馬憲魯 鄭寶石 馮 旭 黃柳柳 羅 程 黎玉貴

(1 山東省濟寧市第一人民醫(yī)院心外科，濟寧市 272011，E-mial：ma.xianlu@163.com；2 廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心臟外科，南寧市 530021)

綜 述

內源性硫化氫在心肌缺血再灌注損傷中的心肌保護作用研究進展▲

馬憲魯1鄭寶石2馮 旭2黃柳柳2羅 程2黎玉貴2

(1 山東省濟寧市第一人民醫(yī)院心外科，濟寧市 272011，E-mial：ma.xianlu@163.com；2 廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心臟外科，南寧市 530021)

目前體外循環(huán)(CPB)心臟不停跳技術已經成熟應用于心血管疾病的外科治療，大幅度降低心肌缺血再灌注損傷(MIRI)帶來的心肌細胞凋亡，但是由于CPB的自身因素以及手術過程對心臟的影響，患者術后仍存在一定程度的心肌缺血缺氧。胱硫醚-γ-裂解酶催化產生的內源性硫化氫(H2S)能夠作用于心血管系統(tǒng)，通過保護線粒體、抑制內質網應激、減少炎性反應等方式來減輕心肌細胞凋亡，為今后臨床心肌保護方面提供新思路。本文內源性H2S在MIRI中的心肌保護作用研究進展進行一綜述。

心肌缺血；再灌注損傷；內源性硫化氫；心肌保護；細胞凋亡；綜述

目前體外循環(huán)(cardiopulmonary bypass，CPB)技術在心臟外科領域中仍占據(jù)主導地位，現(xiàn)階段仍有不少醫(yī)療機構采用CPB心臟停搏手術來進行心血管疾病的外科治療。但以CPB技術為基礎的心臟手術中面臨的最大問題是心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury，MIRI)，而心肌細胞凋亡是影響MIRI后心功能恢復的重要因素[1]。如何能夠減少MIRI所帶來的心肌細胞凋亡、有效地保護心肌、提高手術成功率以及患者術后生存質量一直是當前研究的重點。目前較為成熟的心肌保護措施是低溫技術的使用、改善CPB設施、麻醉用藥、圍術期藥物使用的改善、心臟停搏液的改良[2]等，其在一定程度上提高了心肌耐受缺氧等能力，但沒有改變MIRI本質的影響。20世紀90年代何巍、林輝教授將淺低溫CPB心臟不停跳技術運用至臨床，大幅度降低了MIRI的程度，并且使CPB技術能夠運用于重癥瓣膜病、心力衰竭的換瓣患者[3-4]，但該術式存在增加氣栓發(fā)生率、心室顫動、反復吸血破壞血細胞[5]等不足，且仍有MIRI的發(fā)生。近幾年研究顯示內源性硫化氫(H2S)MIRI過程中對心肌保護具有重要的作用[6]。在術中提供內源性H2S，并與淺低溫心臟不停跳手術結合可全面保護心肌。本文就內源性H2S在MIRI中的心肌保護作用研究進展進行綜述。

1 內源性H2S生物學特性及在MIRI中的作用

內源性H2S是一種神經活性物質，其在心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)以及泌尿系統(tǒng)均發(fā)揮著重要的作用，是繼一氧化氮和一氧化碳后第三類氣體信號分子[7]，在20世紀90年代，該氣體在機體內被發(fā)現(xiàn)。

1.1 內源性H2S的生物學特性 內源性H2S的合成經酶促反應完成，以半胱氨酸作為底物，主要是通過胱硫醚-β-合成酶、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)、半胱氨酸轉移酶(cysteine aminotransferase，CAT)以及丙酮酸巰基轉硫酶(mercaptopyruvate sulfurtransferase，MST)催化產生，而心血管系統(tǒng)的內源性H2S主要是依靠CSE催化產生[8]。H2S可在機體內大部分組織中生成，包括心腦血管、肝、腎等重要臟器，以小部分氣體形式以及大部分的硫氫化鈉(NaHS)形式存在，內源性H2S與NaHS在人體中達到一種動態(tài)平衡[9]。CSE主要存在心血管中，CBS主要存在腦組織中，而CAT及MST可在腦組織及血管中調控內源性H2S的合成[10]。

1.2 內源性H2S在心血管系統(tǒng)中的病理生理作用 內源性H2S在心血管中可以促進血管舒張、調節(jié)血管平滑肌以控制血壓，且具有對抗動脈粥樣硬化及MIRI、抑制心血管平滑肌細胞增殖、參與休克時血管的低反應及負性心肌肌力等作用[11-12]，因此CSE催化產生內源性H2S可以減少MIRI過程中的心肌細胞凋亡。內源性H2S能夠促進心肌蛋白化學修飾、激活保護通路，對抗心肌缺血的發(fā)生[13]。在體與離體動物實驗結果顯示，在心肌缺血缺氧前給予H2S預處理可以產生顯著心肌保護效應，包括能夠縮小心肌缺血后梗死面積、降低心肌肌鈣蛋白Ⅰ的含量、減輕缺血缺氧后至心律失常的程度以及持續(xù)時間、增加心肌細胞活力以及心肌收縮力[14]。介導內源性H2S在心肌缺血預處理(ischemic preconditioning，IPC)保護效應的細胞內信號途徑主要是激活蛋白激酶C信號途徑及開放肌漿網三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)敏感性K+通道(KATP)，進一步促進細胞內Ca2+再攝取進入肌漿網，同時增強Na+/Ca2+轉運促Ca2+外排，從而抵抗缺血再灌注損傷所致Ca2+超載及心肌細胞過度收縮[15]。內源性H2S除了在IPC效應保護心肌外，在心肌缺血后再灌注階段給予內源性H2S進行缺血后處理(ischemic post-conditioning，IPO)也能產生非常明顯的心肌保護作用，主要表現(xiàn)在改善心臟功能恢復，縮小再灌注心肌梗死面積[16]。

1.3 內源性H2S在MIRI中的心肌保護作用 Bian等[17]研究發(fā)現(xiàn)在IPC過程中通過增加內源性H2S的化合物NaHS的含量能夠增加MIRI后離體心肌的細胞活性，減少心肌細胞凋亡，而減少H2S含量則心肌保護作用減弱。徐鋼等[18]利用Langendorff灌流模式制造大鼠離體心臟MIRI模型，發(fā)現(xiàn)IPO中CSE/H2S含量增高，缺血后心肌梗死面積減小，而在加入CSE抑制劑后心肌缺血程度加重且缺血后梗死面積加大，證實了內源性H2S參與IPO減輕MIRI。Elrod等[19]實驗研究發(fā)現(xiàn)，CSE催化產生的內源性H2S能夠有效減少MIRI后心肌損害，提高心肌收縮功能。以上研究結果表明，CSE催化產生的內源性H2S能夠在一定程度上在MIRI中起到心肌保護作用，為心臟外科CPB中心肌保護提供了新的臨床路徑。

2 內源性H2S在MIRI中的心肌保護作用機制

心肌損害的程度主要表現(xiàn)在心肌細胞凋亡的程度上，而細胞凋亡是一種主動耗能、受特殊程序控制、各細胞器參與逐步凋亡通路激活的細胞程序性死亡過程，可表現(xiàn)為細胞皺縮變圓、細胞質濃縮、核膜斷裂、細胞膜水泡化、凋亡小體出現(xiàn)等[20]。目前有研究表明心肌細胞凋亡發(fā)生在心肌缺血后的再灌注階段[21]，而主導細胞凋亡的方式包括：線粒體途徑的調控導致細胞凋亡[22]，內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)通路在MIRI的一系列信號傳導通路引起的細胞凋亡[23]，同時在心肌缺血以及MIRI過程中產生的炎性介質等激活凋亡通路介導細胞凋亡[24]。內源性H2S通過抑制上述機制來減少MIRI過程導致的細胞凋亡。

2.1 內源性H2S通過保護線粒體功能減少細胞凋亡 在線粒體的調控途徑中，由于MIRI中ATP的急劇減少導致線粒體電子傳遞過程障礙、大量氧自由基生成、Ca2+超載等，使線粒體腫脹增加線粒體膜通透性，凋亡效應因子從線粒體漏出。由于線粒通透性轉換通道打開，細胞色素C釋放后中斷呼吸鏈，在減少ATP的生成時激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate-specific proteinase，caspase)-3表達介導細胞凋亡，而CSE/H2S通路能夠減輕線粒體腫脹、保護線粒體在缺氧后的完整性、減少線粒通透性轉換通道的開放、清除氧自由基生成、降低caspase-3活性等機制進行心肌保護[25]。

2.2 內源性H2S抵抗ERS減少細胞凋亡 缺血、缺氧、Ca2+超載以及大量氧自由基生成等因素可引起ERS，而這些不利因素可影響從內質網到細胞質甚至細胞核的信號傳導而啟動細胞凋亡[26]。ERS時caspase-12位于內質網膜，以caspase-12前體形式存在，在線粒體凋亡途徑中不被活化，僅特異地被內質網信號通路水解激活，是ERS介導凋亡的關鍵蛋白酶[27]。caspase-12作為內質網特有的凋亡蛋白在ERS時表達量增高，從而在激活caspase-9后間接激活caspase-3表達或者直接促進后者表達而促進細胞凋亡[28]。研究表明CSE催化產生的內源性H2S能夠通過激活細胞外信號調解酶通路來拮抗MIRI過程中誘發(fā)ERS致心肌細胞凋亡[29]。

2.3 內源性H2S通過抑制炎性反應減少細胞凋亡 心肌缺血后缺血區(qū)域常伴隨著炎性細胞的浸潤、炎性介質的釋放以及炎癥相關轉錄因子的激活等[30]。炎癥是造成MIRI的重要機制，包括腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白細胞介素(interleukin，IL)-1、IL-6等多種細胞因子的參與其中[31]。核轉錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)作為一個二聚體轉錄因子，能夠調節(jié)細胞相關因子、生長相關因子以及細胞凋亡等[32]。單純缺血也能導致NF-κB的活性增加，并參與MIRI時的細胞凋亡。TNF-α、IL-1等細胞因子表達增高能夠促進NF-κB表達進而誘導細胞凋亡，而CSE/H2S能夠通過抑制NF-κB通路活性表達以減輕炎性與細胞毒性反應，減少細胞凋亡[3]，同時CSE催化產生的內源性H2S能夠減少細胞因子IL-1、IL-6引起的中性粒細胞浸潤[34]?？梢奌2S能夠通過抑制MIRI所帶來的炎性介質反應來保護心肌。

3 內源性H2S在臨床工作中的應用前景

雖然內源性H2S參與機體特別是心血管系統(tǒng)的多種生理病理過程，且心血管系統(tǒng)對其血清濃度非常敏感，但單純H2S屬于劇毒氣體，并且水溶液性質不穩(wěn)定，其前體衍生物NaHS也極易分解，均不能直接作為藥物使用，因此對于內源性H2S的藥物性使用研究仍有待展開[7]。2008年Whiteman等[35]發(fā)現(xiàn)了H2S緩釋劑GYY4137，開啟了H2S作為藥物的臨床研究。近期有學者發(fā)現(xiàn)該緩釋劑較穩(wěn)定，可作為較穩(wěn)定、緩釋、毒副作用相對低的硫化氫供體，用于研究硫化氧的細胞功能調節(jié)和急性心血管調節(jié)病理生理學作用機制，雖其毒副作用相對較低，但僅適用于急性動物實驗[36]。目前大多實驗中心中以NaHS作為H2S的供體，在IPC、IPO中給予NaHS來進行研究。但由于H2S作為一種毒性氣體，可對生物體在呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、細胞活性等方面造成傷害[37]，所以很少實驗直接采用H2S氣體進行研究。目前多在現(xiàn)有藥物基礎上進行基團改造，使其能在體內分解代謝中產生H2S[38]。近年來的實驗研究大多是對大鼠、兔等嚙齒類動物的研究，而高等哺乳動物研究不多。美國的Ikaria公司在缺血缺氧性疾病的研究中已經完成注射用硫化鈉的Ⅰ期臨床實驗。加拿大的Antibe公司有關能夠釋放H2S的非載體類抗炎藥衍生物的研究已經完成Ⅰ期臨床實驗研究，并取得不錯效果。

綜上所述，內源性H2S對心血管系統(tǒng)疾病意義顯著，其生物學特征及病理生理學作用均揭示了其在MIRI中對心肌保護作用的機制，為臨床上心肌保護工作的開展與應用提供了新的理論與實驗依據(jù)。通過CSE催化產生內源性H2S可在CPB心臟手術中降低MIRI、減少心肌細胞凋亡、提高術后心肌活力，具有良好的應用前景。

[1] 康 波,劉紅明,洪 江,等.硫化氫調節(jié) miRNA-455表達抑制內質網應激介導的心肌細胞凋亡[J].醫(yī)學研究生學報,2014,27(12):1 245-1 249.

[2] 陳 林,肖穎彬,肖 娟,等.不同心肌保護方法在雙瓣膜置換術中對心肌的保護作用[J].中國胸心血管外科臨床雜志,2012,19(4):371-375.

[3] 何 巍,林 輝,鄭寶石,等.淺低溫體外循環(huán)心臟跳動中施術對心肌保護的實驗研究[J].中華胸心血管外科雜志,2001,17(2):96-98.

[4] 林 輝,何 巍,彭青云,等.心臟不停跳心內直視手術的臨床研究[J].中華胸心血管外科雜志,2001,17(3):129-131.

[5] 林 輝,何 巍,劉唐威,等.心臟不停跳主動脈瓣及聯(lián)合瓣膜替換術[J].中華醫(yī)學雜志(英文版),2001,114(11):1 180-1 183.

[6] King AL,Polhemus DJ,Bhushan S,et al.Hydrogen sulfide cytoprotective signaling is endothelial nitric oxide synthase-nitric oxide dependent[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2014,111(8):3 182-3 187.

[7] Olson KR.Hydrogen sulfide as an oxygen sensor[J].Clin Chem Lab Med,2013,51(3):623-632.

[8] Polhemus DJ,Lefer DJ.Emergence of Hydrogen sulfide as an endogenous gaseous signaling molecule in cardiovascular disease[J].Circ Res,2014,114(4):730-737.

[9] Li N,Wang MJ,Jin S,et al.The H2S donor NaHS changes the expression pattern of H2S-producing enzymes after myocardial infarction[J].Oxid Med Cell Longev,2016,2016:6 492 469.

[10]李 貞,李 凱,陳穎慧.內源性硫化氫與心血管疾病發(fā)生發(fā)展的研究進展[J].中國循環(huán)雜志,2015,30(9):922-923.

[11]Predmore BL,Lefer DJ.Hydrogen sulfide-mediated myocardial pre- and post-conditioning[J].Expert Rev Clin Pharmacol,2011,4(1):83-96.

[12]金紅芳,杜軍保,唐朝樞.內源性硫化氫在心血管疾病中的研究進展[J].中華醫(yī)學雜志,2011,91(43):3 090-3 092.

[13]Sodha NR,Clements RT,Feng J,et al.Hydrogen sulfide therapy attenuates the inflammatory response in a porcine model of myocardial ischemia/reperfusion injury[J].J Thorac Cardiovasc Surg,2009,138(4):977-984.

[14]Li C,Hu M,Wang Y,et al.Hydrogen sulfide preconditioning protects against myocardial ischemia/reperfusion injury in rats through inhibition of endo/sarcoplasmic reticulum stress[J].Int J Clin Exp Pathol,2015,8(7):7 740-7 751.

[15]Pan TT,Neo KL,Hu LF,et al.H2S preconditioning-induced PKC activation regulates intracellular calcium handling in rat cardiomyocytes[J].Am J Physiol Cell Physiol,2008,294(1):C169-C177.

[16]Ji Y,Pang QF,Xu G,et al.Exogenous hydrogen sulfide postconditioning protects isolated rat hearts against ischemia-reperfusion injury[J].Eur J Pharmacol,2008,587(1-3):1-7.

[17]Bian JS,Yong QC,Pan TT,et al.Role of hydrogen sulfide in the cardioprotection caused by ischemic preconditioning in the rat heart and cardiac myocytes[J].J Pharmacol Exp Ther,2006,316(2):670-678.

[18]徐 鋼,季 永,汪 莉,等.內源性硫化氫參與缺血后處理減輕離體大鼠心臟缺血/再灌注損傷[J].中國藥理學通報,2008,24(7):910-914.

[19]Elrod JW,Calvert JW,Morrison J,et al.Hydrogen sulfide attenuates myocardial ischemia-reperfusion injury by preservation of mitochondrial function[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(39):15 560-15 565.

[20]Yu HT,Zhen J,Pang B,et al.Ginsenoside Rg1 ameliorates oxidative stress and myocardial apoptosis in streptozotocin-induced diabetic rats[J].J Zhejiang Univ Sci B,2015,16(5):344-354.

[21]Kalogeris T,Baines CP,Krenz M,et al.Cell biology of ischemia/reperfusion injury[J].Int Rev Cell Mol Biol,2012,298:229-317.

[22]Vrachnis N,Dalainas I,Papoutsis D,et al.Soluble Fas and Fas-ligand levels in mid-trimester amniotic fluid and their associations with severe small for gestational age fetuses:a prospective observational study[J].J Reprod Immunol,2013,98(1-2):39-44.

[23]Zhao GL,Yu LM,Gao WL,et al.Berberine protects rat heart from ischemia/reperfusion injury via activating JAK2/STAT3 signaling and attenuating endoplasmic reticulum stress[J].Acta Pharmacol Sin,2016,37(3):354-367.

[24]Wang Y,Zhang H,Chai F,et al.The effects of escitalopram on myocardial apoptosis and the expression of Bax and Bcl-2 during myocardial ischemia/reperfusion in a model of rats with depression[J].BMC Psychiatry,2014,14:349.

[25]Wang X,Wang Y,Kim HP,et al.Carbon monoxide protects against hyperoxia-induced endothelial cell apoptosis by inhibiting reactive oxygen species formation[J].J Biol Chem,2007,282(3):1 718-1 726.

[26]關麗英,許彩民,潘華珍.內質網應激介導的細胞凋亡[J].生物化學與生物物理進展,2007,34(11):1 136-1 141.

[27]Ni M,Lee AS.ER chaperones in mammalian development and human diseases[J].FEBS Lett,2007,581(19):3 641-3 651.

[28]Nakagawa T,Zhu H,Morishima N,et al.Caspase-12 mediates endoplasmic-reticulum-specific apoptosis and cytotoxicity by amyloid-beta[J].Nature,2000,403(6765):98-103.

[29]Lan A,Liao X,Mo L,et al.Hydrogen sulfide protects against chemical hypoxia-induced injury by inhibiting ROS-activated ERK1/2 and p38MAPK signaling pathways in PC12 cells[J].PLoS One,2011,6(10):e25 921.

[30]Jiang WL,Fu FH,Xu BM,et al.Cardioprotection with forsythoside B in rat myocardial ischemia-reperfusion injury:relation to inflammation response[J].Phytomedicine,2010,17(8-9):635-639.

[31]Altavilla D,Guarini S,Bitto A,et al.Activation of the cholinergic anti-inflammatory pathway reduces NF-kappab activation,blunts TNF-alpha production,and protects againts splanchic artery occlusion shock[J].Shock,2006,25(5):500-506.

[32]Horton JW,White DJ,Maass DL,et al.Antioxidant vitamin therapy alters burn trauma-mediated cardiac NF-kappaB activation and cardiomyocyte cytokine secretion[J].J Trauma,2001,50(3):397-406.

[33]徐文明,郭潤民,陳景福,等.硫化氫通過調控NF-κB通路抑制阿霉素引起的心肌細胞炎癥與細胞毒性[J].中國病理生理雜志,2013,29(9):1 561-1 566.

[34]Rohrbach S,Engelhardt S,Lohse MJ,et al.Activation of AP-1 contributes to the beta-adrenoceptor-mediated myocardial induction of interleukin-6[J].Mol Med,2007,13(11-12):605-614.

[35]Li L,Whiteman M,Guan YY,et al.Characterization of a novel,water-soluble hydrogen sulfide-releasing molecule(GYY4137):new insights into the biology of hydrogen sulfide[J].Circulation,2008,117(18):2 351-2 360.

[36]Wei WB,Hu X,Zhuang XD,et al.GYY4137,a novel hydrogen sulfide-releasing molecule,likely protects against high glucose-induced cytotoxicity by activation of the AMPK/mTOR signal pathway in H9c2 cells[J].Mol Cell Biochem,2014,389(1-2):249-256.

[37]楊 雪,劉 潔,吳曉明,等.H2S氣體分子及相關藥物研究進展[J].藥學與臨床研究,2014(2):128-133.

[38]Wallace JL,Dicay M,Mcknight W,et al.Hydrogen sulfide enhances ulcer healing in rats[J].FASEB J,2007,21(14):4 070-4 076.

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃(桂科攻1355005-2-3)；廣西自然科學基金(2013GXNSFAA019152)

馬憲魯(1990～)，男，在讀碩士研究生，研究方向：心血管外科。

鄭寶石(1969～)，男，博士，教授，主任醫(yī)師，研究方向：心血管外科，E-mail：zhengbs25@vip.sina.com。

R 541

A

0253-4304(2016)11-1581-04

10.11675/j.issn.0253-4304.2016.11.28

2016-05-12

2016-07-01)