硫化氢在糖尿病肾病中的保护作用及机制研究进展

李 超 综述，王 岩 审校

(哈尔滨医科大学附属第一医院泌尿外科,哈尔滨 150001)

糖尿病肾病(DN)是糖尿病的常见并发症之一，也是2型糖尿病患者最主要的致死因素之一，其发病率逐年上升，常常进展到末期肾衰竭，对患者的经济及身体造成严重负担。DN的病理形态学改变主要是细胞外基质的过量聚集、肾小球和肾小管基膜的增厚及系膜基质的增多，从而引起肾小球和肾小管的纤维化。此外高糖会引起肾脏内多种代谢和血液动力学变化，包括晚期糖基化终末产物增加、氧化应激活性氧(ROS)的过量产生、炎症细胞因子的增加、肾素血管紧张素的激活，这些都涉及到DN的发生、发展过程，加重肾脏的损害[1]。直到目前为止，还未找到任何有效的药物能够控制DN的进展[1]。因此迫切需要一种新的治疗DN的药物。

硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的、无色的气体分子，过去人们主要关注其毒性作用，硫化氢的毒性主要体现在它能够抑制细胞色素C氧化酶、碳酸酐酶、单胺氧化酶，以及三磷酸腺苷氧化酶，严重破坏细胞的能量代谢过程，同时硫化氢也能抑制体内的能量摄取[2]。直到1996年发现硫化氢是一种体内重要的神经递质，并且广泛存在于正常机体中，因此关于硫化氢在人体中的作用渐渐受到重视。随着硫化氢在大脑和心脏中的作用渐渐被广泛熟知，它在肾脏中的作用也开始引起了人们的重视。尤其是近期很多文献证实，在体内、外实验中一定水平的硫化氢能够改善DN，延缓其向肾衰竭的发生、发展[2]。本篇综述主要探讨近些年来硫化氢在DN中的作用及其机制。

1 硫化氢在肾脏中的产生及作用

在哺乳动物体内存在3种最主要的硫化氢产生通路，分别是半胱氨酸胱硫醚2β2合成酶(CSE)、胱硫醚2γ2裂解酶(CBS)、3巯基丙酮酸巯基转移酶(3-MST)通路，肾脏能够产生大量硫化氢，因为肾脏中存在以上所有硫化氢产生通路。目前证实肾脏中最主要的硫化氢产生酶是CBS酶、CSE酶。这些酶主要存在于肾皮质的肾小管中。生理条件下，内源性的硫化氢能够增加肾脏的排泄功能、抑制肾素血管紧张素的释放。此外硫化氢能够促进肾脏细胞内氧气的转运及供给，维持细胞能量供应平衡[3]。因此硫化氢可能与DN之间存在一定联系，研究发现，糖尿病小鼠肾脏中的硫化氢含量显著低于正常小鼠肾脏中的硫化氢含量，进一步研究发现：通过腹腔灌注外源性硫化氢供体硫氢化钠(NASH)之后，糖尿病小鼠的血尿素氮、蛋白尿及肌酐均有一定明显程度下降，表明给予一定水平的硫化氢之后，能够改善DN的发生、发展[3]。目前查阅的文献发现，硫化氢存在以下几种作用。

1.1抗氧化作用 ROS刺激机体诱发一系列氧化应激连锁反应，对细胞产生破坏作用，研究证据表明在DN的肾脏细胞中ROS过量表达，随即引起抗氧化产物谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SOD)及天然抗氧化剂系细胞核转录因子2(NRF2)的表达减少，降低细胞的抗氧化应激能力，从而引起细胞凋亡，因此ROS在DN的发生、发展中发挥了重要作用[4]。硫化氢与ROS在肾脏中能够相互调节，证据表明在DN患者的肾皮质中，伴随着硫化氢表达水平的下降，硫化氢表达酶CSE、CBS的水平明显下降，基质细胞中ROS表达水平明显增加，说明肾脏中过量的ROS能够减少硫化氢的产生[5]。在DN小鼠模型中发现，用一定量的NASH腹腔灌注处理糖尿病小鼠之后，小鼠肾脏中ROS的表达水平下降，抗氧化产物的表达增加，表明在DN中硫化氢通过减少ROS的表达增加细胞的抗氧化能力，从而保护肾脏免受氧化应激损害[5]。在其他疾病模型中也能发现硫化氢能够增加SOD、过氧化物酶、NRF2的表达，所以充分证明硫化氢在大部分人体器官中具有抗氧化作用。此外，硫化氢能够通过线粒体氧化呼吸链与NO和CO相互作用从而激活ATP敏感钾离子通道开放，诱导抗氧化通路激活，增强细胞抗氧化能力[6]。

1.2抗纤维化作用 高糖会引起肾脏细胞中转移生长趋化因子β1(TGF-β1)的表达增加，TGF-β1能够引起肾脏中巨噬细胞大量增殖、细胞外基质大量聚集，从而引起肾小球和肾小管上皮细胞的纤维化。除了TGF-β1之外，高糖也会引起肾皮质细胞中Ⅳ型胶原的增加，Ⅳ型胶原会引起肾脏细胞病理性肥大、肾小球硬化[7]。肾脏细胞中TGF-β1和Ⅳ型胶原水平的增加与细胞内硫化氢表达酶含量的减少息息相关，在糖尿病小鼠的模型中发现，TGF-β1和Ⅳ型胶原较正常组小鼠相比其水平明显升高，而给予外源性硫化氢之后，小鼠肾脏中Ⅳ型胶原、TGF-β1、巨噬细胞的水平都下降，并且肾脏细胞的病理性肥大也得到明显改善，因此能够延缓肾脏纤维化的进展[8]。也有部分研究发现，在DN实验模型中硫化氢能够减少肾脏细胞内纤维化蛋白真核翻译起始因子4E结合蛋白1(4E-BP1)和P70核糖体蛋白S6激酶(P70S6)的表达，增加抗纤维化蛋白系的表达，并且硫化氢也能直接降低成纤维细胞的形成，加强细胞的抗纤维化作用[9]。此外，有学者发现使用5磷酸二脂酶抑制剂他达拉菲，能够通过激活H2S -NO-AMPK通路，减少肾脏足突细胞基质蛋白的形成，证明硫化氢与NO之间存在协同作用，共同发挥抗纤维化作用[10-11]。

1.3抗炎作用 高糖能够引起小鼠体内核因子κB(NF-κB)的表达增加，NF-κB是关键的炎症调节因子，能够刺激促炎性下游通路的激活，引起肿瘤坏死因子、白细胞介素-1、白细胞介素-6的表达增加，这些产物会延长和加强炎性反应，引起细胞外基质的过量聚集，从而加重肾脏的损害过程，在链霉素诱导的糖尿病小鼠腹腔中灌注NASH之后，能够抑制NF-κB信号通路，并且会减少促炎性因子的释放，这些过程都减轻了DN引起的肾脏损害[12]。同样，硫化氢在DN中的具体抗炎作用机制也未知，部分研究表明，硫化氢其中一个抗炎作用机制是通过抑制巨噬细胞的渗透作用，从而减少肿瘤坏死因子和白细胞介素的表达[13]。此外也有学者证实硫化氢在DN中也能减少促炎性蛋白SMAD3的磷酸化，减轻炎性反应[14]。硫化氢其他具体抗纤维化机制有待进一步研究。

当然也有部分文献发现在DN中硫化氢具有减少糖基化产物、增加肾小球滤过率的作用，这些保护作用有待进一步的证实。

2 硫化氢保护DN的具体机制

2.1NRF2通路 核因子E2相关因子2(NRF2)是机体的一种防御基因，它的表达产物能够与抗氧化成分相互发生作用进而调节抗氧化基因的表达[15]。Keap-NRF2通路是一种进化上高度保守的抗氧化应激和抗异物刺激的防御通路，在正常生理条件下，NRF2仅仅局限在细胞质中与kelch样环氧氯丙烷蛋白(Keap1)相互结合，在氧化应激和亲电子刺激下，NRF2和Keap1复合物会相互分离，因此能够促进NRF2的释放并且转运到细胞核中，促进抗氧化应激相关的基因的表达。在DN小鼠的肾脏中，NRF2的表达水平下降，给予外源性硫氢化钠之后，NRF2的表达水平增加，引起肾脏组织中的抗氧化蛋白水平相对增加[15]。此外，硫化氢能够抑制K基因结合基因(NF-κB)的表达，NF-κB家族由多项转录因子组成，这些因子调节细胞内、外多种炎症通路之间的交叉系统，生理条件下，NF-κB与核因子(IκB)形成复合物，暂时不发挥作用，其传统通路一旦被激活，IκB酶复合物迅速被激活从而使IκB磷酸化，引起NF-κB与IκB结合的蛋白水解，进而游离的NF-κB二聚体进入到细胞核中，与NF-κB紧密结合，随后激活氧化基因的表达，增加细胞内氧化产物水平，促进细胞凋亡。在DN中与DNA结合的NF-κB的活性增加，这与DN的发展过程息息相关[16-17]。研究发现，硫化氢能够通过激活NRF2通路减少IκB的磷酸化抑制NF-κB的表达，从而能够减弱肾脏中的炎性反应[17]。此外DN引起肾脏中血管紧张素系统(RAS)大量激活，促进血管紧张素Ⅱ的释放，它能够收缩血管并且主要作用于肾小球的出球小动脉，借此能够增加肾小囊的静水压和血浆蛋白的超滤作用，但是血管紧张素Ⅱ也可以通过促进细胞增殖、纤维化和炎性反应加速肾脏的损害，硫化氢能够通过NRF2通路抑制RAS的激活，减少血管紧张素Ⅱ的释放[18]。综上所述，在DN中硫化氢能够通过激活NRF2通路，从而对肾脏有一定的保护作用。

2.2AMPK通路 DN引起的肾脏细胞病理性肥大及细胞外基质的过量聚集能够引起肾脏细胞的纤维化，肾细胞病理性肥大常常出现在DN的早期，有部分研究发现在1型糖尿病中高糖能够抑制AMP依赖蛋白激酶(AMPK)的活性从而引起肾脏细胞的病理性肥大，以及足突细胞的凋亡，DN细胞肥大以及纤维化都需要蛋白质合成刺激[19-20]。大部分学者认为，蛋白质合成的mRNA转录阶段是一种有限制的过程，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)复合物1调节该mRNA的起始和结束过程，硫化氢能够调节mTOR复合物1的活性，减少不必要蛋白质的合成，同时并不会影响基本蛋白质的合成[21]。P70S6和4E-BP1酶是mTOR1复合物的两种目靶，mTOR1与之结合能够刺激不必要蛋白质的合成，硫化氢能够激活AMPK通路减少高糖诱导的P70S6和4E-BP1酶的磷酸化和降解，因此AMPK和硫化氢都是高糖诱导的蛋白质合成的抑制剂[22]。硫化氢调节AMPK的活性机制也已经有人做出研究，磷酸化AMPKα(Thr-172)是一种催化AMPK磷酸化的亚基，Thr-172的激活方式主要是通过钙调素依赖蛋白激酶β(CaMKKβ)的介导，CaMKKβ能够促进Thr-172的磷酸化，增加AMPK的激活，因此能够减弱高糖引起AMPK磷酸化的减少并使其恢复到正常生理水平，从而保护细胞免受高糖的损害[23]。这已经在小鼠肾脏模型及肾小球基质细胞中得到证实[24]。因此硫化氢能够通过激活AMPK信号通路从而在DN中发挥重要的保护作用。

2.3NOX通路 ROS是DN引起氧化应激的主要诱因之一，ROS的产生通路多种多样，但是氮氧化合物(NOX)家族酶是ROS产生的最主要来源，它们是一种还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADPH)氧化酶，尤其是在肾脏细胞中含量丰富，其同系物包括NOX1、NOX2、NOX4和NOX5，这些同系物同样也主要在肾脏中产生。当肾小管上皮细胞在含有高糖的培养基中生长24 h后，NOX4的表达水平明显增加，使用NOX4抑制剂能够预防肾脏细胞病理性肥大和矩形膨胀，研究发现硫化氢能够抑制NOX4的表达，将肾小管上皮细胞在高糖环境下培养一段时间后加入硫化氢，NOX4的表达明显下降，使用NO抑制剂L-NAME能够翻转这种作用[25]。在NOS涉及的病理过程中，硫化氢不会引起内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表达反而会增加还原性氮氧化物(iNOS)的表达，这些证据都表明硫化氢能够增加iNOS的表达从而增加NO的产生，NO本身是一种抗氧化剂。此外，有研究证明硫化氢与NO能够形成一种复合物：亚硝酰氢(HNO)，HNO的化学特性表明它是一种强抗氧化剂，较低水平的HNO在机体内就能产生强大的抗氧化作用，因此可以推断出HNO能够减少机体内强氧化代谢过程，比如脂质过氧化产生的活性中间产物，同时HNO也能激活环磷酸鸟苷(GMP)依赖信号通路，这种通路主要激活抗氧化产物的表达[23]。此外有部分专家发现HNO能够增加血红素氧化酶蛋白质的表达，从而增加细胞内抗氧化剂的表达以及细胞的自我保护作用[26]。如果在氧化应激下增加细胞内HNO的表达，能够促进NO的有效利用率[27]。因此，硫化氢能够通过促进NO的形成及其有效利用率，从而减弱DN诱导的氧化应激。

3 小 结

内源性或者外源性硫化氢在一定水平范围内能够保护肾脏免受DN的损害，并且阐述了近年来硫化氢保护肾脏的相关作用机制，这些结果都暗示着应用外源性硫化氢及硫化氢的通路能够成为治疗DN的一种新思路，从而为DN的治疗提供更广泛的选择，然而硫化氢在DN中仍有许多保护作用机制没有得到充分的探究，硫化氢主要通过哪种通路保护肾脏，如何启动这种机制，都需要进一步探索。此外，硫化氢具有毒性作用，特定水平的硫化氢产生保护作用的同时是否对人体产生损害作用，都有待考证，目前在美国等地，硫化氢灌注液已经开始投入市场，但是其在DN中的运用还未实行，表明硫化氢与DN之间的研究仍然存在很大空间，都需要科研人员进行大量研究。总之，本文证明硫化氢能够治疗及缓解DN引起的肾脏损害，其作用及机制有待进一步研究。