气体信号分子硫化氢的心脏保护作用研究进展

气体信号分子硫化氢的心脏保护作用研究进展作者：王紫书,金红,王东明    作者单位：广东省自然科学基金（06033503）。 1.汕头大学医学院06年级硕士研究生；2.汕头大学医学院第一附属医院心内科，广东 汕头 515041    【摘要】  气体信号分子家族由一氧化氮、一氧化碳和硫化氢等内源性气体小分子组成，发挥重要的生物学效应。已经证实硫化氢在多个系统中有重要的生理调节作用，本文重点综述其在心血管系统中的心脏保护作用，包括抑制心脏缺血再灌注损伤、负性调节心脏代谢消耗和抗心脏氧化应激等。    【关键词】  气体,硫化氢,心脏1  内源性气体信号分子——硫化氢    硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）是一种无色，有很强的臭鸡蛋气味的有毒气体。人类认识并研究其毒性作用已有300 多年的历史，然而H2S的生理作用直到上世纪90年代才被逐渐认识。H2S在生物体内可由内源性酶催化生成，受体内代谢途径的调控，生理浓度下有特定生理功能，已经证实其在神经、心血管、内分泌、消化等多个系统中具有特定的生理调节作用。 H2S的体内浓度远远低于其产生毒性的浓度，它和一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）一并称为气体信号分子，组成气体信号分子家族［1，2］ 。2  硫化氢在体内的合成调节    H2S 是一种弱酸，在体内1/3 以气体H2S形式存在，2/3以硫氢化钠（NaHS）形式存在，H2S与NaHS 存在动态平衡，这样既保证了H2S 在体内的稳定，又不改变内环境的pH 值。H2S在脂溶性溶剂中的溶解度为水中的5 倍，故可自由通过细胞膜［1］。    内源性H2S的生成可以通过酶促反应途径也可以通过非酶促途径。在哺乳动物体内主要是酶促反应途径，以L－半胱氨酸为底物，由磷酸吡哆醛－5′－磷酸依赖性酶，主要是胱硫醚γ裂解酶（cystathionineγlyase，CSE）和胱硫醚β合成酶（cystathionineβsynthase，CBS）催化而成，其两个终产物是铵和丙酮酸盐。研究发现CSE和CBS这两种酶的分布具有组织特异性，在心血管系统中CBS表达很少 ［3］，CBS是主要的硫化氢合成酶。研究发现心脏高表达CSE，高于主动脉，而低于脑组织，其内源性H2S的生成量为（50.2±2.1）μmol/mg蛋白，生成率为（18.64±4.49） nmol/min·g蛋白，表明心脏也是内源性H2S的主要生成来源 ［4］，另外心梗组织中CSE也有表达 ［5］。    内源性H2S的代谢途径还不十分清楚，可能通过以下途径：大部分在血红素氧化下变为多硫化合物，再经肝脏中硫化物氧化酶的氧化生成硫代硫酸盐，最后在肝、肾中被亚硫酸盐氧化酶催化和在谷胱甘肽激发下生成硫酸盐而经尿排出；小部分在硫醇-S-转甲基作用下甲基化而生成低毒性的甲硫醇和甲硫醚；另有小部分H2S以原形从呼吸道排出。内源性H2S的生成与代谢见图1  ［1，2］。3  硫化氢的心脏保护作用    3.1  缓解缺血再灌注损伤的心脏保护作用    已经证实H2S对缺血再灌注心脏以及心肌细胞、代谢抑制心肌细胞都有保护作用，该作用机制可能涉及①心肌细胞KATP通道 ［6～8］，通过增加心肌细胞KATP通道的开放频率，从而对缺血再灌注心脏起到保护作用 ［8］；②肌浆网KATP通道和/或线粒体KATP离子通道 ［9～11］ ；③KATP/活化蛋白激酶（PKC）/细胞外信号调节激酶（ERK）1/2和磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/丝氨酸苏氨酸激酶（Akt）信号通路 ［12］；④缓解缺血再灌注心肌细胞内钙超载，一方面促进肌浆网重拾胞内游离钙，一方面通过依赖PKC的Na+/Ca2+交换机制 ［13］；⑤缓解缺血损伤中NO的不足 ［11，14］ ；⑥上调和活化环氧化酶-2（Cyclooxygenase-2，COX-2）［15］；⑦保护心肌细胞的线粒体功能 ［16］；⑧抑制心肌细胞凋亡 ［16，17］ 。    内源性H2S对代谢抑制的心肌也有保护作用 ［11］，且参与IP（ischemic preconditioning，缺血预适应）的心脏保护作用 ［9］。心脏缺血时会内源性合成大量的H2S来缓解心肌损伤，由CSE合成的内源性H2S参与内毒素的心肌保护作用第二时间窗 ［10］。心脏特异高表达CSE的小鼠（α-MHC-CGL-Tg鼠）可以增加心脏的H2S合成，而降低缺血再灌注的损伤程度 ［16］。    近来合成得到的释放H2S的双氯乙酚衍生物——S-双氯乙酚对于缺血再灌注心脏也有保护作用 。作为外源性H2S的供体，其心脏保护作用与NaHS类似，与开放KATP离子通道有关，并呈现浓度依赖性地缓解NO合成酶抑制剂恶化心肌缺血损伤的不利作用。    Sodha NR ［17］等人研究H2S对约克郡（Yorkshire）猪的缺血再灌注心脏损伤的影响，结果显示外源性H2S对于大型哺乳动物缺血再灌注心肌损伤也有缓解改善和心脏保护作用。    因为心脏对于缺血情况极其敏感，供体心脏保存一直是心脏移植的一大障碍，有研究检测H2S保存供体心脏的能力，发现其心脏保护作用优于圣Thomas Ⅱ 溶液 ［7］。    图1  H2S的生成与代谢    3.2  负性调节心脏代谢消耗的心脏保护作用    代谢率降低的动物，其重要器官比如大脑、肾脏以及心脏等缺血损伤会有所缓解 ［18］。Geng B 等 ［4］2004年首次揭示外源性H2S对离体心脏和活动大鼠的心脏都有负性肌力作用，可能与开放心脏组织的KATP离子通道有关。2005年发表在Science的一篇论文报道使用H2S（20～80 ppm）在小鼠上能诱导出类似冬眠的状态，吸入H2S的小鼠短时间（5min内）很快就降低了超过50%的代谢率，且伴随体温进行性下降 ［19］。进一步研究发现吸入H2S对小鼠代谢率和心脏代谢功能都有一定的抑制作用，而所有发生改变的指标在停止H2S吸入后10 min内都恢复到正常水平，说明H2S对于小鼠生理活动有部分代谢抑制作用，且影响是可逆的，H2S吸入可能通过抑制窦房结活动而致心动过缓 ［20］。有人推测H2S的代谢抑制作用可能保护生物缺血或者重伤情况下的重要内脏器官，可是对于大型哺乳动物羊的研究结果显示，吸入H2S对小鼠的代谢抑制作用并没有出现在羊身上，所以H2S能否保护缺血和重伤情况下重要人体内脏还有待深入研究 ［18］。    另外，H2S可以拮抗异丙肾上腺素激活大鼠心室肌β-肾上腺受体的作用，且拮抗异丙肾上腺素引起的环磷酸腺苷（cAMP）水平升高和福斯高林（forskolin）激活cAMP活性的作用，表明H2S负性调节心脏的β-肾上腺受体，其机制可能是通过抑制cAMP的活性 ［21］。    3.3  改善心肌氧化应激损伤的心脏保护作用    研究发现外源性H2S对异丙肾上腺素的致氧化应激作用有拮抗作用，能有效降低脂质过氧化物的生成，体外试验证实H2S能直接清除过氧化氢和超氧负离子 ［22］。    作为同型半胱氨酸的代谢产物，H2S反馈性抑制高同型半胱氨酸的大鼠心肌损伤作用 ［23］，该研究发现：高同型半胱氨酸血症（HHcy）大鼠的心肌组织中CSE活性和H2S含量都降低，体外细胞试验结果也显示H2O2呈浓度依赖性降低心肌细胞CSE的活性；另一方面，H2S反馈性抑制HHcy引起的乳酸脱氢酶（LDH）释放和脂质过氧化物的生成，逆转其导致的心肌线粒体呼吸抑制作用，改善其诱导的心肌线粒体呼吸酶的功能异常，降低其引起的内质网应激标志物糖调节蛋白78（glucose|regulated protein 78）的表达，表明H2S对HHcy引起的心肌细胞氧化应激和内质网应激损伤有拮抗作用，对氧化应激损伤的心脏有保护作用。4  展  望    因气体分子独有的理化特点和信号传导机制特性，比如分子小、自由通过胞膜、作用可以不依赖与之对应的膜受体、细胞学效应可以依赖，也可以不依赖第二信使的介导等，气体信号分子家族迅速成为近期的研究热点。H2S作为第三号气体信号分子，其生理病理意义以及在药物开放方面的探讨正得到越来越深入、越来越全面的研究。    对H2S心脏保护作用更全面地了解将为心脏病理状态或者疾病以及心脏移植手术方面提供更好的预防治疗和处理方法。在新药开发方面，目前已经成功合成了能释放H2S的双氯乙酚衍生物，即S-双氯乙酚，前期研究表明其能有效地缓解非类固醇类消炎药即母体药物的副作用，而近期研究发现其也具备心脏保护作用。另外还有研究说明H2S能有效保护供体心脏，其在心脏移植方面有较好的应用前景。    然而对于近来才摆脱有毒气体称号成为内源性气体信号分子的H2S，有关其研究起步比较晚，范围还比较局限，在心脏方面的研究主要集中于缺血保护、代谢抑制等，对于心律失常、心肌组织重构等方面研究比较少，期望随着硫化氢研究的深入和发展，其在心脏方面的生理调节作用将更多被揭示，在心脏疾病防治方面的应用也将取得长足进步。【参考文献】[1]Fiorucci S,Distrutti E，Cirino G，et al.The emerging roles of hydrogen sulfide in the gastrointestinal tract and live［J］.Gastroenterology,2006,131(1):259-271.[2]Wang R.Two′s company，three's a crowd:can H2S be the third 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