内源性硫化氢含量与帕金森病的相关性研究

郭晶晶 综述，晏 勇审校

（重庆医科大学附属第一医院神经内科／重庆市神经病学重点实验室 400016）

帕金森病（Parkinson′s disease，PD）是一种神经退行性疾病，其主要病理改变为黑质致密部多巴胺（dopamine，DA）能神经元进行性缺失及残存神经元胞浆内路易小体（lewy body）形成。其主要机制包括蛋白质异常聚集、氧化应激、线粒体功能障碍、神经毒性、炎症反应及细胞凋亡[1]。硫化氢（H2S）是继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后发现的第3种内源性气体信号分子，具有抗氧化应激、细胞凋亡及神经系统炎症等作用，而这些生理作用对防治PD和阿尔兹海默病（Alzheimer′s disease，AD）等神经退行性疾病有着重要意义。本文就内源性H2S与PD的相关性研究进行简要综述。

1 内源性H2S体内合成分解及其生理作用

1.1 H2S在体内的合成与分解 H2S的合成与3种酶相关：胱硫醚-C-裂解酶（CSE）、胱硫醚-B-合酶（CBS）和一组串联酶包括天门冬氨酸转氨酶（AAT）和巯基丙酮酸硫基转移酶（MPST）[2]。Lee等[3]发现，体外培养的星形胶质细胞以每小时15.06μmol／g蛋白质的速度合成H2S，其合成速度是小胶质细胞的7.57倍，SH-SY5Y细胞株（人神经母细胞瘤细胞株）的10.27倍，NT-2细胞株的11.32倍。实验提示，人血管内皮细胞H2S的合成主要依赖于CSE而非CBS，敲除CSE基因会导致血清、心肌、主动脉中H2S的合成降低，而CBS基因敲除后则会导致脑组织内H2S合成障碍[3]。因此，CBS在脑组织内高表达，而CSE主要表达于心血管系统，此外，MPST主要表达于神经元和血管内皮中[2]。内源性H2S主要由L-半胱氨酸L-cysteine，Cys）和同型半胱氨酸（Hcy）在CBS、CSE催化下产生，脑组织合成H2S的主要酶是CBS。第1种酶CBS以磷酸吡哆醛（PLP）为辅因子催化半胱氨酸合成H2S，包括β键的移除反应、β键的替换反应和（或）α，β键同时移除反应[4]。第2种酶CSE不依赖于磷酸吡哆醛（PLP）就可催化半胱氨酸合成H2S。研究表明，H2S分解存在3种途径：（1）H2S在线粒体内被氧化为硫代硫酸盐（S2O32-）、亚硫酸盐（SO32-）和硫酸盐（SO42-），然后从尿液排出[5]。（2）硫醇甲基转移酶（TSMT）催化H2S甲基化生成单二甲基硫醚和双二甲基硫醚。（3）H2S与高铁血红蛋白结合生成硫合血红蛋白。此外，H2S还可通过与NO发生反应被分解。还有报道称H2S可穿过肺泡膜释放[6]。

1.2 H2S的生理作用 H2S在大部分组织和血清中的浓度为50μmol／L。其在中枢系统中的生理作用主要表现在4个方面：（1）促进海马长时程增强效应（long-term potentiation，LTP）。一般来说，较弱电刺激作用于海马不能引出LTP，H2S能促进该刺激引发LTP，这一效应与单纯施加一个强直性电刺激所引发的LTP具有等效性。（2）强化NMDA受体所介导的应答反应。神经细胞NADM受体是H2S靶受体之一，生理剂量的H2S能显著增加神经细胞NMDA受体中谷氨酸转运。Mustafa等[7]发现，GAPDH（H2S的另一个靶受体）能通过半胱氨酸中硫键断裂形成SSH键，使酶活性提高6倍，揭示了一个中枢神经系统内的全新的H2S依赖性的细胞能量代谢机制。（3）诱导改变神经细胞钙通道。单独的H2S能诱发星形胶质细胞内钙波的产生，增强胶质细胞通过钙波与周围细胞进行信息交换，从而介导神经元细胞和星形胶质细胞之间的信号传递，调节突触活动。（4）神经元保护作用，其途径主要有3种，一是提高细胞内谷胱甘肽（glutathione，GSH）的水平，GSH作为细胞内重要的抗氧化物质，可阻断氧化反应的产生；二是活化ATP敏感性钾通道（KATP channels），这类通道的开放可增强神经元和星形胶质细胞对抗缺血、创伤或神经毒性物质的侵害；三是通过活化腺苷酸环化酶增加胞内环腺苷酸浓度，阻断炎症因子mRNA的转录，对抗神经炎症[8-9]。最新研究提示，释放H2S的非甾体类或左旋多巴的衍生物，即H2S供体的抗氧化及抗炎作用可能更强[10-12]。

2 内源性H2S在PD治疗研究中的进展

目前，PD发病机制未完全明确，线粒体功能障碍、氧化应激、GSH水平下降及金属蛋白蓄积都会导致神经细胞凋亡，诱导PD产生。近几年实验研究表明，H2S及其衍生物对PD具有潜在的治疗作用[1]。

2.1 H2S应用于PD机制研究中的进展 Lee等[13]检测了4种H2S供体（ACS48、ACS5、ACS81和ADT-OH）和4种左旋多巴供体（ACS83、ACS84、ACS85和ACDS86）的抗氧化抗炎作用。该实验采用3种神经细胞株：人单核细胞型淋巴瘤细胞株（THP-1）、人神经母细胞瘤细胞株（SH-SY5Y）和人脑胶质瘤细胞株（U373）。上述供体化合物可被人小胶质细胞、星形胶质细胞及THP-1、U373细胞株所摄取，生成内源性H2S，发挥神经保护作用，其机制可能是：（1）提高经典抗氧化物质内源性GSH的细胞浓度；（2）对抗单胺氧化酶B（MAO B）；（3）降低神经毒素诱发的炎性反应；（4）抑制促炎介质，如肿瘤坏死因子α（TNF-α），IL-6及铁蛋白的释放。阻断γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-glutamylcysteine）会阻断GSH生成，导致胶质细胞炎症及毒性反应[8]。H2S能阻断GSH失活，升高GSH水平，降低氧化应激。而且，H2S可使自由基直接或间接的从氧化左旋多巴化合物中解离出来，阻断氧化应激介导的细胞死亡。MAO B可加速体内多巴胺的分解，而这类供体化合物（H2S衍生物）可对抗MAO B，使脑组织内多巴胺浓度升高。因此，H2S能提高多巴胺及GSH水平，对神经退行性疾病可能有潜在的治疗作用。神经炎症是PD病因机制之一，黑质体中小胶质细胞及星形胶质细胞活化可导致神经炎症，帕金森动物模型中存在类似的活化机制[14-15]。流行病学调查发现，服用非甾体抗感染药的患者，尤其是同时饮用咖啡的人群，患PD的可能性减小，由此证明抗感染治疗能降低胶质活化改善神经退变[16]。Lee等[13]的实验证明，H2S能减少 TNF-α、IL-6及 NO释放，保护小胶质细胞、星形胶质细胞及THP-1、U373细胞，并且能降低细胞活化产生的毒素对SH-SY5Y细胞的毒性作用。Lee等[3]发现，胶质细胞炎症会抑制内源性H2S生成，造成其抗感染作用降低，而外源性添加NaSH能部分减轻这种抑制作用，改善炎症刺激造成的神经细胞毒性，证明了H2S作为一种抗氧化物，具有直接的神经保护作用。此外，该试验还证实了H2S通过阻断核转录因子kappa B（NF-κB）降低胶质活化，但其阻断机制目前仍需进一步研究。总之，H2S不仅能提高组织内GSH及多巴胺水平，而且作为有效的抗氧化物质，能阻断炎症介质的释放、降低细胞活化，发挥直接的神经保护作用。Bae等[17]从分子基因角度对内源性H2S和PD做了进一步研究。该研究在双光子显微成像技术（TPM）的基础上，利用定位于细胞线粒体的双原子探针（mitochondria-localized two-photon probe，SHS-M2）探测活胶质细胞及脑组织内的H2S。结果提示，内源性H2S的浓度与脑组织内CBS的表达有关。实验将小鼠胶质细胞和脑组织中的DJ-1基因（一种PD基因）敲除后作为实验组，与对照组小鼠相比，DJ-1基因的缺失会导致CBS表达水平降低，内源性H2S合成降低。实验发现，胶质细胞内H2S水平降低可导致PD的进展；此外，SHS-M2可能会成为一种新的可用于检测包括PD在内的神经退行性疾病发病风险的标志物。

2.2 H2S应用于PD动物实验的研究进展 实验证明，6-羟胺（6-OHDA）能显著抑制CBS，降低内源性H2S合成，造成帕金森症候群[18]。Xie等[19]应用6-OHDA诱导帕金森大鼠模型来研究左旋多巴供体衍生物-ACS84（同时可释放H2S）的神经保护作用。结果提示，相比于等浓度的左旋多巴和NaHS，ACS84改善6-OHDA诱导SH-SY5Y细胞损伤和氧化应激的效果更显著，其机制可能是：（1）ACS84释放H2S的速度较慢，能以更低的浓度达到更好的保护作用；（2）ACS84在细胞内通过线粒体释放H2S，进一步加强了内源性H2S作用的有效性；（3）ACS84与内源性H2S或CBS相互作用，产生更强的保护作用[20]。GSH-半胱氨酸连接酶（Gcl）和血红素氧合酶（HO-1）是与细胞应激防御系统相关的抗氧化酶，这两种酶的编码基因都包含抗氧化反应元件（ARE）。在抗氧化酶的表达过程中，转录因子NF-E2相关因子2（Nrf2）被活化，从胞质易位至细胞核绑定ARE[21]。ACS84能诱导Nrf-2向细胞核移位，提高GclC、GclM和HO-1的基因转录，证明了ACS84可通过激发Nrf-2／ARE通路增加抗氧化酶的表达，降低细胞氧化应激。此外，H2S可抑制尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶，有效降低活性氧（ROS）[22]。因此，上述实验证实外源性添加H2S能够有效降低神经元氧化应激，发挥有效的神经保护作用。

部分研究证明，PD患者体内高同型半胱氨酸血症的血清浓度升高[23]。Kamat等[24]研究了 H2S在 Hcy和神经血管功能障碍方面的神经保护作用。实验采用8～10周的野生型（WT）雄性小鼠构建实验模型，分为对照组、人工脑脊液组（aCSF）、Hcy和Hcy联合NaHS组。与对照组和aCSF组相比：（1）Hcy注射后能显著升高丙二醛、亚硝酸、乙酰胆碱酯酶活性、TNF-α、IL、胶质原纤维酸性蛋白、NO合成酶、内皮细胞NO合成酶，降低GSH水平，导致氧化、氮化反应，引起神经炎症。（2）Hcy注射后导致神经烯醇化酶S100高表达和神经突触蛋白低表达也会引起神经退变。（3）Hcy会引起白鼠大脑皮质及脑室周围区域的细胞损伤，进而导致细胞凋亡和神经退变。（4）Hcy组小鼠体内基质金属蛋白酶（MMP）9和 MMP2高表达和金属蛋白酶组织抑制剂-1（TIMP-1）、TIMP-2及其绑定蛋白表达降低，导致神经血管重构[25]。试验结论得出，PD患者脑组织内源性H2S合成减少，造成氧化应激水平升高，神经细胞不能正常摄取左旋多巴，导致神经退变。而外源性加入H2S能显著降低Hcy介导的氧化应激、记忆缺失、神经退变、神经炎症及神经血管重构。

神经毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）现象可能是黑质体炎性反应的潜在因素。暴露于MPTP的药瘾者患有进行性加重的帕金森症候群，尸解结果表明接触MPTP后所产生的炎性反应可持续17年之久。用猴子进行的模拟实验结果显示，最后一次毒物接触后猴脑黑质的炎症反应持续时间为14年，证明黑质炎症反应一旦被诱发就可能持续存在。Kida等[26]用MPTP诱导帕金森小鼠模型研究内源性H2S的神经保护作用。发现内源性H2S能有效降低运动障碍发生率，提高神经元对抗炎症能力，还可激发Nrf-2／ARE通路，上调抗氧化酶的表达。作者认为，内源性H2S可阻断MPTP诱导的神经退变，其机制可能与阻断黑质及纹状体内多巴胺能神经元的细胞凋亡有关。

3 结论及展望

内源性H2S作为体内重要的气体信号分子，在神经系统中发挥重要的生理作用，包括促进海马LTP，增强NMDA受体所介导的应答反应，诱导改变神经细胞钙通道和保护神经元等。大量实验证实，H2S在对抗氧化应激、神经炎性反应、记忆障碍、神经血管重构、神经退变等方面具有重要的神经保护作用，提示H2S对神经退变性疾病有潜在治疗作用。

尽管目前全球掀起了H2S与人体疾病研究的热潮，但目前对H2S与PD的相关性研究还很少，多处于初期探索阶段。很多问题亟待明确，如内源性H2S降低是否为PD的发病机制之一；通过什么途径导致PD，补充H2S是否能缓解或治疗PD，其作用靶点是什么；每日补充多大剂量H2S供体或达到什么血液浓度为佳；如何控制气体信号分子药物发挥作用的多元性；随着这些问题的破解，PD的防治定能揭开新的篇章。

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