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硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤

发表于 by Dlemo

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图

硫化物的分解代谢  

可改善缺氧性脑损伤

 -哺乳动物的大脑极易遭受缺氧影响- 
大脑对缺氧敏感的机制尚不完全清楚。H2S是一种抑制线粒体呼吸的气体，缺氧可以诱导H2S的积累。Eizo Marutani等人研究发现，在小鼠、大鼠和自然耐缺氧的地松鼠中，大脑对缺氧的的敏感性与SQOR的水平及分解硫化物的能力成反比。硫醌氧化还原酶（sulfide: quinone oxidoreductase , SQOR）是一种谷胱甘肽还原酶家族的膜结合黄素蛋白，为硫化物氧化解毒的一种关键酶。沉默的SQOR增加了大脑对缺氧的敏感性，而神经元特异性的SQOR表达则阻止了缺氧诱导的硫化物积累、生物能量衰竭和缺血性脑损伤。降低线粒体中SQOR的表达，不仅增加了大脑对缺氧的敏感性，也增加了心脏和肝脏对缺氧的敏感性。硫化物的药理清除维持了缺氧神经元的线粒体呼吸，并使小鼠能够抵抗缺氧。
相关研究于2021年5月发表在Nature子刊Nature communications上，题为《Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury》，该研究由美国马萨诸塞州总医院以及哈佛医学院共同完成。该研究团队一开始的研究方向并不是寻找可以治疗脑卒中的靶点，他们的研究方向是「人体冬眠」，就像以往科幻电影里的那种，得了某种不治之症，然后进行冷冻或者其他技术的冬眠，等待科技进步以后，再次复苏。一开始，他们是要寻找可以对小鼠进行催眠的物质，锁定在了H2S。期初，吸入H2S的小鼠进入了一种「冬眠」状态，体温下降，无法动弹。但是，令人惊讶的是，小鼠很快就对吸入H2S的影响产生了耐受性。到了第五天，他们行动正常，不再受到H2S的影响。更有趣的现象是，研究团队发现，对H2S耐受的小鼠，对缺氧也能非常好的耐受。因而研究团队提出了SQOR基因在耐缺氧中起发挥重要作用的假设。

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图1

实验方法描述

所有小鼠都被饲养在12小时的昼/夜循环中，温度在20-25°C之间，湿度在40%-60%之间。
 -间歇性H2S吸入-
小鼠暴露于80 ppmH2S的空气中连续5天，每天4小时。实验过程中实时监测H2S浓度和FiO2。每天在H2S吸入前后测量直肠温度，以检查H2S对体温的影响。
 -CO2产生量的测量-
最后一次的吸入空气或H2S24小时后，在对照组或硫化物预处理小鼠中测量二氧化碳的产生。将小鼠放置在全身体积描记系统内，并测量二氧化碳的产量。
 -小鼠的缺氧和缺氧耐受性-
为了测量缺氧耐受性，在最后一次空气或H2S吸入24小时后，将小鼠放入透明的塑料室中。然后，用低氧气体混合物以1 L/min连续冲洗腔室，以达到所需的FiO2。在缺氧暴露期间连续观察小鼠最多60 min，当小鼠出现严重痛苦迹象（扭动或发作、呼吸频率低于6/分钟和尿失禁）时，将其取出，用5%异氟烷安乐死并视为死亡。
 -组织采集-
将小鼠采用异氟醚麻醉，呼吸机机械通气。用空气或缺氧气体混合物通气3 min后，将小鼠进行安乐死，开始取材。

实验数据

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图2
a：对照组和硫化物预处理组（SPC）小鼠的体温b：二氧化碳产生率（VCO2）c：血浆中硫化物的浓度

d：血浆中的硫代硫酸盐、脑组织中的硫化物浓度

f：脑组织中的硫代硫酸盐、

g：存活率

h：小鼠在5% O2低氧下的VCO2

i：常氧和5%低氧下，脑组织中的硫化物

j：per sulfide，k NADH/NAD+比

l：乳酸水平。m脑组织中的SQOR相对表达量，

n、o：脑组织和心脏组织中 SQOR蛋白水平

p、q：离体脑线粒体的氧气消耗速率 (OCR)

r：计算得到的 ATP转换率。

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图3

 

地松鼠的缺氧耐受性和硫胺分解代谢增强
研究团队用RNA沉默SQOR，发现可增加大脑对缺氧的敏感性，而神经元特异性SQOR的表达可阻止缺氧诱导的硫化物积聚、生物能衰竭和缺血性脑损伤。

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图4

SQOR可改善神经元细胞的线粒体功能
降低线粒体的SQOR基因的表达，不只是大脑，而且心脏、肝脏对缺氧的敏感性都增加了。
硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图5
硫化物清除剂的作用
通过药物清除硫化物，可维持缺氧神经元的线粒体呼吸过程，使小鼠耐受缺氧。该研究阐明了硫化物分解代谢在缺氧时能量平衡中的关键作用，并确定了缺血性脑损伤的治疗靶点。在自然界中很多强有力的证据可以证明该研究的结论。例如，已知雌性哺乳动物比雄性哺乳动物更能抵抗缺氧，而前者的SQOR水平更高。当女性的SQOR水平被人为降低时，她们就更容易缺氧(雌激素可能是观察到的SQOR增加的原因），例如更年期。此外，一些冬眠动物，如地松鼠，对缺氧有很强的耐受性，这使得它们能够在冬季身体新陈代谢减缓的情况下生存下来。一只地松鼠的大脑比同样大小的老鼠的SQOR高出100倍。

该研究的主要研究者说：“人脑的SQOR水平非常低，这意味着即使是少量的H2S积累，就可以影响神经元的健康。我们希望有一天我们研发出像SQOR一样有效的药物，这些药物可以用来治疗缺血性中风，以及心脏骤停引起的缺氧。

 -塔望科技-解决方案- 
硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图6全身体积描记系统

小鼠放置于体积描记器内，可以实时监测呼吸，也可进行低氧干预、H2S暴露。可进行低氧耐受实验，也可监测动物的 耗氧量、CO2产生量、呼吸代谢率等。

 

 

 

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图7

 

全身暴露染毒系统

可以进行长期H2S暴露染毒、低氧实验等。

 

 

 

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图8 

 

 

 

动物能量代谢系统

可以综合评估动物不同处理后的各种表型变化：进食量、进水量、进食进水模式、活动量、耗氧量、CO2产生量、呼吸代谢率等

 

 

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤插图9 

 


动物低氧高氧实验系统

各种常压/低压/高压下的缺氧/高氧实验。可进行恒定低氧，也可进行间歇低氧。

 

相关文献- 
Marutani E, Morita M, Hirai S et al. “Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury”.[J]. Nat Commun 12, 3108 (2021). 

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