硫化氢与炎性关节病相关研究进展

叶开祺　茅建春

【摘 要】 硫化氢是一种气体信号分子。近年来研究表明，内源性硫化氢是一种重要的炎症介质，外源性和内源性硫化氢能够影响机体的炎症反应，具有促炎和抑炎的双向作用。硫化氢作为炎症介质和其本身的生物效应在炎性关节病中具有重要意义，定义硫化氢在炎性关节病中的机制将有助于我们更好地了解疾病本质，并帮助针对这些疾病开发新治疗方法。

【关键词】 炎性关节病；硫化氢；炎症介质；研究进展；综述

硫化氢是一种无色、有毒、有臭鸡蛋气味的气体。通过近几年研究，硫化氢的概念已经从有毒的废气转变为体内与生理病理密切相关的信号分子。内源性硫化氢主要由胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）、胱硫醚-β-合成酶（CBS）和3-巯基丙酮酸硫转移酶（3-MST）催化产生［1］。CSE和CBS催化半胱氨酸生成硫化氢，3-MST与半胱氨酸氨基转移酶共同作用生成硫化氢。其他内源性硫化氢的生成途径还包括葡萄糖的糖酵解和还原谷胱甘肽和硫元素等［2］。

硫化氢是一种亲脂性分子，无需特定的转运蛋白即可穿透细胞膜，因此它可以迅速扩散到细胞质内针对各种靶点发挥作用，充当体内生理病理过程的气体介质，发挥生物效应［3］，清除活性氧（ROS）和活性氮（RNS），或者过硫化反应［4］。以往的众多研究报道了其在体内炎症反应的作用［5-7］，例如败血症、气道炎症、结肠炎、炎性关节病、神经炎症等。硫化氢在炎性关节病中具有重要作用，是未来治疗炎性关节病的潜在靶点之一。

慢性炎症是炎性关节病的主要特征之一，慢性关节炎症给不同年龄阶段人群的生活质量带来了巨大影响。硫化氢对关节炎症的影响具有双向性［8］，在不同浓度和不同硫化氢供体条件下，它可能是关节炎致病环节之一，也可能是潜在的治疗靶点。

1 硫化氢与炎性关节病

1.1 硫化氢与类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA） RA是一种慢性炎症性自身免疫疾病，主要侵蚀关节和周围组织，若没有及时诊治，将会引起关节畸形和功能丧失。同时，RA可伴有骨质疏松和其他脏器损害，包括心血管、肺和肝肾。RA发病机制仍未明确，目前的治疗以改善病情抗风湿药为主，难治性RA可选用生物制剂治疗［9］。

ROS是含氧的高反应性化学物质，包括超氧化物、过氧化氢和羟基自由基等。一旦ROS的浓度高于生理正常值，则会造成氧化应激，导致基质降解、细胞死亡。在氧依赖机制下，中性粒细胞会产生大量的ROS消除病原体，RA患者关节滑液中富含中性粒细胞，在关节腔中会产生更多的ROS和羟基自由基，引起炎性转录因子的激活，诱导抗氧化蛋白和促炎因子的合成，加剧炎症反应并且激活免疫细胞，在病理上表现为软骨和滑膜炎症［10］。以往的多项研究证明，硫化氢可以清除ROS。抗氧化物质如半胱氨酸可以在硫化氢生成酶CBS和CSE的催化步骤中产生，可通过上调抗氧化物质起到清除ROS的作用，此外，外源性硫化氢在具有ROS的生理系统中已表现出强大的抗氧化和细胞保护能力［11］。

RA患者膝关节滑液中硫化氢水平不仅高于对照组血浆中的硫化氢水平，且显著高于骨关节炎（osteoarthritis，OA）患者滑液中的硫化氢水平，关节滑液中的硫化氢水平与RA患者的炎症水平和临床症状程度呈正相关［12］。在角叉菜胶诱导的关节炎大鼠模型中，内源性硫化氢合成酶活性随着炎症程度增加，在用PAG（一种CSE抑制剂）干预后，大鼠后爪的关节水肿程度减轻，后爪关节中髓过氧化物酶（MPO）活性降低［13］。高浓度的硫化氢可以通过p38、ERK1/2以及NF-κB通路提高RA患者成纤维样滑膜细胞中致炎细胞因子的表达，诱导RA的关节炎症反应［8］。一项对脂多糖（LPS）处理的小鼠RAW264.7巨噬细胞的研究表明，硫氢化钠（NaHS）对促炎介质产生双向效应，在高浓度时，增加了IL-1β、IL-6、NO、前列腺素E2（PGE2）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等促炎介质的合成。而通过供体缓慢释放硫化氢，不仅抑制了上述促炎介质的合成，还能通过NF-κB/ATF-2/HSP-27信号通路上调抗炎趋化因子IL-10的表达［14］。在用LPS干预的THP1细胞中，用NaHS预处理可抑制IL-6和TNF的产生。NaHS释放的硫化氢可以通过调节组蛋白修饰，从而调节IL-6和TNF-α启动子［15］。

1.2 硫化氢与OA OA是最常见的关节疾病之一，但病理过程复杂，不仅涉及关节软骨，而且涉及整个关节的机械运动和生理病理过程。目前，治疗OA以缓解症状和改善关节功能为主，包括物理治疗、镇痛和手术干预［16］。硫化氢对多种退行性疾病的炎症和细胞凋亡具有抑制作用，CSE和CBS也被证实存在于软骨细胞中［17］。给予硫化氢供体GYY-4137刺激OA模型的软骨细胞，可以发挥抗炎和抗分解的作用。实验结果显示，在LPS刺激人滑膜细胞或关节软骨细胞后1 h和6 h添加GYY4137会减少TNF-α的生成，此外还可以降低由LPS诱导产生的亚硝酸盐、PGE2，降低一氧化氮合酶和COX-2的水平和活性［18］。VAAMONDE-GARC?A等［19］通过给OA模型大鼠关节腔注射GYY-4137后發现，治疗组关节功能和疼痛程度得到改善，炎性介质例如过氧化物合酶、诱导型一氧化氮合酶和基质金属蛋白酶-13的表达降低。内源性硫化氢在OA的发病机制中，对白细胞介素（IL）-1β诱导的软骨细胞代谢和分解具有保护作用，硫化氢可分别通过选择性抑制软骨细胞中的PI3K/AKT/NF-κB和MAPK信号通路拮抗IL-1β诱导的炎症和线粒体功能障碍相关的细胞凋亡［20］。在OA模型中，经过3-MST/H2S产生的硫化氢可以防止关节钙化和减轻OA模型小鼠的关节损伤程度，3-MST敲除的小鼠关节钙化和软骨退化程度比野生型小鼠更加严重［21］。此外，CBS缺乏会导致骨质疏松，诱发OA［22］。关节中硫化氢的生物合成酶受损可能是OA的一个促成因素［23］。

1.3 硫化氢与痛风性关节炎 痛风性关节炎是因血尿酸升高，导致尿酸盐结晶（MSU）在关节沉积引起的，患病率在全球范围内超过2%［24］。MSU沉积诱导单核细胞表达Toll样受体，并诱导NLRP3炎性小体活化，从而激活Caspase-1和IL-1β的生成，成熟的IL-1β是许多免疫反应中的促炎介质，与痛风性关节炎的发病机制密切相关［25］。一项由尿MSU诱导NLRP3炎性小体的研究表明，外源性硫化氢可以抑制MSU诱导的黄嘌呤氧化酶（XO）/Caspase-1的活性，并抑制随后由XO产生的线粒体ROS，减少氧化应激。Caspase-1是外源性硫化氢的靶点之一，Caspase-1的活性位点Cys 163具有半胱氨酸，该半胱氨酸和其他半胱氨酸的硫化作用可抑制Caspase-1的活性；同时，该研究发现，CSE敲除后，黄嘌呤氧化酶（XO）/Caspase-1的活性和IL-1β的分泌高于野生型模型，增加外源性硫化氢或刺激内源性硫化氢的生成，具有治疗痛风性关节炎的潜力［26］。痛风性关节炎源于体内嘌呤代谢异常，是代谢相关性疾病，近年来与肠道菌群的研究密切联系，研究者通过计算机模拟预测肠道微生物群的终产物，表明硫化氢可能是痛风性关节炎新的代谢标志物［27］。硫化氢在代谢和抑炎通路层面与痛风性关节炎具有一定相关性，多方面参与痛风性关节炎的发病过程。

上述研究表明，关节炎症中硫化氢合成的增加，可能代表着一种新的内源性机制控制、限制或者解决炎症，仍需要大量的研究来证实这一点。

2 供体研究和临床应用

2.1 硫化氢供体研究 硫化氢对炎症过程的影响是复杂的，不仅依赖于硫化氢浓度，还依赖于硫化氢的生成速率，因此硫化氢在改善关节炎症的作用中仍然是矛盾的，合适的浓度和硫化氢供体的选择存在争议。通过研究和选择使硫化氢以合适浓度和速率缓慢释放的供体，让硫化氢的供体可以作为潜在治疗关节炎的药物，将是今后的一个研究趋势［28］。硫化氢的供体包括NaHS、Na2S、GYTT4137、SPRC、硫化氢气体饱和溶液等。由于NaHS和Na2S的水溶性和便利性，使其作为研究者模拟硫化氢生物效应的有效供体，但是它们仍存在一定局限性。NaHS和Na2S通过短效、快速溶解释放硫化氢，可能会在细胞中产生浓度过高导致毒性的硫化氢，从而诱导炎症的加重，甚至产生其他的病理损伤。同时，NaHS和Na2S仍属于化学试剂范畴，不利于直接应用于临床，相比之下，其他硫化氢供体，例如GYTT4137、SPRC等具有相对缓慢释放硫化氢的作用。YU等［29］利用介孔二氧化硅纳米粒子材料搭载SPRC，实现了硫化氢缓释的作用。通过激活CSE/H2S，对佐剂诱导的关节炎大鼠具有减轻骨侵蚀、减缓炎症的作用。同时，该研究团队还利用聚乳酸搭载SPRC，通过SPRC@PLA的方式对RA大鼠模型起到了更好的治疗效果，使得大鼠关节的肿胀程度和关节炎症评分均得到显著抑制［30］。

2.2 临床应用 利用硫化氢治疗炎性关节病的一种辅助疗法是藥浴疗法［31］。含硫胶体或含硫和硫酸盐矿物水中的活性分子是硫化氢，药浴治疗时硫化氢分子通过渗透皮肤发挥功效［32］。在对OA患者用含硫矿物泥敷和硫磺浴后发现，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降低，反映出氧化应激水平的降低［33］，有助于减轻软骨炎症及分解代谢水平。在治疗结束时，治疗组血红蛋白水平显著升高，疼痛程度显著降低。一项研究通过OA实验模型评估含硫水浴疗法的效果，模型小鼠的关节活动度和疼痛水平在水浴后得到改善，通过免疫组化显示软骨中的基质金属蛋白酶-13和氧化应激标志物水平降低［34］。尽管上述药浴疗法已被证明具有改善临床症状的作用，但该方法仍停留在保健与辅助治疗层面，其背后的机制仍需进一步研究，如药浴方式及成分的多样性、差异性，以及硫化氢分子在药浴疗法中的具体作用机制。硫元素是最常见的化学元素之一，硫衍生的化学官能团具有多种药理学特性，许多药物如镇痛药、抗炎药等都存在含硫的化学官能团，硫已成为继碳、氢、氧和氮之后第五重要的化学元素，在临床药物开发和应用中具有巨大的价值和潜力［35］。在我国，硫磺作为一种中药也被用于临床治疗关节炎，外用硫磺粉剂或含硫黄药剂具有一定疗效。此外，一些天然产物能够释放硫化氢，如十字花科植物和大蒜等［36-37］。目前，十字花科的中药材与食材，以及薤白等中药饮片也广泛应用于中医临床的调治。

3 小 结

目前，对硫化氢的研究大部分仍是在人类疾病动物模型和细胞模型上进行的，尽管大量的研究已积极促进人们对硫化氢作为炎症介质的认识，但仍具有局限性，将其转化为临床是硫化氢研究领域的另一个挑战。对于硫化氢作为促炎介质的疾病模型，需要研究和评估硫化氢及硫化氢相关合成酶抑制剂；另一方面，当硫化氢作为抑炎介质时，硫化氢的浓度、硫化氢供体的选择以及药物浓度曲线等因素还有很多的空间去研究。硫化氢作为炎症介质的机制将有助于我们更好地了解炎症疾病，尤其是炎性关节病，上述的研究一定程度证明了硫化氢在炎性关节病中临床转化的巨大潜力。着眼于硫化氢作为治疗炎性关节病的关键介质和靶点，有助于我们理解这些疾病中存在的复杂问题，并帮助开发新型治疗方法，拓宽治疗方案和提高疗效。

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收稿日期：2023-02-05；修回日期：2023-03-28