Przeciwwirusowe działanie siarkowodoru - cały artykuł

ŚWIATOWA NAUKA DLA MALINOWYCH HOTELI

POTENCJAŁ ZNACZENIA SIARKOWODOWU W INFEKCJACH WIRUSOWYCH

Dr n. med. Marek Grabski
Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach, Collegium Medicum, Instytut Fizjoterapii
Malinowe Hotele Centrum Rehabilitacji

WSTĘP

Siarkowodór to gaz niezbędny do prawidłowego funkcjonowania człowieka. Jest on między innymi produkowany w naczyniach, mózgu, nerkach, wątrobie, trzustce
a w przypadku różnych chorób odnotowuje się odchylenia od jego prawidłowego stężenia.
H2S bierze udział między innymi w procesach zapamiętywania w mózgu , rozszerzaniu naczyń krwionośnych, wpływa na regulację ciśnienia krwi, przeciwdziała różnym procesom zapalnym i spowalnia metabolizm komórkowy.

H2S jest w organizmie człowieka głównie syntetyzowany z cysteiny, a jego stężenie w płynach ustrojowych i większości tkanek wynosi 50–300 μmol. We  krwi ssaków, w tym człowieka, stężenie siarkowodoru sięga poziomu 30-100 μmol, a w mózgu (szczególnie hipokamp) 50-160 μmol. Najważniejszymi enzymami odpowiedzialnymi za syntezę siarkowodoru w organizmie są  syntazy β-cystationiny (CBS), głównie mózg oraz γ-liaza cystationiny (CSE), której jest przypisywana główna rola w syntezie tego transmitera w układzie krążenia. (1) W pH typowym dla większości płynów ustrojowych siarkowodór w około 30% występuje w postaci niezdysocjowanej i jako związek lipofilny łatwo przedostaje się przez błony komórkowe.
Do najważniejszych mechanizmów działania H2S zalicza się hiperpolaryzację komórek związaną z aktywacją kanałów potasowych zależnych od ATP (K-ATP) oraz pobudzenie syntezy NO (tlenek azotu). (2) H2S w górnych  granicach fizjologicznych stężeń w cytoplazmie komórek występuje zwykle przez krótki okres czasu, wywołując określone efekty, następnie jest sprawnie utylizowany. Przeróbka tego związku polega głównie na metylacji oraz oksydacji
w mitochondriach , po czym jest on głównie wydalany razem z moczem. (3,4)

ROLA SIARKOWODORU W INFEKCAJCH DRÓG ODDECHOWYCH
Rośnie zainteresowanie „gazami medycznymi” ze względu na ich rolę w infekcjach. Siarkowodór (H2S) to fizjologiczny gazowy mediator, który został uznany za ważną cząsteczkę sygnalizacyjną w przebiegu infekcji. Rola H2S w różnych infekcjach, takich jak wirusy (paramyksowirusy), bakterie (Mycobacterium tuberculosis), mykoplazmy (Mycoplasma fermentans) i grzyby (Aspergillus niger), jest przedmiotem wielu badań z powodu jego potencjału terapeutycznego. Ponieważ nie ma do końca skutecznych środków terapeutycznych, takich jak środki przeciwdrobnoustrojowe lub szczepionki przeciwko wielu czynnikom chorobotwórczym, immunoregulacyjne i mikrobiologiczne właściwości H2S sprawiają, że jest on idealnym kandydatem do leczenia chorób zakaźnych.

H2S  ma właściwości przeciwwirusowe i immunoregulacyjne. Moduluje replikację wirusa i reguluje prozapalną ekspresję genów. Ostatnie badania Li i in. odkryły ochronną rolę H2S przed zakażeniami paramyksowirusem, takimi jak ludzki metapneumowirus (hMPV), syncytialny wirus oddechowy (RSV) i wirus Nipah (NiV) poprzez modulowanie replikacji wirusa i odpowiedzi immunologicznej zarówno in vitro, jak i in vivo Komórki nabłonkowe dróg oddechowych (AEC) zakażone RSV wykazują zmniejszenie syntezy H2S przez zmniejszoną ekspresję CSE i zwiększoną degradację H2S. Hamowanie wytwarzania H2S przy użyciu inhibitora CSE  w badaniach laboratoryjnych prowadzi do wzmożonej replikacji wirusa oraz wytwarzania cytokin. Leczenie zakażonych RSV, hMPV i NiV związkiem chemicznym uwalniającym  H2S  hamowało replikację wirusa i zmniejszało prozapalną produkcję cytokin
i chemokin, co sugeruje, że H2S ma szeroki efekt hamujący przeciwko różnym infekcjom paramyksowirusowym. Kolejne badanie laboratoryjne  wykazały  zmniejszenie replikacji wirusa i poprawienie parametrów klinicznych dysfunkcji płuc. Ochronna rola H2S może być spowodowana zmniejszeniem indukowanych wirusem nacieków komórkowych w płucach, a następnie wytwarzaniem mediatorów prozapalnych. Oprócz działania przeciwzapalnego
i przeciwwirusowego, H2S ma właściwości przeciwutleniające, które zmniejszają uszkodzenia komórek oksydacyjnych spowodowane infekcją wirusową. Wyniki te potwierdzają ważną modulacyjną rolę H2S w komórkowym szlaku przeciwutleniaczy w przebiegu infekcji wirusowych.

STRES TLENOWY JEST INTEGRALNĄ CZĘŚCIĄ ZAKAŻEŃ RÓŻNORODNYCH KLAS WIRUSÓW

Stres oksydacyjny został powiązany z szeroką grupą czynników etiologicznych, które powodują ostre i przewlekłe choroby, takie jak infekcje wirusowe, bakteryjne i pasożytnicze. W szczególności infekcje wirusowe i bakteryjne są związane z indukowaniem wytwarzania ROS / RNS (wolne rodniki tlenowe i nadtlenowe), zmianami szlaków metabolicznych prowadzeniem do powikłań związanych z chorobą.  W przypadku infekcji wirusowych indukcja stresu oksydacyjnego u gospodarza jest warunkiem rozwoju infekcji i długotrwałej replikacji wirusa. Wirusy RNA (grupa wirusów, w których dojrzałe cząstki wirusa zawierają jako materiał genetyczny kwas rybonukleinowy), takie jak grypa i zakażenie paramyksowirusem, do których zalicza się również KORONAWIRUSY, generują RFT (reaktywne formy tlenu) poprzez aktywację monocytów i leukocytów wielojądrzastych.  Badania wskazują, że  zaburzony stan oksydacyjny komórek organizmu zapewnia środowisko pozwalające na replikację wirusa. Korzystając z modeli eksperymentalnych (myszy), wykazano, że infekcja grypy A (wirus RNA) powoduje zaburzenia równowagi redoks poprzez obniżenie poziomu glutotionu (GSH), witamin C i witaminy E.

Siarkowodór odgrywa szczególna rolę w równowadze oksydacyjno-redukcyjnej komórek ludzkiego organizmu poprzez oddziaływanie bezpośrednie i pośrednie na wolne rodniki tlenowe.

H2S jako wolny zmiatacz rodników działa jak cząsteczka cytoprotekcyjna i ma zdolność bezpośredniego usuwania wolnych rodników Ze względu na swoje właściwości nukleofilowe H2S reaguje z tlenem (O2), RFT (reaktywne formy tlenu), nadtlenoazotynem (ONOOH / ONOO–) i podchlorynem (HOCL / –OCL) Badania  wskazują na bezpośrednie usuwanie utleniaczy przez H2S in vitro. Alternatywnie, wykazano, że H2S zwiększa wytwarzanie GSH poprzez zwiększenie wewnętrznego transportu cystyny i indukowanie ekspresji enzymu biosyntezy GSH, GSSG ( zredukowana i utleniona postać glutationu) Ten wzrost wewnątrzkomórkowego GSH może być kolejnym mechanizmem, w którym H2S pośrednio uczestniczy w ochronie przed stresem oksydacyjnym.

ZAKAŻENIA WIRUSOWE DRÓG ODDECHOWYCH

Ostatnie badania zidentyfikowały nową rolę przeciwwirusową dla H2S. Zakażenie syncytialnym wirusem oddechowym (RSV) komórek nabłonkowych dróg oddechowych było związane ze zmniejszonym Mrna, CSE i ekspresją białka, zmniejszoną zdolnością do generowania wewnątrzkomórkowego H2S oraz zwiększoną ekspresją reduktazy sulfinochinonowej, co prowadzi do zwiększonej degradacji siarkowodoru w komórkach zakażonych wirusem i zwiększonym tworzeniem wirusowych cząstek zakaźnych  Dane te wskazują, że endogenny H2S odgrywa ważną rolę w kontrolowaniu replikacji wirusa i choroby płuc w odpowiedzi na zakażenie RSV.

BIOLOGICZNE SKUTKI DZIAŁANIA SIARKOWODORU W PŁUCACH I TOWARZYSZĄCYCH KOMÓRKACH UKŁADU ODPORNOŚCIOWEGO.

Nabłonek błony śluzowej dróg oddechowych jest pierwszą wewnętrzną linią obrony poprzez oddziaływanie jak bariera fizyczna między środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym. Ciecz powierzchniowa dróg oddechowych (składająca się ze śluzu i warstw cieczy okołowierzchołkowej) pokrywa tę powierzchnię nabłonkową złożoną z komórek kubkowych, komórek rzęskowych, komórek podstawowych i innych. Warstwa bogata w fibroblasty tkanki łącznej znajduje się pod powierzchnią nabłonka i bierze udział w utrzymaniu homeostazy tkanek i gojeniu się uszkodzeń. W tej warstwie znajduje się kolejna bariera płucna utworzona przez komórki śródbłonka, które oddzielają strumień krwi i ściany naczyń krwionośnych. Śródbłonek ma również inne funkcje (np. zaopatrzenie w krew i tlen, dostarczanie składników odżywczych i ruch komórek odpornościowych). W warunkach fizjologicznych enzymy związane z H2S ulegają ekspresji w płucach człowieka w pierwotnych fibroblastach. Obecnie uznaje się, że H2S jest niezbędny do rozwoju układu naczyniowego i pęcherzyków płucnych
a także w innych funkcjach płuc jak krążenie płucne. Ponadto wydaje się, że H2S bierze udział w różnych procesach, mianowicie w aktywności mukolitycznej dróg oddechowych, stresie oksydacyjnym, stanie zapalnym, proliferacji komórek i apoptozie.

Poziom H2S w surowicy jest znacznie zmniejszony u osób z POChP (przewlekła obturacyjna choroba płuc) z bardzo objawowymi zaostrzeniami wywołanymi przez bakterie i wirusy w porównaniu z osobami kontrolnymi. Jednak gdy zaostrzenia przewlekłej choroby oskrzelowo-płucnej nie są objawowe poziomy H2S w surowicy są wyższe niż u osób kontrolnych. Ponadto, gdy pacjenci w okresie zaostrzenia z POChP są leczeni antybiotykami, poziomy H2S w surowicy są niższe niż u pacjentów, którzy nie wymagali leczenia antybiotykami, co łącznie powoduje, że synteza H2S ma charakter endogenny w celu przeciwdziałania zaostrzeniom wywołanych zakażeniem.

SARS (wirus z rodziny koronawirusów) wywołuje rozproszone uszkodzenie pęcherzyków płucnych, ostre uszkodzenie płuc, prowadząc do zespołu ostrej niewydolności oddechowej (ARDS), hipoksemii i wysokiej śmiertelności. Podobnie jak SARS, MERS, nowy typ wirusa koronowego, może powodować takie objawy

FORMY STOSOWANIA

Trwają badania nad  formą  leku, które próbują uwzględnić właściwości fizykochemiczne, ukierunkowane na określone organelle komórkowe, uwalniające H2S w drodze określonych reakcji chemicznych w komórce i kontrolowane uwalniania H2S w dłuższych okresach czasu. W przypadku większości badanych cząsteczek niewiele przeprowadzono badań  w celu określenia ich aktywności biologicznej lub możliwych efektów terapeutycznych. Nie jest zatem jasne, czy takie cząsteczki mają potencjał terapeutyczny, co podkreśla potrzebę dalszych badań in vivo.

W modelu zwierzęcym dawkę siarkowodoru zwykle wprowadza się przez inhalację, aby skutecznie złagodzić uszkodzenie płuc w przebiegu zapalenia  wywołanego przez bakterie lub wirusy (Zhang i in. 2019; Sakaguchi i in. 2014; Kakinohana i in. 2019). Ponieważ siarkowodór jest gazem toksycznym, jego stosowanie do inhalacji jest problematyczne. Rozpuszczalne w wodzie sole siarczkowe, takie jak Na2S i NaHS, wytwarzają wolny H2S w roztworach wodnych. Tak więc rozcieńczone roztwory siarczków nieorganicznych można zastosować do inhalacji za pomocą nebulizatora. Nie ma danych klinicznych ani żadnych udokumentowanych dowodów na lecznicze wdychanie siarczków Również istotne jest ,że siarczki typu farmaceutycznego nie są dostępne. Lekiem zatwierdzonym przez FDA (amerykańska Agencja Żywności i Leków) jest tiosiarczan sodu (Na2S2O3), stosowany w leczeniu zatruć cyjankami (Bebarta i in. 2017), niektórych skutków wynaczynienia oraz w przypadku zwapnienia związanego z przewlekłą chorobą nerek. Ten związek jest również silnym czynnikiem redukującym i zmiataczem reaktywnych form tlenu redukującym Fe + 3 do Fe + 2.

Tiosiarczan sodu (STS) jest dostępny jako substancja lecznicza, a także jako sterylny roztwór do iniekcji. Cząsteczka Na2S2O3  zawiera dwuwartościową siarkę (S-2) i może powoli uwalniać siarkowodór  w roztworach wodnych i układach biologicznych. Tiosiarczan może wytwarzać H2S  szlakiem  enzymatycznym i nieenzymatycznym (Snijderi in. 2015; Leskova i in. 2017). Istnieją doniesienia, skutecznego  stosowania tiosiarczanu sodu w celu poprawy postępu uszkodzenia w zapaleniach płuc u dorosłych i dzieci (Egorychev i in. 1987; Gorbacheva i in. 2009a, b; Barkov 2006). W literaturze zaleca się leczenie wziewne pacjentów z zapaleniem płuc za pomocą 2 ml 5% roztworu tiosiarczanu sodu przez nebulizator 2 razy dziennie. Przebieg leczenia zapalenia płuc wynosił 10–15 inhalacji.

Związkiem chemicznym powolnie uwalniający siarkowowdór w żywym organizmie jest GYY4137 (4-morfolin-4-ium 4-metoksyfenylo (morfolino) fosfinoditiian).
GYY4137 syntetyzowany jest poprzez reakcję  kwasu difenylofosfinowego w dichlorometanie w temperaturze pokojowej z morfoliną i filtrację próżniową

Stosowaną powszechnie w Polsce formą leczenia siarkowodorem są jedynie kąpiele siarczkowo-siarkowodorowe, w których siarkowodór dyfunduje do organizmu bezpośrednio przez skórę. Przenikliwość skóry dla siarkowodoru dzięki swojej lipofilności jest stukrotnie większa niż dla tlenu . Podczas kąpieli siarkowodór dostaje się do organizmu za sprawą dyfuzji w drodze transportu biernego zgodnie z gradientem stężeń i transportu czynnego.

PODSUMOWANIE

Infekcjom wirusowym towarzyszą zaburzenia fizjologiczne organizmu,  między innymi zmiana homeostazy oksydacyjno-redukcyjnej, zapalenie, zaburzenia  metabolizmu.

Na podstawie szeregu badań i obserwacji laboratoryjnych szczególnie interesujące jest spostrzeżenie, że wykazano, że wiele wirusów niekorzystnie wpływa na biogenezę wewnątrzustrojową H2S. Przeciwwirusowe i przeciwzapalne działanie H2S podkreśla jego potencjał jako cząsteczki terapeutycznej.
Wyniki badań wskazują, że H2S ma potencjalne działanie przeciwwirusowe i przeciwzapalne, co oznacza nowe podejście farmakologiczne do łagodzenia choroby płuc wywołanej wirusem.

H2S  HAMUJE REPLIKACJĘ WIRUSÓW I ŁĄCZENIE LUB UWALNIANIE CZĄSTEK WIRUSA

H2S staje się ważną potencjalną opcją terapeutyczną w przypadku przewlekłych chorób zapalnych dróg oddechowych. Osiągnięto znaczny postęp w badaniu podstawowych mechanizmów generacji komórkowej H2S i potencjalnej roli H2S w modelach chorób płuc in vivo.
Jednak mechanizmy, za pomocą których H2S moduluje sygnalizację komórkową indukowaną przez wirusy i określające udział enzymu generującego H2S (CSE) w komórkowej aktywności przeciwwirusowej i przeciwzapalnej, pozostają do wyjaśnienia.

Pomimo tych wszystkich obserwacji brakuje wiedzy na temat molekularnego mechanizmu tych efektów, który mógłby stanowić wiążącą linię badań dotyczące roli H2S w fizjologii i patogenezie tych czynników zakaźnych.

Przyszłe badania powinny koncentrować się na dalszym wyjaśnianiu podstawowej biologii H2S w układzie oddechowym i jej związku z patofizjologią chorób płuc.
Z terapeutycznego punktu widzenia istnieje potrzeba dalszego rozwoju bezpiecznego dawkowania H2S  o kontrolowanym uwalnianiu i lepszej rozpuszczalności w wodzie, a także skutecznych metod ekspozycji.

Stosowaną powszechnie w Polsce formą leczniczego wykorzystania siarkowodorem są jedynie kąpiele siarczkowo-siarkowodorowe, w których siarkowodór dyfunduje do organizmu bezpośrednio przez skórę. Przenikliwość skóry dla siarkowodoru dzięki swojej lipofilności jest stukrotnie większa niż dla tlenu. Podczas kąpieli siarkowodór dostaje się do organizmu za sprawą dyfuzji w drodze transportu biernego zgodnie z gradientem stężeń i transportu czynnego.

Dr n. med. Marek Grabski
spec. chorób wewnętrznych, rehabilitacji medycznej,
balneoklimatologii i medycyny fizykalnej.

NA PODSTAWIE:

1. Ravinder R. Gaddam, Piyush Jha and Madhav Bhatia  Department of Pathology and Biomedical Science, University of Otago-Christchurch, Christchurch, New Zealand. The Infections and Hydrogen Sulfide. Frontiers in Anti-Infective Drug Discovery, 2018, Vol. 7, 1-12
2. Virender Kumar Pal, Parijat Bandyopadhyay, Amit Singh. Critical Review Hydrogen Sulfide in Physiology and Pathogenesis of Bacteria and Viruses. Wiley Periodicals, Inc. on behalf of International Union of Biochemistry and Molecular Biology Volume 70, Number 5, May 2018, Pages 393–410
3. Nikolay Bazhanov, Maria Ansar, Teodora Ivanciuc, Roberto P. Garofalo1 and Antonella Casola Departments of 1Pediatrics and 2Microbiology and Immunology, and 3Sealy Center for Molecular Medicine, University of Texas Medical Branch, Galveston, Texas. Hydrogen Sulfide: A Novel Player in Airway Development, Pathophysiology of Respiratory Diseases, and Antiviral Defenses. Am J Respir Cell Mol Biol Vol 57, Iss 4, pp 403–410, Oct 2018
4. Ming Yang, Zheng Zhang, Bo Gao, Lihua Liu, Taohong Hu 1Department of Clinical Medicine, School of Basic Medical Sciences, Taishan Medical University, Taian, Shandong, China 2Department of Cardiology, the General Hospital of the PLA Rocket Force, Beijing, China 3Shanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s Hospital, Shanghai, China, Institution of Hospital Management, Chinese PLA General Hospital, Beijing, China Hydrogen Medicine Therapy: An Effective and Promising Novel Treatment for Multiple Organ Dysfunction Syndrome (MODS) Induced by Influenza and Other Viral Infections Diseases? SOJ Microbiology & Infectious Diseases 2017 5(2) : 1-6
5. Joana Viegas, Ana Filipa Esteves , Fernando A. Arosa, Marco Vitale and Luís Taborda-Barata. Biological Effects of Thermal Water-Associated Hydrogen Sulfide on Human Airways and Associated Immune Cells: Implications for Respiratory Diseases.  Front. Public Health 7:128. doi: 10.3389/fpubh.2019.00128
6. Mikhail B. Evgen’ev & Anton Frenkel Possible application of H2S-producing compounds in therapy of coronavirus (COVID-19) infection and pneumonia Cell Stress and Chaperones https://doi.org/10.1007/s12192-020-01120-1
7. Peter Rose   , Brian W Dymock  , Philip K Moore  GYY4137, a Novel Water-Soluble, H2S-releasing Molecule  Methods Enzymol. 2015;554:143-67.doi: 10.1016/bs.mie.2014.11.014. University of Lincoln, Lincoln, Lincolnshire, United Kingdom. Department of Pharmacy, National University of Singapore, Singapore. Neurobiology Program, Life Science Institute and Department of Pharmacology, National University of Singapore, Singapore.
8. Zheng Wei Lee, Jianbiao Zhou, Chien-Shing Chen, Yujun Zhao, Choon-Hong Tan, Ling Li, Philip Keith Moore, Lih-Wen Deng. The Slow-Releasing Hydrogen Sulfide Donor, GYY4137, Exhibits Novel Anti-Cancer Effects I n V i t r o and I n V i v o Issue 2011(6) Department of Biochemistry, National University of Singapore, Department of Chemistry, National University of Singapore, Department of Pharmacology, National University of Singapore, Cancer Science Institute of Singapore, National University of Singapore, Department of Medicine, National University of Singapore, Division of Hematology and Oncology, School of Medicine, Loma Linda University, Loma Linda, California, United States of America