外源性硫化氢对糖尿病心肌病保护作用机制的研究进展

易登良，曾奇虎，范忠才

(西南医科大学附属医院，四川泸州646000)

关键字：糖尿病心肌病；硫化氢；氧化应激；自噬；炎症反应

糖尿病是以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，长期的高血糖可引起心肌广泛代谢障碍，主要表现为心肌的肥厚及纤维化，继而出现心脏舒缩功能障碍，称之为糖尿病心肌病(DCM)，是糖尿病常见且严重的并发症之一，给患者家庭及社会带来了巨大挑战。硫化氢(H2S)是一种无色、有臭鸡蛋味的内源性气体信号分子，在心肌细胞可通过胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)作用于L-半胱氨酸产生。研究发现，在DCM大鼠模型血液中H2S水平显著降低[1]，CSE蛋白活性及表达水平明显下降，而激活CSE蛋白可减轻DCM的心肌损伤[2]。此外，大量研究表明外源性H2S可显著改善DCM心肌间质纤维化，改善心脏舒缩功能，对DCM有一定的保护作用[3]。本文就近年来H2S对DCM心肌保护作用机制的研究进展进行综述。

1 氧化应激通路

氧化应激是指机体细胞在受到各种内外环境刺激后，致使细胞内活性氧类(ROS)生成过多，超过机体内抗氧化的代偿能力，从而导致氧化与抗氧化系统之间的失衡，引起体内氧自由基的蓄积，造成机体组织及细胞损伤的过程。其中DCM发病的中心环节即是高糖环境使线粒体呼吸链的氧自由基生成过多，导致细胞中氧化应激加剧、内皮细胞功能紊乱、血管收缩和心肌微循环功能下降。通过对DCM患者血清的检测，发现8-羟基脱氧鸟苷水平显著增高，且随着心功能不全的严重程度而升高[4]；同样地，DCM动物模型中其心肌细胞内ROS水平亦明显增高，氧化应激反应增强[5]，均提示氧化应激在DCM进程中发挥了重要作用。

杨锐等[6]研究发现，DCM大鼠心肌组织中脂质过氧化物丙二醛含量增加，抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性明显降低，且使用外源性H2S干预后丙二醛含量下降，而SOD及GSH-Px的活性显著升高，心肌超微结构损伤得到明显改善，推测H2S对DCM大鼠的保护作用机制可能为提高心肌细胞中抗氧化酶活性，抑制ROS和脂质过氧化物酶生成，减轻氧化应激损伤。研究表明，外源性H2S可以抑制高糖所致的原代心肌细胞和H9c2心肌细胞株中p38丝裂原活化蛋白激酶和ERK1/2信号通路，下调线粒体NADPH氧化酶4(NOX4)，从而阻止线粒体细胞色素c释放，保护线粒体功能，减少ROS的生成，改善高糖导致的氧化应激对心肌细胞损伤作用[7，8]。Zheng等[9]研究发现，在DCM大鼠模型中使用H2S或其供体GYY4137同样可以激活ERK1/2信号通路，下调线粒体NOX4的表达，保护糖尿病心肌损伤。以上均表明，外源性H2S可能通过影响氧化应激机制而保护DCM的心脏功能。

2 细胞自噬通路

细胞自噬是机体吞噬自身细胞器或细胞质蛋白并使其包被入囊泡，与溶酶体结合形成自噬溶酶体，降解所包裹的内容物的过程，以胞质中出现双层膜结构的自噬体为主要特征，其对清除受损或不需要的细胞器、蛋白质和脂质聚集至关重要。通常所说的自噬即指巨自噬，主要包括雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路及Ⅲ型磷酸磷脂酰肌醇激酶(ClassⅢ PI3K)-Beclin1信号通路，其中哺乳动物细胞自噬泡的形成过程还与Atg12结合和LC3修饰这两条泛素样修饰过程息息相关。研究发现，自噬小体的积累参与了各种因素造成的心肌受损的病理过程，如慢性心衰、心肌肥大和扩张性心肌病、缺血再灌注损伤等，而自噬的下调在用链脲霉素诱导的1型糖尿病小鼠模型中被报道，其在DCM中的病理作用也逐渐受到关注[10]。

徐群[11]通过对AC16人心肌细胞干预发现，糖尿病心肌病组较正常对照组相比Bax蛋白、P62蛋白显著上调，而LC3-Ⅱ/Ⅰ和Beclin-1水平降低，表明糖尿病心肌损伤与心肌细胞自噬水平的降低和凋亡的增加密切相关，而使用外源性H2S可激活心肌细胞自噬，以改善高糖引起的心肌损伤，此外进一步加用自噬抑制剂Bafilomycin A1则发现，其可以抵消外源性H2S介导的心肌保护作用。同样发现在DCM大鼠中，早期心肌内自噬水平被显著抑制，同时伴有心室重构及舒张功能障碍，而使用外源性H2S干预后可上调自噬相关因子Agt5和LC3-Ⅱ/Ⅰ的蛋白表达水平，明显改善心功能，由此认为外源性H2S保护DCM心功能与上调心肌自噬、抑制凋亡相关。

AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)是mTOR上游区域的活化区，激活AMPK可抑制mTOR，从而上调自噬。现已发现外源性H2S可以上调AMPK磷酸化水平抑制mTOR，激活自噬，对抗高糖所致心肌损伤，且其作用与直接使用AMPK激活剂ARCAR效应类似；而外源性H2S联用AMPK抑制剂Ara-A则会抵消H2S的心肌保护作用，证实了外源性H2S可以通过AMPK/mTOR信号通路激活自噬改善高糖所致心肌损伤[12]。同样地，Yang等[13]研究发现，外源性H2S在DCM动物模型中也能通过AMPK/mTOR信号通路激活自噬对抗DCM所致心肌损伤。

此外，泛素化与自噬紧密相关。研究表明，Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap-1)在泛素调节的蛋白降解中发挥了重要作用。Wu等[14]研究发现，H2S可以通过上调Keap-1的表达调节泛素化，以激活自噬，减轻糖尿病的心肌损害。

3 炎症反应通路

炎症反应是指在各种因素的刺激下导致体内IL-1β、NF-κB等相关炎症因子的释放，引起组织细胞损伤的过程。多项研究表明，炎症反应在DCM发生发展中发挥重要作用；已发现STZ诱导的高糖血症大鼠，其血清及心脏中存在多种炎症细胞因子表达上调[15]。研究发现，DCM心肌细胞核内p-NF-κB p65的累积显著增加[16]，NF-κB活化时间显著延长，而NF-κB活化可促进动物发展为DCM。p38分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)是MAPK家族中调控炎症反应最关键的因素，宋冰等[17]实验显示糖尿病组与正常对照组相比p38 MAPK、NF-κB p65 mRNA表达明显增加，心肌间质明显纤维化；而使用H2S干预组心肌纤维化明显改善，p38 MAPK及NF-κB p65 mRNA表达水平显著减少，由此可推测外源性H2S可能通过调节p38 MAPK和NF-κB p65介导的炎症反应改善糖尿病小鼠心肌纤维化。同样，Xu等[18]研究也发现，外源性H2S改善DCM心功能可能通过抑制NF-κB和IL-1β炎症因子的激活实现。

炎症小体对炎症因子的成熟、分泌起到了重要作用。目前， NOD样受体家族3(NLRP3)炎症小体的研究最为深入，多种外源性和内源性刺激物均可激活NLRP3炎症小体。高糖可导致H9c2心肌细胞内NLRP3炎症小体激活，使下游炎症因子IL-1β和IL-18升高，而H2S可通过减少NLRP3、pro-Caspase-1、Caspase-1以及IL-1β等的表达，改善心肌炎症状态、细胞凋亡，从而改善心肌纤维化和保护心脏功能[15]。

4 其他相关通路

4.1 Janus激酶/信号转导与转录激活子(JAK/STAT)信号通路 JAK/STAT信号通路是机体重要信号转导通路之一，而JAK2/STAT3通路在进化上高度保守，对炎症反应具有重要的调控作用。炎性因子IL-1β、IL-6和TNF-α与JAK2/STAT3通路存在一种恶性循环的环路调节机制，研究发现H2S干预组与对照组相比心肌组织中Ⅰ型、Ⅲ型胶原蛋白、p-STAT3、p-JAK2和炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α的表达显著降低；因此，推测H2S可能通过下调JAK2/STAT3通路和相关炎性因子的表达，来减轻DCM心肌间质纤维化[3]。

4.2 基质金属蛋白酶家族(MMPs)通路 心肌组织中高表达的MMP-2隶属于MMPs的一种亚型，能有效降解心肌细胞外基质，是心肌抗纤维化的重要组成部分；而基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)可以通过功能区中的半胱氨酸残基与MMPs活性中心的锌离子结合，使得具有活性的MMPs失活。而外源性H2S干预组存在MMP-2表达上调，TIMP-2表达下调，MMP-2/TIMP-2比值显著升高。因此，H2S可能通过上调MMP-2、下调TIMP-2的表达来改善糖尿病大鼠的心肌纤维化程度[19]。

4.3 Nampt-SirT3-CPT/LCAD通路 孙宇等[20]研究发现，H2S可通过调控Nampt-SirT3-CPT/LCAD乙酰化水平，减轻由STZ诱导的糖尿病大鼠心肌纤维化，改善心脏结构与功能。此外也有研究发现，H2S可以通过抑制心肌组织内的内质网应激标记物C/EBP同源蛋白、内质网应激伴侣蛋白葡萄糖调节蛋白78等的表达，调控Caspase-12下传的凋亡信号，对抗心肌细胞凋亡。

综上所述，H2S对DCM心脏功能的改善发挥了重要的作用，已研究的相关机制氧化应激、细胞自噬、炎症反应等在其发生发展中起了重要作用，但其相互交错，相互影响，具体作用机制仍不明确；因此H2S对DCM心脏的影响仍然需要进一步研究。