硫化氫作為一種新型氣體信號(hào)分子的研究進(jìn)展

王秋艷

（天津大學(xué) 藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津300072）

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

但最近的研究發(fā)現(xiàn)，H2S也會(huì)在人體內(nèi)合成，并且內(nèi)源性H2S會(huì)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(hào)分子，也吸引了越來越多的人的關(guān)注。對(duì)于H2S在人體內(nèi)的作為細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)節(jié)信號(hào)的研究及相關(guān)應(yīng)用也取得了巨大進(jìn)展。本文對(duì)H2S的性質(zhì)、合成途徑、供體、生理活性和應(yīng)用前景等方面進(jìn)行了概述。

1 硫化氫的物理性質(zhì)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(xì)胞膜。H2S水溶液具有弱酸性和較強(qiáng)的還原性，易于與氧化劑如O2等反應(yīng)，金屬離子的存在也會(huì)催化這一反應(yīng)的進(jìn)行，且在堿性條件下會(huì)進(jìn)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(huì)以硫氫根陰離子（SH-）的形式存在，它可能會(huì)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?xiàng)l件下，H2S以及SH-都是具有活性的存在形式。H2S會(huì)與線粒體酶結(jié)合從而抑制細(xì)胞呼吸，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。H2S會(huì)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(shí)間都可能造成組織損傷，危及生命。

盡管H2S具有強(qiáng)烈的毒性，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在人體內(nèi)也會(huì)生成內(nèi)源性H2S并參與到細(xì)胞代謝當(dāng)中。在人體內(nèi)有3種酶負(fù)責(zé)合成內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生H2S；也可以催化半胱氨酸脫硫產(chǎn)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(zhuǎn)移酶（CAT）分解得到的產(chǎn)物3-巰基丙酮酸鹽（3 MP）分解，生成H2S和丙酮酸。這些轉(zhuǎn)硫途徑廣泛地存在于人體的各類組織細(xì)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(xì)胞中，參與了多項(xiàng)的生理代謝過程。

2 H2S的生理活性

近年來，H2S的信號(hào)傳遞作用受到了越來越廣泛地關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的H2S具有抗氧化、抗炎、促進(jìn)血管擴(kuò)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(duì)象。

H2S作為一種較強(qiáng)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(yīng)外，H2S還可以通過還原胱氨酸促進(jìn)半胱氨酸的生成，并改善細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GHS）的水平并促進(jìn)其遷移到線粒體中[4]。作為細(xì)胞內(nèi)一種重要的抗氧化劑，谷胱甘肽在穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)的氧化還原水平，保護(hù)酶等蛋白質(zhì)的功能等方面具有重要意義。所以提高細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GHS）的水平可以進(jìn)一步緩解細(xì)胞內(nèi)的氧化壓力，降低線粒體功能紊亂引發(fā)的細(xì)胞凋亡的可能性。

此外，H2S可以參與血管擴(kuò)張效應(yīng)，通過激活A(yù)TP敏感的K+通道（K+ATP），使血管平滑肌舒張，同時(shí)抑制白細(xì)胞粘附在血管內(nèi)皮細(xì)胞上，并可以誘導(dǎo)中性粒細(xì)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(duì)高血壓和心力衰竭具有治療作用，可以減少心肌炎癥的產(chǎn)生，保護(hù)心血管系統(tǒng)。

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

H2S對(duì)癌細(xì)胞的作用則更為復(fù)雜。一方面，在多種不同的癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了CBS，CSE或3-MST的過度表達(dá)[7]，這可能促進(jìn)了癌細(xì)胞的增殖，因?yàn)樗鼈兊谋磉_(dá)引起了癌細(xì)胞中H2S濃度的增加，可能會(huì)激活部分細(xì)胞信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞的增殖；而同時(shí)，以此為靶點(diǎn)的治療方法則可以通過降低酶的表達(dá)水平，抑制腫瘤細(xì)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(xì)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(shí)踐中如何精確的控制給藥的劑量也是一個(gè)需要考慮的難點(diǎn)；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(duì)于許多疾病具有潛在的治療作用，對(duì)開發(fā)相關(guān)藥物的需求也越來越強(qiáng)烈。但是H2S作為一種氣體，難以精確的測(cè)量，操作不便；同時(shí)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(gè)重要方向。H2S供體是一類可以在一定化學(xué)反應(yīng)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(jī)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(shí)間內(nèi)釋放高濃度的H2S，是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、成本低、容易獲得的一類供體。實(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)胞內(nèi)的H2S水平，可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)IL-6，IL-8，IL-10等炎癥因子來治療急性肺損傷[9]，對(duì)研究其發(fā)病機(jī)制也具有重要意義。此外，因?yàn)榘柶澓ＤY患者大腦細(xì)胞內(nèi)的H2S水平顯著降低，而使用NaSH增加細(xì)胞內(nèi)H2S可以抑制蛋白質(zhì)氧化和氧化性物質(zhì)的產(chǎn)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?yàn)闊o法控制釋放的過程，短時(shí)間內(nèi)暴露于過高濃度的H2S下會(huì)引起組織損傷，所以限制了無機(jī)硫化鹽在臨床方面的應(yīng)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(duì)抗氧化應(yīng)激和修復(fù)胃腸道損傷的作用[12]；但是勞森試劑的水溶性更差，這一點(diǎn)限制了它的應(yīng)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(duì)于多種癌細(xì)胞的生長也能起到抑制作用[14]，也成為了一種具有潛在應(yīng)用價(jià)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(nèi)H2S代謝途徑的中間產(chǎn)物之一，可以被普遍存在的碳酸酐酶（CA）催化分解產(chǎn)生H2S[15]，因此，它可以作為一種中間體在人體內(nèi)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(duì)胃腸道的保護(hù)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(duì)于這類藥物進(jìn)行一定的化學(xué)修飾使其可以在人體內(nèi)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(duì)胃腸功能的損傷，以及抗氧化應(yīng)激等，是H2S應(yīng)用于臨床治療的一種重要方法。

4 H2S的應(yīng)用

由于H2S被證實(shí)具有許多潛在的治療作用，也有越來越多的實(shí)驗(yàn)將H2S應(yīng)用于多種疾病的治療方法之中，也逐步擴(kuò)大了H2S應(yīng)用于臨床治療的可能性。

4.1 對(duì)非甾體類抗炎藥物的化學(xué)修飾

由于H2S是炎癥的內(nèi)源性調(diào)節(jié)因子之一，如果對(duì)非甾體類抗炎藥進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎検蛊淇梢栽谌梭w內(nèi)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(duì)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(duì)乙酰水楊酰氯進(jìn)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(shí)胃損傷較小。因?yàn)楫?dāng)H2S釋放后會(huì)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(xì)胞內(nèi)的氧化還原失衡，減輕了胃腸道的負(fù)擔(dān)。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(duì)胃黏膜的損傷，同時(shí)發(fā)揮了更強(qiáng)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(shí)，通過釋放H2S來降低本身對(duì)胃腸道及心血管的傷害[19]，不僅對(duì)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(duì)心肌缺血再灌注損傷及心肌梗塞的治療作用

H2S對(duì)血管的舒張作用使得它成為一種潛在的對(duì)心肌功能具有保護(hù)作用的藥物。Elord等人[20]研究發(fā)現(xiàn)，H2S對(duì)小鼠模型的心肌梗死具有改善作用，因?yàn)镠2S不僅可以減輕心肌細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，還可以保護(hù)線粒體功能的完整性，抑制活性氧的產(chǎn)生，降低了心肌梗死后細(xì)胞凋亡的比例。這表明，H2S對(duì)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(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制作用

H2S參與多條細(xì)胞信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，但對(duì)細(xì)胞凋亡及腫瘤生長的作用機(jī)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(xì)胞內(nèi)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(xué)修飾對(duì)H2S進(jìn)行掩蔽。

Deng等人[21]對(duì)可釋放H2S的化合物GYY4137的抗癌活性進(jìn)行了一系列研究，證明GYY4137在引起多種不同的癌細(xì)胞系（乳腺癌細(xì)胞MCF-7，急性早幼粒細(xì)胞白血病細(xì)胞MV4-11，粒單核細(xì)胞白血病細(xì)胞HL-60，宮頸細(xì)胞癌HeLa，結(jié)腸直腸癌細(xì)胞HCT-116，肝癌細(xì)胞Hep G2和骨肉瘤細(xì)胞U2OS）細(xì)胞凋亡的同時(shí)并未對(duì)人正常纖維細(xì)胞（WI-38和IMR90）造成影響，說明H2S可以特異性的誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。這可能是由于H2S干擾了癌細(xì)胞的細(xì)胞周期，引發(fā)了細(xì)胞凋亡。同時(shí)GYY4137使小鼠體內(nèi)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(jié)腸癌、乳腺癌、前列腺癌以及肺癌等多種癌細(xì)胞系的生長，其效果強(qiáng)于普通的NSAIDs。并且其作用機(jī)制在不同的細(xì)胞中也會(huì)有所不同。這也進(jìn)一步擴(kuò)展了H2S的應(yīng)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(jié)語

H2S作為一種新型氣體信號(hào)分子，可以參與人體內(nèi)多條信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤等活性，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的小分子化合物。未來，對(duì)于H2S在人體內(nèi)不同細(xì)胞的主導(dǎo)作用及其機(jī)理，以及對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制作用是研究的重點(diǎn)方向。