硫化氢对阿尔茨海默病的保护作用研究进展

魏海军，张庆丽，王玥，胡亚，赵美

（湖南环境生物职业技术学院 医学院，湖南 衡阳 421005）

硫化氢（Hydrogen sulfide，H2S）以往被认为是一种有毒气体。然而，在1996 年，科学家首次证明生理浓度的H2S能够促进海马长时程增强效应（LTP），并且可选择性增强N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体介导的反应［1］。自此，在中枢神经系统（CNS）中，H2S 的生理功能日益增多地被发现。由此，H2S 被公认为是人体内一种新的信号分子及神经调质［2］。

阿尔茨海默病（Azheimer’s disease，AD）的发病和年龄有关，年龄越大，发病率越高，很多中老年人在发病初期容易被忽视，因为在早期它的临床症状不是很明显，是一个缓慢进展的过程。在人口老龄化加速的背景下，AD 的发病率也在剧增［3］。因而，探究AD 的治疗方法具有现实的科学意义。科学家证实H2S 稳态的失调与AD 的病理过程有关，并且研究表明，在AD 实验模型中，H2S 不仅能抑制神经元损伤，而且能够减轻认知功能障碍［4］。本文就硫化氢在阿尔茨海默病中的保护作用及其机制进行总结分析，以期为硫化氢成为治疗阿尔茨海默病的新手段提供研究依据。

1 内源性H2S 水平的改变与AD 发病机理有关

AD 的发病和年龄呈正相关，随着年龄的增长，大脑皮层和海马的生理功能会受到影响，进一步引起认知功能障碍［3］。Zhang 等［2］报道，H2S 的产生主要是以高半胱氨酸（Hcy）L 型和半胱氨酸（Cys）为底物。并需要胱硫醚γ-裂解酶（CSE）和胱硫醚-γ-合成酶（CBS）这两种酶的催化。CSE 主要在心血管系统生成，而CBS 主要在中枢神经系统（CNS）产生，因此，CBS 被认为是CNS 中H2S 的主要生理来源。Morrison 等人［1］首次发现 AD 患者的脑中 S-腺苷甲硫氨酸（一种CBS激活剂）水平严重降低。Dwyer等［5］报道，AD 患者脑中 Hcy 含量增加是由于 CBS 和CSE 介导的连接高半胱氨酸（Hcy） 和谷胱甘肽（GSH）的转硫途径被破坏，并且转硫途径中CBS 的功能障碍可能导致AD 中H2S 产生的减少。此外，本实验小组［6］研究发现，在大鼠肾上腺髓质嗜铬瘤分化细胞株（PC12）细胞中，Hcy 的神经毒性与内源性H2S的产生受到抑制以及CBS的表达和活性下调有关。Mohit等［7］报告，在注射Hcy 的动物血浆、皮质和海马中，Hcy 水平显著升高，并观察到动物记忆功能的逐步下降，这伴随着内源性H2S 水平的降低，以及CSE 和CBS 活性的降低。基于以上研究提示，AD的发病机理与内源性H2S 生成减少有关。

2 H2S 对 AD 的保护作 用

2.1 H2S 在细胞实验AD 模型中的保护作用

Green 等［8］发现，AD 大脑的颞叶和额叶皮质中次氯酸（HClO）水平升高。而在人神经母细胞瘤（SHSY5Y） 细胞中，Whiteman 等［9］发现，硫氢化钠（NaHS，H2S 的供体）可显著抑制HClO 诱导的细胞内蛋白氧化和脂质过氧化作用。这提示H2S 在AD 的病理进程中起到保护作用。β-淀粉样蛋白(amyloid beta,Aβ)是 AD 发病的一种危险因素［10］。Tang XQ 等［10］研究指出，H2S 可抑制Aβ诱导的PC12 细胞损伤，与其减少线粒体膜电位的损失和抑制细胞内活性氧（ROS）的含量有关。此外，在PC12 细胞中，H2S 可降低淀粉蛋白前β-分解酶1（BACE-1）mRNA 和蛋白水平以及抑制 Aβ1-42 的释放［11］。Schreier 等［12］发现，在SH-SY5Y 中，H2S 能拮抗脂质氧化产物4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)引起的细胞毒性，在重症AD 患者的大脑中这种作用明显增加。研究发现［13］，高同型半胱氨酸(Hcy)血症是参与AD 病理进程的重要因素。而 Tang XQ 等发现［14］，H2S 可抑制 Hcy 诱导的PC12细胞神经毒性。因此，干预H2S可能对AD 的治疗具有潜在的价值。

2.2 H2S 在动物实验AD 模型中的保护作用

研究表明，H2S 可改善脑缺血引起的空间学习和记忆障碍［15］并增强突触可塑性和脑缺血大鼠海马中生长相关蛋白43（GAP-43）的表达［16］。 在AD 大鼠模型中，Xuan 等人［17］报道， H2S 可减轻 Aβ1-40 诱导的学习和记忆障碍。这些发现提示H2S 在调节AD学习和记忆缺陷中具有保护作用。AD 的一个突出表现是神经炎症，而常见的诱因是细菌内毒素脂多糖（LPS），LPS 的作用途径是通过产生肿瘤坏死因子（TNF）-α和其他细胞因子，并通过增加细胞内Aβ和淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein,APP)的含量进一步加速 AD 的进展［18］。Gong QH 等［19］报告指出，NaHS 可以明显减轻LPS 引起的神经炎症，神经元超微结构损伤和认知缺陷。本实验小组［20］研究发现H2S 可通过减少谷胱甘肽（GSH）和醛脱氢酶2（ALDH-2）的上调反应性醛的积累来减轻Hcy 引起的认知功能障碍。这表明H2S 可能是治疗与神经炎症相关疾病（例如AD）的潜在药物。综上所述，H2S可拮抗AD 的病理进展，进一步探索新的H2S 调节剂具有重要意义。

3 H2S 调节剂在治疗AD 方面的作用

H2S 可通过大蒜中的多硫化物以非酶途径产生，例如S-烯丙基半胱氨酸（SAC）［21］。据报道，含有SAC的大蒜化合物可减轻Aβ诱导的细胞凋亡［22］。此外，在具有瑞典双突变的AD 转基因模型中,大蒜提取物已被证明具有抗Aβ产生、抗炎和抗缠结的作用［23］。S-炔丙基-半胱氨酸（SPRC）作为SAC 结构类似物,是一种可用于调节内源性H2S水平的新型药物［21］。Gong QH［24］等研究表明，SPRC 减轻了LPS 引起的大鼠认知损伤。此外，SPRC 可抑制Aβ25-35 引起的认知功能障碍和神经元超微结构损害［25］。综上所述，H2S 调节剂（例如SAC 和SPRC）在治疗AD 方面有重要研究价值。

4 H2S 对 AD 的保护作用机 制

4.1 抗氧化的作用

氧化应激是AD发病的机理之一。研究发现［9,26］，浓度为25～250（umol/L）的NaHS 不仅可提高神经元的活性，而且可防止谷氨酸、次氯酸和过氧化氢引起神经元的氧化损伤，NaHS 的这种作用主要是通过增加谷胱甘肽（GSH）的含量。H2S 还可通过提高GSH 的水平来保护永生的小鼠海马细胞系（HT22）免受谷氨酸的氧化毒性［27］。Schreier等［12］认为，H2S可通过调节大脑中羟基壬烯醛(HNE)的高反应性α，β-不饱和醛的作用而成为抵抗羰基应激的重要保护元素。此外，本研究小组［28］发现，内源性一氧化氮合酶（NOS）抑制剂不对称二甲基精氨酸（ADMA），可拮抗1-甲基-4-苯基吡啶离子（MPP+）诱导的神经毒性。其机制是通过上调内源性H2S 的生成，从而减弱MPP+触发的细胞内活性氧（ROS）积累。此外，据报道［29］，茴香脑三硫酮氢氧化物（ADTOH）,是一种缓慢释放H2S 的供体，它通过清除ROS，可有效保护视网膜神经节细胞（RGC-5）免受谷氨酸与丁硫氨酸肟（Glu/BSO）联用的毒性损伤。综上所述，H2S的抗氧化作用在治疗AD 中具有重要意义。

4.2 抗凋亡的作用

Waldmeier 等［30］表明，凋亡在神经发育和神经退行性疾病中发挥作用。神经退行性疾病的一种可能的治疗方法是中断信号网络连接凋亡的降解。研究发现低浓度（＜300umol/L）的NaHS 可保护PC12细胞免受Aβ和Hcy 引起的凋亡［10,14］。甲醛（FA）的积累也与 AD 的发病有关［31］。本实验小组［32］的数据表明，NaHS 通过减弱ROS 积累、上调凋亡相关基因Bcl-2 水平和下调凋亡相关基因Bax 表达来保护PC12细胞免受FA诱导的细胞毒性和细胞凋亡影响。此外，本研究小组［33］发现，西地那非的衍生物ACS6(H2S供体)可保护PC12 细胞免受Hcy 诱导的细胞毒性和凋亡的影响。H2S 的抗凋亡作用主要归因于线粒体功能的保留，比如ACS6 可保护PC12 细胞免受Hcy 诱导的细胞毒性和细胞凋亡影响，其机制是通过抑制线粒体膜电势(Δψm)的丢失和ROS 的积累以及调节Bcl-2的表达。可见，H2S 的抗凋亡作用是其参与AD 保护的重要原因之一。

4.3 抗炎症的作用

神经炎症是参与AD 发病机理的关键因素［34］。Koenigsknecht 等人［34］提出，肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平的升高可能会抑制 AD 大脑中Aβ的吞噬细胞，并导致认知功能障碍。因而，研究抑制神经炎症的新方法对于减缓甚至中断AD 的发展具有重要价值。Hu 等人［35］发现,NaHS 可减少原代培养的小胶质细胞和星形胶质细胞中LPS 释放的产物以及减少一氧化氮（NO）和TNF-α的释放，表明H2S在神经炎相关疾病的治疗中具有重要意义。H2S这种抗炎作用的机制是通过抑制一氧化氮合酶（iNOS） 和 p38 MAPK 信号通路［35］。Lee 等人［36］报道,小胶质细胞和星形胶质细胞的炎性激活可诱导核因子-κB（NF-κB） 以及引起炎性介质TNF-α、白介素（IL）-6、亚硝酸盐离子的释放和H2S合成的下调，然而，通过用NaSH预处理细胞可部分逆转这些作用，表明H2S 是一种内源性抗炎和神经保护剂。并且，NaHS 可通过抑制 p38 MAPK 和 p65 NF-κB 活性来显著改善Aβ1-40诱导的IL-1β和TNF-α过度表达以及海马中广泛的星形胶质细胞增生和微胶质增生［17］。Lee等［37］发现，NaHS 可改善鱼藤酮导致的 SH-SY5Y 细胞活力下降。此外，NaHS 能减弱LPS 诱导的大鼠神经元超微结构损伤及认知功能障碍，其机制是通过抑制TNF-α和重组人1型肿瘤坏死因子受体（TNFR1）的产生以及抑制LPS 诱导的NF-κB 抑制蛋白α(IκB-α)降解和 NF-κB 活化［19］。Lee 等［37］发现，用三种释放H2S 的化合物即茴香脑三硫酮氢氧化物（ADTOH）、S-双氯芬酸和S-阿司匹林进行预处理，可抑制由于星形胶质细胞和小胶质细胞活化引起的促炎性因子NO、TNF-α和 IL-6 的释放。此外，研究表明［24-25］，SPRC可通过抑制TNF-α、TNFR1 的产生以及IκB-α的降解和 p65 NF-κB 的激活来减弱 LPS、Aβ25-35 引起的神经元超微结构损伤和认知功能障碍。以上报道提示，H2S 的抗炎特性是拮抗AD 的可能机制之一。

4.4 H2S 可通过上调SIRT1 表达以拮抗AD

沉默信息调节因子1（Silent information regulator,SIRT1）在许多与衰老有关的过程中起到调节作用，比如调节氧化应激、代谢控制和昼夜节律［39］。Kim等［40］指出，SIRT1在AD 模型中的过表达起着神经保护作用。并且，在小鼠的突触可塑性和正常学习、记忆中，SIRT1是必要条件［41］。此外，已经发现SIRT1通过miR-134 介导的机制调节突触可塑性和记忆形成［42］。Chen J 等［43］指出，SIRT1 脱乙酰基酶的过表达和白藜芦醇具有神经保护作用，其机制是通过降低Aβ刺激的NF-κB 信号传导。此外，有证据表明SIRT1 通过抑制RelA/p65 蛋白的反式激活潜能来增强对 TNF-α的凋亡［44］。Qin W 等［45］认为，调节 SIRT1的表达及活性可能通过卡路里限制（CR）来减弱AD大脑中的淀粉样蛋白含量。SIRT1 可以通过激活α-分泌酶基因ADAM10 来抑制Aβ的产生［46］。最重要的是本研究小组［47］发现，在高半胱氨酸（Hcy）诱导的AD 大鼠模型中，H2S 可通过增加SIRT1 的表达拮抗Hcy 诱导的大鼠记忆和学习功能障碍，这与SIRT1抑制海马内质网应激有关。因此，我们认为H2S 可抑制AD 的病理进展,这与H2S 上调SIRT1 表达有关。

4.5 H2S 可能增强Klotho 表达以拮抗AD

年龄增长是引起AD 发病的最重要危险因素。人群中，超过85 岁后，将近一半患有AD，超过65 岁后，有八分之一患有AD。因此，研究对抗衰老的因素很重要［48］。长寿基因可罗索（Klotho）具有抗衰老特性，其机制与其对炎症的抵抗力增强有关［49］。据报道，正常衰老的猕猴脑白质中Klotho 的表达下调［50］。并且来自AD 小鼠模型大脑中Klotho 的表达低于其年龄匹配的同窝幼仔［48］。此外，研究已经确定Klotho是淀粉样蛋白前体蛋白（APP）的生理目标，APP受β-分泌酶裂解的可溶性APP（APPsβ）的调节，与APP的发育功能无关［51］。细胞外APP加工产生APP胞外域衍生物可通过促进Klotho 表达以抑制衰老过程中Aβ的神经毒性［51］，这表明APP 介导的信号通路可能在维持Klotho 水平中起重要作用。据报道［52］，在慢性环孢素肾病实验模型中，血管紧张素II可阻断Klotho 的表达上调。同时，H2S 可抑制血管紧张素II的生成，其机理是直接减弱血管紧张素转化酶（ACE）的活性［53］。因此，H2S 可能通过减弱ACE 活性来调节Klotho 的水平。基于以上研究，表明H2S 可能通过增强Klotho 表达而成为AD 的潜在疗法。

5 总结与展望

H2S 是一种神经调质，对人体多个系统的生理功能调节都起着至关重要的作用，受到科学家的广泛关注。本文总结分析了H2S 对阿尔茨海默病（AD）的神经保护作用及其机制。H2S 对AD 保护作用的机制包括抗氧化，抗凋亡和抗炎症作用，以及上调SIRT-1 表达和增强Klotho 表达。大量研究证实H2S 可能作为AD 的潜在治疗药物。然而，目前H2S 在AD 中的作用及其机制研究还不够深入，需要进一步探究。研究H2S 在中枢神经系统中的生物学作用有助于了解AD 的病理生理，并为开发基于H2S 这种气体递质的新型药物去治疗AD 提供科学依据。