硫化氫在急性肺損傷發病機制中的作用

韓 波 張立民 李曙光 牛春雨

(河北北方學院微循環研究所基礎醫學院病理生理教研室,河北 張家口 075000)

急性肺損傷(ALI)是重癥監護病房最常見的死亡原因之一〔1〕。硫化氫(H2S)由胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)和胱硫醚-β-合成酶(CBS)以L-半胱氨酸為底物合成〔2〕，具有擴張血管的活性，對于維持機體的生理功能具有重要意義。H2S在炎癥反應、信號轉導、能量代謝、細胞增殖與凋亡、氧化還原狀態等方面具有多種生物學活性〔3〕。同時，由于炎癥反應加劇、細胞凋亡增多、自由基損傷是ALI發生的重要機制〔4，5〕，故H2S在ALI發病機制中的作用逐漸受到關注。本文從炎癥反應、細胞凋亡等方面綜述H2S在ALI中的作用與機制。

1 硫化氫在炎癥反應致急性肺損傷中的作用

嚴重創傷、休克、膿毒血癥引起的ALI，可以看成全身性炎癥反應在肺組織的局部表現〔1，4，5〕。信號分子H2S在這一過程中具有重要的作用。

H2S在急性胰腺炎〔6〕、嚴重燒傷〔7〕、內毒素血癥〔8〕及盲腸結扎穿孔(CLP)誘導敗血癥〔9〕動物模型中，肺組織CSE表達上調，導致H2S合成增加，促進炎癥因子形成，表現出明顯的促炎效應，是導致ALI的主要機制。研究發現，給予CSE抑制劑D，L-炔丙基甘氨酸(PPG)可降低蛙皮素誘導胰腺炎后肺損傷的程度〔6〕；給予H2S供體NaHS，可加重內毒素血癥大鼠肺組織的炎癥反應，增加中性粒細胞扣押數量，相反，給予PPG可明顯減少肺內扣押的中性粒細胞的數量〔8〕；同時，在失血性休克動物模型上，Mok等〔10,11〕發現H2S同樣促進了全身炎癥反應綜合征(SIRS)的發生，給予PPG可降低血漿腫瘤壞死因子(TNF)-α、白介素(IL)-1、IL-6、IL-10的含量，降低肺組織髓過氧化物酶(MPO)活性〔10，11〕。這些研究提示，H2S的促炎作用與中性粒細胞扣押有關。

循環血液中性粒細胞在肺組織活化，并與肺微血管內皮細胞黏附、扣押，產生和釋放大量的活性氧、炎癥介質和細胞因子，引起損傷的組織細胞釋放溶酶體酶、彈性蛋白酶，進一步導致肺內炎癥反應無限放大，引起呼吸爆發〔12〕?？梢?，各種危重病理過程引起的中性粒細胞扣押在ALI的發生和發展過程中扮演著至關重要的角色〔13〕。研究發現，正常小鼠給予NaHS后，小鼠肺組織單核細胞趨化因子受體2(主要定位在中性粒細胞)表達顯著上調，并且巨噬細胞炎性蛋白2(MIP-2)誘導的定向遷移明顯升高；PPG可顯著降低CLP致敗血癥小鼠腸系膜小靜脈內白細胞滾動和黏附，降低肺組織細胞間黏附分子-1(ICAM-1)、P-選擇素和E-選擇素表達；NaHS可以明顯增加白細胞的黏附能力，并增強肺內黏附分子的表達〔14〕。同時，Spiller等〔15〕發現H2S可通過KATP通道促進中性粒細胞向感染局部遷移，加速中性粒細胞在肺內扣押。此外，H2S還可通過Ca2+依賴和非依賴的途徑增強中性粒細胞的氧化殺傷活性，發揮強效的細胞毒作用〔16〕。可見，H2S具有調節黏附分子表達的作用，是中性粒細胞活化和定向遷移重要的內源性介質，在中性粒細胞介導炎癥反應、最終引起ALI發生的過程中發揮重要作用。

Zhang等〔17〕給予正常小鼠H2S供體NaHS，在提高血漿和肺組織IL-1、IL-6、TNF-α、單核細胞趨化蛋白(MCP)-1和MIP-2水平的同時，也發現顯著增加了核因子(NF)-κB的轉錄活性，出現類敗血癥狀態；進一步在體給予PPG除可明顯減低CLP誘導的血漿和肺組織IL-1、IL-6、TNF-α、MCP-1和MIP-2的水平，也顯著下調了NF-κB的轉錄活性，改善了肺功能。Zhi等〔18〕的研究發現，H2S可增加單核細胞系U937細胞TNF-α、IL-1、IL-6和CD11b表達，使核因子-κB抑制蛋白α(IκBα)迅速降解、NF-κB p65活化；這種效應可被NF-κB活化的抑制劑BAY11-7082抑制；進一步發現，H2S的這種效應主要是通過細胞外調節蛋白激酶(ERK)1/2，而不是p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和c-jun氨基末端激酶(JNK)途徑實現的。這些結果表明，H2S可活化單核細胞產生促炎性因子，且這種作用是部分通過ERK-NF-κB信號通路完成的。

H2S可通過激活環氧化酶-2/前列腺素E2途徑在敗血癥導致的ALI中發揮強效的促炎效應，應用環氧化酶-2抑制劑帕瑞昔布，可顯著降低敗血癥導致的ALI〔19〕。

但是，在油酸導致的ALI動物模型中發現，油酸注射后的2、4、6 h肺組織H2S含量與抗氧化酶活性明顯降低，自由基產物丙二醛(MDA)明顯升高，肺組織形態損傷加重，伴有NF-κB和ICAM-1表達增加；肺組織中H2S含量恢復，抗氧化酶活性增加，MDA含量與NF-κB、ICAM-1的表達降低，肺損傷程度減輕〔20，21〕。在內毒素休克動物模型上，NaHS可抑制ICAM-1和NF-κB表達，降低中性粒細胞肺內扣押，從而減輕肺損傷〔22〕。在機械通氣導致ALI的小鼠模型上，靜脈給予NaHS在降低肺組織炎癥反應的同時，減輕了肺損傷；而直接吸入H2S氣體，并不能減輕機械通氣導致肺損傷〔23〕。

可見，信號分子H2S在多種因素介導炎癥反應致ALI的發病過程中具有重要作用。但已有的研究結果卻表明，在肺組織炎癥反應發生的過程中，H2S既有促炎作用，也表現出了抗炎作用。這種結果的差異，可能與導致ALI的原因不同、嚴重程度、發生發展的不同階段有關，也可能與H2S增高的程度有關?？梢酝茰y，低濃度的H2S可能發揮積極的抗炎效應，高濃度的H2S則發揮明顯的促炎作用，但還需進一步研究，H2S在肺組織炎癥反應中的確切作用有待闡明。

2 H2S在細胞凋亡致ALI中的作用

在ALI的發生過程中，存在著不同的細胞凋亡事件，即：肺組織細胞凋亡過度成為細胞損傷的一個主要原因；肺內中性粒細胞凋亡延遲成為加重炎癥反應最終引起肺組織損傷的另一重要因素。在ALI的發生過程中，伴隨著肺泡上皮細胞凋亡過度，是肺泡功能和結構損害主要因素〔24〕。目前還沒有H2S直接參與肺泡上皮細胞凋亡的報道，但有文獻報道〔25〕，H2S可以通過MAPK 激活caspases-3途徑誘導主動脈平滑肌細胞凋亡。作為與一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)同等重要的信號分子，H2S所參與的信號轉導過程與NO和CO引起肺泡上皮細胞凋亡的信號通路存在多個交叉〔26〕；因此，有理由相信，ALI過程中顯著增加的H2S在肺泡上皮細胞的凋亡中具有重要作用。當然，還需進一步研究。

肺內中性粒細胞凋亡延遲可能是肺組織中性粒細胞彌漫性浸潤、失控性炎癥反應的重要原因〔27〕；Lin等〔28〕研究也證實內毒素通過中性鞘磷脂酶/1-磷酸鞘氨醇通路磷酸化p38 MAPK引起中性粒細胞凋亡延遲，導致ALI。研究表明，H2S可通過抑制Caspase-3裂解和p38 MAPK磷酸化減少中粒細胞凋亡，但其細胞毒作用不受影響〔29〕。可見，顯著升高的H2S抑制了中性粒細胞正常的凋亡程序，使其在肺內發揮作用的時間顯著延長，擴大肺組織的急性炎癥反應，進一步引起肺實質細胞壞死和凋亡，破壞肺泡呼吸膜，促進炎性滲出，降低肺功能，加重肺損傷。但也有研究發現，NaHS可抑制內毒素休克模型動物肺組織中的中性粒細胞凋亡〔22〕。因此，H2S在肺內中性粒細胞凋亡延遲中的作用還需進一步明確。

3 H2S通過調節肺血管在ALI中的作用

生理狀態下，H2S可以開放KATP通道，增加血管平滑肌細胞的靜息電位，與NO和血管緊張素轉化酶一起發揮擴張血管的作用。隨著H2S濃度和機體氧化還原狀態的變化，H2S與NO反應產生無活性的亞硝基硫醇，并對抗兩者的舒血管效應；高濃度氧環境中，H2S誘導的血管舒張效應曲線的EC50增加；此外，組織中氧與H2S比值增大時，可導致血管收縮，這一點在氧濃度高于循環血液的肺組織尤其重要〔30〕。研究發現〔31〕，高濃度H2S耗竭細胞內ATP，從而不依賴KATP通道的方式，通過Cl-/ HCO3-通道，引起血管口徑擴張，損傷肺血管收縮效應，增加肺循環流量，降低肺內通氣/血流比例，引起功能性分流，導致ALI，從而加重機體的缺氧程度。從這些研究結果也可以看出，H2S對血管舒縮的調節亦呈雙相性，如何通過調控H2S水平防治ALI將是今后應該努力的一個方向。

4 小結與展望

信號分子H2S通過炎癥反應、細胞凋亡、血管舒縮多方面參與了創傷、休克、膿毒血癥等嚴重致病因素導致ALI的發病過程，既有保護效應的一面，也有損傷作用的一面，其作用效果的轉變取決于其含量、產生速度以及機體所處的功能狀態的變化〔32〕。近年來，學者們開始關注H2S作用的信號途徑研究，相信深入揭示其相關機制，對于進一步明確H2S在不同原因、不同階段ALI中的作用，為ALI的防治提供新的干預靶點。

5 參考文獻

1陳齊紅，邱海波，楊 毅.間充質干細胞治療急性肺損傷作用機制研究進展〔J〕.中國危重病急救醫學，2012；24(10)：637-40.

2Sen U，Givvimani S，Abe OA，etal.Cystathionine beta-synthase and cystathionine gamma-lyase double gene transfer ameliorate homocysteine-mediated mesangial inflammation through hydrogen sulfide generation〔J〕.Am J Physiol Cell Physiol，2011；300(1)：C155-63.

3Li L，Rose P，Moore PK.Hydrogen sulfide and cell signaling〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2011；51：169-87.

4趙自剛，牛春雨，張 靜，等.腸系膜淋巴管結扎對失血性休克大鼠肺損傷的影響〔J〕.中國危重病急救醫學，2007；19(5)：274-8.

5趙自剛，陳瑞華，牛春雨，等.休克淋巴液對大鼠肺微血管內皮細胞炎癥介質表達的影響〔J〕.中國危重病急救醫學，2009；21(5)：266-9.

6Bhatia M，Wong FL，Fu D，etal.Role of hydrogen sulfide in acute pancreatitis and associated lung injury〔J〕.FASEB J，2005；19(6)：623-5.

7Zhang J，Sio SW，Moochhala S，etal.Role of hydrogen sulfide in severe burn injury-induced inflammation in mice〔J〕.Mol Med，2010；16(9-10)：417-24.

8Li L，Bhatia M，Zhu YZ，etal.Hydrogen sulfide is a novel mediator of lipopolysaccharide-induced inflammation in the mouse〔J〕.FASEB J，2005；19(9)：1196-8.

9Zhang H，Zhi L，Moore PK，etal.Role of hydrogen sulfide in cecal ligation and puncture-induced sepsis in the mouse〔J〕.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2006；290(6)：L1193-201.

10Mok YY，Moore PK.Hydrogen sulphide is pro-inflammatory in haemorrhagic shock〔J〕.Inflamm Res，2008；57(11)：512-8.

11Mok YY，Atan MS，Yoke Ping C，etal.Role of hydrogen sulphide in haemorrhagic shock in the rat：protective effect of inhibitors of hydrogen sulphide biosynthesis〔J〕.Br J Pharmacol，2004；143(7)：881-9.

12Grommes J，Soehnlein O.Contribution of neutrophils to acute lung injury〔J〕.Mol Med，2011；17(3-4)：293-307.

13Wohlauer MV，Moore EE，Harr J，etal.Cross-transfusion of postshock mesenteric lymph provokes acute lung injury〔J〕.J Surg Res，2011；170(2)：314-8.

14Zhang H，Zhi L，Moochhala SM，etal.Endogenous hydrogen sulfide regulates leukocyte trafficking in cecal ligation and puncture-induced sepsis〔J〕.J Leukoc Biol，2007；82(4)：894-905.

15Spiller F，Orrico MI，Nascimento DC，etal.Hydrogen sulfide improves neutrophil migration and survival in sepsis via KATP channel activation〔J〕.Am J Respir Crit Care Med，2010；182(3)：360-8.

16Mariggio MA，Pettini F，Fumarulo R.Sulfide influence on polymorphonuclear functions：a possible role for Ca2+involvement〔J〕.Immunopharmacol Immunotoxicol，1997；19(3)：393-404.

17Zhang H，Zhi L，Moochhala S，etal.Hydrogen sulfide acts as an inflammatory mediator in cecal ligation and puncture-induced sepsis in mice by upregulating the production of cytokines and chemokines via NF-kappaB〔J〕.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2007；292(4)：L960-71.

18Zhi L，Ang AD，Zhang H，etal.Hydrogen sulfide induces the synthesis of proinflammatory cytokines in human monocyte cell line U937 via the ERK-NF-kappaB pathway〔J〕.J Leukoc Biol，2007；81(5)：1322-32.

19Ang SF，Sio SW，Moochhala SM，etal.Hydrogen sulfide upregulates cyclooxygenase-2 and prostaglandin E metabolite in sepsis-evoked acute lung injury via transient receptor potential vanilloid type 1 channel activation〔J〕.J Immunol (Baltimore，Md：1950)，2011；187(9)：4778-87.

20Wang C，Wang HY，Liu ZW，etal.Effect of endogenous hydrogen sulfide on oxidative stress in oleic acid-induced acute lung injury in rats〔J〕.Chin Med J，2011；124(21)：3476-80.

21李 萌，李天水，劉志偉，等.硫化氫對急性肺損傷大鼠肺組織核轉錄因子κB 及細胞間黏附分子1表達的影響〔J〕.中華醫學雜志，2011；91(43)：3054-7.

22黃新莉，馬會杰，周曉紅，等.外源性硫化氫對大鼠內毒素性肺損傷的影響及機制研究〔J〕.中國應用生理學雜志，2010；26(4)：477-80.

23Francis RC，Vaporidi K，Bloch KD，etal.Protective and detrimental effects of sodium sulfide and hydrogen sulfide in murine ventilator-induced lung injury〔J〕.Anesthesiology，2011；115(5)：1012-1.

24Martin TR，Nakamura M，Matute-Bello G.The role of apoptosis in acute lung injury〔J〕.Crit Care Med，2003；31(4 Suppl)：S184-8.

25Yang G，Sun X，Wang R.Hydrogen sulfide-induced apoptosis of human aorta smooth muscle cells via the activation of mitogen-activated protein kinases and caspase-3〔J〕.FASEB J，2004；18(14)：1782-4.

26Riazantseva NV，Starikova EG，Tashireva LA，etal.Intracellular gaseous messengers，nitric oxide，carbon monoxide and hydrogen sulfide participate in apoptosis regulation〔J〕.Tsitologiia，2012；54(2)：105-11.

27Parsey MV，Kaneko D，Shenkar R，etal.Neutrophil apoptosis in the lung after hemorrhage or endotoxemia：apoptosis and migration are independent of IL-1beta〔J〕.Clin Immunol，1999；91(2)：219-25.

28Lin WC，Lin CF，Chen CL，etal.Inhibition of neutrophil apoptosis via sphingolipid signaling in acute lung injury〔J〕.J Pharmacol Exp Ther，2011；339(1)：45-53.

29Rinaldi L，Gobbi G，Pambianco M，etal.Hydrogen sulfide prevents apoptosis of human PMN via inhibition of p38 and caspase 3〔J〕.Lab Invest，2006；86(4)：391-7.

30Koenitzer JR，Isbell TS，Patel HD，etal.Hydrogen sulfide mediates vasoactivity in an O2-dependent manner〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2007；292(4)：H1953-60.

31Kiss L，Deitch EA，Szabo C.Hydrogen sulfide decreases adenosine triphosphate levels in aortic rings and leads to vasorelaxation via metabolic inhibition〔J〕.Life Sci，2008；83(17-18)：589-94.

32Otulakowski G，Kavanagh BP.Hydrogen sulfide in lung injury：therapeutic hope from a toxic gas〔J〕?Anesthesiology，2010；113(1)：4-6.