硫化氢作为一种新型气体信号分子的研究进展

2021-01-10王秋艳

化学工程师 2021年9期

王秋艳

（天津大学药物科学与技术学院，天津300072）

H2S作为一种简单的气体分子，其强烈的毒性广为人知。H2S对人类的致死浓度在500×10-6以下[1]，而且在长时间接触之后就会麻痹人的嗅觉神经，使人失去感知能力，因而对人极为危险。

但最近的研究发现，H2S也会在人体内合成，并且内源性H2S会参与多条生理代谢途径，这也使得H2S在成为了继一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）之外的又一气体信号分子，也吸引了越来越多的人的关注。对于H2S在人体内的作为细胞信号通路调节信号的研究及相关应用也取得了巨大进展。本文对H2S的性质、合成途径、供体、生理活性和应用前景等方面进行了概述。

1 硫化氢的物理性质及生物合成途径

硫化氢（H2S）是一种无色、具有刺激性气味的气体，可溶于多种溶剂，且具有亲脂性，可穿过细胞膜。H2S水溶液具有弱酸性和较强的还原性，易于与氧化剂如O2等反应，金属离子的存在也会催化这一反应的进行，且在碱性条件下会进行的非常迅速，所以H2S水溶液在空气中不稳定。通常情况下水溶液中的H2S会以硫氢根阴离子（SH-）的形式存在，它可能会被氧化成为亚硫酸盐硫酸盐硫代硫酸盐、多硫化物（Sx），以及其他多硫氧化物[2]，而且H2S极易挥发，所以H2S水溶液稳定性较差。

在生理条件下，H2S以及SH-都是具有活性的存在形式。H2S会与线粒体酶结合从而抑制细胞呼吸，导致细胞凋亡。H2S会攻击眼睛、大脑等多种器官及呼吸系统等，暴露在极低浓度的H2S中极短时间都可能造成组织损伤，危及生命。

尽管H2S具有强烈的毒性，近年来的研究发现，在人体内也会生成内源性H2S并参与到细胞代谢当中。在人体内有3种酶负责合成内源性H2S，胱硫醚γ裂解酶（CSE）、胱硫醚β合成酶（CBS）和3-巯基硫转移酶（3-MST）。含硫氨基酸如半胱氨酸通常是H2S的生物合成来源，CBS和CSE可以催化半胱氨酸与高半胱氨酸（homocysteine）缩合产生H2S；也可以催化半胱氨酸脱硫产生丝氨酸、H2S，或H2S、丙酮酸和氨；3-MST则可以催化半胱氨酸氨基转移酶（CAT）分解得到的产物3-巯基丙酮酸盐（3 MP）分解，生成H2S和丙酮酸。这些转硫途径广泛地存在于人体的各类组织细胞之中[3]，CBS主要存在于神经系统中，CSE主要存在于心血管系统中，3-MST则大多位于线粒体；这也说明了H2S普遍的存在于各类细胞中，参与了多项的生理代谢过程。

2 H2S的生理活性

近年来，H2S的信号传递作用受到了越来越广泛地关注。研究发现，低浓度的H2S具有抗氧化、抗炎、促进血管扩张、抗肿瘤等多种治疗作用，也成为了一种新型的靶向给药的研究对象。

H2S作为一种较强的还原剂，具有很好的抗氧化活性。除了可以直接与活性氧簇（ROS）反应外，H2S还可以通过还原胱氨酸促进半胱氨酸的生成，并改善细胞内半胱氨酸的转运，从而提高细胞内谷胱甘肽（GHS）的水平并促进其迁移到线粒体中[4]。作为细胞内一种重要的抗氧化剂，谷胱甘肽在稳定细胞内的氧化还原水平，保护酶等蛋白质的功能等方面具有重要意义。所以提高细胞内谷胱甘肽（GHS）的水平可以进一步缓解细胞内的氧化压力，降低线粒体功能紊乱引发的细胞凋亡的可能性。

此外，H2S可以参与血管扩张效应，通过激活ATP敏感的K+通道（K+ATP），使血管平滑肌舒张，同时抑制白细胞粘附在血管内皮细胞上，并可以诱导中性粒细胞凋亡从而发挥抗炎作用[5]，不仅可以起到镇痛效果，也对高血压和心力衰竭具有治疗作用，可以减少心肌炎症的产生，保护心血管系统。

H2S还可以与多种血红素蛋白，如细胞色素C氧化酶（CcO）、肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）内部的金属离子或半胱氨酸发生反应，调节酶的活性，减少O2的运输和ATP的产生，从而调节细胞内部的氧化还原状态[6]。H2S可以通过改变细胞色素C氧化酶中心的化学构型来抑制酶的活性，从而减少ATP的产生；而与肌红蛋白和血红蛋白结合后的衍生物对O2的亲和力降低，从而减少细胞中氧的运输，抑制细胞的代谢活动。

H2S对癌细胞的作用则更为复杂。一方面，在多种不同的癌细胞中发现了CBS，CSE或3-MST的过度表达[7]，这可能促进了癌细胞的增殖，因为它们的表达引起了癌细胞中H2S浓度的增加，可能会激活部分细胞信号通路，促进细胞的增殖；而同时，以此为靶点的治疗方法则可以通过降低酶的表达水平，抑制肿瘤细胞的增殖和迁移从而抑制肿瘤生长或者提高抗肿瘤药物的效果，因此也成为癌症研究中的十分具有开发潜力的研究方向之一。另一方面，如果外源性给予较高浓度的H2S，则可以引发癌细胞的凋亡，起到抗肿瘤的作用[7]。因此H2S也是一种潜在的抗癌药物，但是作为一种气体，在实践中如何精确的控制给药的剂量也是一个需要考虑的难点；使用合适的掩体或者供体等方式将H2S固化则是一种解决途径，因而也有越来越多的H2S供体被开发和利用。

3 H2S的供体

随着人们发现H2S对于许多疾病具有潜在的治疗作用，对开发相关药物的需求也越来越强烈。但是H2S作为一种气体，难以精确的测量，操作不便；同时其剧烈的毒性也增加了给药的难度，因此，适合的H2S供体成为了研究的一个重要方向。H2S供体是一类可以在一定化学反应条件下释放H2S的分子，现在常见的H2S供体大致包含以下几类：

3.1 无机硫化盐

NaSH和Na2S是两种广泛使用的H2S供体，二者在生理pH值条件下能够水解，在短时间内释放高浓度的H2S，是结构简单的、成本低、容易获得的一类供体。实验证明，通过外源性注入NaSH溶液来提高血浆中H2S浓度，可以增加血管平滑肌的KATP通道的电流，使细胞膜超极化，从而舒张血管，降低了大鼠的血压[8]，说明H2S是一种重要的血管活性因子。而向大鼠注入NaSH来提高细胞内的H2S水平，可以通过调节细胞内IL-6，IL-8，IL-10等炎症因子来治疗急性肺损伤[9]，对研究其发病机制也具有重要意义。此外，因为阿尔兹海默症患者大脑细胞内的H2S水平显著降低，而使用NaSH增加细胞内H2S可以抑制蛋白质氧化和氧化性物质的产生[10]，也使得它成为了治疗阿尔兹海默症的潜在药物选择之一。然而，因为无法控制释放的过程，短时间内暴露于过高浓度的H2S下会引起组织损伤，所以限制了无机硫化盐在临床方面的应用。

3.2 劳森试剂及其衍生物

劳森试剂（Lawesson's reagent）是一种常见的用于合成巯基取代的醇、酮、酯、酰胺化合物的试剂[11]。与硫化盐相比，劳森试剂释放H2S的速度更慢，具有更有效的发挥H2S对抗氧化应激和修复胃肠道损伤的作用[12]；但是劳森试剂的水溶性更差，这一点限制了它的应用；而劳森试剂的衍生物GY4137则拥有更好的水溶性，能通过在血浆中持续的释放H2S来降低小鼠的血压[13]，对于多种癌细胞的生长也能起到抑制作用[14]，也成为了一种具有潜在应用价值的H2S供体。

3.3 羰基硫化物（COS）和COS供体

羰基硫化物（COS）是人体内H2S代谢途径的中间产物之一，可以被普遍存在的碳酸酐酶（CA）催化分解产生H2S[15]，因此，它可以作为一种中间体在人体内传递H2S。而多种化合物可以在光或含巯基催化物的作用下释放羰基硫化物，那么这些COS供体也可以作为间接的H2S供体。如N-二硫代琥珀酰胺可以在GSH或半胱氨酸的催化下释放H2S，发挥有效的抗炎作用[16]，说明COS及其供体也可以作为有效的H2S提供者。

3.4 可释放H2S的药物

由于H2S具有较好的的抗炎作用，对胃肠道的保护功能，以及潜在的抗肿瘤作用，与非甾体类抗炎药物（NSAID）相辅相成。如果对于这类药物进行一定的化学修饰使其可以在人体内释放H2S，则能够赋予它们额外的治疗作用，如提高药物原本的抗炎活性，减少对胃肠功能的损伤，以及抗氧化应激等，是H2S应用于临床治疗的一种重要方法。

4 H2S的应用

由于H2S被证实具有许多潜在的治疗作用，也有越来越多的实验将H2S应用于多种疾病的治疗方法之中，也逐步扩大了H2S应用于临床治疗的可能性。

4.1 对非甾体类抗炎药物的化学修饰

由于H2S是炎症的内源性调节因子之一，如果对非甾体类抗炎药进行适当的修饰使其可以在人体内释放H2S，不仅可以提高药物本来的抗炎效果，还能减少其副作用。

阿司匹林（Aspirin）作为一种常见的非甾体类抗炎药，最大的副作用就是对胃肠道的损伤。Sparatore等人[17]利用5-（4-羟基苯基）-3-氢-1,2-二硫醚-3-硫酮（ADTOH）和N，N-二异丙基乙胺（DIPEA）对乙酰水杨酰氯进行修饰，得到可以释放H2S的阿司匹林衍生物ACS14。它与阿司匹林具有相同的血栓素抑制活性和前列腺素抑制作用，同时胃损伤较小。因为当H2S释放后会引发GSH的增加，异丙醇的减少，从而缓解了阿斯匹林造成的细胞内的氧化还原失衡，减轻了胃肠道的负担。Pircher等人也发现[18]通过这种修饰，使其释放H2S，可以增加胃粘膜的血流量从而减少药物本身对胃黏膜的损伤，同时发挥了更强的抗炎作用，也没有影响其抗血小板凝聚的抗血栓作用。说明引入H2S的修饰手段优化了阿斯匹林的治疗效果。

萘普生也是一种常见的非甾体类抗炎药物，其衍生物2-（6-甲氧基萘醌）-2-基）-丙酸-4-硫代氨基甲酰苯基酯（ATB-346）也能在保留了原本的药理作用的同时，通过释放H2S来降低本身对胃肠道及心血管的伤害[19]，不仅对炎症和疼痛的治疗效果更好，也提高了药物的安全性。

4.2 对心肌缺血再灌注损伤及心肌梗塞的治疗作用

H2S对血管的舒张作用使得它成为一种潜在的对心肌功能具有保护作用的药物。Elord等人[20]研究发现，H2S对小鼠模型的心肌梗死具有改善作用，因为H2S不仅可以减轻心肌细胞的炎症反应，还可以保护线粒体功能的完整性，抑制活性氧的产生，降低了心肌梗死后细胞凋亡的比例。这表明，H2S对急性心肌梗死（AMI）具有一定的治疗作用和广泛的研究前景。

4.3 对肿瘤细胞的抑制作用

H2S参与多条细胞信号通路的调节，但对细胞凋亡及肿瘤生长的作用机制一直以来都没有得到明确的阐述。近年来，人们发现主要的影响因素可能是H2S的供体选择以及在细胞内的有效浓度。由于外源性H2S无法直接给药，理想的方法是利用合适的化学修饰对H2S进行掩蔽。

Deng等人[21]对可释放H2S的化合物GYY4137的抗癌活性进行了一系列研究，证明GYY4137在引起多种不同的癌细胞系（乳腺癌细胞MCF-7，急性早幼粒细胞白血病细胞MV4-11，粒单核细胞白血病细胞HL-60，宫颈细胞癌HeLa，结肠直肠癌细胞HCT-116，肝癌细胞Hep G2和骨肉瘤细胞U2OS）细胞凋亡的同时并未对人正常纤维细胞（WI-38和IMR90）造成影响，说明H2S可以特异性的诱导癌细胞凋亡。这可能是由于H2S干扰了癌细胞的细胞周期，引发了细胞凋亡。同时GYY4137使小鼠体内的肿瘤体积明显减小，说明这类H2S缓释化合物具有抗癌活性。

上文提到，经过修饰，可释放H2S的非甾体抗炎药具有更好的抗炎效果和更低的副作用。Kashfi等人发现[22]，4种释放H2S的非甾体抗炎药（HS-NSAIDs）能够抑制包括结肠癌、乳腺癌、前列腺癌以及肺癌等多种癌细胞系的生长，其效果强于普通的NSAIDs。并且其作用机制在不同的细胞中也会有所不同。这也进一步扩展了H2S的应用范围，丰富了其在癌症治疗中的给药方式，表明H2S是一种很有前途的抗癌药物。