硫化氫作為一種新型氣體信號分子的研究進展

王秋艷

（天津大學 藥物科學與技術學院，天津300072）

H2S作為一種簡單的氣體分子，其強烈的毒性廣為人知。H2S對人類的致死濃度在500×10-6以下[1]，而且在長時間接觸之后就會麻痹人的嗅覺神經(jīng)，使人失去感知能力，因而對人極為危險。

但最近的研究發(fā)現(xiàn)，H2S也會在人體內合成，并且內源性H2S會參與多條生理代謝途徑，這也使得H2S在成為了繼一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）之外的又一氣體信號分子，也吸引了越來越多的人的關注。對于H2S在人體內的作為細胞信號通路調節(jié)信號的研究及相關應用也取得了巨大進展。本文對H2S的性質、合成途徑、供體、生理活性和應用前景等方面進行了概述。

1 硫化氫的物理性質及生物合成途徑

硫化氫（H2S）是一種無色、具有刺激性氣味的氣體，可溶于多種溶劑，且具有親脂性，可穿過細胞膜。H2S水溶液具有弱酸性和較強的還原性，易于與氧化劑如O2等反應，金屬離子的存在也會催化這一反應的進行，且在堿性條件下會進行的非常迅速，所以H2S水溶液在空氣中不穩(wěn)定。通常情況下水溶液中的H2S會以硫氫根陰離子（SH-）的形式存在，它可能會被氧化成為亞硫酸鹽硫酸鹽硫代硫酸鹽、多硫化物（Sx），以及其他多硫氧化物[2]，而且H2S極易揮發(fā)，所以H2S水溶液穩(wěn)定性較差。

在生理條件下，H2S以及SH-都是具有活性的存在形式。H2S會與線粒體酶結合從而抑制細胞呼吸，導致細胞凋亡。H2S會攻擊眼睛、大腦等多種器官及呼吸系統(tǒng)等，暴露在極低濃度的H2S中極短時間都可能造成組織損傷，危及生命。

盡管H2S具有強烈的毒性，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在人體內也會生成內源性H2S并參與到細胞代謝當中。在人體內有3種酶負責合成內源性H2S，胱硫醚γ裂解酶（CSE）、胱硫醚β合成酶（CBS）和3-巰基硫轉移酶（3-MST）。含硫氨基酸如半胱氨酸通常是H2S的生物合成來源，CBS和CSE可以催化半胱氨酸與高半胱氨酸（homocysteine）縮合產生H2S；也可以催化半胱氨酸脫硫產生絲氨酸、H2S，或H2S、丙酮酸和氨；3-MST則可以催化半胱氨酸氨基轉移酶（CAT）分解得到的產物3-巰基丙酮酸鹽（3 MP）分解，生成H2S和丙酮酸。這些轉硫途徑廣泛地存在于人體的各類組織細胞之中[3]，CBS主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，CSE主要存在于心血管系統(tǒng)中，3-MST則大多位于線粒體；這也說明了H2S普遍的存在于各類細胞中，參與了多項的生理代謝過程。

2 H2S的生理活性

近年來，H2S的信號傳遞作用受到了越來越廣泛地關注。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的H2S具有抗氧化、抗炎、促進血管擴張、抗腫瘤等多種治療作用，也成為了一種新型的靶向給藥的研究對象。

H2S作為一種較強的還原劑，具有很好的抗氧化活性。除了可以直接與活性氧簇（ROS）反應外，H2S還可以通過還原胱氨酸促進半胱氨酸的生成，并改善細胞內半胱氨酸的轉運，從而提高細胞內谷胱甘肽（GHS）的水平并促進其遷移到線粒體中[4]。作為細胞內一種重要的抗氧化劑，谷胱甘肽在穩(wěn)定細胞內的氧化還原水平，保護酶等蛋白質的功能等方面具有重要意義。所以提高細胞內谷胱甘肽（GHS）的水平可以進一步緩解細胞內的氧化壓力，降低線粒體功能紊亂引發(fā)的細胞凋亡的可能性。

此外，H2S可以參與血管擴張效應，通過激活ATP敏感的K+通道（K+ATP），使血管平滑肌舒張，同時抑制白細胞粘附在血管內皮細胞上，并可以誘導中性粒細胞凋亡從而發(fā)揮抗炎作用[5]，不僅可以起到鎮(zhèn)痛效果，也對高血壓和心力衰竭具有治療作用，可以減少心肌炎癥的產生，保護心血管系統(tǒng)。

H2S還可以與多種血紅素蛋白，如細胞色素C氧化酶（CcO）、肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）內部的金屬離子或半胱氨酸發(fā)生反應，調節(jié)酶的活性，減少O2的運輸和ATP的產生，從而調節(jié)細胞內部的氧化還原狀態(tài)[6]。H2S可以通過改變細胞色素C氧化酶中心的化學構型來抑制酶的活性，從而減少ATP的產生；而與肌紅蛋白和血紅蛋白結合后的衍生物對O2的親和力降低，從而減少細胞中氧的運輸，抑制細胞的代謝活動。

H2S對癌細胞的作用則更為復雜。一方面，在多種不同的癌細胞中發(fā)現(xiàn)了CBS，CSE或3-MST的過度表達[7]，這可能促進了癌細胞的增殖，因為它們的表達引起了癌細胞中H2S濃度的增加，可能會激活部分細胞信號通路，促進細胞的增殖；而同時，以此為靶點的治療方法則可以通過降低酶的表達水平，抑制腫瘤細胞的增殖和遷移從而抑制腫瘤生長或者提高抗腫瘤藥物的效果，因此也成為癌癥研究中的十分具有開發(fā)潛力的研究方向之一。另一方面，如果外源性給予較高濃度的H2S，則可以引發(fā)癌細胞的凋亡，起到抗腫瘤的作用[7]。因此H2S也是一種潛在的抗癌藥物，但是作為一種氣體，在實踐中如何精確的控制給藥的劑量也是一個需要考慮的難點；使用合適的掩體或者供體等方式將H2S固化則是一種解決途徑，因而也有越來越多的H2S供體被開發(fā)和利用。

3 H2S的供體

隨著人們發(fā)現(xiàn)H2S對于許多疾病具有潛在的治療作用，對開發(fā)相關藥物的需求也越來越強烈。但是H2S作為一種氣體，難以精確的測量，操作不便；同時其劇烈的毒性也增加了給藥的難度，因此，適合的H2S供體成為了研究的一個重要方向。H2S供體是一類可以在一定化學反應條件下釋放H2S的分子，現(xiàn)在常見的H2S供體大致包含以下幾類：

3.1 無機硫化鹽

NaSH和Na2S是兩種廣泛使用的H2S供體，二者在生理pH值條件下能夠水解，在短時間內釋放高濃度的H2S，是結構簡單的、成本低、容易獲得的一類供體。實驗證明，通過外源性注入NaSH溶液來提高血漿中H2S濃度，可以增加血管平滑肌的KATP通道的電流，使細胞膜超極化，從而舒張血管，降低了大鼠的血壓[8]，說明H2S是一種重要的血管活性因子。而向大鼠注入NaSH來提高細胞內的H2S水平，可以通過調節(jié)細胞內IL-6，IL-8，IL-10等炎癥因子來治療急性肺損傷[9]，對研究其發(fā)病機制也具有重要意義。此外，因為阿爾茲海默癥患者大腦細胞內的H2S水平顯著降低，而使用NaSH增加細胞內H2S可以抑制蛋白質氧化和氧化性物質的產生[10]，也使得它成為了治療阿爾茲海默癥的潛在藥物選擇之一。然而，因為無法控制釋放的過程，短時間內暴露于過高濃度的H2S下會引起組織損傷，所以限制了無機硫化鹽在臨床方面的應用。

3.2 勞森試劑及其衍生物

勞森試劑（Lawesson's reagent）是一種常見的用于合成巰基取代的醇、酮、酯、酰胺化合物的試劑[11]。與硫化鹽相比，勞森試劑釋放H2S的速度更慢，具有更有效的發(fā)揮H2S對抗氧化應激和修復胃腸道損傷的作用[12]；但是勞森試劑的水溶性更差，這一點限制了它的應用；而勞森試劑的衍生物GY4137則擁有更好的水溶性，能通過在血漿中持續(xù)的釋放H2S來降低小鼠的血壓[13]，對于多種癌細胞的生長也能起到抑制作用[14]，也成為了一種具有潛在應用價值的H2S供體。

3.3 羰基硫化物（COS）和COS供體

羰基硫化物（COS）是人體內H2S代謝途徑的中間產物之一，可以被普遍存在的碳酸酐酶（CA）催化分解產生H2S[15]，因此，它可以作為一種中間體在人體內傳遞H2S。而多種化合物可以在光或含巰基催化物的作用下釋放羰基硫化物，那么這些COS供體也可以作為間接的H2S供體。如N-二硫代琥珀酰胺可以在GSH或半胱氨酸的催化下釋放H2S，發(fā)揮有效的抗炎作用[16]，說明COS及其供體也可以作為有效的H2S提供者。

3.4 可釋放H2S的藥物

由于H2S具有較好的的抗炎作用，對胃腸道的保護功能，以及潛在的抗腫瘤作用，與非甾體類抗炎藥物（NSAID）相輔相成。如果對于這類藥物進行一定的化學修飾使其可以在人體內釋放H2S，則能夠賦予它們額外的治療作用，如提高藥物原本的抗炎活性，減少對胃腸功能的損傷，以及抗氧化應激等，是H2S應用于臨床治療的一種重要方法。

4 H2S的應用

由于H2S被證實具有許多潛在的治療作用，也有越來越多的實驗將H2S應用于多種疾病的治療方法之中，也逐步擴大了H2S應用于臨床治療的可能性。

4.1 對非甾體類抗炎藥物的化學修飾

由于H2S是炎癥的內源性調節(jié)因子之一，如果對非甾體類抗炎藥進行適當?shù)男揎検蛊淇梢栽谌梭w內釋放H2S，不僅可以提高藥物本來的抗炎效果，還能減少其副作用。

阿司匹林（Aspirin）作為一種常見的非甾體類抗炎藥，最大的副作用就是對胃腸道的損傷。Sparatore等人[17]利用5-（4-羥基苯基）-3-氫-1,2-二硫醚-3-硫酮（ADTOH）和N，N-二異丙基乙胺（DIPEA）對乙酰水楊酰氯進行修飾，得到可以釋放H2S的阿司匹林衍生物ACS14。它與阿司匹林具有相同的血栓素抑制活性和前列腺素抑制作用，同時胃損傷較小。因為當H2S釋放后會引發(fā)GSH的增加，異丙醇的減少，從而緩解了阿斯匹林造成的細胞內的氧化還原失衡，減輕了胃腸道的負擔。Pircher等人也發(fā)現(xiàn)[18]通過這種修飾，使其釋放H2S，可以增加胃粘膜的血流量從而減少藥物本身對胃黏膜的損傷，同時發(fā)揮了更強的抗炎作用，也沒有影響其抗血小板凝聚的抗血栓作用。說明引入H2S的修飾手段優(yōu)化了阿斯匹林的治療效果。

萘普生也是一種常見的非甾體類抗炎藥物，其衍生物2-（6-甲氧基萘醌）-2-基）-丙酸-4-硫代氨基甲酰苯基酯（ATB-346）也能在保留了原本的藥理作用的同時，通過釋放H2S來降低本身對胃腸道及心血管的傷害[19]，不僅對炎癥和疼痛的治療效果更好，也提高了藥物的安全性。

4.2 對心肌缺血再灌注損傷及心肌梗塞的治療作用

H2S對血管的舒張作用使得它成為一種潛在的對心肌功能具有保護作用的藥物。Elord等人[20]研究發(fā)現(xiàn)，H2S對小鼠模型的心肌梗死具有改善作用，因為H2S不僅可以減輕心肌細胞的炎癥反應，還可以保護線粒體功能的完整性，抑制活性氧的產生，降低了心肌梗死后細胞凋亡的比例。這表明，H2S對急性心肌梗死（AMI）具有一定的治療作用和廣泛的研究前景。

4.3 對腫瘤細胞的抑制作用

H2S參與多條細胞信號通路的調節(jié)，但對細胞凋亡及腫瘤生長的作用機制一直以來都沒有得到明確的闡述。近年來，人們發(fā)現(xiàn)主要的影響因素可能是H2S的供體選擇以及在細胞內的有效濃度。由于外源性H2S無法直接給藥，理想的方法是利用合適的化學修飾對H2S進行掩蔽。

Deng等人[21]對可釋放H2S的化合物GYY4137的抗癌活性進行了一系列研究，證明GYY4137在引起多種不同的癌細胞系（乳腺癌細胞MCF-7，急性早幼粒細胞白血病細胞MV4-11，粒單核細胞白血病細胞HL-60，宮頸細胞癌HeLa，結腸直腸癌細胞HCT-116，肝癌細胞Hep G2和骨肉瘤細胞U2OS）細胞凋亡的同時并未對人正常纖維細胞（WI-38和IMR90）造成影響，說明H2S可以特異性的誘導癌細胞凋亡。這可能是由于H2S干擾了癌細胞的細胞周期，引發(fā)了細胞凋亡。同時GYY4137使小鼠體內的腫瘤體積明顯減小，說明這類H2S緩釋化合物具有抗癌活性。

上文提到，經(jīng)過修飾，可釋放H2S的非甾體抗炎藥具有更好的抗炎效果和更低的副作用。Kashfi等人發(fā)現(xiàn)[22]，4種釋放H2S的非甾體抗炎藥（HS-NSAIDs）能夠抑制包括結腸癌、乳腺癌、前列腺癌以及肺癌等多種癌細胞系的生長，其效果強于普通的NSAIDs。并且其作用機制在不同的細胞中也會有所不同。這也進一步擴展了H2S的應用范圍，豐富了其在癌癥治療中的給藥方式，表明H2S是一種很有前途的抗癌藥物。

5 結語

H2S作為一種新型氣體信號分子，可以參與人體內多條信號通路的調節(jié)，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤等活性，是一種具有廣泛應用前景的小分子化合物。未來，對于H2S在人體內不同細胞的主導作用及其機理，以及對腫瘤細胞的抑制作用是研究的重點方向。