19 硫化氢神经保护作用的研究进展
硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）一直被认为是一种有毒气体。近年来随着对H2S认识的深入，研究者发现H2S具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用，并且在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、缺血性脑卒中、麻醉药物神经毒性模型中具有良好的神经保护作用。本文针对H2S的内源性产生机制、神经保护作用及在常见神经系统疾病中的应用进行阐述。
一、内源性H2S的产生
在体内，H2S的产生机制相当复杂。目前认为有三种重要的酶参与其中：主要存在于脑细胞的胱硫醚-β-合成酶（cystathionine b-synthase，CBS）、主要存在于肝细胞的胱硫醚 -γ-裂解酶（cystathionine g-lyase，CSE），以及 3-巯基丙酮酸巯基转移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST）。体内蛋氨酸脱甲基后形成同型半胱氨酸，同型半胱氨酸在CBS作用下，与丝氨酸结合成胱硫醚，后者在CSE作用下裂解为半胱氨酸和副产物α-羟丁酸。半胱氨酸和同型半胱氨酸继续在CBS的作用下生成H2S和副产物胱硫醚，而在CSE的作用下会生成H2S和副产物丝氨酸。除这两种产生H2S的途径外，半胱氨酸氨基转移酶（cysteine aminotransferase，CAT）能使半胱氨酸转化为3-巯基丙酮酸，而后者能在3-MST作用下生成硫烷硫和丙酮酸，其中的硫烷硫可视为H2S的储存体，它能在还原剂如谷胱甘肽（glutathione，GSH）的存在下释放H2S。通常机体内并不会单一地产生H2S，在生成H2S的过程中产生的半胱氨酸能够用于合成GSH。
二、H2S的神经保护作用机制
当细胞内氧化物质异常增多，抗氧化剂如GSH含量降低或失去作用时，氧化性物质会和细胞内正常的蛋白、脂质等重要物质发生反应，使这些物质失去正常生理功能而使细胞受到氧化应激的损害。当细胞内GSH浓度降低或生成受阻时，细胞内氧化性物质不能被及时清除而使细胞损害。研究表明，给予体外培养的神经细胞GSH保护剂，能够保护细胞免受多种氧化应激诱导剂的损害。H2S能够通过增加细胞内GSH的含量或使其再分布至线粒体中减少氧化性物质的生成，保护细胞免受氧化应激的损伤。
半胱氨酸是合成GSH的原料。在细胞外，半胱氨酸容易被氧化为胱氨酸，而胱氨酸能够通过神经细胞膜上的胱氨酸/谷氨酸逆向转运系统（Xc−）转运进入细胞浆用于GSH的合成。细胞外谷氨酸含量增多会抑制Xc−对胱氨酸的转运，细胞内用于合成GSH的胱氨酸和半胱氨酸的含量降低，GSH的合成受到抑制，使细胞更易受到过多氧化性物质的攻击。研究证明，H2S能够激活星形胶质细胞兴奋性氨基酸转运蛋白（excitatory amino acid transporters，EAATs），将突触间隙过量的谷氨酸转运至细胞内，降低突触间隙谷氨酸水平，消除过量谷氨酸对神经元胱氨酸摄取的抑制作用，恢复细胞内正常的GSH合成。此外，Shefa等研究发现，H2S能够抑制细胞外半胱氨酸氧化为胱氨酸，从而使半胱氨酸能够直接通过膜上的氨基酸转运体进入细胞，并用于GSH的合成。还有研究表明，H2S不仅能提高细胞GSH的含量，还能够减少细胞内氧化性物质例如活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成，减轻细胞损伤。
当脑细胞环境发生改变或受到外界刺激时，为了保护神经细胞稳态不受到干扰，脑细胞中的胶质细胞会被激活，产生多种促炎因子引发急性炎症反应，细胞因子作用于神经细胞促进其损伤的修复，一旦外界刺激消失，这种急性反应便会停止。然而，当刺激一直存在时，胶质细胞将会持续活化并释放促炎因子，形成慢性炎症反应，并会对神经细胞造成损害。研究表明，慢性炎症反应与AD等神经系统疾病的发生发展有关。
小胶质细胞是胶质细胞的一种，活化时释放IL-6、TNF-α和IL-1β等多种促炎因子，在慢性神经炎症反应中起到重要作用。Ma等研究表明，2型糖尿病模型小鼠在给予外源性H2S后，其促炎因子IL-23、IL-17的表达水平较对照组明显减少，表明H2S能够抑制促炎因子的生成。Zhang等研究表明，外源性H2S能够抑制BV-2小胶质细胞的活化，降低促炎因子IL-6、TNF-α表达，起到神经保护作用。也有研究发现，在ATP诱导酸中毒导致炎症反应时，H2S通常不是通过调节pH来起到保护作用，而是通过抑制小鼠小胶质细胞炎症介质TNF-α、IL-1β的释放起到抗炎作用，并最终降低神经毒性。
细胞凋亡是细胞程序性死亡过程，在多数情况下是有益的，但在某些病理条件下，则会出现病理性的细胞凋亡现象。在AD等某些神经系统疾病中，能够观察到神经元的广泛凋亡，表明异常的细胞凋亡可能与某些神经退行性疾病的发生发展存在很大关系。
线粒体凋亡途径是细胞凋亡途径中的一种，在AD/PD动物模型时，通常使用6-OHDA和鱼藤酮等药物诱导神经元通过线粒体途径而凋亡。研究表明，当这些神经毒素作用于神经元时，能够使细胞内的线粒体内膜跨膜电位（△Ψm）下降，激活c-Jun氨基末端激酶（c-Jun-N-terminal kinase，JNK），即应激活化蛋白激酶（stress activated protein kinase，SAPK）来促进线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）的合成和开放，使线粒体膜通透性增高。当△Ψm下降以及膜通透性增高后，促凋亡因子细胞色素c会从线粒体进入细胞浆，在ATP和dATP作用下与Apaf-1结合生成凋亡复合体。凋亡复合体会聚集激活pro-caspase-9，进一步激活caspase-3和caspase-7，最后启动caspase级联反应，使细胞内大量重要蛋白质降解而导致细胞凋亡。研究表明，H2S能抑制MPTP开放，使caspase-3外流减少而发挥抗凋亡作用。Cui等研究表明，在蛛网膜下腔出血小鼠模型中，H2S能够降低促凋亡蛋白capase-3表达活性而减轻神经细胞凋亡。另有研究表明，给予2型糖尿病模型小鼠外源性H2S，促凋亡蛋白Bax表达降低，而抗凋亡蛋白Bcl-2表达升高，神经细胞凋亡明显减轻。因此，H2S可通过抑制细胞的线粒体凋亡途径，起到保护神经细胞的作用。
三、H2S在神经退行性疾病中的应用
AD是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病，临床上以记忆障碍、失语、人格与行为改变等表现为特征。其病因迄今未明，可能是多种机制共同作用的结果。将AD小鼠脑制成切片，发现脑内同型半胱氨酸含量升高，CBS、CSE表达降低，脑内内源性H2S生成减少，诱发突触小体内的钙离子稳态失衡而引起脑内突触功能障碍。此外，同型半胱氨酸含量升高诱导微管相关蛋白2（microtubule-associated protein 2，MAP-2）、突触后密度蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD-95）、突触相关蛋白97（synapse-associated protein 97，SAP-97）、突触体相关蛋白 25（synaptosomal associated protein 25，SNAP-25）、突触素、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）等蛋白表达降低，引起突触功能障碍。H2S能够增加微管蛋白、突触素等蛋白表达，减少钙离子过度内流，缓解高同型半胱氨酸引起的突触功能障碍。
高同型半胱氨酸血症使细胞黏附分子-1（intracellular adhesionmolecule1，ICAM-1）、胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）表达增加，使基质金属蛋白酶 -2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）和基质金属蛋白酶 -9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）蛋白、mRNA表达增加和活性增强，同时降低了血管内皮细胞钙黏蛋白和紧密连接蛋白表达，导致血-脑屏障的破坏和血管炎症的产生，H2S可降低ICAM-1、GFAP表达，降低MMP2和MMP9的表达和活性，从而减轻这些蛋白质对血-脑屏障的损伤作用，达到治疗AD的目的。Zhao等研究表明，AD患者脑内H2S水平下降，而AP39（线粒体靶向性H2S供体）能提高细胞内线粒体H2S含量，减少小鼠Aβ蛋白的沉积，从而改善记忆缺陷。
PD是一种神经退行性疾病，表现为运动迟缓、姿态不稳、静息性震颤、僵直。其特点是黑质（substantia nigra，SN）多巴胺能神经元选择性丢失，其确切病因目前仍不清楚。L-DOPA作为目前临床上治疗PD的药物，仅能改善患者症状，不能逆转多巴胺神经元变性。因此，开发有效的PD治疗药物十分必要。近年来，越来越多的实验表明，H2S可能参与PD的发病机制，并可能在PD模型中保护神经元免受损伤，这种气体分子可能是这一毁灭性疾病的新希望。
Yuan等研究表明，PD模型小鼠体内GSH含量下降，经NaHS治疗后GSH水平上升；同时，PD小鼠模型中丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平显著升高，NaHS治疗可明显抑制MDA的生成。Hu等发现，NaHS可抑制PD小鼠黑质小胶质细胞的活化，并使PD小鼠模型纹状体中NOx（NO3）、NO2、TNF-α的水平下降。PD最突出的特征是黑质区多巴胺分泌神经元凋亡。在较低的浓度下，H2S对神经元细胞具有抗凋亡作用。研究表明，H2S的抗凋亡作用可能是通过保护线粒体完整性，阻止细胞色素c的释放，进而减弱caspase的活化。由此可见，H2S可通过抗氧化应激、抗炎和抗凋亡发挥对PD的保护作用。除外源性增加H2S外，激活H2S合成酶以增加内源性H2S的产生达到治疗PD的目的，成为学者们研究的方向。在1-甲基-4苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）诱导的小鼠PD模型中发现，纹状体CBS含量下降，但CSE和3-MST没有下降，提示CBS-H2S轴受损可能是PD发病机制的一部分。过表达CBS可减轻黑质-纹状体通路中的运动缺陷和多巴胺能神经元损失，同时抑制神经胶质活化，减轻MPTP诱导的中脑多巴胺能神经元的神经毒性。因此，调节CBS-H2S轴可能成为PD的一种新的治疗手段。
缺血性脑卒中是一种急性脑血管疾病，系因脑部血管阻塞使血液不能正常流入脑组织引起。目前，缺血性脑卒中治疗的主要方法是恢复血流供应，这一过程不可避免的导致脑部发生缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，IRI）。
血-脑屏障（blood-brain barrier，BBB）破坏是IRI的可能诱因。Wang等研究发现，脑卒中后BBB紊乱一个主要机制是炎症反应增强，而ADT（一种H2S供体）能显著降低促炎因子表达，增强抗炎细胞因子的表达；另外，NADPH氧化酶（NADPH oxidase，NOXs）是ROS主要来源，而ROS过度产生则是脑卒中后BBB破坏的另一个主要机制，ADT能够特异性抑制脑NOX4的mRNA表达从而使NOXs活性降低。
组织纤溶酶激活剂（tPA）是目前治疗缺血性脑卒中的有效药物，但其会加重BBB破坏，导致IRI，增加脑出血风险。研究表明，两种H2S供体ADT和NaHS联合使用可以预防缺血性神经元死亡和BBB破坏，显著减轻IRI和脑出血。
许多研究证实全麻药具有神经毒性作用，处于发育期的大脑更为敏感，表现为广泛的神经元损伤、突触功能障碍及成年后认知障碍等。近期有学者开始关注H2S在神经细胞凋亡和认知障碍等神经毒性作用中起到的神经保护作用。
Hu等研究表明，新生鼠暴露于异氟烷可使脑内caspase-3活化和神经元凋亡增加，并且损伤其成年后的认知功能，NaHS能够减轻异氟烷诱导的神经元凋亡和认知功能障碍。H2S减轻全麻药神经毒性的可能机制有：可通过抑制MPTP的形成和开放、caspase-3级联的活化而发挥抗凋亡作用；可通过清除ROS和活性氮（reactive nitrogen species，RNS），增加GSH的生成，通过Nrf2通路上调内源性抗氧化剂的生成等方式来保护神经元免受氧化应激的损伤；还可通过下调TNF-α、IL-6的生成发挥抗炎作用，减少神经炎症反应的发生。但是，其具体机制仍有待进一步实验证实。
四、展望
综上所述，H2S是一种具有抗氧化、抗炎、抗凋亡作用的信号分子，在神经疾病模型中表现出良好的神经保护作用，但关于H2S的许多理论假说尚未得到实验证实。今后，一方面应继续深入研究H2S发挥神经保护作用的具体分子机制，另一方面可通过针对性调控产生H2S的三种关键酶活性以增加内源性H2S水平而更好的发挥其神经保护作用。
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