硫化氢在肺癌中的研究进展△

段炼，张爱洁

遂宁市中心医院基础实验室，四川 遂宁6290000

肺癌是中国发病率及病死率最高的恶性肿瘤，研究显示2015 年中国肺癌新发病例约为78.7 万例，因肺癌死亡人数约为63.1 万例。肺癌患者早期症状不明显，难以诊断，确诊患者大多病情严重。肺癌患者的临床治疗多采用外科手术联合放化疗，不良反应明显。因此深入研究肺癌，了解其发病机制和发展过程，并开发新型药物是必要的。近年来关于硫化氢的文献被大量报道，硫化氢也被称为继一氧化氮（nitric oxide，NO）和一氧化碳（carbonic oxide，CO）之后的第三个气体信号分子。研究发现硫化氢参与了呼吸系统多种生理及病理过程的调节，其在肺癌的发生和发展中都发挥了重要作用。本文通过近几年的文献报道，对硫化氢与肺癌临床特征的相关性和硫化氢在肺癌发生发展过程中的分子机制进行综述。

1 硫化氢的理化特点及代谢特征

硫化氢是一种无色带有臭鸡蛋气味的气体，能够被氧化生成单质硫、二氧化硫、硫酸盐等。硫化氢溶于水，存在以下电离平衡：HS ⇌H+HS、HS⇌H+S。在生理条件下（pH=7.4），70%硫化氢以HS形式存在，剩余为游离的硫化氢。硫化氢在有机溶液中具有更高溶解度，约为水中的5 倍，这使得硫化氢能够透过细胞膜。

某些细菌和古细菌以硫化氢作为能源物质生存，而在哺乳动物细胞中也发现了硫化氢的存在。研究发现大鼠血清中硫化氢浓度为0.2～40.0 μmol/L，脑组织中硫化氢浓度为50～160 μmol/L，红细胞也能代谢生成硫化氢。硫化氢的生成主要依赖于3种以半胱氨酸为底物的硫化氢合成酶：胱硫醚-β-合成酶（cystathionine-beta-synthase，CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine-gamma-lyase，CGL，又称CSE）和巯基丙酮酸转移酶（3-mercapto-pyruvate sulfurtransferase，3-MST/MPST）。3 种硫化氢合成酶的表达具有组织特异性。CBS 主要表达于神经系统，在肝脏、肾脏、肠道、子宫和胰岛中都有表达；CSE 主要表达于心血管系统，包括肺组织；而MPST 主要表达于线粒体中。此外机体还能通过非酶促反应生成硫化氢，通过葡萄糖氧化产生的还原当量还原单质硫产生硫化氢。机体内硫化氢通过线粒体中的氧化反应和细胞质中的甲基化进行代谢，还可以通过高铁血红蛋白和含有金属元素或二硫化合物的分子清除。硫化氢作为气体小分子，具有溶于水且能够透过细胞膜等理化特点，并且其广泛表达于机体组织，决定了其参与肺癌的发生以及自然病程的可能性。

2 硫化氢与肺癌临床特征的关系

硫化氢在包括呼吸系统在内的多种系统中都发挥了重要作用，参与了呼吸系统的多个生理过程，包括胎儿的肺血管和肺泡发育、呼吸节奏调节、肺循环、细胞增殖凋亡、纤维化、氧化应激和炎症等，其代谢异常与哮喘和慢性阻塞性肺疾病等急慢性肺病以及肺癌相关。

硫化氢对肿瘤的影响在不同部位肿瘤中存在差异，作用机制复杂。硫化氢在肺癌的发生与发展中起着重要的作用，研究发现肺癌组织中硫化氢合成酶和硫化氢产物表达量更高，且其表达情况与肺癌肿瘤大小、分化程度、临床分期和淋巴结转移有关。Wang 等在临床研究中发现肺癌组织中硫化氢含量为（213.8±88.4）nmol/L，癌旁组织中硫化氢含量为（73.6±37.7）nmol/L，肺腺癌组织中硫化氢合成酶

CBS

、

CSE

、

MPST

mRNA 表达水平更高，Western blot 和免疫组织化学结果显示，肺腺癌组织中CBS、CSE 和MPST 的蛋白表达水平也更高，并且CBS 和CSE 的表达水平与肺腺癌肿瘤大小、临床分期和淋巴结转移有一定相关性，而MPST 的表达与肿瘤大小相关，在其后续对人肺腺癌A549、95D、NCI-H1395 细胞和人正常肺上皮BEAS-2B 细胞的研究中也发现了类似结果。Szczesny 等在对肺腺癌的研究中发现，与癌旁组织相比，肿瘤组织CBS、CSE 和MPST 表达量更高，硫化氢含量更高，肺腺癌细胞系（A549、H522 和H1944）与正常肺上皮细胞系（BEAS-2B）相比，硫化氢合成酶表达量及硫化氢含量也更高。尹辉对125例肺癌标本进行分析发现，99 例肺癌标本CSE 表达阳性，20 例癌旁组织标本CSE 表达阳性，CSE 阳性部位主要集中在细胞质中并呈棕黄色表达，且其表达情况与临床分期和淋巴结转移有关，CSE 高表达患者5 年生存率明显低于CSE 低表达患者。鲍文华等对40 例肺癌组织标本进行分析发现，30 例肺癌组织CSE 阳性，10 例正常肺组织CSE 阳性，其表达与肿瘤大小及分化程度相关。上述研究表明硫化氢含量及硫化氢合成酶表达量与肺癌的部分临床特征具有相关性，但仍需扩大研究的样本量，与肺癌临床诊断指标进行对比，或者结合已有指标构建诊断模型，从而为肺癌的治疗与诊断提供研究资料。

3 硫化氢与肺癌的基础研究

3.1 细胞增殖

硫化氢能够影响肺癌细胞的能量代谢、增殖和凋亡。硫化氢本身即可作为一种电子供体，能够被线粒体基质中的硫醌氧化还原酶（sulfide quinone oxidoreductase，SQR）直接氧化成过硫化合物，该过程提供电子提高了线粒体膜电位，促进三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的合成，影响呼吸电子传递链。大量研究发现在低浓度和接近生理浓度时硫化氢能促进肺癌细胞增殖。Wang 等在对肺腺癌A549 细胞的研究中发现添加10、25、50 μmol/L NaHS 时能够提升细胞活力，而硫化氢合成酶抑制剂氨基氧乙酸（aminooxyacetic acid，AOAA）和DL-炔丙基甘氨酸（propargylycine，PAG）能显著降低A549 细胞活力，化学抑制剂（1 mmol/L AOAA 和3 mmol/L PAG）和基因沉默手段均能减缓细胞周期进程，促进细胞凋亡，抑制细胞迁移、侵袭和上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）过程。陈志全发现50、100、200 μmol/L NaHS 均能促进NCI-H1650 细胞增殖，且具有浓度依赖性。Szczesny 等发现AOAA 能够抑制A549 和H1044 细胞的生长。

硫化氢对肺癌细胞增殖凋亡的影响还与线粒体DNA 的修复有关。与核DNA 相比，线粒体DNA 具有更短的序列，修复系统更简单，其完整性对肿瘤细胞的存活极其重要。硫化氢能够通过修饰核酸外切酶G（exonuclease G，EXOG）促进肺腺癌细胞线粒体DNA 修复复合物的装配，从而增强线粒体DNA 的修复能力，提高线粒体DNA 的完整性。EXOG 是线粒体内的DNA 修复系统的关键酶之一。抑制硫化氢的产生能够抑制线粒体DNA 的修复功能，引起线粒体功能紊乱，增强对化疗药物的敏感性。AOAA 联合喜树碱（camptothecin，CPT）和奥沙利铂能够抑制A549 细胞的细胞活性，与CPT 协同作用能够诱导A549 细胞的凋亡，加重线粒体DNA 损伤，减少ATP 的合成，且AOAA 能够增强伊利替康对老鼠肿瘤生长率的抑制作用。上述研究表明抑制硫化氢合成酶能够对肺癌细胞的活性产生促进作用，其机制可能与能量代谢和线粒体DNA 有关，但硫化氢是如何影响肺癌细胞的呼吸电子传递链以及线粒体DNA 修复仍有待研究。

此外还有研究显示，外源性硫化氢在一定浓度下能够直接抑制肺癌细胞增殖，增加抗顺铂肺癌细胞对顺铂的敏感性，减轻镍化合物的致癌作用。Wang 等研究发现2000 μmol/L NaHS 处理能抑制肺癌细胞的细胞活力。Ma 等发现与顺铂敏感的A549 细胞相比，抗顺铂的A549/DDP 细胞中硫化氢产物含量更低，CBS 表达量也更低。200、400、800、1000 μmol/L NaHS 均能抑制A549/DDP细胞活性，呈浓度依赖性。800 μmol/L NaHS 处理能够增加A549/DDP 细胞对顺铂的敏感性，诱导细胞的凋亡，停滞细胞周期并抑制细胞的迁移和侵袭，其机制可能与细胞凋亡通路中p53 的激活，p21、caspase 3、B 细胞淋巴瘤/白血病-2 相关X 蛋白（B cell lymphoma/leukemia-2-associated X protein，BAX）和基质金属蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP2）的过表达，Bcl-xL 的下调有关。镍化合物是一种公认的致癌物质，也是环境污染的成分之一。Zhou 等发现NiCl处理人支气管上皮细胞能够抑制硫化氢合成酶CBS、CSE 和MPST 的表达，而外源性添加100 μmol/L NaHS 能够抑制NiCl对A549 细胞迁移能力的促进作用。该课题组在后续的机制研究中发现外源性的硫化氢可以通过调节转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/SMAD2/SMAD3 信号通路抑制NiCl诱导的EMT 和A549 细胞的迁移能力增强。需要注意的是，当外源性硫化氢发挥抗肺癌作用时，添加浓度均较高，这区别于前文中硫化氢促进肺癌细胞活性时的浓度，而硫化氢发挥抗肺癌作用的最佳浓度仍有待研究。文献已经揭示了硫化氢抗肺癌作用机制相关的部分通路，如凋亡通路和TGF-β1/SMAD2/SMAD3 信号通路，但硫化氢调节通路的具体作用机制并未阐明。

3.2 血管生成

肺癌的特征之一是血管生成，该过程为肺癌细胞的生长提供氧气和营养物质，并为肿瘤的转移提供可能。研究表明硫化氢能够影响血管生成，陶蓓蓓等发现硫化氢具有血管舒张因子的作用，能够降低血压，在缺血再灌注中保护心肌，减轻血管结构和功能的慢性病变，且能够通过激活血管内皮细胞生长因子受体2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）促进血管的生成。

在肺癌细胞实验中发现，外源性硫化氢能通过磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又称AKT）通路，上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达，促进血管生成，抑制硫化氢合成酶活性能够抑制裸鼠肿瘤的血管生成。硫化氢影响血管生成可能与缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）有关，HIF-1α是机体为了适应缺氧环境维持稳态的一类重要分子，在肿瘤血管生成中发挥重要的调控作用。硫化氢能够调节HIF-1α的表达，且与之存在正反馈调节作用。在A549 细胞中，外源性的硫化氢能够增加HIF-1α的表达，促进其进入细胞核的过程，缺氧诱导的HIF-1α能够促进内源性硫化氢合成酶的表达，而AOAA 和PAG 能够抑制HIF-1α的转录活性，同时HIF-1α抑制剂2-MeOE2 和基因沉默手段均能抑制硫化氢合成酶的转录活性，抑制硫化氢的产生。上述研究表明外源性硫化氢能够促进肺癌组织的血管生成，其机制可能与HIF-1α和VEGF 有关，但硫化氢是如何调节HIF-1α和VEGF 的仍需要进一步研究。

3.3 转移

肺癌细胞的侵袭和转移是影响肺癌患者疗效、预后的主要因素之一，并且都与EMT过程相关。研究发现，50 μmol/L NaHS处理后增加了A549细胞迁移和侵袭能力，加快其EMT过程，化学抑制剂和基因沉默手段均能抑制细胞迁移、侵袭和EMT 过程。肺癌的转移还与肿瘤细胞的免疫逃逸相关，Li等研究发现外源性硫化氢能够通过上调HIF-1α的表达水平促进非小细胞肺癌细胞程序性死亡受体配体1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也称PD-L1）的表达，使用HIF-1α抑制剂能够抑制PD-L1的表达。PD-L1 能够与T 淋巴细胞上的程序性死亡受体1（programmed cell death 1，PDCD1，也称PD-1）特异性结合，抑制T 淋巴细胞介导的细胞免疫，从而诱导肿瘤细胞的免疫逃逸。上述研究表明外源性的硫化氢能够影响肺癌细胞的转移和免疫逃逸，肺癌细胞中的硫化氢代谢可能会成为抑制肺癌细胞转移药物的靶点。

4 硫化氢与肺癌的治疗

有研究报道称非甾体抗炎药（non-steroidal anti-inflammatory drug，NSAID）引入硫化氢释放结构后对A549 细胞活性的抑制效果是单独给药的20倍以上，甚至3100 倍，在结肠癌细胞HT-29 的实验中发现释放硫化氢的NSAID 能抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡，并将细胞阻滞在G/G期。在阿司匹林中引入NO 和硫化氢释放结构能够明显抑制多种肿瘤细胞的生长活性，包括肺腺癌细胞、乳腺癌细胞和白血病细胞等。丙戊酸（valproic acid，VPA）对恶性肿瘤具有治疗效果，但其发挥抗肿瘤活性需要极高的药物浓度。在VPA 上引入硫化氢释放结构增强了对肺癌细胞生长和侵袭的抑制作用，并且通过线粒体途径诱导肺癌细胞凋亡，且能够增加肺癌细胞对化疗药物的敏感性。

5 小结

硫化氢在肺癌的发生与发展过程中扮演着重要角色，但仍存在诸多争议，硫化氢在低浓度或者生理浓度下能够促进肺癌细胞的增殖、分化和转移，高浓度下却能抑制肺癌细胞活性，这种效应可以用“钟型模型”进行解释，在其他关于硫化氢对肿瘤影响的文献中也有类似现象。在肺癌发展过程中硫化氢浓度变化及肺癌发展与硫化氢的关系仍然有待研究。硫化氢可以影响肺癌细胞的线粒体能量代谢及线粒体DNA 的修复功能，还可与HIF-1α形成正反馈作用，调节血管的生成和PD-L1的表达。硫化氢还能增加肺癌细胞对已有抗肿瘤药物的敏感性。

硫化氢在肿瘤预防、检测和治疗方面极具应用前景，但仍存在诸多问题。首先，很多研究使用的硫化氢供体（如NaHS）会在短时间内释放大量硫化氢，并不能保证长时间地提高硫化氢浓度，因此使用缓释的供体进行研究是有必要的。其次，硫化氢能够自由扩散进入细胞膜，其作用方式复杂很可能是通过多途径进行调控，仍然需要大量实验研究硫化氢是如何影响肺癌细胞，进一步揭示硫化氢在肺癌中的作用机制，以期发现新的治疗靶点。硫化氢抑制剂和添加了硫化氢释放结构的多种药物都展现了出色的抗癌效果，都可进一步开发成为临床抗癌药物，但其安全性及有效性仍需要进一步评估和深入研究。