硫化氫在肺癌中的研究進(jìn)展△

段煉，張愛潔

遂寧市中心醫(yī)院基礎(chǔ)實驗室，四川 遂寧6290000

肺癌是中國發(fā)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(fā)病例約為78.7 萬例，因肺癌死亡人數(shù)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(yán)重。肺癌患者的臨床治療多采用外科手術(shù)聯(lián)合放化療，不良反應(yīng)明顯。因此深入研究肺癌，了解其發(fā)病機(jī)制和發(fā)展過程，并開發(fā)新型藥物是必要的。近年來關(guān)于硫化氫的文獻(xiàn)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(fā)現(xiàn)硫化氫參與了呼吸系統(tǒng)多種生理及病理過程的調(diào)節(jié)，其在肺癌的發(fā)生和發(fā)展中都發(fā)揮了重要作用。本文通過近幾年的文獻(xiàn)報道，對硫化氫與肺癌臨床特征的相關(guān)性和硫化氫在肺癌發(fā)生發(fā)展過程中的分子機(jī)制進(jìn)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(zhì)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(jī)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(xì)胞膜。

某些細(xì)菌和古細(xì)菌以硫化氫作為能源物質(zhì)生存，而在哺乳動物細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了硫化氫的存在。研究發(fā)現(xiàn)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(xì)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(zhuǎn)移酶（3-mercapto-pyruvate sulfurtransferase，3-MST/MPST）。3 種硫化氫合成酶的表達(dá)具有組織特異性。CBS 主要表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)，在肝臟、腎臟、腸道、子宮和胰島中都有表達(dá)；CSE 主要表達(dá)于心血管系統(tǒng)，包括肺組織；而MPST 主要表達(dá)于線粒體中。此外機(jī)體還能通過非酶促反應(yīng)生成硫化氫，通過葡萄糖氧化產(chǎn)生的還原當(dāng)量還原單質(zhì)硫產(chǎn)生硫化氫。機(jī)體內(nèi)硫化氫通過線粒體中的氧化反應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)中的甲基化進(jìn)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(xì)胞膜等理化特點，并且其廣泛表達(dá)于機(jī)體組織，決定了其參與肺癌的發(fā)生以及自然病程的可能性。

2 硫化氫與肺癌臨床特征的關(guān)系

硫化氫在包括呼吸系統(tǒng)在內(nèi)的多種系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要作用，參與了呼吸系統(tǒng)的多個生理過程，包括胎兒的肺血管和肺泡發(fā)育、呼吸節(jié)奏調(diào)節(jié)、肺循環(huán)、細(xì)胞增殖凋亡、纖維化、氧化應(yīng)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(guān)。

硫化氫對腫瘤的影響在不同部位腫瘤中存在差異，作用機(jī)制復(fù)雜。硫化氫在肺癌的發(fā)生與發(fā)展中起著重要的作用，研究發(fā)現(xiàn)肺癌組織中硫化氫合成酶和硫化氫產(chǎn)物表達(dá)量更高，且其表達(dá)情況與肺癌腫瘤大小、分化程度、臨床分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有關(guān)。Wang 等在臨床研究中發(fā)現(xiàn)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(dá)水平更高，Western blot 和免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示，肺腺癌組織中CBS、CSE 和MPST 的蛋白表達(dá)水平也更高，并且CBS 和CSE 的表達(dá)水平與肺腺癌腫瘤大小、臨床分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有一定相關(guān)性，而MPST 的表達(dá)與腫瘤大小相關(guān)，在其后續(xù)對人肺腺癌A549、95D、NCI-H1395 細(xì)胞和人正常肺上皮BEAS-2B 細(xì)胞的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果。Szczesny 等在對肺腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，與癌旁組織相比，腫瘤組織CBS、CSE 和MPST 表達(dá)量更高，硫化氫含量更高，肺腺癌細(xì)胞系（A549、H522 和H1944）與正常肺上皮細(xì)胞系（BEAS-2B）相比，硫化氫合成酶表達(dá)量及硫化氫含量也更高。尹輝對125例肺癌標(biāo)本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，99 例肺癌標(biāo)本CSE 表達(dá)陽性，20 例癌旁組織標(biāo)本CSE 表達(dá)陽性，CSE 陽性部位主要集中在細(xì)胞質(zhì)中并呈棕黃色表達(dá)，且其表達(dá)情況與臨床分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有關(guān)，CSE 高表達(dá)患者5 年生存率明顯低于CSE 低表達(dá)患者。鮑文華等對40 例肺癌組織標(biāo)本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，30 例肺癌組織CSE 陽性，10 例正常肺組織CSE 陽性，其表達(dá)與腫瘤大小及分化程度相關(guān)。上述研究表明硫化氫含量及硫化氫合成酶表達(dá)量與肺癌的部分臨床特征具有相關(guān)性，但仍需擴(kuò)大研究的樣本量，與肺癌臨床診斷指標(biāo)進(jìn)行對比，或者結(jié)合已有指標(biāo)構(gòu)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(chǔ)研究

3.1 細(xì)胞增殖

硫化氫能夠影響肺癌細(xì)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(zhì)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(jìn)三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的合成，影響呼吸電子傳遞鏈。大量研究發(fā)現(xiàn)在低濃度和接近生理濃度時硫化氫能促進(jìn)肺癌細(xì)胞增殖。Wang 等在對肺腺癌A549 細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)添加10、25、50 μmol/L NaHS 時能夠提升細(xì)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(xì)胞活力，化學(xué)抑制劑（1 mmol/L AOAA 和3 mmol/L PAG）和基因沉默手段均能減緩細(xì)胞周期進(jìn)程，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，抑制細(xì)胞遷移、侵襲和上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過程。陳志全發(fā)現(xiàn)50、100、200 μmol/L NaHS 均能促進(jìn)NCI-H1650 細(xì)胞增殖，且具有濃度依賴性。Szczesny 等發(fā)現(xiàn)AOAA 能夠抑制A549 和H1044 細(xì)胞的生長。

硫化氫對肺癌細(xì)胞增殖凋亡的影響還與線粒體DNA 的修復(fù)有關(guān)。與核DNA 相比，線粒體DNA 具有更短的序列，修復(fù)系統(tǒng)更簡單，其完整性對腫瘤細(xì)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(jìn)肺腺癌細(xì)胞線粒體DNA 修復(fù)復(fù)合物的裝配，從而增強線粒體DNA 的修復(fù)能力，提高線粒體DNA 的完整性。EXOG 是線粒體內(nèi)的DNA 修復(fù)系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一。抑制硫化氫的產(chǎn)生能夠抑制線粒體DNA 的修復(fù)功能，引起線粒體功能紊亂，增強對化療藥物的敏感性。AOAA 聯(lián)合喜樹堿（camptothecin，CPT）和奧沙利鉑能夠抑制A549 細(xì)胞的細(xì)胞活性，與CPT 協(xié)同作用能夠誘導(dǎo)A549 細(xì)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?qū)Ψ伟┘?xì)胞的活性產(chǎn)生促進(jìn)作用，其機(jī)制可能與能量代謝和線粒體DNA 有關(guān)，但硫化氫是如何影響肺癌細(xì)胞的呼吸電子傳遞鏈以及線粒體DNA 修復(fù)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(xì)胞增殖，增加抗順鉑肺癌細(xì)胞對順鉑的敏感性，減輕鎳化合物的致癌作用。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)2000 μmol/L NaHS 處理能抑制肺癌細(xì)胞的細(xì)胞活力。Ma 等發(fā)現(xiàn)與順鉑敏感的A549 細(xì)胞相比，抗順鉑的A549/DDP 細(xì)胞中硫化氫產(chǎn)物含量更低，CBS 表達(dá)量也更低。200、400、800、1000 μmol/L NaHS 均能抑制A549/DDP細(xì)胞活性，呈濃度依賴性。800 μmol/L NaHS 處理能夠增加A549/DDP 細(xì)胞對順鉑的敏感性，誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡，停滯細(xì)胞周期并抑制細(xì)胞的遷移和侵襲，其機(jī)制可能與細(xì)胞凋亡通路中p53 的激活，p21、caspase 3、B 細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2 相關(guān)X 蛋白（B cell lymphoma/leukemia-2-associated X protein，BAX）和基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP2）的過表達(dá)，Bcl-xL 的下調(diào)有關(guān)。鎳化合物是一種公認(rèn)的致癌物質(zhì)，也是環(huán)境污染的成分之一。Zhou 等發(fā)現(xiàn)NiCl處理人支氣管上皮細(xì)胞能夠抑制硫化氫合成酶CBS、CSE 和MPST 的表達(dá)，而外源性添加100 μmol/L NaHS 能夠抑制NiCl對A549 細(xì)胞遷移能力的促進(jìn)作用。該課題組在后續(xù)的機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)外源性的硫化氫可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/SMAD2/SMAD3 信號通路抑制NiCl誘導(dǎo)的EMT 和A549 細(xì)胞的遷移能力增強。需要注意的是，當(dāng)外源性硫化氫發(fā)揮抗肺癌作用時，添加濃度均較高，這區(qū)別于前文中硫化氫促進(jìn)肺癌細(xì)胞活性時的濃度，而硫化氫發(fā)揮抗肺癌作用的最佳濃度仍有待研究。文獻(xiàn)已經(jīng)揭示了硫化氫抗肺癌作用機(jī)制相關(guān)的部分通路，如凋亡通路和TGF-β1/SMAD2/SMAD3 信號通路，但硫化氫調(diào)節(jié)通路的具體作用機(jī)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(xì)胞的生長提供氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，并為腫瘤的轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)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(hù)心肌，減輕血管結(jié)構(gòu)和功能的慢性病變，且能夠通過激活血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）促進(jìn)血管的生成。

在肺癌細(xì)胞實驗中發(fā)現(xiàn)，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(diào)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達(dá)，促進(jìn)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(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）有關(guān)，HIF-1α是機(jī)體為了適應(yīng)缺氧環(huán)境維持穩(wěn)態(tài)的一類重要分子，在腫瘤血管生成中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。硫化氫能夠調(diào)節(jié)HIF-1α的表達(dá)，且與之存在正反饋調(diào)節(jié)作用。在A549 細(xì)胞中，外源性的硫化氫能夠增加HIF-1α的表達(dá)，促進(jìn)其進(jìn)入細(xì)胞核的過程，缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α能夠促進(jìn)內(nèi)源性硫化氫合成酶的表達(dá)，而AOAA 和PAG 能夠抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄活性，抑制硫化氫的產(chǎn)生。上述研究表明外源性硫化氫能夠促進(jìn)肺癌組織的血管生成，其機(jī)制可能與HIF-1α和VEGF 有關(guān)，但硫化氫是如何調(diào)節(jié)HIF-1α和VEGF 的仍需要進(jìn)一步研究。

3.3 轉(zhuǎn)移

肺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移是影響肺癌患者療效、預(yù)后的主要因素之一，并且都與EMT過程相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，50 μmol/L NaHS處理后增加了A549細(xì)胞遷移和侵襲能力，加快其EMT過程，化學(xué)抑制劑和基因沉默手段均能抑制細(xì)胞遷移、侵襲和EMT 過程。肺癌的轉(zhuǎn)移還與腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸相關(guān)，Li等研究發(fā)現(xiàn)外源性硫化氫能夠通過上調(diào)HIF-1α的表達(dá)水平促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌細(xì)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(dá)，使用HIF-1α抑制劑能夠抑制PD-L1的表達(dá)。PD-L1 能夠與T 淋巴細(xì)胞上的程序性死亡受體1（programmed cell death 1，PDCD1，也稱PD-1）特異性結(jié)合，抑制T 淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)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(xì)胞的轉(zhuǎn)移和免疫逃逸，肺癌細(xì)胞中的硫化氫代謝可能會成為抑制肺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)后對A549 細(xì)胞活性的抑制效果是單獨給藥的20倍以上，甚至3100 倍，在結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29 的實驗中發(fā)現(xiàn)釋放硫化氫的NSAID 能抑制細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并將細(xì)胞阻滯在G/G期。在阿司匹林中引入NO 和硫化氫釋放結(jié)構(gòu)能夠明顯抑制多種腫瘤細(xì)胞的生長活性，包括肺腺癌細(xì)胞、乳腺癌細(xì)胞和白血病細(xì)胞等。丙戊酸（valproic acid，VPA）對惡性腫瘤具有治療效果，但其發(fā)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(jié)構(gòu)增強了對肺癌細(xì)胞生長和侵襲的抑制作用，并且通過線粒體途徑誘導(dǎo)肺癌細(xì)胞凋亡，且能夠增加肺癌細(xì)胞對化療藥物的敏感性。

5 小結(jié)

硫化氫在肺癌的發(fā)生與發(fā)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(jìn)肺癌細(xì)胞的增殖、分化和轉(zhuǎn)移，高濃度下卻能抑制肺癌細(xì)胞活性，這種效應(yīng)可以用“鐘型模型”進(jìn)行解釋，在其他關(guān)于硫化氫對腫瘤影響的文獻(xiàn)中也有類似現(xiàn)象。在肺癌發(fā)展過程中硫化氫濃度變化及肺癌發(fā)展與硫化氫的關(guān)系仍然有待研究。硫化氫可以影響肺癌細(xì)胞的線粒體能量代謝及線粒體DNA 的修復(fù)功能，還可與HIF-1α形成正反饋作用，調(diào)節(jié)血管的生成和PD-L1的表達(dá)。硫化氫還能增加肺癌細(xì)胞對已有抗腫瘤藥物的敏感性。

硫化氫在腫瘤預(yù)防、檢測和治療方面極具應(yīng)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(nèi)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(jìn)行研究是有必要的。其次，硫化氫能夠自由擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞膜，其作用方式復(fù)雜很可能是通過多途徑進(jìn)行調(diào)控，仍然需要大量實驗研究硫化氫是如何影響肺癌細(xì)胞，進(jìn)一步揭示硫化氫在肺癌中的作用機(jī)制，以期發(fā)現(xiàn)新的治療靶點。硫化氫抑制劑和添加了硫化氫釋放結(jié)構(gòu)的多種藥物都展現(xiàn)了出色的抗癌效果，都可進(jìn)一步開發(fā)成為臨床抗癌藥物，但其安全性及有效性仍需要進(jìn)一步評估和深入研究。