硫化氫在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用研究進(jìn)展

程愛蘭， 鄭露露

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院腫瘤研究所 湖南省腫瘤細(xì)胞與分子病理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南省衡陽市421001)

研究表明，呼吸系統(tǒng)疾病是2017年全球致殘和致死的第三大原因，僅次于心血管疾病和腫瘤[1]，其病變主要發(fā)生于氣管、各級(jí)支氣管及肺泡囊等末梢肺組織，典型的臨床癥狀包括咳嗽、喘息、胸悶、胸痛，嚴(yán)重者可出現(xiàn)呼吸困難，甚至呼吸衰竭[2]，吸煙是主要危險(xiǎn)因素[1]。在過去，人們一直認(rèn)為H2S是一種對(duì)人體有害的氣體，而在NO成為第一個(gè)被描述并應(yīng)用于臨床實(shí)踐的氣體信號(hào)分子之后，H2S也被報(bào)道為內(nèi)源性產(chǎn)生的氣體分子，具有廣泛的病理生理功能，包括擴(kuò)張血管以降低血壓、啟動(dòng)血管的生成、對(duì)神經(jīng)元作用的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)、維持糖代謝平衡等[2]。值得注意的是，H2S是一把雙刃劍，具有保護(hù)與損傷雙向作用?，F(xiàn)有研究表明，H2S主要具有抗炎和抗氧化的作用，然而在某些情況下作用卻相反，如發(fā)生膿毒癥時(shí)，組織中快速釋放的H2S能促進(jìn)炎癥的發(fā)生[3]。本文主要對(duì)H2S在呼吸系統(tǒng)疾病中的病理生理作用進(jìn)行綜述，并詳細(xì)描述其在幾種常見呼吸系統(tǒng)疾病中的重要作用。

1 H2S在肺內(nèi)的合成途徑

H2S在肺內(nèi)的合成與胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase,CSE)及3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)這3種酶密切相關(guān)。在不同物種或不同細(xì)胞類型中，這3種酶的表達(dá)水平并不相同[4]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在小鼠的肺部，CBS主要存在于氣道血管和上皮細(xì)胞內(nèi)，CSE主要在肺實(shí)質(zhì)表達(dá)；而在人類呼吸系統(tǒng)中，氣道平滑肌細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞可同時(shí)檢測到CSE和CBS。在人體組織中，H2S的合成主要分為3條途徑(圖1)，其中最主要的途徑是從甲硫氨酸出發(fā)，經(jīng)過代謝轉(zhuǎn)化成同型半胱氨酸，在CBS和CSE的共同催化作用下生成半胱氨酸和大部分內(nèi)源性H2S。第二條合成途徑是在CSE的催化作用下，胱硫醚分解或半胱氨酸的二硫鍵裂解后可以產(chǎn)生部分內(nèi)源性H2S。第三條合成途徑是以半胱氨酸為底物，在3-MST與半胱氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(cysteine aminotransferase，CAT)的共同催化作用下，生成丙酮酸和部分內(nèi)源性H2S[3]。

圖1 H2S合成的3條主要途徑

2 在呼吸系統(tǒng)中,H2S是一把雙刃劍

2.1 H2S對(duì)呼吸系統(tǒng)的保護(hù)作用

在呼吸系統(tǒng)中，組織和細(xì)胞的氧感受器可根據(jù)H2S水平來平衡氧氣的供應(yīng)和需求，進(jìn)一步保護(hù)肺功能[5]。另有研究表明，H2S可以通過去乙酰化酶(sirtuin1，SIRT1)依賴的方式改善肺泡上皮細(xì)胞線粒體功能，減少氧化應(yīng)激，從而抑制香煙煙霧提取物誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老和凋亡；還可以通過逆轉(zhuǎn)SIRT1介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)來阻滯香煙煙霧誘導(dǎo)的小鼠氣道重塑，這些報(bào)道均表明H2S對(duì)吸煙引起的肺部疾病具有保護(hù)作用[6-8]。

據(jù)報(bào)道，吸入顆粒物(particulate matter,PM)，特別是直徑小于2.5 μm的細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物，可誘發(fā)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激的發(fā)生，從而導(dǎo)致血管內(nèi)皮完整性喪失和肺血管通透性增加[9]。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)硫氫化鈉(sodium hydrosulfide，NaHS)(H2S供體)可以顯著降低跨內(nèi)皮電阻并清除PM誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，通過抑制 P38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPKs)和激活A(yù)kt兩條途徑維持內(nèi)皮細(xì)胞的完整性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在小鼠肺部炎癥模型中，NaHS(20 mg/kg)可以減少支氣管肺泡灌洗液中PM誘導(dǎo)的血漿蛋白滲出、白細(xì)胞浸潤和炎癥細(xì)胞因子釋放。這些均表明H2S有助于維護(hù)肺內(nèi)皮細(xì)胞屏障，在PM誘導(dǎo)的肺部炎癥中具有潛在的保護(hù)作用。

2.2 H2S對(duì)呼吸系統(tǒng)的損傷作用

H2S是一把雙刃劍，在保護(hù)呼吸系統(tǒng)的同時(shí)也可導(dǎo)致其損傷(圖2)。H2S對(duì)呼吸系統(tǒng)的損傷作用與其水平密切相關(guān)，高水平H2S可與線粒體中的細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合，抑制呼吸鏈的氧化磷酸化，破壞能量代謝，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡并引起炎癥反應(yīng)。Wang等[10]研究表明H2S可引起Th1/Th2免疫失衡，抑制過氧化物酶體增殖物激活受體-δ(peroxisome proliferators-activated receptors-δ，PPARs-δ)/血紅素氧合酶-1 (heme oxygenase-1，HO-1)的抗炎作用，進(jìn)而加重脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的肺炎。

H2S也可以被許多細(xì)菌利用，如革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌可以通過分解或抑制產(chǎn)生H2S的酶來減少H2S的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)多種抗生素的敏感性下降，表明H2S可以增加細(xì)菌耐藥性。此外，缺乏H2S的細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生更多NO，而這兩種氣體的協(xié)同作用可誘導(dǎo)機(jī)體對(duì)抗生素的耐受性[11]。目前，細(xì)菌耐藥是人類面臨的重大醫(yī)學(xué)問題之一[12]，深入研究H2S增強(qiáng)細(xì)菌耐藥性的機(jī)制對(duì)控制耐藥菌株的流行、發(fā)現(xiàn)藥物作用的新靶點(diǎn)及臨床治療細(xì)菌感染性疾病具有重要意義。

圖2 在呼吸系統(tǒng)中，H2S是一把雙刃劍

3 H2S在常見呼吸系統(tǒng)疾病中的作用

3.1 H2S與急性肺損傷

急性肺損傷是各種致傷因素引起的肺泡上皮細(xì)胞及毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，造成彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫，導(dǎo)致急性低氧性呼吸功能不全，臨床上表現(xiàn)為進(jìn)行性低氧血癥和呼吸窘迫。

H2S不僅可以作為急性肺損傷的預(yù)測因子，在預(yù)防和治療急性肺損傷方面也發(fā)揮一定的作用。最新研究表明聯(lián)合檢測血漿白細(xì)胞介素-18(interliukin 18，IL-18)和H2S水平可以作為預(yù)測先天性心臟病患兒術(shù)后并發(fā)急性肺損傷的可靠指標(biāo)[13]。有研究發(fā)現(xiàn)H2S能顯著降低CBS和CSE的活性，減少炎癥細(xì)胞因子和中性粒細(xì)胞在肺部的聚集，從而阻止LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷進(jìn)一步加重[14-15]。在LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷中，H2S能夠以濃度依賴性的方式降低IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)啟動(dòng)子組蛋白H3乙酰化的水平，從而抑制IL-6和TNF-α的產(chǎn)生[16]，進(jìn)一步表明H2S在急性肺損傷中的抗炎作用。

此外，在多種因素(如脂多糖、肺缺血再灌注)誘導(dǎo)的小鼠急性肺損傷模型中，外源給予H2S供體NaHS可顯著減輕急性肺損傷，而吸入H2S氣體可抑制全身炎癥反應(yīng)，提高急性肺損傷小鼠的生存率[17]。Ge等[18]通過建立呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷大鼠模型并用H2S處理后發(fā)現(xiàn)，H2S可通過調(diào)控蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK) /真核起始因子2α亞基(eukaryotic initiation factor 2α，eIf2α)/激活轉(zhuǎn)錄因子4(activating transcription factor 4, ATF4)/生長抑制和DNA損傷蛋白34(growth arrest and DNA damage inducible 34, GADD34)通路抑制肺泡上皮細(xì)胞的自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，減輕呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷。在臭氧誘導(dǎo)的肺炎及肺氣腫小鼠模型中，NaHS可以通過調(diào)節(jié)Nod樣受體家族3(NOD-like receptors, NLRP3)/Caspase-1、p38-MAPK和Akt通路來預(yù)防或逆轉(zhuǎn)肺部炎癥及肺泡腔內(nèi)的肺氣腫改變，但不能逆轉(zhuǎn)臭氧引起的氣流受限和支氣管結(jié)構(gòu)重塑[19]。這些動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步表明H2S在預(yù)防和治療急性肺損傷方面具有重要的潛在作用。

3.2 H2S與肺炎

肺炎是最常見的感染性疾病之一，常由病原微生物、理化因素、免疫損傷、過敏及藥物引起，其中細(xì)菌性肺炎最為常見。

目前臨床上常用血常規(guī)、超敏C反應(yīng)蛋白(hypersensitive C-reactive protein,hs-CRP)、血清淀粉樣蛋白A、降鈣素原等檢測指標(biāo)來判斷肺部炎癥的嚴(yán)重程度，其中hs-CRP水平與肺炎嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[20]。研究發(fā)現(xiàn)，在肺炎患者中，血清H2S水平與hs-CRP水平呈負(fù)相關(guān)，說明H2S與肺炎嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)需要抗生素治療的患者血清H2S水平低于不需要抗生素治療的患者[21]。上述結(jié)果表明血清H2S的水平可作為判斷肺部感染嚴(yán)重程度的標(biāo)志物以及指導(dǎo)抗生素使用的參考指標(biāo)。

在病毒性肺炎的致病原中，呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是一種副粘病毒，是兒童上下呼吸道感染的主要病毒感染源之一。使用硫化氫緩釋供體GYY4137和CSE產(chǎn)生胞內(nèi)H2S后，發(fā)現(xiàn)RSV的感染能力降低，并且在富含H2S的氣道上皮細(xì)胞中，病毒合胞體的形成和病毒組裝及釋放能力減弱，病毒的復(fù)制力也明顯下降；H2S也可以抑制人偏肺病毒和尼帕病毒的復(fù)制和炎癥趨化因子的產(chǎn)生。這些均表明H2S對(duì)副粘病毒感染有廣泛的抑制作用[22-23]。

對(duì)于肺炎支原體等特殊的病原體導(dǎo)致的肺炎，Hu等[24]用外源性H2S處理肺炎支原體脂結(jié)合膜蛋白(lipid-associated membrane proteins,LAMPs)刺激培養(yǎng)的人單核細(xì)胞系THP-1后，發(fā)現(xiàn)H2S能夠誘導(dǎo)人單核細(xì)胞HO-1的表達(dá)，降低肺炎支原體誘導(dǎo)生成的IL-6和IL-8水平，提示H2S可能在減輕肺炎支原體誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

3.3 H2S與肺結(jié)核

肺結(jié)核是一種嚴(yán)重危害人類健康的傳染性疾病，主要致病菌是結(jié)核分枝桿菌(mycobacterium tuberculosis,MTB)，臨床上聯(lián)合用藥是治療結(jié)核病的常用方法，但隨著耐藥結(jié)核菌株的產(chǎn)生，探討結(jié)核病發(fā)生及耐藥的新機(jī)制迫在眉睫[25]。

各項(xiàng)研究表明，H2S能夠影響MTB的生長和代謝，與MTB對(duì)化療藥物出現(xiàn)耐藥密切相關(guān)。宿主產(chǎn)生的內(nèi)源性H2S可以通過細(xì)胞色素BD氧化酶刺激MTB呼吸和生物能量代謝，從而促進(jìn)細(xì)菌生長并加速疾病惡化[26]。另一方面，Rahma等[27]研究表明受MTB感染后的小鼠能產(chǎn)生過量的H2S，進(jìn)而抑制糖酵解和降低HIF-1α、IL-1β、IL-6和IL-12的水平，導(dǎo)致中心碳代謝紊亂以及免疫反應(yīng)失調(diào)，從而使MTB長期存在于宿主，導(dǎo)致結(jié)核病進(jìn)一步加重。

3.4 H2S與哮喘

支氣管哮喘，簡稱哮喘，是一種異質(zhì)性疾病，主要特征包括氣道慢性炎癥，氣道對(duì)多種刺激因素呈現(xiàn)的高反應(yīng)性，多變的可逆性氣流受限以及隨病程延長導(dǎo)致的氣道重構(gòu)。目前，大部分哮喘患者可通過避免接觸過敏原、抗炎、解痙、平喘等控制哮喘的發(fā)作[28]。

人血清、痰液和呼出的氣體中均能檢測到H2S，盡管目前還沒有檢測的金標(biāo)準(zhǔn)，但已有部分研究將H2S的檢測實(shí)驗(yàn)用于哮喘患者[3]。Suzuki等[3]發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，病情穩(wěn)定的哮喘患者血清H2S水平低于健康人群，而痰液中H2S水平與健康人群相比沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但是與急性發(fā)作期哮喘患者相比，痰液及血清H2S水平的差異完全相反，病情加重時(shí)痰液H2S水平升高，血清H2S水平降低，表明痰液中H2S水平可能與氣道阻塞的程度有關(guān)。Zhang等[29]發(fā)現(xiàn)不同氣道炎癥類型的哮喘患者呼出的H2S水平也不同，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是由于人體呼出氣體中H2S含量較少，無法判斷能否用于臨床檢測。以上研究表明血清和痰液中的H2S水平可能因病情變化(如急性加重)而變化，其可能成為預(yù)測哮喘患者當(dāng)前的疾病控制情況以及疾病加重風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測因子。

此外，近幾十年來中國兒童哮喘患病率呈明顯上升趨勢，患病年齡多在5歲以內(nèi)，約20%的患兒有家族史，病情嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致氣道不可逆性狹窄及氣道重構(gòu)[30]。Tian等[31]研究發(fā)現(xiàn)哮喘患兒血清H2S水平和各項(xiàng)肺功能指標(biāo)均顯著降低，血清H2S水平與肺功能指標(biāo)呈正相關(guān)，說明血清中H2S水平的降低可能是肺功能下降的標(biāo)志，血清H2S水平可以作為一種肺功能輔助檢查指標(biāo)，用于兒童哮喘患者的輔助檢查。

3.5 H2S與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種慢性進(jìn)展性的肺部疾病，主要特征是持續(xù)且不可逆的氣流受限和氣道、肺實(shí)質(zhì)及肺血管的慢性炎癥。吸煙是COPD發(fā)病的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，值得注意的是，吸煙者的血清H2S水平遠(yuǎn)低于非吸煙者[32]，兩者之間是否存在相關(guān)性尚未可知。

NaHS作為H2S的供體，可通過抑制脯氨酰羥化酶2(prolyl hydroxylase domain 2，PHD2)/缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)/MAPK信號(hào)通路來抑制香煙煙霧誘導(dǎo)的小鼠COPD模型中肺泡上皮細(xì)胞炎癥、損傷和凋亡，從而減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的慢性支氣管炎并改善肺功能[7]。另外，低水平H2S治療也可通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)通路有效改善肺功能，減少組織病理學(xué)改變、肺水腫和肺通透性，進(jìn)一步減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的COPD[33]，這些均表明了H2S在COPD患者治療中的潛在作用。Guan等[8]也提出H2S可以通過SIRT1信號(hào)通路抑制氧化應(yīng)激以及抑制TGF-β1介導(dǎo)的EMT來預(yù)防香煙煙霧提取物誘導(dǎo)的小鼠氣道重塑，從而產(chǎn)生保護(hù)作用，更進(jìn)一步表明H2S可能具有預(yù)防和治療COPD的潛力。Zhang等[34]也提出H2S可作為COPD氣道炎癥表型的預(yù)測因子，研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)呼出的H2S水平能夠預(yù)測COPD患者是否為嗜酸性粒細(xì)胞表型，并且敏感性與特異性均良好，而嗜酸性粒細(xì)胞表型的COPD患者通常病程較長，肺功能較差，生存質(zhì)量較差，提示了H2S在COPD患者預(yù)后評(píng)估中的重要性。

3.6 H2S與肺癌

原發(fā)性支氣管肺癌起源于支氣管黏膜或腺體，簡稱肺癌，其發(fā)病率和死亡率位于惡性腫瘤之首，以非小細(xì)胞肺癌為主，早期不易被發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)患者在出現(xiàn)癥狀或就診時(shí)已是晚期，預(yù)后極差[35]。

隨著對(duì)肺癌病理機(jī)制研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)H2S在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中有著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)不同水平的外源性NaHS均能促進(jìn)人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的增殖，并且具有濃度依賴性[36]。另一方面，H2S與腫瘤組織新生血管的形成也密切相關(guān)。研究顯示，瘤體和瘤周組織中H2S水平明顯增高，內(nèi)源性H2S可以促進(jìn)新生血管形成[37]。此外，H2S作為重要的氣體信號(hào)分子，能夠擴(kuò)散到周圍組織中，通過旁分泌作用刺激周圍組織形成新生血管，其機(jī)制可能與HIF-1α和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)有關(guān)[38]。

肺癌的侵襲轉(zhuǎn)移是影響肺癌患者療效和預(yù)后的主要因素，且大多數(shù)情況下與EMT密切相關(guān)，有研究表明外源性增加NaHS能夠促進(jìn)EMT的發(fā)生，增加A549細(xì)胞的遷移和侵襲能力[39]。在抗腫瘤藥物中添加干擾H2S的基團(tuán)，靶向降低瘤體和瘤周組織中H2S水平，從而減緩血管生成、抑制EMT發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)抑制腫瘤進(jìn)一步發(fā)生發(fā)展的目標(biāo)，值得進(jìn)一步分子藥理學(xué)研究驗(yàn)證。另外，有研究表明在順鉑耐藥肺癌細(xì)胞株A549/DDP中，CBS表達(dá)顯著下調(diào)，H2S水平明顯低于親本株，而用NaHS處理A549/DDP后發(fā)現(xiàn)H2S水平升高，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期阻滯，抑制細(xì)胞遷移和侵襲，同時(shí)降低細(xì)胞的耐藥性，表明提高H2S水平可能是治療肺癌耐藥的一種潛在治療策略[40]。

4 總結(jié)和展望

H2S是繼NO和CO之后發(fā)現(xiàn)的新型氣體信號(hào)分子，可由機(jī)體內(nèi)源產(chǎn)生，具有多種生物學(xué)效應(yīng)，為維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。在呼吸系統(tǒng)中，無論是疾病的初步診斷，還是疾病的治療預(yù)后，H2S都扮演著重要角色。盡管如此，H2S的檢測手段、診斷的金標(biāo)準(zhǔn)、與抗生素耐藥的關(guān)系等尚未明確，仍是未來值得探索的研究方向。此外，目前H2S供體作為產(chǎn)生外源性H2S的主要來源[41]，已成為最近的研究熱點(diǎn)，需要做出更多的努力才能開發(fā)出在短時(shí)間內(nèi)大量釋放H2S并能長時(shí)間維持機(jī)體所需要的H2S供體水平。另外，不同水平H2S生物學(xué)功能是否一致，安全性能否保障等問題也需要進(jìn)一步的評(píng)估和研究。最后，H2S在肺癌中的作用仍需更多實(shí)驗(yàn)去證實(shí)，并且除肺癌以外，H2S在其他癌癥中的作用及作用機(jī)制也值得進(jìn)一步深入研究，以期發(fā)現(xiàn)新的腫瘤治療靶點(diǎn)。