胞增殖、參與休克時(shí)血管的低反應(yīng)及負(fù)性心肌肌力等作用。在一項(xiàng)以自發(fā)性高血壓大鼠為研究對(duì)象的觀察性試驗(yàn)中，Wallace等[8]發(fā)現(xiàn)隨著大鼠年齡的增長(zhǎng)，體內(nèi)的CSE和H2S的水平降低，這種變化加速了高血壓的進(jìn)展。在給予外源性H2S后，自發(fā)性高血壓大鼠的血壓明顯降低。此外，在對(duì)高血壓、肺動(dòng)脈高壓、門(mén)靜脈高壓等患者的研究中均能觀察到類(lèi)似現(xiàn)象，即內(nèi)源性H2S水平明顯降低[9]。為探究H2S在抗炎、抗動(dòng)脈粥樣硬化方面的作用，Wang等[10]通過(guò)敲除小鼠體內(nèi)載脂蛋白E基因并采用高脂飼料飼喂的方法構(gòu)建小動(dòng)脈粥樣硬化動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化的小鼠體內(nèi)內(nèi)源性H2S水平明顯降低、炎性介質(zhì)明顯升高；在補(bǔ)充外源性H2S后，動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展明顯減慢，且炎性介質(zhì)水平逐漸降低。H2S在動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展中也有重要作用。Gomez等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，腹主動(dòng)脈瘤患者體內(nèi)的前列腺素E2(PGE2)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)1與MMP組織抑制因子1/2(TIMP1/2)的比值明顯增加，且體內(nèi)CSE表達(dá)和H2S水平明顯降低；在給予外源性H2S后，PGE2和MMP1/TIMP的比值較前顯著下降，證明了H2S在延緩動(dòng)脈瘤進(jìn)展方面的作用。

2.2 H2S在MIRI中的作用

Sodha等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生心肌缺血時(shí)，由內(nèi)源性H2S介導(dǎo)的心肌蛋白化學(xué)修飾明顯增加，從而更快地激活保護(hù)通路，減少心肌缺血對(duì)機(jī)體造成的損害。Li等[13]通過(guò)在體與離體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在MIRI發(fā)生前采用H2S預(yù)處理能夠顯著降低心肌缺血后梗死面積與心肌肌鈣蛋白I水平，增加心肌細(xì)胞活力及心肌收縮力；采用H2S預(yù)處理能夠降低因MIRI導(dǎo)致的心律失常的發(fā)生率和持續(xù)時(shí)間。研究表明，在心肌缺血預(yù)處理(IPC)中，蛋白激酶C信號(hào)途徑的激活與肌漿網(wǎng)腺苷三磷酸敏感性K+通道(KATP)的開(kāi)放是內(nèi)源性H2S調(diào)控細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、發(fā)揮心肌保護(hù)效應(yīng)的主要途徑[14]。KATP的開(kāi)放促使肌漿網(wǎng)攝入更多的Ca2+，同時(shí)增強(qiáng)Na+/Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)、加快Ca2+外排，拮抗MIRI所致心肌細(xì)胞的Ca2+超載，避免心肌細(xì)胞過(guò)度收縮[15]。此外，在心肌缺血后再灌注階段給予內(nèi)源性H2S進(jìn)行缺血后處理也能產(chǎn)生顯著的心肌保護(hù)效應(yīng)，主要表現(xiàn)在縮小再灌注心肌梗死面積、促進(jìn)心功能恢復(fù)等方面[16]。

3 H2S在MIRI中的心肌保護(hù)機(jī)制

3.1 抗細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是細(xì)胞主動(dòng)耗能的自發(fā)性、程序性的死亡過(guò)程，該過(guò)程受到一系列基因的調(diào)控，主要表現(xiàn)為細(xì)胞體積縮小、細(xì)胞質(zhì)密度增加、線粒體膜通透性改變、核質(zhì)濃縮、核膜核仁破裂、凋亡小體形成等。研究表明，心肌缺血后再灌注階段的MIRI與心肌細(xì)胞凋亡關(guān)系密切[17]。盡管細(xì)胞凋亡的機(jī)制尚未完全明確，但綜合現(xiàn)階段MIRI中細(xì)胞凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與H2S作用機(jī)制的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)H2S主要通過(guò)線粒體通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路途徑，抑制MIRI時(shí)的細(xì)胞凋亡。

3.1.1 抑制線粒體通路 線粒體通路又稱(chēng)內(nèi)源性凋亡途徑。既往研究表明，線粒體膜通透性改變是誘發(fā)細(xì)胞凋亡的主要因素，而線粒體膜通透性改變已經(jīng)被證實(shí)與線粒體內(nèi)膜、外膜之間存在線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)密切相關(guān)[18]。H2S能夠通過(guò)激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)1/2和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信號(hào)通路抑制mPTP的開(kāi)放，進(jìn)而抑制線粒體膜電位的下降，減輕MIRI時(shí)心肌細(xì)胞凋亡，發(fā)揮心肌保護(hù)作用[19]。

3.1.2 抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)引起的細(xì)胞凋亡，是近年新發(fā)現(xiàn)的一種凋亡途徑。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細(xì)胞中重要的細(xì)胞器，主要參與蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)、脂類(lèi)代謝、糖類(lèi)代謝等過(guò)程。此外，作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的樞紐平臺(tái)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在MIRI導(dǎo)致的心肌損害過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。ERS指由于病理生理刺激(缺血缺氧、氧化應(yīng)激等)引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊與錯(cuò)誤折疊蛋白聚集，Ca2+平衡的紊亂[20]。既往研究顯示，適度的ERS可通過(guò)促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理未折疊及錯(cuò)誤折疊蛋白等降低細(xì)胞損傷，而持久或嚴(yán)重的ERS則可引起細(xì)胞凋亡[21]。其中未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)和胱天蛋白酶-12、c-Jun氨基端激酶(JNK)、轉(zhuǎn)錄因子同源蛋白(CHOP)3條經(jīng)典通路的激活是介導(dǎo)ERS造成細(xì)胞凋亡的主要途徑[22-23]。H2S可能通過(guò)下調(diào)MIRI時(shí)心肌細(xì)胞UPR重要分子CHOP、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)的mRNA和蛋白表達(dá)水平，減少心肌細(xì)胞的凋亡[24]。胱天蛋白酶-12產(chǎn)生于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，僅在ERS時(shí)被活化，是介導(dǎo)ERS凋亡的關(guān)鍵分子。在正常生理情況下，胱天蛋白酶-12以無(wú)活性的酶原形式存在，在ERS損傷狀態(tài)下，胱天蛋白酶-12酶原特異性激活，并協(xié)同其他ERS分子激活胱天蛋白酶-9酶原，再通過(guò)胱天蛋白酶-3途徑直接或間接導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。Sivarajah等[25]研究表明，H2S能夠通過(guò)降低胱天蛋白酶-9酶原的活性和JNK磷酸化的水平，拮抗MIRI導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡過(guò)程。

3.2 抗氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是發(fā)生MIRI的重要原因之一。MIRI發(fā)生時(shí)，機(jī)體內(nèi)的促氧化功能增強(qiáng)，而抗氧化功能減弱，心肌組織促氧化和抗氧化功能的動(dòng)態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致心肌組織的氧化程度遠(yuǎn)超出抗氧化系統(tǒng)的清除能力，引起機(jī)體氧化應(yīng)激顯著增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能發(fā)生障礙，致使大量氧自由基和超氧陰離子等活性氧(ROS)產(chǎn)生，造成脂質(zhì)過(guò)氧化和各種細(xì)胞器的損傷，最終導(dǎo)致心肌損害[26]。此外，因氧化應(yīng)激導(dǎo)致的炎性反應(yīng)也是造成MIRI的重要機(jī)制，包括白細(xì)胞介素-1(IL-1)、腫瘤壞死因子(TNF)、IL-6等多種細(xì)胞因子的參與[27]。Sun等[28]在對(duì)缺氧/復(fù)氧大鼠心肌細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，H2S能夠增強(qiáng)超氧化物歧化酶(SOD)的活性，降低ROS水平，發(fā)揮保護(hù)心肌的作用。ROS主要產(chǎn)生于線粒體中，H2S能夠通過(guò)抑制線粒體復(fù)合體Ⅳ的活性，減少線粒體ROS的產(chǎn)生[29]。心肌缺血發(fā)生時(shí)，心肌缺血區(qū)除伴隨炎性細(xì)胞的浸潤(rùn)、炎性介質(zhì)的釋放外，還伴隨著炎性反應(yīng)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的激活等。其中，核因子κB(NF-κB)激活后進(jìn)入細(xì)胞核啟動(dòng)多種炎性因子的轉(zhuǎn)錄是MIRI早期炎性介質(zhì)表達(dá)的關(guān)鍵因素[30]。有研究證實(shí)，提高內(nèi)源性H2S水平可以抑制NF-κB通路，降低炎性因子IL-1、IL-6引起的中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，從而減輕氧化應(yīng)激導(dǎo)致的炎性反應(yīng)，發(fā)揮心肌保護(hù)作用[31]。

3.3 抗Ca2+超載

既往研究已經(jīng)證實(shí)，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+大量聚集是造成MIRI的另一重要因素。當(dāng)心肌發(fā)生缺血再灌注時(shí)，為了保持胞漿內(nèi)Ca2+水平的相對(duì)穩(wěn)定，線粒體主動(dòng)攝取大量的Ca2+以降低胞漿內(nèi)Ca2+水平，但大量聚集在線粒體中的Ca2+能夠激活線粒體膜上的磷脂酶，導(dǎo)致線粒體膜的通透性及基本結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成心肌細(xì)胞不可逆的損傷[32]。蛋白激酶C(PKC)是一種多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)，PKCα、PKCε、PKCδ是主要分布于心肌組織中的3種PKC亞型。當(dāng)發(fā)生MIRI時(shí)，內(nèi)源性H2S通過(guò)激活PKC途徑，進(jìn)一步提高肌漿網(wǎng)上Ca2+ATP 酶的活性，同時(shí)加速漿膜Na+/Ca2+交換體介導(dǎo)的離子交換，從而降低胞漿內(nèi)Ca2+水平，減少心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載的發(fā)生，發(fā)揮心肌保護(hù)的作用[24]。此外，H2S可以通過(guò)促進(jìn)ATP敏感性鉀通道(KATP)的開(kāi)放，使肌漿網(wǎng)攝入更多的Ca2+，進(jìn)而抵抗心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載；H2S還具有抑制L型Ca2+通道開(kāi)放的作用，從而避免心肌細(xì)胞過(guò)度收縮，減少M(fèi)IRI導(dǎo)致的心肌損傷[33]。

4 小結(jié)與展望

H2S在心血管系統(tǒng)及減輕MIRI等心肌保護(hù)方面的作用已經(jīng)得到大量研究的證實(shí)，但對(duì)于H2S減輕MIRI的具體機(jī)制還未完全明確。內(nèi)源性H2S在體內(nèi)的分布具有器官特異性，在心肌組織中H2S主要由高表達(dá)的CSE調(diào)控合成。在MIRI的過(guò)程中，H2S主要通過(guò)抗細(xì)胞凋亡(抑制線粒體通路、抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路等途徑)，抗氧化應(yīng)激，抗Ca2+超載等機(jī)制發(fā)揮心肌保護(hù)作用。隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入，對(duì)于H2S減輕MIRI的具體機(jī)制也在進(jìn)一步完善。Hackfort等[34]研究發(fā)現(xiàn)，H2S可能通過(guò)上調(diào)或下調(diào)特定的微小RNA改善心臟功能障礙。Wu等[35]指出，H2S與NO在MIRI中可能通過(guò)特定的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和信號(hào)機(jī)制發(fā)揮交互調(diào)節(jié)的功能，產(chǎn)生心肌保護(hù)的作用。

盡管現(xiàn)有的研究已經(jīng)證實(shí)H2S對(duì)心血管系統(tǒng)及MIRI的積極作用，但具有劇毒、水溶性質(zhì)不穩(wěn)定、與空氣混合易爆炸等理化性質(zhì)阻礙了其作為藥物應(yīng)用于臨床。目前，對(duì)H2S供體藥物的研究主要圍繞外源性與內(nèi)源性H2S兩方面展開(kāi)，前者以2008年首次合成的新型水溶性H2S緩釋劑GYY4137為代表[13]；后者則主要圍繞納米載體靶向給藥技術(shù)開(kāi)展研究。通過(guò)構(gòu)建CSE的缺血心肌組織靶向給藥系統(tǒng)，使其特異性過(guò)表達(dá)于缺血心肌組織，上調(diào)內(nèi)源性H2S表達(dá)。

綜上所述，對(duì)H2S在MIRI中心肌保護(hù)作用機(jī)制的深入研究將為臨床心肌保護(hù)策略的制定、心臟外科手術(shù)的發(fā)展提供支持。