硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的作用机制

2021-11-30王茜

国际心血管病杂志 2021年4期

王茜

H2S是继一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后被发现的第三种内源性气体信号转导分子[1]，具有维持体内稳态、诱导血管舒张和心脏保护作用[2-3]。

1 H2S的生物学特性

H2S 是一种无色、具有臭鸡蛋气味且易燃的水溶性气体。在哺乳动物组织中，H2S通过非酶促和酶促2种途径产生。H2S生物合成后，可以扩散到周围环境或存储在细胞中[4]。在非酶促途径中，由于从葡萄糖氧化获得的还原当量，元素硫被还原为H2S。每消耗2个分子的葡萄糖、3个分子的乳酸和二氧化碳，就会产生6个分子的H2S。然而，大多数内源性H2S来源于2种5′-吡哆醛磷酸化依赖酶的催化产物，这2种酶为胱硫醚-β-合酶(CBS)和胱硫醚-γ-裂合酶(CSE)。CBS和CSE需要L-半胱氨酸作为底物合成H2S[5]，抑制CSE和CBS会导致内源性H2S水平的显著减少。在哺乳动物组织中，H2S主要在线粒体中代谢。

2 H2S对心肌缺血再灌注损伤的保护作用

H2S是一种在心血管系统中起重要作用的内源性信号分子。在心脏中，H2S在成纤维细胞、心肌和血管中产生，由L-半胱氨酸在CSE、CBS和3-巯基丙酮酸硫转移酶(3-MST)的催化下形成。外源性或内源性H2S对缺血心肌均具有保护作用。Bliksoen等[6]发现抑制CSE可减少H2S的产生，导致大鼠心脏缺血再灌注损伤后梗死面积扩大。有研究发现，调节心脏的CSE与心肌缺血再灌注损伤有关，过表达CSE使H2S浓度增加，进而显著减少损伤区域；敲除CSE基因则使心肌缺血再灌注损伤加重[7]。

3 H2S的心脏保护作用机制

3.1 H2S的抗炎效应

心肌缺血引发的炎性反应，可减轻细胞损害并促进组织修复，是心脏自身修复必不可少的环节；但过度的炎性反应会导致细胞碎片和促炎性细胞因子增多，造成心肌损害[8]。H2S具有抑制白细胞黏附和外渗的作用[9]。Sodha等[10]采用心肌缺血再灌注损伤猪模型，在再灌注前10 min给予硫化物(NaHS)处理，可以减少白细胞浸润，降低髓过氧化物酶活性。

H2S能限制中性粒细胞黏附和激活，抑制白细胞外渗，并减少产自由基的炎性因子[如肿瘤坏死因子(TNF)-α]水平，进而减轻炎性反应。另外，心肌缺血再灌注损伤时肥大细胞脱颗粒可诱导炎性反应，肾素过度释放。已有研究表明，在炎性反应中，H2S可抑制肥大细胞激活和肾素释放[11-12]。

3.2 H2S的抗氧化作用

H2S还是一种强还原剂，研究表明H2S在预防和减弱氧化应激、减轻缺血再灌注损伤后的心脏损害方面都发挥重要作用[13-14]。Calvert等[15]采用心肌缺血再灌注损伤小鼠模型，预防性给予外源性硫化钠(Na2S)，结果发现H2S通过减轻氧化应激和线粒体功能障碍，防止心肌结构和功能恶化，改善左室功能。Ling等[16]报告外源性H2S促进核因子E2相关因子2(Nrf2)的核积累，并增强其他重要抗氧化剂如血红素加氧酶-1、超氧化物歧化酶及缺氧诱导因子(HIF)-1α的表达，促进Nrf2/HIF-1α信号通路活化。King等[7]发现，与野生型小鼠相比，CSE基因敲除小鼠在缺血再灌注时，具有较高的氧化应激水平，心肌缺血再灌注损伤加重。

3.3 H2S的抗凋亡作用

在缺血再灌注损伤实验模型中，H2S通过激活线粒体功能、抑制p38丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)信号通路激活，发挥抗心肌细胞凋亡的作用。其中，在暴露于低氧/复氧的原代培养大鼠心肌细胞模型中，H2S减少了早期Jun激酶(JNK)的磷酸化，使B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)表达增加，从而促进了抗凋亡作用。在心肌缺血再灌注损伤大鼠模型中，也检测到了较高水平的Bcl-2，表明H2S减弱了从高风险区域(AAR)分离的心肌细胞中胱天蛋白酶(caspase)-9的活性[17]。

在生理条件下，心肌缺血再灌注损伤会减少caspase招募结构域(ARC)磷酸化，从而增加细胞凋亡以及分子修饰，例如增加Fas和Fas配体(FasL)表达的以及增强caspase-3活性。H2S通过诱导ARC磷酸化和负调控Fas和FasL表达以及caspase-3活性，减少细胞凋亡[18]。此外，输注H2S还降低了凋亡诱导因子(AIF)的表达。在大鼠心肌缺血再灌注损伤大鼠模型中，H2S诱导缺血心肌中存活蛋白(Survivin)的蛋白和mRNA表达，从而阻止了线粒体介导的细胞凋亡过程[19]。

3.4 H2S促进血管生成

体外和体内研究显示低浓度的H2S暴露可诱导内皮细胞增殖和细胞迁移，提示H2S是血管生成的内源性刺激物[20]。在体内模型中，H2S处理48 h可诱导血管延长和血管分支增加；采用H2S合成抑制剂则使微血管的形成显著减少。此外，在伤口愈合模型中，通过增强内皮祖细胞的功能和激活血管生成素-1，H2S可改善伤口的愈合。在心肌缺血再灌注损伤的情况下，H2S的促血管生成作用可以改善缺血后心脏功能并减少梗死面积[21]。

4 H2S供体

H2S在多种生理及病理过程中发挥重要的调控作用，但是由于H2S具有挥发性，且其毒理效应浓度接近于生理和药理有效浓度，导致H2S在体内的有效浓度难以精确控制。因此，寻找安全、可控的H2S供体药物成为研发的主要方向。

4.1 含硫无机化合物

该类供体分子结构简单，主要为Na2S和NaHS，在水溶液中数秒内可完成释放H2S的过程，不受其他分子或药效团的干扰。然而，该类供体释放H2S的模式与生理状态下相对缓慢且持续的释放模式不同，而且瞬时过量的H2S释放会产生血压急剧降低等不良反应。硫化钙(CaS)是传统草药中的有效成分之一，口服CaS可在胃酸环境中分解更多的H2S[22]。

4.2 天然有机含硫化合物

多种植物中存在的天然有机含硫化合物是缓释型H2S供体。藻类、蘑菇、大蒜和洋葱通过化学转化和酶促反应可以形成H2S。大蒜具有调脂、抗菌、抗血小板、增强免疫、抗癌、抗诱变和抗增殖等作用。大蒜提取物还具有保护肝脏、保护神经和抗氧化的作用。完整大蒜中的主要含硫化合物是γ-谷氨酰基-S-烯丙基-L-半胱氨酸和S-烯丙基半胱氨酸(SAC)。

SAC是γ-谷氨酰基-S-烯丙基-L-半胱氨酸的主要转化产物，是一种可在血液中检出的硫氨基酸，被证实具有生物活性和生物利用度。已有研究报道SAC对神经系统和心血管系统的保护作用，在心血管系统中，SAC可显著降低急性心肌梗死大鼠的死亡率，减小梗死面积。S-丙基-L-半胱氨酸(SPC)和S-炔丙基-L-半胱氨酸(SPRC)是SAC的结构类似物。有研究报道SPRC在降低死亡率、增加细胞生存力、减小心梗死面积、降低乳酸脱氢酶和肌酸激酶水平和活性以及抗氧化特性方面表现出比SAC更强的心脏保护作用[22]。

4.3 人工合成H2S供体

目前已有多类人工合成的H2S供体，GYY4137是在基础研究中应用最早的硫代磷酸酯类化合物，可以通过水解作用在体内外释放H2S，释放速度受pH和温度的影响[23]，GYY4137释放H2S的过程相对较慢，在细胞培养中高于基线的H2S水平能保持超过7 d，动物实验给药后在血液中可维持2 h左右。GYY4137 具有舒张血管、抗高血压、抗炎、抗癌及维持肾功能等多种活性，且这些活性与其释放H2S相关。N-苄硫基苯甲酰胺是一类硫醇触发的H2S供体，是最常见的非水解触发的合成供体，在大鼠心肌缺血再灌注模型中，该供体可减少心肌梗死面积，具有心脏保护作用[24]。基于N-巯基(N-SH)设计的H2S供体在小鼠心肌缺血再灌注损伤模型中表现出显著的心肌细胞保护作用[25]。酯酶活化的H2S供体BW-HP-102可减轻心肌缺血再灌注损伤模型小鼠的心肌组织缺失[26]。