硫化氫在肺癌中的研究進展△

段煉，張愛潔

遂寧市中心醫院基礎實驗室，四川 遂寧6290000

肺癌是中國發病率及病死率最高的惡性腫瘤，研究顯示2015 年中國肺癌新發病例約為78.7 萬例，因肺癌死亡人數約為63.1 萬例。肺癌患者早期癥狀不明顯，難以診斷，確診患者大多病情嚴重。肺癌患者的臨床治療多采用外科手術聯合放化療，不良反應明顯。因此深入研究肺癌，了解其發病機制和發展過程，并開發新型藥物是必要的。近年來關于硫化氫的文獻被大量報道，硫化氫也被稱為繼一氧化氮（nitric oxide，NO）和一氧化碳（carbonic oxide，CO）之后的第三個氣體信號分子。研究發現硫化氫參與了呼吸系統多種生理及病理過程的調節，其在肺癌的發生和發展中都發揮了重要作用。本文通過近幾年的文獻報道，對硫化氫與肺癌臨床特征的相關性和硫化氫在肺癌發生發展過程中的分子機制進行綜述。

1 硫化氫的理化特點及代謝特征

硫化氫是一種無色帶有臭雞蛋氣味的氣體，能夠被氧化生成單質硫、二氧化硫、硫酸鹽等。硫化氫溶于水，存在以下電離平衡：HS ?H+HS、HS?H+S。在生理條件下（pH=7.4），70%硫化氫以HS形式存在，剩余為游離的硫化氫。硫化氫在有機溶液中具有更高溶解度，約為水中的5 倍，這使得硫化氫能夠透過細胞膜。

某些細菌和古細菌以硫化氫作為能源物質生存，而在哺乳動物細胞中也發現了硫化氫的存在。研究發現大鼠血清中硫化氫濃度為0.2～40.0 μmol/L，腦組織中硫化氫濃度為50～160 μmol/L，紅細胞也能代謝生成硫化氫。硫化氫的生成主要依賴于3種以半胱氨酸為底物的硫化氫合成酶：胱硫醚-β-合成酶（cystathionine-beta-synthase，CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine-gamma-lyase，CGL，又稱CSE）和巰基丙酮酸轉移酶（3-mercapto-pyruvate sulfurtransferase，3-MST/MPST）。3 種硫化氫合成酶的表達具有組織特異性。CBS 主要表達于神經系統，在肝臟、腎臟、腸道、子宮和胰島中都有表達；CSE 主要表達于心血管系統，包括肺組織；而MPST 主要表達于線粒體中。此外機體還能通過非酶促反應生成硫化氫，通過葡萄糖氧化產生的還原當量還原單質硫產生硫化氫。機體內硫化氫通過線粒體中的氧化反應和細胞質中的甲基化進行代謝，還可以通過高鐵血紅蛋白和含有金屬元素或二硫化合物的分子清除。硫化氫作為氣體小分子，具有溶于水且能夠透過細胞膜等理化特點，并且其廣泛表達于機體組織，決定了其參與肺癌的發生以及自然病程的可能性。

2 硫化氫與肺癌臨床特征的關系

硫化氫在包括呼吸系統在內的多種系統中都發揮了重要作用，參與了呼吸系統的多個生理過程，包括胎兒的肺血管和肺泡發育、呼吸節奏調節、肺循環、細胞增殖凋亡、纖維化、氧化應激和炎癥等，其代謝異常與哮喘和慢性阻塞性肺疾病等急慢性肺病以及肺癌相關。

硫化氫對腫瘤的影響在不同部位腫瘤中存在差異，作用機制復雜。硫化氫在肺癌的發生與發展中起著重要的作用，研究發現肺癌組織中硫化氫合成酶和硫化氫產物表達量更高，且其表達情況與肺癌腫瘤大小、分化程度、臨床分期和淋巴結轉移有關。Wang 等在臨床研究中發現肺癌組織中硫化氫含量為（213.8±88.4）nmol/L，癌旁組織中硫化氫含量為（73.6±37.7）nmol/L，肺腺癌組織中硫化氫合成酶

CBS

、

CSE

、

MPST

mRNA 表達水平更高，Western blot 和免疫組織化學結果顯示，肺腺癌組織中CBS、CSE 和MPST 的蛋白表達水平也更高，并且CBS 和CSE 的表達水平與肺腺癌腫瘤大小、臨床分期和淋巴結轉移有一定相關性，而MPST 的表達與腫瘤大小相關，在其后續對人肺腺癌A549、95D、NCI-H1395 細胞和人正常肺上皮BEAS-2B 細胞的研究中也發現了類似結果。Szczesny 等在對肺腺癌的研究中發現，與癌旁組織相比，腫瘤組織CBS、CSE 和MPST 表達量更高，硫化氫含量更高，肺腺癌細胞系（A549、H522 和H1944）與正常肺上皮細胞系（BEAS-2B）相比，硫化氫合成酶表達量及硫化氫含量也更高。尹輝對125例肺癌標本進行分析發現，99 例肺癌標本CSE 表達陽性，20 例癌旁組織標本CSE 表達陽性，CSE 陽性部位主要集中在細胞質中并呈棕黃色表達，且其表達情況與臨床分期和淋巴結轉移有關，CSE 高表達患者5 年生存率明顯低于CSE 低表達患者。鮑文華等對40 例肺癌組織標本進行分析發現，30 例肺癌組織CSE 陽性，10 例正常肺組織CSE 陽性，其表達與腫瘤大小及分化程度相關。上述研究表明硫化氫含量及硫化氫合成酶表達量與肺癌的部分臨床特征具有相關性，但仍需擴大研究的樣本量，與肺癌臨床診斷指標進行對比，或者結合已有指標構建診斷模型，從而為肺癌的治療與診斷提供研究資料。

3 硫化氫與肺癌的基礎研究

3.1 細胞增殖

硫化氫能夠影響肺癌細胞的能量代謝、增殖和凋亡。硫化氫本身即可作為一種電子供體，能夠被線粒體基質中的硫醌氧化還原酶（sulfide quinone oxidoreductase，SQR）直接氧化成過硫化合物，該過程提供電子提高了線粒體膜電位，促進三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的合成，影響呼吸電子傳遞鏈。大量研究發現在低濃度和接近生理濃度時硫化氫能促進肺癌細胞增殖。Wang 等在對肺腺癌A549 細胞的研究中發現添加10、25、50 μmol/L NaHS 時能夠提升細胞活力，而硫化氫合成酶抑制劑氨基氧乙酸（aminooxyacetic acid，AOAA）和DL-炔丙基甘氨酸（propargylycine，PAG）能顯著降低A549 細胞活力，化學抑制劑（1 mmol/L AOAA 和3 mmol/L PAG）和基因沉默手段均能減緩細胞周期進程，促進細胞凋亡，抑制細胞遷移、侵襲和上皮-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過程。陳志全發現50、100、200 μmol/L NaHS 均能促進NCI-H1650 細胞增殖，且具有濃度依賴性。Szczesny 等發現AOAA 能夠抑制A549 和H1044 細胞的生長。

硫化氫對肺癌細胞增殖凋亡的影響還與線粒體DNA 的修復有關。與核DNA 相比，線粒體DNA 具有更短的序列，修復系統更簡單，其完整性對腫瘤細胞的存活極其重要。硫化氫能夠通過修飾核酸外切酶G（exonuclease G，EXOG）促進肺腺癌細胞線粒體DNA 修復復合物的裝配，從而增強線粒體DNA 的修復能力，提高線粒體DNA 的完整性。EXOG 是線粒體內的DNA 修復系統的關鍵酶之一。抑制硫化氫的產生能夠抑制線粒體DNA 的修復功能，引起線粒體功能紊亂，增強對化療藥物的敏感性。AOAA 聯合喜樹堿（camptothecin，CPT）和奧沙利鉑能夠抑制A549 細胞的細胞活性，與CPT 協同作用能夠誘導A549 細胞的凋亡，加重線粒體DNA 損傷，減少ATP 的合成，且AOAA 能夠增強伊利替康對老鼠腫瘤生長率的抑制作用。上述研究表明抑制硫化氫合成酶能夠對肺癌細胞的活性產生促進作用，其機制可能與能量代謝和線粒體DNA 有關，但硫化氫是如何影響肺癌細胞的呼吸電子傳遞鏈以及線粒體DNA 修復仍有待研究。

此外還有研究顯示，外源性硫化氫在一定濃度下能夠直接抑制肺癌細胞增殖，增加抗順鉑肺癌細胞對順鉑的敏感性，減輕鎳化合物的致癌作用。Wang 等研究發現2000 μmol/L NaHS 處理能抑制肺癌細胞的細胞活力。Ma 等發現與順鉑敏感的A549 細胞相比，抗順鉑的A549/DDP 細胞中硫化氫產物含量更低，CBS 表達量也更低。200、400、800、1000 μmol/L NaHS 均能抑制A549/DDP細胞活性，呈濃度依賴性。800 μmol/L NaHS 處理能夠增加A549/DDP 細胞對順鉑的敏感性，誘導細胞的凋亡，停滯細胞周期并抑制細胞的遷移和侵襲，其機制可能與細胞凋亡通路中p53 的激活，p21、caspase 3、B 細胞淋巴瘤/白血病-2 相關X 蛋白（B cell lymphoma/leukemia-2-associated X protein，BAX）和基質金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP2）的過表達，Bcl-xL 的下調有關。鎳化合物是一種公認的致癌物質，也是環境污染的成分之一。Zhou 等發現NiCl處理人支氣管上皮細胞能夠抑制硫化氫合成酶CBS、CSE 和MPST 的表達，而外源性添加100 μmol/L NaHS 能夠抑制NiCl對A549 細胞遷移能力的促進作用。該課題組在后續的機制研究中發現外源性的硫化氫可以通過調節轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/SMAD2/SMAD3 信號通路抑制NiCl誘導的EMT 和A549 細胞的遷移能力增強。需要注意的是，當外源性硫化氫發揮抗肺癌作用時，添加濃度均較高，這區別于前文中硫化氫促進肺癌細胞活性時的濃度，而硫化氫發揮抗肺癌作用的最佳濃度仍有待研究。文獻已經揭示了硫化氫抗肺癌作用機制相關的部分通路，如凋亡通路和TGF-β1/SMAD2/SMAD3 信號通路，但硫化氫調節通路的具體作用機制并未闡明。

3.2 血管生成

肺癌的特征之一是血管生成，該過程為肺癌細胞的生長提供氧氣和營養物質，并為腫瘤的轉移提供可能。研究表明硫化氫能夠影響血管生成，陶蓓蓓等發現硫化氫具有血管舒張因子的作用，能夠降低血壓，在缺血再灌注中保護心肌，減輕血管結構和功能的慢性病變，且能夠通過激活血管內皮細胞生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）促進血管的生成。

在肺癌細胞實驗中發現，外源性硫化氫能通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）通路，上調血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達，促進血管生成，抑制硫化氫合成酶活性能夠抑制裸鼠腫瘤的血管生成。硫化氫影響血管生成可能與缺氧誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）有關，HIF-1α是機體為了適應缺氧環境維持穩態的一類重要分子，在腫瘤血管生成中發揮重要的調控作用。硫化氫能夠調節HIF-1α的表達，且與之存在正反饋調節作用。在A549 細胞中，外源性的硫化氫能夠增加HIF-1α的表達，促進其進入細胞核的過程，缺氧誘導的HIF-1α能夠促進內源性硫化氫合成酶的表達，而AOAA 和PAG 能夠抑制HIF-1α的轉錄活性，同時HIF-1α抑制劑2-MeOE2 和基因沉默手段均能抑制硫化氫合成酶的轉錄活性，抑制硫化氫的產生。上述研究表明外源性硫化氫能夠促進肺癌組織的血管生成，其機制可能與HIF-1α和VEGF 有關，但硫化氫是如何調節HIF-1α和VEGF 的仍需要進一步研究。

3.3 轉移

肺癌細胞的侵襲和轉移是影響肺癌患者療效、預后的主要因素之一，并且都與EMT過程相關。研究發現，50 μmol/L NaHS處理后增加了A549細胞遷移和侵襲能力，加快其EMT過程，化學抑制劑和基因沉默手段均能抑制細胞遷移、侵襲和EMT 過程。肺癌的轉移還與腫瘤細胞的免疫逃逸相關，Li等研究發現外源性硫化氫能夠通過上調HIF-1α的表達水平促進非小細胞肺癌細胞程序性死亡受體配體1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也稱PD-L1）的表達，使用HIF-1α抑制劑能夠抑制PD-L1的表達。PD-L1 能夠與T 淋巴細胞上的程序性死亡受體1（programmed cell death 1，PDCD1，也稱PD-1）特異性結合，抑制T 淋巴細胞介導的細胞免疫，從而誘導腫瘤細胞的免疫逃逸。上述研究表明外源性的硫化氫能夠影響肺癌細胞的轉移和免疫逃逸，肺癌細胞中的硫化氫代謝可能會成為抑制肺癌細胞轉移藥物的靶點。

4 硫化氫與肺癌的治療

有研究報道稱非甾體抗炎藥（non-steroidal anti-inflammatory drug，NSAID）引入硫化氫釋放結構后對A549 細胞活性的抑制效果是單獨給藥的20倍以上，甚至3100 倍，在結腸癌細胞HT-29 的實驗中發現釋放硫化氫的NSAID 能抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡，并將細胞阻滯在G/G期。在阿司匹林中引入NO 和硫化氫釋放結構能夠明顯抑制多種腫瘤細胞的生長活性，包括肺腺癌細胞、乳腺癌細胞和白血病細胞等。丙戊酸（valproic acid，VPA）對惡性腫瘤具有治療效果，但其發揮抗腫瘤活性需要極高的藥物濃度。在VPA 上引入硫化氫釋放結構增強了對肺癌細胞生長和侵襲的抑制作用，并且通過線粒體途徑誘導肺癌細胞凋亡，且能夠增加肺癌細胞對化療藥物的敏感性。

5 小結

硫化氫在肺癌的發生與發展過程中扮演著重要角色，但仍存在諸多爭議，硫化氫在低濃度或者生理濃度下能夠促進肺癌細胞的增殖、分化和轉移，高濃度下卻能抑制肺癌細胞活性，這種效應可以用“鐘型模型”進行解釋，在其他關于硫化氫對腫瘤影響的文獻中也有類似現象。在肺癌發展過程中硫化氫濃度變化及肺癌發展與硫化氫的關系仍然有待研究。硫化氫可以影響肺癌細胞的線粒體能量代謝及線粒體DNA 的修復功能，還可與HIF-1α形成正反饋作用，調節血管的生成和PD-L1的表達。硫化氫還能增加肺癌細胞對已有抗腫瘤藥物的敏感性。

硫化氫在腫瘤預防、檢測和治療方面極具應用前景，但仍存在諸多問題。首先，很多研究使用的硫化氫供體（如NaHS）會在短時間內釋放大量硫化氫，并不能保證長時間地提高硫化氫濃度，因此使用緩釋的供體進行研究是有必要的。其次，硫化氫能夠自由擴散進入細胞膜，其作用方式復雜很可能是通過多途徑進行調控，仍然需要大量實驗研究硫化氫是如何影響肺癌細胞，進一步揭示硫化氫在肺癌中的作用機制，以期發現新的治療靶點。硫化氫抑制劑和添加了硫化氫釋放結構的多種藥物都展現了出色的抗癌效果，都可進一步開發成為臨床抗癌藥物，但其安全性及有效性仍需要進一步評估和深入研究。