硫化氢在急性肺损伤发病机制中的作用

韩 波 张立民 李曙光 牛春雨

(河北北方学院微循环研究所基础医学院病理生理教研室,河北 张家口 075000)

急性肺损伤(ALI)是重症监护病房最常见的死亡原因之一〔1〕。硫化氢(H2S)由胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)和胱硫醚-β-合成酶(CBS)以L-半胱氨酸为底物合成〔2〕，具有扩张血管的活性，对于维持机体的生理功能具有重要意义。H2S在炎症反应、信号转导、能量代谢、细胞增殖与凋亡、氧化还原状态等方面具有多种生物学活性〔3〕。同时，由于炎症反应加剧、细胞凋亡增多、自由基损伤是ALI发生的重要机制〔4，5〕，故H2S在ALI发病机制中的作用逐渐受到关注。本文从炎症反应、细胞凋亡等方面综述H2S在ALI中的作用与机制。

1 硫化氢在炎症反应致急性肺损伤中的作用

严重创伤、休克、脓毒血症引起的ALI，可以看成全身性炎症反应在肺组织的局部表现〔1，4，5〕。信号分子H2S在这一过程中具有重要的作用。

H2S在急性胰腺炎〔6〕、严重烧伤〔7〕、内毒素血症〔8〕及盲肠结扎穿孔(CLP)诱导败血症〔9〕动物模型中，肺组织CSE表达上调，导致H2S合成增加，促进炎症因子形成，表现出明显的促炎效应，是导致ALI的主要机制。研究发现，给予CSE抑制剂D，L-炔丙基甘氨酸(PPG)可降低蛙皮素诱导胰腺炎后肺损伤的程度〔6〕；给予H2S供体NaHS，可加重内毒素血症大鼠肺组织的炎症反应，增加中性粒细胞扣押数量，相反，给予PPG可明显减少肺内扣押的中性粒细胞的数量〔8〕；同时，在失血性休克动物模型上，Mok等〔10,11〕发现H2S同样促进了全身炎症反应综合征(SIRS)的发生，给予PPG可降低血浆肿瘤坏死因子(TNF)-α、白介素(IL)-1、IL-6、IL-10的含量，降低肺组织髓过氧化物酶(MPO)活性〔10，11〕。这些研究提示，H2S的促炎作用与中性粒细胞扣押有关。

循环血液中性粒细胞在肺组织活化，并与肺微血管内皮细胞黏附、扣押，产生和释放大量的活性氧、炎症介质和细胞因子，引起损伤的组织细胞释放溶酶体酶、弹性蛋白酶，进一步导致肺内炎症反应无限放大，引起呼吸爆发〔12〕。可见，各种危重病理过程引起的中性粒细胞扣押在ALI的发生和发展过程中扮演着至关重要的角色〔13〕。研究发现，正常小鼠给予NaHS后，小鼠肺组织单核细胞趋化因子受体2(主要定位在中性粒细胞)表达显著上调，并且巨噬细胞炎性蛋白2(MIP-2)诱导的定向迁移明显升高；PPG可显著降低CLP致败血症小鼠肠系膜小静脉内白细胞滚动和黏附，降低肺组织细胞间黏附分子-1(ICAM-1)、P-选择素和E-选择素表达；NaHS可以明显增加白细胞的黏附能力，并增强肺内黏附分子的表达〔14〕。同时，Spiller等〔15〕发现H2S可通过KATP通道促进中性粒细胞向感染局部迁移，加速中性粒细胞在肺内扣押。此外，H2S还可通过Ca2+依赖和非依赖的途径增强中性粒细胞的氧化杀伤活性，发挥强效的细胞毒作用〔16〕。可见，H2S具有调节黏附分子表达的作用，是中性粒细胞活化和定向迁移重要的内源性介质，在中性粒细胞介导炎症反应、最终引起ALI发生的过程中发挥重要作用。

Zhang等〔17〕给予正常小鼠H2S供体NaHS，在提高血浆和肺组织IL-1、IL-6、TNF-α、单核细胞趋化蛋白(MCP)-1和MIP-2水平的同时，也发现显著增加了核因子(NF)-κB的转录活性，出现类败血症状态；进一步在体给予PPG除可明显减低CLP诱导的血浆和肺组织IL-1、IL-6、TNF-α、MCP-1和MIP-2的水平，也显著下调了NF-κB的转录活性，改善了肺功能。Zhi等〔18〕的研究发现，H2S可增加单核细胞系U937细胞TNF-α、IL-1、IL-6和CD11b表达，使核因子-κB抑制蛋白α(IκBα)迅速降解、NF-κB p65活化；这种效应可被NF-κB活化的抑制剂BAY11-7082抑制；进一步发现，H2S的这种效应主要是通过细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2，而不是p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和c-jun氨基末端激酶(JNK)途径实现的。这些结果表明，H2S可活化单核细胞产生促炎性因子，且这种作用是部分通过ERK-NF-κB信号通路完成的。

H2S可通过激活环氧化酶-2/前列腺素E2途径在败血症导致的ALI中发挥强效的促炎效应，应用环氧化酶-2抑制剂帕瑞昔布，可显著降低败血症导致的ALI〔19〕。

但是，在油酸导致的ALI动物模型中发现，油酸注射后的2、4、6 h肺组织H2S含量与抗氧化酶活性明显降低，自由基产物丙二醛(MDA)明显升高，肺组织形态损伤加重，伴有NF-κB和ICAM-1表达增加；肺组织中H2S含量恢复，抗氧化酶活性增加，MDA含量与NF-κB、ICAM-1的表达降低，肺损伤程度减轻〔20，21〕。在内毒素休克动物模型上，NaHS可抑制ICAM-1和NF-κB表达，降低中性粒细胞肺内扣押，从而减轻肺损伤〔22〕。在机械通气导致ALI的小鼠模型上，静脉给予NaHS在降低肺组织炎症反应的同时，减轻了肺损伤；而直接吸入H2S气体，并不能减轻机械通气导致肺损伤〔23〕。

可见，信号分子H2S在多种因素介导炎症反应致ALI的发病过程中具有重要作用。但已有的研究结果却表明，在肺组织炎症反应发生的过程中，H2S既有促炎作用，也表现出了抗炎作用。这种结果的差异，可能与导致ALI的原因不同、严重程度、发生发展的不同阶段有关，也可能与H2S增高的程度有关。可以推测，低浓度的H2S可能发挥积极的抗炎效应，高浓度的H2S则发挥明显的促炎作用，但还需进一步研究，H2S在肺组织炎症反应中的确切作用有待阐明。

2 H2S在细胞凋亡致ALI中的作用

在ALI的发生过程中，存在着不同的细胞凋亡事件，即：肺组织细胞凋亡过度成为细胞损伤的一个主要原因；肺内中性粒细胞凋亡延迟成为加重炎症反应最终引起肺组织损伤的另一重要因素。在ALI的发生过程中，伴随着肺泡上皮细胞凋亡过度，是肺泡功能和结构损害主要因素〔24〕。目前还没有H2S直接参与肺泡上皮细胞凋亡的报道，但有文献报道〔25〕，H2S可以通过MAPK 激活caspases-3途径诱导主动脉平滑肌细胞凋亡。作为与一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)同等重要的信号分子，H2S所参与的信号转导过程与NO和CO引起肺泡上皮细胞凋亡的信号通路存在多个交叉〔26〕；因此，有理由相信，ALI过程中显著增加的H2S在肺泡上皮细胞的凋亡中具有重要作用。当然，还需进一步研究。

肺内中性粒细胞凋亡延迟可能是肺组织中性粒细胞弥漫性浸润、失控性炎症反应的重要原因〔27〕；Lin等〔28〕研究也证实内毒素通过中性鞘磷脂酶/1-磷酸鞘氨醇通路磷酸化p38 MAPK引起中性粒细胞凋亡延迟，导致ALI。研究表明，H2S可通过抑制Caspase-3裂解和p38 MAPK磷酸化减少中粒细胞凋亡，但其细胞毒作用不受影响〔29〕。可见，显著升高的H2S抑制了中性粒细胞正常的凋亡程序，使其在肺内发挥作用的时间显著延长，扩大肺组织的急性炎症反应，进一步引起肺实质细胞坏死和凋亡，破坏肺泡呼吸膜，促进炎性渗出，降低肺功能，加重肺损伤。但也有研究发现，NaHS可抑制内毒素休克模型动物肺组织中的中性粒细胞凋亡〔22〕。因此，H2S在肺内中性粒细胞凋亡延迟中的作用还需进一步明确。

3 H2S通过调节肺血管在ALI中的作用

生理状态下，H2S可以开放KATP通道，增加血管平滑肌细胞的静息电位，与NO和血管紧张素转化酶一起发挥扩张血管的作用。随着H2S浓度和机体氧化还原状态的变化，H2S与NO反应产生无活性的亚硝基硫醇，并对抗两者的舒血管效应；高浓度氧环境中，H2S诱导的血管舒张效应曲线的EC50增加；此外，组织中氧与H2S比值增大时，可导致血管收缩，这一点在氧浓度高于循环血液的肺组织尤其重要〔30〕。研究发现〔31〕，高浓度H2S耗竭细胞内ATP，从而不依赖KATP通道的方式，通过Cl-/ HCO3-通道，引起血管口径扩张，损伤肺血管收缩效应，增加肺循环流量，降低肺内通气/血流比例，引起功能性分流，导致ALI，从而加重机体的缺氧程度。从这些研究结果也可以看出，H2S对血管舒缩的调节亦呈双相性，如何通过调控H2S水平防治ALI将是今后应该努力的一个方向。

4 小结与展望

信号分子H2S通过炎症反应、细胞凋亡、血管舒缩多方面参与了创伤、休克、脓毒血症等严重致病因素导致ALI的发病过程，既有保护效应的一面，也有损伤作用的一面，其作用效果的转变取决于其含量、产生速度以及机体所处的功能状态的变化〔32〕。近年来，学者们开始关注H2S作用的信号途径研究，相信深入揭示其相关机制，对于进一步明确H2S在不同原因、不同阶段ALI中的作用，为ALI的防治提供新的干预靶点。

5 参考文献

1陈齐红，邱海波，杨 毅.间充质干细胞治疗急性肺损伤作用机制研究进展〔J〕.中国危重病急救医学，2012；24(10)：637-40.

2Sen U，Givvimani S，Abe OA，etal.Cystathionine beta-synthase and cystathionine gamma-lyase double gene transfer ameliorate homocysteine-mediated mesangial inflammation through hydrogen sulfide generation〔J〕.Am J Physiol Cell Physiol，2011；300(1)：C155-63.

3Li L，Rose P，Moore PK.Hydrogen sulfide and cell signaling〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2011；51：169-87.

4赵自刚，牛春雨，张 静，等.肠系膜淋巴管结扎对失血性休克大鼠肺损伤的影响〔J〕.中国危重病急救医学，2007；19(5)：274-8.

5赵自刚，陈瑞华，牛春雨，等.休克淋巴液对大鼠肺微血管内皮细胞炎症介质表达的影响〔J〕.中国危重病急救医学，2009；21(5)：266-9.

6Bhatia M，Wong FL，Fu D，etal.Role of hydrogen sulfide in acute pancreatitis and associated lung injury〔J〕.FASEB J，2005；19(6)：623-5.

7Zhang J，Sio SW，Moochhala S，etal.Role of hydrogen sulfide in severe burn injury-induced inflammation in mice〔J〕.Mol Med，2010；16(9-10)：417-24.

8Li L，Bhatia M，Zhu YZ，etal.Hydrogen sulfide is a novel mediator of lipopolysaccharide-induced inflammation in the mouse〔J〕.FASEB J，2005；19(9)：1196-8.

9Zhang H，Zhi L，Moore PK，etal.Role of hydrogen sulfide in cecal ligation and puncture-induced sepsis in the mouse〔J〕.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2006；290(6)：L1193-201.

10Mok YY，Moore PK.Hydrogen sulphide is pro-inflammatory in haemorrhagic shock〔J〕.Inflamm Res，2008；57(11)：512-8.

11Mok YY，Atan MS，Yoke Ping C，etal.Role of hydrogen sulphide in haemorrhagic shock in the rat：protective effect of inhibitors of hydrogen sulphide biosynthesis〔J〕.Br J Pharmacol，2004；143(7)：881-9.

12Grommes J，Soehnlein O.Contribution of neutrophils to acute lung injury〔J〕.Mol Med，2011；17(3-4)：293-307.

13Wohlauer MV，Moore EE，Harr J，etal.Cross-transfusion of postshock mesenteric lymph provokes acute lung injury〔J〕.J Surg Res，2011；170(2)：314-8.

14Zhang H，Zhi L，Moochhala SM，etal.Endogenous hydrogen sulfide regulates leukocyte trafficking in cecal ligation and puncture-induced sepsis〔J〕.J Leukoc Biol，2007；82(4)：894-905.

15Spiller F，Orrico MI，Nascimento DC，etal.Hydrogen sulfide improves neutrophil migration and survival in sepsis via KATP channel activation〔J〕.Am J Respir Crit Care Med，2010；182(3)：360-8.

16Mariggio MA，Pettini F，Fumarulo R.Sulfide influence on polymorphonuclear functions：a possible role for Ca2+involvement〔J〕.Immunopharmacol Immunotoxicol，1997；19(3)：393-404.

17Zhang H，Zhi L，Moochhala S，etal.Hydrogen sulfide acts as an inflammatory mediator in cecal ligation and puncture-induced sepsis in mice by upregulating the production of cytokines and chemokines via NF-kappaB〔J〕.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2007；292(4)：L960-71.

18Zhi L，Ang AD，Zhang H，etal.Hydrogen sulfide induces the synthesis of proinflammatory cytokines in human monocyte cell line U937 via the ERK-NF-kappaB pathway〔J〕.J Leukoc Biol，2007；81(5)：1322-32.

19Ang SF，Sio SW，Moochhala SM，etal.Hydrogen sulfide upregulates cyclooxygenase-2 and prostaglandin E metabolite in sepsis-evoked acute lung injury via transient receptor potential vanilloid type 1 channel activation〔J〕.J Immunol (Baltimore，Md：1950)，2011；187(9)：4778-87.

20Wang C，Wang HY，Liu ZW，etal.Effect of endogenous hydrogen sulfide on oxidative stress in oleic acid-induced acute lung injury in rats〔J〕.Chin Med J，2011；124(21)：3476-80.

21李 萌，李天水，刘志伟，等.硫化氢对急性肺损伤大鼠肺组织核转录因子κB 及细胞间黏附分子1表达的影响〔J〕.中华医学杂志，2011；91(43)：3054-7.

22黄新莉，马会杰，周晓红，等.外源性硫化氢对大鼠内毒素性肺损伤的影响及机制研究〔J〕.中国应用生理学杂志，2010；26(4)：477-80.

23Francis RC，Vaporidi K，Bloch KD，etal.Protective and detrimental effects of sodium sulfide and hydrogen sulfide in murine ventilator-induced lung injury〔J〕.Anesthesiology，2011；115(5)：1012-1.

24Martin TR，Nakamura M，Matute-Bello G.The role of apoptosis in acute lung injury〔J〕.Crit Care Med，2003；31(4 Suppl)：S184-8.

25Yang G，Sun X，Wang R.Hydrogen sulfide-induced apoptosis of human aorta smooth muscle cells via the activation of mitogen-activated protein kinases and caspase-3〔J〕.FASEB J，2004；18(14)：1782-4.

26Riazantseva NV，Starikova EG，Tashireva LA，etal.Intracellular gaseous messengers，nitric oxide，carbon monoxide and hydrogen sulfide participate in apoptosis regulation〔J〕.Tsitologiia，2012；54(2)：105-11.

27Parsey MV，Kaneko D，Shenkar R，etal.Neutrophil apoptosis in the lung after hemorrhage or endotoxemia：apoptosis and migration are independent of IL-1beta〔J〕.Clin Immunol，1999；91(2)：219-25.

28Lin WC，Lin CF，Chen CL，etal.Inhibition of neutrophil apoptosis via sphingolipid signaling in acute lung injury〔J〕.J Pharmacol Exp Ther，2011；339(1)：45-53.

29Rinaldi L，Gobbi G，Pambianco M，etal.Hydrogen sulfide prevents apoptosis of human PMN via inhibition of p38 and caspase 3〔J〕.Lab Invest，2006；86(4)：391-7.

30Koenitzer JR，Isbell TS，Patel HD，etal.Hydrogen sulfide mediates vasoactivity in an O2-dependent manner〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2007；292(4)：H1953-60.

31Kiss L，Deitch EA，Szabo C.Hydrogen sulfide decreases adenosine triphosphate levels in aortic rings and leads to vasorelaxation via metabolic inhibition〔J〕.Life Sci，2008；83(17-18)：589-94.

32Otulakowski G，Kavanagh BP.Hydrogen sulfide in lung injury：therapeutic hope from a toxic gas〔J〕?Anesthesiology，2010；113(1)：4-6.