硫化氫對糖尿病心肌病的保護作用

武韌 常貴全 孫鳳起 李鴻珠

(哈爾濱醫科大學基礎醫學院/病理生理學教研室，黑龍江 哈爾濱 150086)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是獨立于高血壓性心臟病和冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的一種心血管疾病，是糖尿病常見并發癥之一。DCM的主要病理學特征為心肌結構與功能的改變，包括心臟肥大、心肌細胞壞死、心肌間質纖維化和心肌內微血管病變等[1]。其發病機制尚未完全明確，可能涉及的機制包括：鈣穩態失調、糖代謝與脂代謝紊亂、氧化應激損傷、炎癥反應、腎素-血管緊張素-醛固酮系統失衡和細胞程序性死亡異常等[2-3]。硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)是繼一氧化氮和一氧化碳之后被發現的第三種氣體信號分子，其在心血管疾病中的作用逐漸受到重視。目前已有研究表明H2S具有減輕心肌缺血再灌注損傷，抑制心肌細胞凋亡和減輕心肌氧化應激損傷等作用[4]。H2S對心臟的保護作用為DCM的研究提供了新的方向，現就H2S在DCM中的作用與機制展開綜述。

1 H2S的生物學特性及作用

H2S是一種無色有臭雞蛋氣味的易燃氣體，易溶于水。最初對H2S的研究主要針對其毒性作用，大劑量的H2S可抑制單胺氧化酶、細胞色素C氧化酶和碳酸酐酶等氧化酶，從而影響細胞能量代謝。后續研究發現H2S是一種內源性氣體信號分子，廣泛分布于機體各組織中，H2S的生理學作用成為研究的熱點。人體內H2S的產生主要依賴胱硫醚-β-合成酶、胱硫醚-γ-裂解酶和3-巰基丙酮酸轉硫酶三種通路，在心血管系統中以胱硫醚-γ-裂解酶通路為主[5]。生理濃度下的H2S對機體多種組織器官具有保護作用。在神經系統中，H2S可舒張腦血管，減輕神經膠質細胞誘導的炎癥反應，調節神經內分泌功能，從而改善阿爾茨海默病和帕金森病的癥狀[6]。在呼吸系統中，H2S可減少活性氧(reactive oxide species，ROS)的生成，抑制肺動脈血管平滑肌細胞的增殖，減少細胞外基質的分泌和炎癥因子的釋放，減輕急性肺損傷和各種因素導致的肺血管重塑[7]。在泌尿系統中，H2S可減輕氧化應激損傷，抑制血管緊張素釋放，擴張腎血管，減輕腎缺血再灌注損傷和腎臟纖維化[8]。在心血管系統中，H2S的作用更為廣泛，H2S可激活血管平滑肌細胞鉀通道蛋白，同時減少Ca2+內流，從而促進容量血管與阻力血管舒張，減輕心臟前后負荷，降低血壓，改善高血壓癥狀[9]。H2S還可通過抑制氧化應激和炎癥反應保護受缺血再灌注損傷的心肌組織，減輕心肌間質纖維化[10]。在動脈粥樣硬化方面，H2S可抑制單核細胞的黏附作用，減輕炎癥反應，保護血管內皮細胞，抑制血管平滑肌細胞的增殖和遷移，從而減少動脈粥樣硬化的形成[11]。此外，H2S可抑制高糖條件下心肌細胞凋亡和氧化應激并上調自噬，減輕DCM的心肌損傷[2]。

2 H2S對DCM的保護作用

2.1 H2S在DCM中的變化

有研究表明，與正常大鼠心肌相比，DCM大鼠心肌中H2S含量顯著下降，補充外源性H2S的DCM大鼠左心室功能明顯優于DCM大鼠，心臟肥大與纖維化也較輕[12]。在DCM小鼠的心肌與高糖培養的H9C2細胞中也可檢測到H2S含量的下降[13]，這說明內源性H2S的減少參與了DCM的病理生理過程，H2S對DCM的心肌具有保護作用。

2.2 H2S對DCM保護作用的機制

H2S可抑制DCM的發生，但其確切機制不詳。現主要從H2S通過抑制氧化應激，抑制炎癥反應，減少細胞凋亡和增加自噬，發揮減輕DCM的作用闡述H2S對DCM的保護作用(見圖1)。

圖1 H2S抑制DCM的機制

2.2.1 H2S與氧化應激損傷

氧化應激損傷是DCM發病的中心環節。DCM中，心肌細胞長期處于高糖環境，線粒體氧化代謝通量增加，電子傳遞鏈解偶聯，ROS產生增多[14]。同時細胞內NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶和脂氧合酶等氧化酶活性增加，細胞內氧自由基生成增多。此外，高血糖還可激活蛋白激酶C通路和晚期糖基化終末產物通路。過多氧自由基超出細胞清除能力，引發氧化應激，損傷DNA等生物大分子并激活細胞外調節蛋白激酶通路和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)通路，細胞凋亡增加。激活的蛋白激酶C可進一步誘導核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的激活，引發炎癥反應，進而導致心肌間質纖維化，心臟舒縮功能障礙。

作為一種還原性物質，H2S可直接通過HS-對ROS的直接淬滅產生抗氧化作用。間接作用方面，有研究表明，添加外源性H2S可快速誘導小鼠心肌細胞中核因子-E2-相關因子(nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2)的核轉運，Nrf2可與抗氧化反應元件結合，增加血紅素加氧酶-1等抗氧化蛋白的表達，減輕心肌氧化應激損傷[15]。H2S還可通過NAD依賴性去乙?；?3通路上調FOXO3a和超氧化物歧化酶2的表達，從而保護線粒體功能，減輕氧化應激損傷[16]。也有研究發現在神經細胞中，外源性H2S可通過上調谷胱甘肽表達，降低氧化應激損傷，在心血管系統中也有一些實驗發現了類似的現象。此外，H2S可通過多種方式減輕氧化應激損傷引發的心肌間質纖維化。H2S可下調NADPH氧化酶4的表達進而減少ROS，抑制細胞外調節蛋白激酶1/2通路，減少基質金屬蛋白酶-2和膠原蛋白生成[17]。H2S還可通過Janus激酶-信號轉導及轉錄激活蛋白通路減少細胞內ROS含量，抑制氧化應激損傷，減輕心肌間質纖維化[18]。

2.2.2 H2S與炎癥反應

炎癥反應的增加是DCM的重要發病機制之一。在DCM大鼠的心肌中，巨噬細胞數量顯著增加，細胞間黏附分子-1、血管細胞黏附分子-1、白介素(IL)-1和IL-6等炎癥因子含量上升[1]。大量炎癥因子的釋放可誘導細胞凋亡和心肌間質纖維化，影響心功能。DCM的心肌炎癥反應與NF-κB通路的激活密切相關。高糖可通過多種途徑激活NF-κB通路，NF-κB可激活NOD樣受體家族3(NOD-like receptor-3，NLRP3)炎癥小體，上調腫瘤壞死因子、IL-1和IL-6等炎癥因子的表達，引發炎癥反應。

H2S可通過抑制Toll樣受體(TLR)-NF-κB-NLRP3通路減輕DCM的炎癥反應。有研究表明高糖可誘導H9C2細胞TLR表達增加，TLR的激活觸發信號級聯反應，提高NF-κB活性，促進炎癥因子釋放。添加外源性H2S可降低NLRP3的表達，減輕炎癥反應[19]，有研究者認為這一作用通過翻譯后修飾產生。H2S具有S-巰基化作用，可對特定靶蛋白的半胱氨酸殘基進行化學修飾。有研究發現在人巨噬細胞中，H2S可通過S-巰基化作用修飾NF-κB的P65亞基，抑制NF-κB的磷酸化和核易位，從而抑制巨噬細胞的活化，減少炎癥因子的釋放。在心肌細胞中，H2S是否以同樣的方式作用于NF-κB還有待研究。H2S還可通過ROS-JNK-NF-κB通路，減少ROS的產生，抑制JNK磷酸化，減少NF-κB核易位，減輕炎癥反應[20]。NF-κB信號通路與DCM的心肌纖維化密切相關，有實驗發現，鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠的左心室心肌中，NF-κB表達增加，轉化生長因子-β1和基質金屬蛋白酶-2含量上升，心肌纖維化明顯。添加外源性H2S可增加細胞內谷胱甘肽含量，減少晚期糖基化終末產物生成，抑制NF-κB通路，減少轉化生長因子-β1和基質金屬蛋白酶-2的表達，減輕心肌纖維化[21]。此外，有研究發現，H2S可作用于冷誘導RNA結合蛋白-絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路，減輕高糖誘導的H9C2心肌細胞損傷和炎癥[22]。

2.2.3 H2S與自噬

自噬是指從內質網脫落的雙層膜包裹部分胞質和細胞內需降解的細胞器和蛋白質等成分形成自噬體，并與溶酶體結合，降解所包含物質的過程，具有實現細胞代謝需求和細胞器更新的作用。自噬在心血管疾病中的作用還未被完全闡明，一般認為適度的自噬水平可維持心血管內環境穩態，自噬的上調和下調都會引起細胞死亡，增加心血管不良事件風險[23]。自噬水平的下降與DCM的發生密切相關。有研究發現，糖尿病小鼠的自噬體數量減少，微管相關蛋白輕鏈-Ⅱ表達降低[24]。然而恢復自噬水平對DCM心肌的作用還存在爭議。有實驗表明，在提高糖尿病小鼠自噬水平后，心肌損傷反而較自噬水平降低組嚴重[24]，也有實驗得出相反的結果，白藜蘆醇增加了糖尿病小鼠心肌細胞的自噬通量，減少了心肌損傷[25]。目前主流觀點則認為恢復自噬水平對DCM心肌具有保護作用，也有一些研究者認為自噬水平的下降是DCM心肌細胞的自我保護機制。

H2S對自噬的作用在不同組織中存在差異，具有上調和下調自噬水平的雙重作用。在DCM心肌中，H2S可調節自噬水平，保護心肌細胞功能，AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路是細胞自噬的重要途徑。有研究表明，高糖培養的H9C2細胞中，AMPK磷酸化程度顯著下降，其下游的mTOR活性上升，微管相關蛋白輕鏈-Ⅱ含量降低，自噬水平降低。外源性H2S可提高p-AMPK與AMPK比值，抑制mTOR，這說明H2S可通過AMPK-mTOR通路提高心肌細胞的自噬水平[26]。磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K)-蛋白激酶B(Akt)通路是細胞自噬調節的重要通路之一。H2S可提高糖尿病大鼠心肌細胞中PI3K-Akt-mTOR通路表達水平，抑制心肌細胞過度自噬，減輕心肌纖維化[27]。此外，H2S可通過抗泛素化作用提高細胞自噬。Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap-1)可與抑制自噬的P62蛋白結合，參與自噬調控。H2S的S-巰基化作用可促進兩個Keap-1分子間形成二硫鍵，阻止其泛素化，提高Keap-1活性，上調細胞自噬水平[28]。

2.2.4 H2S與凋亡

凋亡又稱細胞程序性死亡，以胱天蛋白酶(caspase)誘導的蛋白水解級聯反應為主要生化特征。凋亡機制復雜，已知有內在凋亡和外在凋亡兩種主要途徑。內在途徑又稱線粒體途徑，由于不同原因導致的線粒體通透性改變，線粒體內細胞色素C等蛋白進入胞漿。細胞色素C與細胞凋亡蛋白酶激活因子1結合形成凋亡小體，激活下游caspase。外在途徑又稱死亡受體途徑，腫瘤壞死因子-α等死亡配體與其受體結合，啟動caspase-8和caspase-9，引發蛋白水解級聯反應，大量研究表明高血糖可誘導心肌細胞凋亡。DCM心肌中炎癥反應增加，大量的炎癥因子可通過外在途徑誘導凋亡，同時心肌細胞中氧化應激損傷可導致線粒體功能障礙，通過內在途徑誘導凋亡。在DCM心肌中，糖毒性、鈣失衡和自由基增多可導致內質網應激的產生。重度和慢性內質網應激可通過未折疊蛋白反應激活caspase-12依賴通路和C/EBP-同源蛋白依賴通路，誘導細胞凋亡[29]。心肌細胞凋亡造成細胞缺失，引發心臟舒縮功能下降和心臟重構。

H2S可通過多種途徑減少DCM心肌細胞的凋亡。內在途徑方面，H2S的抗氧化應激作用可保護線粒體功能，減少細胞色素C外漏，抑制凋亡。外在途徑方面，H2S的抗炎作用可抑制NF-κB通路，減少炎癥因子釋放，減少死亡配體的含量，抑制凋亡。H2S還可通過減輕心肌細胞內質網應激抑制凋亡。有研究發現鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠心肌內質網應激的標志物葡萄糖調節蛋白78、caspase-12和C/EBP-同源蛋白含量上升，細胞凋亡增加。添加外源性H2S可下調葡萄糖調節蛋白78、caspase-12和C/EBP-同源蛋白的表達，從而保護心肌細胞[30]。此外，H2S可通過不同信號通路直接抑制凋亡相關蛋白的表達。有文獻報道，H2S可作用于糖尿病大鼠心肌細胞MAPK通路和PI3K-Akt通路，降低P38-MAPK、JNK和Akt磷酸化水平，從而抑制凋亡相關蛋白的表達[12]。

3 小結與展望

H2S對DCM的保護作用已被大量實驗證明。已有研究顯示H2S可從減輕氧化應激，抑制炎癥反應，上調細胞自噬和抑制凋亡等方面減輕DCM心肌損傷，保護心臟功能。然而H2S作為氣體信號分子所具有的調節作用廣泛而復雜，有很多在其他系統中得到驗證的調節機制還未在DCM心肌中展開實驗。H2S對DCM保護作用的機制依然具有很高的研究價值。