硫化氢在呼吸系统疾病中的作用研究进展

程爱兰， 郑露露

(南华大学衡阳医学院肿瘤研究所 湖南省肿瘤细胞与分子病理学重点实验室，湖南省衡阳市421001)

研究表明，呼吸系统疾病是2017年全球致残和致死的第三大原因，仅次于心血管疾病和肿瘤[1]，其病变主要发生于气管、各级支气管及肺泡囊等末梢肺组织，典型的临床症状包括咳嗽、喘息、胸闷、胸痛，严重者可出现呼吸困难，甚至呼吸衰竭[2]，吸烟是主要危险因素[1]。在过去，人们一直认为H2S是一种对人体有害的气体，而在NO成为第一个被描述并应用于临床实践的气体信号分子之后，H2S也被报道为内源性产生的气体分子，具有广泛的病理生理功能，包括扩张血管以降低血压、启动血管的生成、对神经元作用的信号进行调节、维持糖代谢平衡等[2]。值得注意的是，H2S是一把双刃剑，具有保护与损伤双向作用。现有研究表明，H2S主要具有抗炎和抗氧化的作用，然而在某些情况下作用却相反，如发生脓毒症时，组织中快速释放的H2S能促进炎症的发生[3]。本文主要对H2S在呼吸系统疾病中的病理生理作用进行综述，并详细描述其在几种常见呼吸系统疾病中的重要作用。

1 H2S在肺内的合成途径

H2S在肺内的合成与胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase,CSE)及3-巯基丙酮酸硫转移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)这3种酶密切相关。在不同物种或不同细胞类型中，这3种酶的表达水平并不相同[4]。动物实验表明，在小鼠的肺部，CBS主要存在于气道血管和上皮细胞内，CSE主要在肺实质表达；而在人类呼吸系统中，气道平滑肌细胞和肺成纤维细胞可同时检测到CSE和CBS。在人体组织中，H2S的合成主要分为3条途径(图1)，其中最主要的途径是从甲硫氨酸出发，经过代谢转化成同型半胱氨酸，在CBS和CSE的共同催化作用下生成半胱氨酸和大部分内源性H2S。第二条合成途径是在CSE的催化作用下，胱硫醚分解或半胱氨酸的二硫键裂解后可以产生部分内源性H2S。第三条合成途径是以半胱氨酸为底物，在3-MST与半胱氨酸氨基转移酶(cysteine aminotransferase，CAT)的共同催化作用下，生成丙酮酸和部分内源性H2S[3]。

图1 H2S合成的3条主要途径

2 在呼吸系统中,H2S是一把双刃剑

2.1 H2S对呼吸系统的保护作用

在呼吸系统中，组织和细胞的氧感受器可根据H2S水平来平衡氧气的供应和需求，进一步保护肺功能[5]。另有研究表明，H2S可以通过去乙酰化酶(sirtuin1，SIRT1)依赖的方式改善肺泡上皮细胞线粒体功能，减少氧化应激，从而抑制香烟烟雾提取物诱导的细胞衰老和凋亡；还可以通过逆转SIRT1介导的氧化应激和上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)来阻滞香烟烟雾诱导的小鼠气道重塑，这些报道均表明H2S对吸烟引起的肺部疾病具有保护作用[6-8]。

据报道，吸入颗粒物(particulate matter,PM)，特别是直径小于2.5 μm的细颗粒物和超细颗粒物，可诱发肺血管内皮细胞氧化应激的发生，从而导致血管内皮完整性丧失和肺血管通透性增加[9]。Wang等[9]研究发现硫氢化钠(sodium hydrosulfide，NaHS)(H2S供体)可以显著降低跨内皮电阻并清除PM诱导产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，通过抑制 P38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPKs)和激活Akt两条途径维持内皮细胞的完整性。此外，研究还发现在小鼠肺部炎症模型中，NaHS(20 mg/kg)可以减少支气管肺泡灌洗液中PM诱导的血浆蛋白渗出、白细胞浸润和炎症细胞因子释放。这些均表明H2S有助于维护肺内皮细胞屏障，在PM诱导的肺部炎症中具有潜在的保护作用。

2.2 H2S对呼吸系统的损伤作用

H2S是一把双刃剑，在保护呼吸系统的同时也可导致其损伤(图2)。H2S对呼吸系统的损伤作用与其水平密切相关，高水平H2S可与线粒体中的细胞色素氧化酶结合，抑制呼吸链的氧化磷酸化，破坏能量代谢，最终导致细胞死亡并引起炎症反应。Wang等[10]研究表明H2S可引起Th1/Th2免疫失衡，抑制过氧化物酶体增殖物激活受体-δ(peroxisome proliferators-activated receptors-δ，PPARs-δ)/血红素氧合酶-1 (heme oxygenase-1，HO-1)的抗炎作用，进而加重脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的肺炎。

H2S也可以被许多细菌利用，如革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌可以通过分解或抑制产生H2S的酶来减少H2S的产生，进而导致对多种抗生素的敏感性下降，表明H2S可以增加细菌耐药性。此外，缺乏H2S的细胞会产生更多NO，而这两种气体的协同作用可诱导机体对抗生素的耐受性[11]。目前，细菌耐药是人类面临的重大医学问题之一[12]，深入研究H2S增强细菌耐药性的机制对控制耐药菌株的流行、发现药物作用的新靶点及临床治疗细菌感染性疾病具有重要意义。

图2 在呼吸系统中，H2S是一把双刃剑

3 H2S在常见呼吸系统疾病中的作用

3.1 H2S与急性肺损伤

急性肺损伤是各种致伤因素引起的肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质及肺泡水肿，导致急性低氧性呼吸功能不全，临床上表现为进行性低氧血症和呼吸窘迫。

H2S不仅可以作为急性肺损伤的预测因子，在预防和治疗急性肺损伤方面也发挥一定的作用。最新研究表明联合检测血浆白细胞介素-18(interliukin 18，IL-18)和H2S水平可以作为预测先天性心脏病患儿术后并发急性肺损伤的可靠指标[13]。有研究发现H2S能显著降低CBS和CSE的活性，减少炎症细胞因子和中性粒细胞在肺部的聚集，从而阻止LPS诱导的急性肺损伤进一步加重[14-15]。在LPS诱导的急性肺损伤中，H2S能够以浓度依赖性的方式降低IL-6和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)启动子组蛋白H3乙酰化的水平，从而抑制IL-6和TNF-α的产生[16]，进一步表明H2S在急性肺损伤中的抗炎作用。

此外，在多种因素(如脂多糖、肺缺血再灌注)诱导的小鼠急性肺损伤模型中，外源给予H2S供体NaHS可显著减轻急性肺损伤，而吸入H2S气体可抑制全身炎症反应，提高急性肺损伤小鼠的生存率[17]。Ge等[18]通过建立呼吸机相关性肺损伤大鼠模型并用H2S处理后发现，H2S可通过调控蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK) /真核起始因子2α亚基(eukaryotic initiation factor 2α，eIf2α)/激活转录因子4(activating transcription factor 4, ATF4)/生长抑制和DNA损伤蛋白34(growth arrest and DNA damage inducible 34, GADD34)通路抑制肺泡上皮细胞的自噬和内质网应激，减轻呼吸机相关性肺损伤。在臭氧诱导的肺炎及肺气肿小鼠模型中，NaHS可以通过调节Nod样受体家族3(NOD-like receptors, NLRP3)/Caspase-1、p38-MAPK和Akt通路来预防或逆转肺部炎症及肺泡腔内的肺气肿改变，但不能逆转臭氧引起的气流受限和支气管结构重塑[19]。这些动物模型实验也进一步表明H2S在预防和治疗急性肺损伤方面具有重要的潜在作用。

3.2 H2S与肺炎

肺炎是最常见的感染性疾病之一，常由病原微生物、理化因素、免疫损伤、过敏及药物引起，其中细菌性肺炎最为常见。

目前临床上常用血常规、超敏C反应蛋白(hypersensitive C-reactive protein,hs-CRP)、血清淀粉样蛋白A、降钙素原等检测指标来判断肺部炎症的严重程度，其中hs-CRP水平与肺炎严重程度呈正相关[20]。研究发现，在肺炎患者中，血清H2S水平与hs-CRP水平呈负相关，说明H2S与肺炎严重程度呈负相关；同时也发现需要抗生素治疗的患者血清H2S水平低于不需要抗生素治疗的患者[21]。上述结果表明血清H2S的水平可作为判断肺部感染严重程度的标志物以及指导抗生素使用的参考指标。

在病毒性肺炎的致病原中，呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是一种副粘病毒，是儿童上下呼吸道感染的主要病毒感染源之一。使用硫化氢缓释供体GYY4137和CSE产生胞内H2S后，发现RSV的感染能力降低，并且在富含H2S的气道上皮细胞中，病毒合胞体的形成和病毒组装及释放能力减弱，病毒的复制力也明显下降；H2S也可以抑制人偏肺病毒和尼帕病毒的复制和炎症趋化因子的产生。这些均表明H2S对副粘病毒感染有广泛的抑制作用[22-23]。

对于肺炎支原体等特殊的病原体导致的肺炎，Hu等[24]用外源性H2S处理肺炎支原体脂结合膜蛋白(lipid-associated membrane proteins,LAMPs)刺激培养的人单核细胞系THP-1后，发现H2S能够诱导人单核细胞HO-1的表达，降低肺炎支原体诱导生成的IL-6和IL-8水平，提示H2S可能在减轻肺炎支原体诱导的炎症反应中发挥重要作用。

3.3 H2S与肺结核

肺结核是一种严重危害人类健康的传染性疾病，主要致病菌是结核分枝杆菌(mycobacterium tuberculosis,MTB)，临床上联合用药是治疗结核病的常用方法，但随着耐药结核菌株的产生，探讨结核病发生及耐药的新机制迫在眉睫[25]。

各项研究表明，H2S能够影响MTB的生长和代谢，与MTB对化疗药物出现耐药密切相关。宿主产生的内源性H2S可以通过细胞色素BD氧化酶刺激MTB呼吸和生物能量代谢，从而促进细菌生长并加速疾病恶化[26]。另一方面，Rahma等[27]研究表明受MTB感染后的小鼠能产生过量的H2S，进而抑制糖酵解和降低HIF-1α、IL-1β、IL-6和IL-12的水平，导致中心碳代谢紊乱以及免疫反应失调，从而使MTB长期存在于宿主，导致结核病进一步加重。

3.4 H2S与哮喘

支气管哮喘，简称哮喘，是一种异质性疾病，主要特征包括气道慢性炎症，气道对多种刺激因素呈现的高反应性，多变的可逆性气流受限以及随病程延长导致的气道重构。目前，大部分哮喘患者可通过避免接触过敏原、抗炎、解痉、平喘等控制哮喘的发作[28]。

人血清、痰液和呼出的气体中均能检测到H2S，尽管目前还没有检测的金标准，但已有部分研究将H2S的检测实验用于哮喘患者[3]。Suzuki等[3]发现，与健康人群相比，病情稳定的哮喘患者血清H2S水平低于健康人群，而痰液中H2S水平与健康人群相比没有统计学差异，但是与急性发作期哮喘患者相比，痰液及血清H2S水平的差异完全相反，病情加重时痰液H2S水平升高，血清H2S水平降低，表明痰液中H2S水平可能与气道阻塞的程度有关。Zhang等[29]发现不同气道炎症类型的哮喘患者呼出的H2S水平也不同，虽然实验结果表明其有统计学意义，但是由于人体呼出气体中H2S含量较少，无法判断能否用于临床检测。以上研究表明血清和痰液中的H2S水平可能因病情变化(如急性加重)而变化，其可能成为预测哮喘患者当前的疾病控制情况以及疾病加重风险的预测因子。

此外，近几十年来中国儿童哮喘患病率呈明显上升趋势，患病年龄多在5岁以内，约20%的患儿有家族史，病情严重时可导致气道不可逆性狭窄及气道重构[30]。Tian等[31]研究发现哮喘患儿血清H2S水平和各项肺功能指标均显著降低，血清H2S水平与肺功能指标呈正相关，说明血清中H2S水平的降低可能是肺功能下降的标志，血清H2S水平可以作为一种肺功能辅助检查指标，用于儿童哮喘患者的辅助检查。

3.5 H2S与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种慢性进展性的肺部疾病，主要特征是持续且不可逆的气流受限和气道、肺实质及肺血管的慢性炎症。吸烟是COPD发病的主要风险因素，值得注意的是，吸烟者的血清H2S水平远低于非吸烟者[32]，两者之间是否存在相关性尚未可知。

NaHS作为H2S的供体，可通过抑制脯氨酰羟化酶2(prolyl hydroxylase domain 2，PHD2)/缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)/MAPK信号通路来抑制香烟烟雾诱导的小鼠COPD模型中肺泡上皮细胞炎症、损伤和凋亡，从而减轻香烟烟雾诱导的慢性支气管炎并改善肺功能[7]。另外，低水平H2S治疗也可通过抑制转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)通路有效改善肺功能，减少组织病理学改变、肺水肿和肺通透性，进一步减轻香烟烟雾诱导的COPD[33]，这些均表明了H2S在COPD患者治疗中的潜在作用。Guan等[8]也提出H2S可以通过SIRT1信号通路抑制氧化应激以及抑制TGF-β1介导的EMT来预防香烟烟雾提取物诱导的小鼠气道重塑，从而产生保护作用，更进一步表明H2S可能具有预防和治疗COPD的潜力。Zhang等[34]也提出H2S可作为COPD气道炎症表型的预测因子，研究发现根据呼出的H2S水平能够预测COPD患者是否为嗜酸性粒细胞表型，并且敏感性与特异性均良好，而嗜酸性粒细胞表型的COPD患者通常病程较长，肺功能较差，生存质量较差，提示了H2S在COPD患者预后评估中的重要性。

3.6 H2S与肺癌

原发性支气管肺癌起源于支气管黏膜或腺体，简称肺癌，其发病率和死亡率位于恶性肿瘤之首，以非小细胞肺癌为主，早期不易被发现，大多数患者在出现症状或就诊时已是晚期，预后极差[35]。

随着对肺癌病理机制研究的深入，人们发现H2S在肿瘤的发生发展中有着重要作用。研究发现不同水平的外源性NaHS均能促进人非小细胞肺癌细胞的增殖，并且具有浓度依赖性[36]。另一方面，H2S与肿瘤组织新生血管的形成也密切相关。研究显示，瘤体和瘤周组织中H2S水平明显增高，内源性H2S可以促进新生血管形成[37]。此外，H2S作为重要的气体信号分子，能够扩散到周围组织中，通过旁分泌作用刺激周围组织形成新生血管，其机制可能与HIF-1α和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)有关[38]。

肺癌的侵袭转移是影响肺癌患者疗效和预后的主要因素，且大多数情况下与EMT密切相关，有研究表明外源性增加NaHS能够促进EMT的发生，增加A549细胞的迁移和侵袭能力[39]。在抗肿瘤药物中添加干扰H2S的基团，靶向降低瘤体和瘤周组织中H2S水平，从而减缓血管生成、抑制EMT发生，最终实现抑制肿瘤进一步发生发展的目标，值得进一步分子药理学研究验证。另外，有研究表明在顺铂耐药肺癌细胞株A549/DDP中，CBS表达显著下调，H2S水平明显低于亲本株，而用NaHS处理A549/DDP后发现H2S水平升高，诱导细胞凋亡和细胞周期阻滞，抑制细胞迁移和侵袭，同时降低细胞的耐药性，表明提高H2S水平可能是治疗肺癌耐药的一种潜在治疗策略[40]。

4 总结和展望

H2S是继NO和CO之后发现的新型气体信号分子，可由机体内源产生，具有多种生物学效应，为维持机体稳态发挥重要作用。在呼吸系统中，无论是疾病的初步诊断，还是疾病的治疗预后，H2S都扮演着重要角色。尽管如此，H2S的检测手段、诊断的金标准、与抗生素耐药的关系等尚未明确，仍是未来值得探索的研究方向。此外，目前H2S供体作为产生外源性H2S的主要来源[41]，已成为最近的研究热点，需要做出更多的努力才能开发出在短时间内大量释放H2S并能长时间维持机体所需要的H2S供体水平。另外，不同水平H2S生物学功能是否一致，安全性能否保障等问题也需要进一步的评估和研究。最后，H2S在肺癌中的作用仍需更多实验去证实，并且除肺癌以外，H2S在其他癌症中的作用及作用机制也值得进一步深入研究，以期发现新的肿瘤治疗靶点。