硫化氫在呼吸系統疾病中的作用研究進展

程愛蘭， 鄭露露

(南華大學衡陽醫學院腫瘤研究所 湖南省腫瘤細胞與分子病理學重點實驗室，湖南省衡陽市421001)

研究表明，呼吸系統疾病是2017年全球致殘和致死的第三大原因，僅次于心血管疾病和腫瘤[1]，其病變主要發生于氣管、各級支氣管及肺泡囊等末梢肺組織，典型的臨床癥狀包括咳嗽、喘息、胸悶、胸痛，嚴重者可出現呼吸困難，甚至呼吸衰竭[2]，吸煙是主要危險因素[1]。在過去，人們一直認為H2S是一種對人體有害的氣體，而在NO成為第一個被描述并應用于臨床實踐的氣體信號分子之后，H2S也被報道為內源性產生的氣體分子，具有廣泛的病理生理功能，包括擴張血管以降低血壓、啟動血管的生成、對神經元作用的信號進行調節、維持糖代謝平衡等[2]。值得注意的是，H2S是一把雙刃劍，具有保護與損傷雙向作用?，F有研究表明，H2S主要具有抗炎和抗氧化的作用，然而在某些情況下作用卻相反，如發生膿毒癥時，組織中快速釋放的H2S能促進炎癥的發生[3]。本文主要對H2S在呼吸系統疾病中的病理生理作用進行綜述，并詳細描述其在幾種常見呼吸系統疾病中的重要作用。

1 H2S在肺內的合成途徑

H2S在肺內的合成與胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase,CSE)及3-巰基丙酮酸硫轉移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)這3種酶密切相關。在不同物種或不同細胞類型中，這3種酶的表達水平并不相同[4]。動物實驗表明，在小鼠的肺部，CBS主要存在于氣道血管和上皮細胞內，CSE主要在肺實質表達；而在人類呼吸系統中，氣道平滑肌細胞和肺成纖維細胞可同時檢測到CSE和CBS。在人體組織中，H2S的合成主要分為3條途徑(圖1)，其中最主要的途徑是從甲硫氨酸出發，經過代謝轉化成同型半胱氨酸，在CBS和CSE的共同催化作用下生成半胱氨酸和大部分內源性H2S。第二條合成途徑是在CSE的催化作用下，胱硫醚分解或半胱氨酸的二硫鍵裂解后可以產生部分內源性H2S。第三條合成途徑是以半胱氨酸為底物，在3-MST與半胱氨酸氨基轉移酶(cysteine aminotransferase，CAT)的共同催化作用下，生成丙酮酸和部分內源性H2S[3]。

圖1 H2S合成的3條主要途徑

2 在呼吸系統中,H2S是一把雙刃劍

2.1 H2S對呼吸系統的保護作用

在呼吸系統中，組織和細胞的氧感受器可根據H2S水平來平衡氧氣的供應和需求，進一步保護肺功能[5]。另有研究表明，H2S可以通過去乙?；?sirtuin1，SIRT1)依賴的方式改善肺泡上皮細胞線粒體功能，減少氧化應激，從而抑制香煙煙霧提取物誘導的細胞衰老和凋亡；還可以通過逆轉SIRT1介導的氧化應激和上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)來阻滯香煙煙霧誘導的小鼠氣道重塑，這些報道均表明H2S對吸煙引起的肺部疾病具有保護作用[6-8]。

據報道，吸入顆粒物(particulate matter,PM)，特別是直徑小于2.5 μm的細顆粒物和超細顆粒物，可誘發肺血管內皮細胞氧化應激的發生，從而導致血管內皮完整性喪失和肺血管通透性增加[9]。Wang等[9]研究發現硫氫化鈉(sodium hydrosulfide，NaHS)(H2S供體)可以顯著降低跨內皮電阻并清除PM誘導產生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，通過抑制 P38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPKs)和激活Akt兩條途徑維持內皮細胞的完整性。此外，研究還發現在小鼠肺部炎癥模型中，NaHS(20 mg/kg)可以減少支氣管肺泡灌洗液中PM誘導的血漿蛋白滲出、白細胞浸潤和炎癥細胞因子釋放。這些均表明H2S有助于維護肺內皮細胞屏障，在PM誘導的肺部炎癥中具有潛在的保護作用。

2.2 H2S對呼吸系統的損傷作用

H2S是一把雙刃劍，在保護呼吸系統的同時也可導致其損傷(圖2)。H2S對呼吸系統的損傷作用與其水平密切相關，高水平H2S可與線粒體中的細胞色素氧化酶結合，抑制呼吸鏈的氧化磷酸化，破壞能量代謝，最終導致細胞死亡并引起炎癥反應。Wang等[10]研究表明H2S可引起Th1/Th2免疫失衡，抑制過氧化物酶體增殖物激活受體-δ(peroxisome proliferators-activated receptors-δ，PPARs-δ)/血紅素氧合酶-1 (heme oxygenase-1，HO-1)的抗炎作用，進而加重脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導的肺炎。

H2S也可以被許多細菌利用，如革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌可以通過分解或抑制產生H2S的酶來減少H2S的產生，進而導致對多種抗生素的敏感性下降，表明H2S可以增加細菌耐藥性。此外，缺乏H2S的細胞會產生更多NO，而這兩種氣體的協同作用可誘導機體對抗生素的耐受性[11]。目前，細菌耐藥是人類面臨的重大醫學問題之一[12]，深入研究H2S增強細菌耐藥性的機制對控制耐藥菌株的流行、發現藥物作用的新靶點及臨床治療細菌感染性疾病具有重要意義。

圖2 在呼吸系統中，H2S是一把雙刃劍

3 H2S在常見呼吸系統疾病中的作用

3.1 H2S與急性肺損傷

急性肺損傷是各種致傷因素引起的肺泡上皮細胞及毛細血管內皮細胞損傷，造成彌漫性肺間質及肺泡水腫，導致急性低氧性呼吸功能不全，臨床上表現為進行性低氧血癥和呼吸窘迫。

H2S不僅可以作為急性肺損傷的預測因子，在預防和治療急性肺損傷方面也發揮一定的作用。最新研究表明聯合檢測血漿白細胞介素-18(interliukin 18，IL-18)和H2S水平可以作為預測先天性心臟病患兒術后并發急性肺損傷的可靠指標[13]。有研究發現H2S能顯著降低CBS和CSE的活性，減少炎癥細胞因子和中性粒細胞在肺部的聚集，從而阻止LPS誘導的急性肺損傷進一步加重[14-15]。在LPS誘導的急性肺損傷中，H2S能夠以濃度依賴性的方式降低IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)啟動子組蛋白H3乙酰化的水平，從而抑制IL-6和TNF-α的產生[16]，進一步表明H2S在急性肺損傷中的抗炎作用。

此外，在多種因素(如脂多糖、肺缺血再灌注)誘導的小鼠急性肺損傷模型中，外源給予H2S供體NaHS可顯著減輕急性肺損傷，而吸入H2S氣體可抑制全身炎癥反應，提高急性肺損傷小鼠的生存率[17]。Ge等[18]通過建立呼吸機相關性肺損傷大鼠模型并用H2S處理后發現，H2S可通過調控蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK) /真核起始因子2α亞基(eukaryotic initiation factor 2α，eIf2α)/激活轉錄因子4(activating transcription factor 4, ATF4)/生長抑制和DNA損傷蛋白34(growth arrest and DNA damage inducible 34, GADD34)通路抑制肺泡上皮細胞的自噬和內質網應激，減輕呼吸機相關性肺損傷。在臭氧誘導的肺炎及肺氣腫小鼠模型中，NaHS可以通過調節Nod樣受體家族3(NOD-like receptors, NLRP3)/Caspase-1、p38-MAPK和Akt通路來預防或逆轉肺部炎癥及肺泡腔內的肺氣腫改變，但不能逆轉臭氧引起的氣流受限和支氣管結構重塑[19]。這些動物模型實驗也進一步表明H2S在預防和治療急性肺損傷方面具有重要的潛在作用。

3.2 H2S與肺炎

肺炎是最常見的感染性疾病之一，常由病原微生物、理化因素、免疫損傷、過敏及藥物引起，其中細菌性肺炎最為常見。

目前臨床上常用血常規、超敏C反應蛋白(hypersensitive C-reactive protein,hs-CRP)、血清淀粉樣蛋白A、降鈣素原等檢測指標來判斷肺部炎癥的嚴重程度，其中hs-CRP水平與肺炎嚴重程度呈正相關[20]。研究發現，在肺炎患者中，血清H2S水平與hs-CRP水平呈負相關，說明H2S與肺炎嚴重程度呈負相關；同時也發現需要抗生素治療的患者血清H2S水平低于不需要抗生素治療的患者[21]。上述結果表明血清H2S的水平可作為判斷肺部感染嚴重程度的標志物以及指導抗生素使用的參考指標。

在病毒性肺炎的致病原中，呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)是一種副粘病毒，是兒童上下呼吸道感染的主要病毒感染源之一。使用硫化氫緩釋供體GYY4137和CSE產生胞內H2S后，發現RSV的感染能力降低，并且在富含H2S的氣道上皮細胞中，病毒合胞體的形成和病毒組裝及釋放能力減弱，病毒的復制力也明顯下降；H2S也可以抑制人偏肺病毒和尼帕病毒的復制和炎癥趨化因子的產生。這些均表明H2S對副粘病毒感染有廣泛的抑制作用[22-23]。

對于肺炎支原體等特殊的病原體導致的肺炎，Hu等[24]用外源性H2S處理肺炎支原體脂結合膜蛋白(lipid-associated membrane proteins,LAMPs)刺激培養的人單核細胞系THP-1后，發現H2S能夠誘導人單核細胞HO-1的表達，降低肺炎支原體誘導生成的IL-6和IL-8水平，提示H2S可能在減輕肺炎支原體誘導的炎癥反應中發揮重要作用。

3.3 H2S與肺結核

肺結核是一種嚴重危害人類健康的傳染性疾病，主要致病菌是結核分枝桿菌(mycobacterium tuberculosis,MTB)，臨床上聯合用藥是治療結核病的常用方法，但隨著耐藥結核菌株的產生，探討結核病發生及耐藥的新機制迫在眉睫[25]。

各項研究表明，H2S能夠影響MTB的生長和代謝，與MTB對化療藥物出現耐藥密切相關。宿主產生的內源性H2S可以通過細胞色素BD氧化酶刺激MTB呼吸和生物能量代謝，從而促進細菌生長并加速疾病惡化[26]。另一方面，Rahma等[27]研究表明受MTB感染后的小鼠能產生過量的H2S，進而抑制糖酵解和降低HIF-1α、IL-1β、IL-6和IL-12的水平，導致中心碳代謝紊亂以及免疫反應失調，從而使MTB長期存在于宿主，導致結核病進一步加重。

3.4 H2S與哮喘

支氣管哮喘，簡稱哮喘，是一種異質性疾病，主要特征包括氣道慢性炎癥，氣道對多種刺激因素呈現的高反應性，多變的可逆性氣流受限以及隨病程延長導致的氣道重構。目前，大部分哮喘患者可通過避免接觸過敏原、抗炎、解痙、平喘等控制哮喘的發作[28]。

人血清、痰液和呼出的氣體中均能檢測到H2S，盡管目前還沒有檢測的金標準，但已有部分研究將H2S的檢測實驗用于哮喘患者[3]。Suzuki等[3]發現，與健康人群相比，病情穩定的哮喘患者血清H2S水平低于健康人群，而痰液中H2S水平與健康人群相比沒有統計學差異，但是與急性發作期哮喘患者相比，痰液及血清H2S水平的差異完全相反，病情加重時痰液H2S水平升高，血清H2S水平降低，表明痰液中H2S水平可能與氣道阻塞的程度有關。Zhang等[29]發現不同氣道炎癥類型的哮喘患者呼出的H2S水平也不同，雖然實驗結果表明其有統計學意義，但是由于人體呼出氣體中H2S含量較少，無法判斷能否用于臨床檢測。以上研究表明血清和痰液中的H2S水平可能因病情變化(如急性加重)而變化，其可能成為預測哮喘患者當前的疾病控制情況以及疾病加重風險的預測因子。

此外，近幾十年來中國兒童哮喘患病率呈明顯上升趨勢，患病年齡多在5歲以內，約20%的患兒有家族史，病情嚴重時可導致氣道不可逆性狹窄及氣道重構[30]。Tian等[31]研究發現哮喘患兒血清H2S水平和各項肺功能指標均顯著降低，血清H2S水平與肺功能指標呈正相關，說明血清中H2S水平的降低可能是肺功能下降的標志，血清H2S水平可以作為一種肺功能輔助檢查指標，用于兒童哮喘患者的輔助檢查。

3.5 H2S與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種慢性進展性的肺部疾病，主要特征是持續且不可逆的氣流受限和氣道、肺實質及肺血管的慢性炎癥。吸煙是COPD發病的主要風險因素，值得注意的是，吸煙者的血清H2S水平遠低于非吸煙者[32]，兩者之間是否存在相關性尚未可知。

NaHS作為H2S的供體，可通過抑制脯氨酰羥化酶2(prolyl hydroxylase domain 2，PHD2)/缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)/MAPK信號通路來抑制香煙煙霧誘導的小鼠COPD模型中肺泡上皮細胞炎癥、損傷和凋亡，從而減輕香煙煙霧誘導的慢性支氣管炎并改善肺功能[7]。另外，低水平H2S治療也可通過抑制轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)通路有效改善肺功能，減少組織病理學改變、肺水腫和肺通透性，進一步減輕香煙煙霧誘導的COPD[33]，這些均表明了H2S在COPD患者治療中的潛在作用。Guan等[8]也提出H2S可以通過SIRT1信號通路抑制氧化應激以及抑制TGF-β1介導的EMT來預防香煙煙霧提取物誘導的小鼠氣道重塑，從而產生保護作用，更進一步表明H2S可能具有預防和治療COPD的潛力。Zhang等[34]也提出H2S可作為COPD氣道炎癥表型的預測因子，研究發現根據呼出的H2S水平能夠預測COPD患者是否為嗜酸性粒細胞表型，并且敏感性與特異性均良好，而嗜酸性粒細胞表型的COPD患者通常病程較長，肺功能較差，生存質量較差，提示了H2S在COPD患者預后評估中的重要性。

3.6 H2S與肺癌

原發性支氣管肺癌起源于支氣管黏膜或腺體，簡稱肺癌，其發病率和死亡率位于惡性腫瘤之首，以非小細胞肺癌為主，早期不易被發現，大多數患者在出現癥狀或就診時已是晚期，預后極差[35]。

隨著對肺癌病理機制研究的深入，人們發現H2S在腫瘤的發生發展中有著重要作用。研究發現不同水平的外源性NaHS均能促進人非小細胞肺癌細胞的增殖，并且具有濃度依賴性[36]。另一方面，H2S與腫瘤組織新生血管的形成也密切相關。研究顯示，瘤體和瘤周組織中H2S水平明顯增高，內源性H2S可以促進新生血管形成[37]。此外，H2S作為重要的氣體信號分子，能夠擴散到周圍組織中，通過旁分泌作用刺激周圍組織形成新生血管，其機制可能與HIF-1α和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)有關[38]。

肺癌的侵襲轉移是影響肺癌患者療效和預后的主要因素，且大多數情況下與EMT密切相關，有研究表明外源性增加NaHS能夠促進EMT的發生，增加A549細胞的遷移和侵襲能力[39]。在抗腫瘤藥物中添加干擾H2S的基團，靶向降低瘤體和瘤周組織中H2S水平，從而減緩血管生成、抑制EMT發生，最終實現抑制腫瘤進一步發生發展的目標，值得進一步分子藥理學研究驗證。另外，有研究表明在順鉑耐藥肺癌細胞株A549/DDP中，CBS表達顯著下調，H2S水平明顯低于親本株，而用NaHS處理A549/DDP后發現H2S水平升高，誘導細胞凋亡和細胞周期阻滯，抑制細胞遷移和侵襲，同時降低細胞的耐藥性，表明提高H2S水平可能是治療肺癌耐藥的一種潛在治療策略[40]。

4 總結和展望

H2S是繼NO和CO之后發現的新型氣體信號分子，可由機體內源產生，具有多種生物學效應，為維持機體穩態發揮重要作用。在呼吸系統中，無論是疾病的初步診斷，還是疾病的治療預后，H2S都扮演著重要角色。盡管如此，H2S的檢測手段、診斷的金標準、與抗生素耐藥的關系等尚未明確，仍是未來值得探索的研究方向。此外，目前H2S供體作為產生外源性H2S的主要來源[41]，已成為最近的研究熱點，需要做出更多的努力才能開發出在短時間內大量釋放H2S并能長時間維持機體所需要的H2S供體水平。另外，不同水平H2S生物學功能是否一致，安全性能否保障等問題也需要進一步的評估和研究。最后，H2S在肺癌中的作用仍需更多實驗去證實，并且除肺癌以外，H2S在其他癌癥中的作用及作用機制也值得進一步深入研究，以期發現新的腫瘤治療靶點。