硫化氫影響骨骼肌缺血再灌注損傷機制的研究進展

孫玉福，閆駿

日本Kimura 研究小組自上世紀90 年代末對于氣體分子硫化氫（H2S）的研究開辟了H2S 介導生物信號傳遞的新紀元［1］。H2S可調節包括神經系統、消化、心血管系統和肌肉骨骼肌系統的多種生物過程和多種信號通路的傳導，亦被稱為和NO、CO相提并論的第三大氣體信使分子。骨骼肌缺血再灌注損傷是臨床上常見的急重癥和創傷后并發癥，是指機體骨骼肌在多種原因，如嚴重擠壓致廣泛骨骼與軟組織損傷、大血管或微血管損傷、斷離肢體重植、出血后綁縛止血帶時間過久、骨折后并發骨筋膜室綜合征、大出血致失血性休克后一定時間，予以缺血組織供血復氧，組織損傷不減輕反而加重的現象［4］。在臨床上缺血再灌注損傷可加重血管損傷、骨筋膜室綜合征和擠壓綜合征，甚至導致多器官功能衰竭或死亡［5-6］。目前H2S減輕骨骼肌缺血再灌注損傷的研究有較多報道，常常成為該氣體信使分子研究領域的爭論焦點。查閱文獻后發現詳盡闡述機制的綜述較少，本文就其機制相關進展作一綜述。

1 骨骼肌缺血再灌注損傷的產生機制及H2S對骨骼肌損傷的影響

1.1 骨骼肌缺血再灌注損傷的氧自由基、細胞凋亡學說 骨骼肌缺血再灌注損傷可以激活機體內的脂質過氧化反應，產生大量的氧自由基，氧自由基可通過細胞氧化應激，線粒體功能障礙、啟動細胞死亡等途徑介導骨骼肌缺血再灌注損傷［7］。而H2S 正是通過影響氧自由基的產生來保護骨骼肌缺血再灌注損傷，現已知曉骨骼肌中含有H2S 生成和釋放的酶與肝臟、腎臟等含有的酶相類似［8］，發生缺血再灌注損傷時，骨骼肌中H2O2及超氧陰離子等自由基大量產生，H2S 含量與產量減少，此時予以外源性H2S 可減輕缺血再灌注損傷，其中機制為降低H2O2與超氧陰離子水平、減少丙二醛（MDA）含量、降低超氧化物歧化酶（SOD）活性與蛋白表達水平［9］。細胞凋亡是細胞的一種受基因調控的自主死亡方式［10］，骨骼肌發生缺血再灌注，骨骼肌細胞凋亡，且凋亡參與介導骨骼肌損傷的發生，其中機制為抗凋亡基因bcl-2表達減少［11］。缺血前予以合適濃度的H2S可減輕缺血再灌注所致的肌小管及骨骼肌損傷，其機制正是減少細胞凋亡，且值得強調的是，應在缺血后再灌注之前較早期予以H2S，此時減輕細胞凋亡的效果最好。事實上，在骨骼肌缺血再灌注損傷過程中，除了細胞凋亡還發生細胞壞死和細胞自噬等多種細胞死亡形式［12-13］。研究表明在缺血期細胞自噬加重，而再灌注期細胞自噬減輕，以雷帕霉素誘導細胞自噬的發生可減輕缺血再灌注損傷［14］。

1.2 骨骼肌缺血再灌注損傷的白細胞、微循環無復流學說 骨骼肌缺血再灌注損傷發生時因有白細胞激活，所以認為這一損傷過程是一種急性的炎癥反應表現［15］。早前亦有研究發現骨骼肌缺血再灌注損傷與白細胞阻塞微血管再灌注密切相關［16］。ROS代謝物參與骨骼肌缺血后早期低灌注的發生，并激活白細胞產生更多的ROS，參與介導再灌注損傷的發生過程［17］。維生素E（Vit E）作為一種抗氧化劑，可以阻止中性粒細胞聚集和內流，進而減輕骨骼肌缺血再灌注損傷，近期研究亦發現其還可減輕心肌缺血再灌注損傷［18］。在止血帶致大鼠骨骼肌缺血再灌注損傷模型中，H2S 以依賴于L-選擇素及腫瘤壞死因子α 轉化酶（TACE）的方式減少中性粒細胞聚集進入骨骼肌組織中進而減輕損傷［19］。研究發現，微循環功能障礙時血管內血液濃縮，內皮細胞腫脹及內皮素介導的微血管收縮可導致毛細血管失再灌。此外，缺血再灌注還引起了炎癥反應（毛細血管后微靜脈中的異常反流），進而導致白細胞黏附及血管高通透性，而這一異常反流進一步導致了細胞間質發生水腫［20］。在臨床治療方面，予以等容量血液稀釋與誘導熱休克蛋白（HSP）表達可減輕毛細血管的無復流，同時阻滯分子黏附，使氧自由基失活，進而減輕失血后炎癥反應。

1.3 骨骼肌缺血再灌注損傷NO 相關學說 早在2002 年中國南方醫科大學即進行大鼠骨骼肌缺血再灌注損傷相關研究，發現大鼠骨骼肌缺血再灌注損傷時NO含量減少，而予以L-精氨酸（L-Arginine）則血液中NO 含量上升，骨骼肌缺血再灌注損傷減輕，反之予以左旋硝基精氨酸（L-NNA）則骨骼肌缺血再灌注損傷持續存在并加重［21］。另有研究發現骨骼肌缺血再灌注損傷過程中血紅素氧合酶1（HO-1）表達增高，且高表達的HO-1與一氧化氮合酶（NOS）發揮協同作用，保護缺血再灌注的骨骼肌［22］。予以嗎多明（NO供體）可減輕骨骼肌缺血再灌注損傷，肌纖維壞死與中性粒細胞浸潤顯著減少，其機制為增強SOD、過氧化物酶（POD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的活性，減少肌纖維壞死與中性粒細胞浸潤程度［23］。但是，NO在骨骼肌缺血再灌注損傷中表現為“雙向作用”，一方面NO作為一種強自由基，本身可以加重損傷；另一方面NO通過其對血管作用減輕心、腦、肺及骨骼肌的缺血再灌注損傷。這樣的兩面性作用與H2S 頗為相似，NO 與H2S 同為氣體信使分子，兩者在氣體信使分子介導的信號傳導通路交互作用仍是熱點［24-26］。既往研究多涉及心血管、泌尿生殖等系統疾病，其中正性調節機制包括：NO 使得H2S 生成酶——胱硫醚γ 裂解酶（CSE）發生蛋白質亞硝基化修飾，促使CSE活化，反之H2S亦可以通過提高核因子（NF）-κB 活性和iNOS 活性進而增加NO生成［27-29］。

1.4 骨骼肌缺血再灌注損傷的其他學說 目前認為，在骨骼肌缺血達到一定時間（1～2 h）后再灌注，骨骼肌細胞內的Ca2+增高才顯現出來，而氧自由基亦影響骨骼肌缺血再灌注后Ca2+的異常轉運。使用聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶（PARP）抑制劑PJ34 可以顯著減輕骨骼肌缺血再灌注損傷，其機制為減少了骨骼肌細胞的能耗、降低了炎性標志物的表達和提高骨骼肌細胞的存活率，可以進一步推斷三磷酸腺苷（ATP）高耗、巨噬細胞炎性蛋白2（MIP-2）、角化細胞衍生趨化因子（KC）、髓過氧化物酶（MPO）等炎性標志物表達升高參與介導骨骼肌缺血再灌注損傷［30］。但經查閱文獻并未發現明確證據證實H2S通過影響這幾種機制減輕骨骼肌缺血再灌注損傷。

2 H2S對骨骼肌缺血再灌注所致遠隔損傷的影響

骨骼肌缺血再灌注所致的損傷主要包括兩個方面：其一是骨骼肌自身的損傷，主要是缺血局部所致的骨骼肌微循環和實質細胞的損傷；其二是局部骨骼肌損傷后所致的遠隔器官損傷［31］，主要包括肝臟、腎臟、心臟、肺臟以及腦的損傷。

2.1 H2S減輕肝、腎、腦損傷 肝臟作為體內最大的實質性器官，具有排毒、解毒的功能，其豐富的血供使得其對于缺血再灌注損傷極其敏感，骨骼肌缺血再灌注可以造成遠隔肝臟損傷［32］。外源性吸入H2S減輕骨骼肌缺血再灌注所致的肝損傷的機制包括降低缺血再灌注后脂質過氧化反應、抑制炎癥反應因子、降低凋亡相關蛋白表達并減少細胞凋亡［33］。筆者研究發現大鼠雙下肢擠壓傷后再灌注可致急性肝損傷，外源性H2S可減輕此類肝損傷（研究待發表）。腎臟是具有排泄毒素、調節電解質平衡和內分泌功能的器官，在機體發生應激（如骨骼肌缺血再灌注損傷時）易于受損，嚴重時可以導致腎衰，甚至死亡［34］。外源性H2S 可通過抑制自由基的生成、減少細胞凋亡、抑制炎癥反應及興奮KATP通道來減輕缺血再灌注損傷所致的腎功能損害［35］。骨骼肌缺血再灌注損傷引發腦損傷機制可能與血栓生成有關，在全腦缺血再灌注損傷模型中，腦組織H2S含量明顯減少，而予以較低濃度NaHS（25μmol/kg）有腦保護作用，反之予以較高濃度NaHS（180μmol/kg）則表現出毒性，加劇損傷［36］。

2.2 H2S 減輕心血管、肺損傷 內源性H2S 參與了多種心血管疾病的發生發展過程，其中就包括心肌缺血損傷。骨骼肌缺血再灌注損傷發生后，血漿中H2S含量及心肌中CSE活性降低，予以外源性H2S后CSE活性明顯改善，證實H2S/CSE體系通過抑制內質網應激及肌質網應激反應來改善骨骼肌缺血再灌注損傷所致的心肌損傷［37］。在骨科臨床工作中，急性肺損傷是機體尤其是雙下肢嚴重創傷的常見并發癥，如雙膝關節置換術后，骨骼肌缺血再灌注損傷所致的肺水腫極易進展為呼吸衰竭，嚴重者可致死。肺組織中H2S的產生依賴于H2S生成酶CSE，骨骼肌缺血再灌注損傷引發肺損傷過程中，血漿中H2S 含量降低。研究表明大鼠骨骼肌缺血再灌注后肺組織AQP1、AQP5表達降低，TLR4-Myd88-NF-κB通路激活，導致肺組織水腫、炎細胞浸潤及免疫炎性損傷，是骨骼肌缺血再灌注及創傷后肺損傷的重要環節，以NaHS 的形式予以外源性H2S 可減輕下肢骨骼肌缺血再灌注肺損傷及肺水腫程度，其機制之一為H2S 調節 TLR4-Myd88-NF-κB 通路以及 AQP1、AQP5的表達［38］。

3 結語

骨骼肌缺血再灌注損傷是骨科常見的創傷并發癥，該損傷可被氣體信使分子H2S所減輕，探究其發生機制，包括清除氧自由基、減輕細胞死亡等有助于更好地控制此類原發損傷及其所致的遠隔器官損傷。近年來，關于H2S的藥理學作用及HS-加入到經典藥物中合成新藥物的研究越來越多，但目前大多尚處于細胞和動物實驗階段，沒有進入臨床實際應用，此外由于H2S 相關藥物的使用劑量和作用時間具有種屬差異等問題在國際上仍存在爭議，還需大量的基礎和臨床研究來證實。探究H2S減輕骨骼肌缺血再灌注損傷（原發與遠隔損傷）的具體機制有利于臨床更好地發現和診治骨骼肌缺血再灌注損傷，減輕患者組織器官損害，也為H2S 將來的臨床應用奠定堅實的基礎。