納米硒毒性與營養(yǎng)研究進(jìn)展

鄭澤洋 李綺敏 楊安源

摘 要：硒是人體中不可缺少的微量元素之一，在維持機(jī)體正常生命活動(dòng)中扮演著重要的角色。硒的形態(tài)決定了其毒性與生物活性，其中納米硒是已有硒形態(tài)中毒性最低、生物活性最強(qiáng)，具有抗氧化、抗癌、增強(qiáng)免疫力等生物活性，未來有望成為新型硒營養(yǎng)補(bǔ)充劑。本文重點(diǎn)對(duì)納米硒毒性與營養(yǎng)研究進(jìn)展進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：納米硒;毒性;營養(yǎng)

瑞典化學(xué)家Berzelius于1817年在硫酸工廠的鉛室中分離出微量元素硒（Selenium）。1943年，第一次報(bào)道了關(guān)于硒導(dǎo)致人類致癌的報(bào)告[1]。1973年聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織宣布硒是生物體中必需的、不可缺少的營養(yǎng)元素之一。硒作為一種必需的微量元素，與人類和動(dòng)物的健康密切相關(guān)，在防癌、抗癌、防衰老、預(yù)防和治療心血管疾病、克山病和大骨節(jié)病等方面起著重要作用，并參與多種生命基礎(chǔ)代謝[2-3]。在自然界中，硒存在的形態(tài)包括Se（VI）、Se（IV）、Se（0）和Se（-II）[4]，硒的形態(tài)影響著其毒性與生物活性。本文對(duì)硒的形態(tài)與人類健康和疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 納米硒毒性

硒是人體內(nèi)的一種重要微量元素，其生理劑量與中毒劑量范圍較窄，一旦攝入過量的硒會(huì)引起食欲減退、乏力、精神萎靡不振及頭皮癢痛等癥狀。由于硒性質(zhì)與硫相似，當(dāng)硒攝入量超過機(jī)體自身解毒能力時(shí)，硒元素可隨機(jī)替代含硫化合物中的硫，形成硒代蛋氨酸，引起體內(nèi)含巰基的酶或蛋白失活，喪失原本的生理功能，并導(dǎo)致肝臟損傷[5]。輕度硒中毒主要表現(xiàn)為部分脫發(fā)和脫甲;嚴(yán)重硒中毒則會(huì)引起四肢發(fā)麻、對(duì)稱性多發(fā)性周圍神經(jīng)病、偏癱等神經(jīng)相關(guān)疾病癥狀[6-7]。硒的毒性與其形態(tài)相關(guān)，無機(jī)硒的毒性大于有機(jī)硒。另外，一種平均粒徑在5～200 nm的硒納米顆粒具有比有機(jī)硒更低的毒性及更高的活性[8]，近年來備受學(xué)者關(guān)注。

無機(jī)硒具有較大毒性，不易被機(jī)體吸收，生物利用率低等特點(diǎn)，主要包括單質(zhì)硒、硒化物、亞硒酸鹽（HSeO3-和SeO32-）、硒酸鹽（SeO42-）等。其中，Se4+毒性比Se6+強(qiáng)，原因?yàn)镾e4+可與生物體內(nèi)的硫醇發(fā)生還原反應(yīng)生成RS-Se-SR，隨后分解產(chǎn)生超氧化物和元素硒，其毒性的產(chǎn)生來源于硫醇的還原和超氧化物的生成[9]。1993年日本已明令禁止在所有動(dòng)物飼料中使用亞硒酸鈉等無機(jī)硒[10]。無機(jī)硒在腸道內(nèi)必須先有機(jī)配體結(jié)合才被人體吸收。腸道內(nèi)存在多種因素與硒競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)配體，因此大大影響了無機(jī)硒的吸收。無機(jī)硒在體內(nèi)還易與維生素發(fā)生結(jié)合，穩(wěn)定性差、生物利用率低。有機(jī)硒指硒的有機(jī)化合物，即硒與碳、氫、氧、氮等有機(jī)元素結(jié)合，或與含有有機(jī)元素的物質(zhì)結(jié)合，如蛋白質(zhì)、氨基酸等的化合物。有機(jī)硒包括硒代氨基酸（硒代甲硫氨酸和硒代半胱氨酸）、硒脲、硒蛋白和硒多糖等。已有大量研究表明，有機(jī)硒的毒性遠(yuǎn)低于無機(jī)硒。研究表明亞硒酸鈉對(duì)昆明小鼠灌胃的半致死量（LD50）為21.17 mg/kg，且亞硒酸鈉會(huì)使小鼠骨髓微核率、精子畸變率均上升，與此同時(shí)經(jīng)酵母發(fā)酵制備的有機(jī)硒的半致死量（LD50）為740.2～1 179 mg/kg

至少是亞硒酸鈉的37倍[11]。強(qiáng)佳麗等[12]對(duì)比了富硒產(chǎn)品與亞硒酸鈉、硒代蛋氨酸及硒代半胱氨酸毒性，結(jié)果表明富硒產(chǎn)品、亞硒酸鈉、硒代蛋氨酸及硒代半胱氨酸以硒計(jì)LD50分別為63.6 mg/kg、4.6 mg/kg、25.6 mg/kg和14.6 mg/kg，且該富硒產(chǎn)品的毒性優(yōu)于硒代蛋氨酸及硒代半胱氨酸?？梢?，有機(jī)硒的毒性均比無機(jī)硒低，且有機(jī)硒之間的毒性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

利用納米材料的特性，科學(xué)家制備了一種納米級(jí)的單質(zhì)硒，它是已發(fā)現(xiàn)硒形態(tài)中毒性最低且具有較高的生物活性[13-15]。納米硒具有與硒相同的生物活性，具有抗氧化、抗癌、保護(hù)肝臟等活性，與無機(jī)或有機(jī)硒相比，納米硒的生物利用率更高[16]。高學(xué)云等[17]將以蛋白為分散劑的納米紅色元素硒對(duì)小鼠口服的LD50為112.98 mg/kg，而亞硒酸鈉的LD50為15.72 mg/kg，納米硒毒性明顯低于亞硒酸鈉。KOKILA等[18]采用柿葉提取物介導(dǎo)制備硒納米顆粒，與Se4+相比，其對(duì)MCF-7細(xì)胞系的毒性較低。

2 納米硒的營養(yǎng)研究

硒是人體紅細(xì)胞谷胱甘肽過氧化物酶的重要組成成分，其主要作用是參與酶的合成，避免細(xì)胞膜過度氧化，保護(hù)其結(jié)構(gòu)與功能，具有抗氧化、抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病、癲癇等多重生物學(xué)功能。硒代半胱氨酸作為人體的第21個(gè)氨基酸[19]，在遺傳密碼中，其編碼為UGA[20]，也是25種硒酶的活性中心[21]。硒酶也具有多重生物學(xué)活性，從抗氧化、抗炎作用到抗癌、保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。

2.1 納米硒與抗氧化作用

硒是內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)的重要組成部分。內(nèi)源性抗氧化防御酶系在抵抗氧化應(yīng)激時(shí)，機(jī)體內(nèi)硒水平的增加，有助于降低其消耗，從而增加了體內(nèi)抗氧化能力[22]。硒的抗氧化能力主要表現(xiàn)為提高抗氧化酶系活力（包括超氧化物歧化酶（SOD）和GSH-Px），抑制脂質(zhì)過氧化等[23]。與無機(jī)或有機(jī)硒相比，納米硒的生物活性更好[16]。WANG等[14]分別將牛血清蛋白（BSA）調(diào)控制備的球形納米硒顆粒和硒代蛋氨酸喂養(yǎng)小鼠，比較兩者的抗氧化活性及毒性，結(jié)果表明兩種硒均能通過提高兩種硒酶（GSH-Px和硫氧還蛋白還原酶）的活力，發(fā)揮強(qiáng)大的抗氧化作用，并且納米硒在更低用量的情況下就能達(dá)到與硒代蛋氨酸相同的效果，說明與有機(jī)硒相比，納米硒具有更高的抗氧化活性，且較低的毒性。BAI等[24]也做了相似的實(shí)驗(yàn)，將殼聚糖調(diào)控制備的三角形納米硒喂養(yǎng)小鼠，與亞硒酸鈉相比，小鼠體內(nèi)的硒含量增加顯著，GSH-Px、SOD和CAT活性的水平顯著增加，具有更高的生物活性和生物安全性。

2.2 納米硒與抗癌作用

大量體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，硒在癌癥預(yù)防和治療中發(fā)揮著強(qiáng)大作用。采用富硒的食物喂養(yǎng)小鼠，顯著降低癌癥的發(fā)生率[25]。硒的抗癌機(jī)理可分為3大類，即ROS產(chǎn)生、硫醇修飾以及染色質(zhì)結(jié)合和修飾[26]。ZHANG等[27]使用ATP在SeNPs表面進(jìn)行修飾形成ATP@SeNPs，顯著提高了SeNPs的細(xì)胞吸收率。ATP@SeNPs通過增加亞G1細(xì)胞群的積累，暴露磷脂酰絲氨酸，使DNA片段化，切割PARP以及活化半胱天冬酶等一系列反應(yīng)，誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞凋亡，使得抗癌活性顯著提高。GAO等[28]發(fā)現(xiàn)聯(lián)合使用伊立替康（抗癌藥物）和納米硒能有效增強(qiáng)體內(nèi)外的抗腫瘤治療效果，其中納米硒對(duì)癌癥的抑制作用主要是其能夠選擇性調(diào)節(jié)腫瘤組織和上調(diào)正常組織中的Nrf2-ARE途徑相關(guān)蛋白。同時(shí)，納米硒可以有效降低抗癌藥物對(duì)肝臟的毒性作用。

2.3 硒與肝臟疾病

硒與肝臟健康息息相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)肝病患者體內(nèi)普遍缺硒，硒的補(bǔ)充能提高肝臟的抗氧化能力，抑制肝纖維化和肝損傷[29]。張勁松等[30]發(fā)現(xiàn)經(jīng)CCl4誘導(dǎo)肝損傷的小鼠喂養(yǎng)納米硒后，其肝臟和血清內(nèi)硒含量顯著升高，肝臟MDA含量和血清中AST活性顯著下降，說明納米硒對(duì)CCl4誘導(dǎo)的肝損傷具有保護(hù)作用，且隨劑量升高，保護(hù)效果明顯。AMIN等[31]研究證明了納米硒對(duì)APAP誘導(dǎo)的肝毒性具有保護(hù)作用，主要體現(xiàn)在它可以調(diào)節(jié)肝功能和提高體內(nèi)CAT、SOD活性以及GSH含量。另外，有學(xué)者還指出納米硒可能是一種抑制氧化應(yīng)激的新型保肝物質(zhì)。BHATTACHARJEE等[32]發(fā)現(xiàn)納米硒通過改善肝臟脂質(zhì)過氧化物、DNA損傷和染色體畸變的水平，有效增加了各種抗氧化酶的活性，對(duì)抗癌藥物環(huán)磷酰胺（CP）誘發(fā)的肝臟毒性具有保護(hù)作用，同時(shí)在攜帶EAC的小鼠中表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤和抗氧化的作用。

3 硒的安全攝入量

硒是人體必需的營養(yǎng)元素之一，因此硒的攝入量必須得到嚴(yán)格的控制。Wada[33]的研究結(jié)果顯示，長(zhǎng)期食用硒含量小于0.1 μg/g的食物會(huì)導(dǎo)致缺硒，而長(zhǎng)期食用硒含量超過1 μg/g的食物則引起中毒。在世界范圍內(nèi)，與許多其他微量營養(yǎng)素相比，硒的每日攝入量變化很大為7～4 990 μg/d。

通過測(cè)定血漿或血清中的硒含量可以判斷出不同國家的硒的每日攝入量情況[34]。委內(nèi)瑞拉、加拿大、美國和日本的硒的每日攝入量很高[35-37]，如美國女性平均值為93 μg/d、男性平均值134 μg/d;歐洲的攝入量較低，均值為40 μg/d。隨著硒的營養(yǎng)補(bǔ)充劑的發(fā)展，提高了全球硒的攝入量，其中約50%的美國人服用硒營養(yǎng)補(bǔ)充劑[38]。在國際上，硒的每日攝入量建議為男性60 μg/d，女性53 μg/d。而在我國2013版的《中國居民膳食指南》中，成人每人每天硒的推薦攝入量為60 μg[39];美國國家科學(xué)院醫(yī)學(xué)研究所規(guī)定成人每人每天硒的最大攝入量不超過400 μg[40]。攝入量變化不僅與作物和飼料生長(zhǎng)環(huán)境中的硒含量有關(guān)，而且與食物鏈中硒的形態(tài)、土壤的pH及有機(jī)物含量以及與硒絡(luò)合的離子的存在有關(guān)[41]。

4 結(jié)語

硒的毒性與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，亞硒酸鈉曾廣泛應(yīng)用于補(bǔ)硒強(qiáng)化食品原料，但其毒性較強(qiáng)，作為硒營養(yǎng)補(bǔ)充劑不利于人們的健康。一種新型納米硒顆粒具有更低毒性、更高生物活性的特點(diǎn)，未來有望成為新型硒營養(yǎng)補(bǔ)充劑。中國是一個(gè)缺硒大國，補(bǔ)硒關(guān)系到人們的健康，應(yīng)當(dāng)抓好補(bǔ)硒工作。①向居民普及宣傳有關(guān)硒與人體健康的知識(shí)，提高居民補(bǔ)硒意識(shí)。②著手開發(fā)與生產(chǎn)安全性高、活性好的高硒產(chǎn)品，并大規(guī)模推廣富硒產(chǎn)品，保證居民每日硒攝取量在合理范圍內(nèi)，防止硒缺乏。

參考文獻(xiàn)

[1]NELSON A A，F(xiàn)ITZHUGH O G，CALVERY H O.Liver tumors following cirrhosis caused by selenium in rats[J].Cancer Research，1943，3（4）：230-236.

[2]DONOVAN J，Copeland P R.Threading the needle：getting selenocysteine into proteins[J].Antioxidants & redox signaling，2010，12（7）：881-892.

[3]MARIOTTI M，RIDGE P G，ZHANG Y，et al.Composition and evolution of the vertebrate and mammalian selenoproteomes[J].PLOS ONE，2012，7（3）：e33066.

[4]Severson R C，F(xiàn)isher S，Gough L P.Proceedings of the 1990 Billings Land Reclamation Symposium on Selenium in Arid and Semiarid Environments，Western United States[EB/OL].（1991-01-01）[2021-05-07].https：//pubs.usgs.gov/circ/1991/1064/report.pdf.

[5]韓曉霞，姚志文，魏洪義.硒的毒性生物學(xué)研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（12）：24-28.

[6]賀建忠.硒中毒的研究進(jìn)展[J].飼料研究，2007（6）：37-38.

[7]楊光圻，王淑真，周瑞華，等.湖北恩施地區(qū)原因不明脫發(fā)脫甲癥病因的研究[J].中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，1981（增刊2）：1-6.

[8]高學(xué)云，張勁松，張立德.納米紅色元素硒的急性毒性和生物利用性[J].衛(wèi)生研究，2000（1）：57-58.

[9]RAO Y，MCCOOEYE M，WINDUST A，et al.Mapping of selenium metabolic pathway in yeast by liquid chromatography-orbitrap mass spectrometry[J].Analytical chemistry，2010，82（19）：8121-8130.

[10]仲崇華，曹立亭.硒酵母在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].飼料與養(yǎng)殖，2006（2）：26-27.

[11]張賀寧.亞硒酸鈉和生物硒的毒理學(xué)研究[D].太原：山西大學(xué)，2016.

[12]強(qiáng)佳麗，陳旭.富有機(jī)硒產(chǎn)品的急性毒性試驗(yàn)[J].毒理學(xué)雜志，2013，27（4）：319-320.

[13]ZHANG J，WANG X，XU T.Elemental selenium at nano size （Nano-Se） as a potential chemopreventive agent with reduced risk of selenium toxicity：comparison with Se-methylselenocysteine in mice[J].Toxicological Sciences，2008，101（1）：22-31.

[14]WANG H L，ZHANG J S，YU H Q.Elemental selenium at nano size possesses lower toxicity without compromising the fundamental effect on selenoenzymes：Comparison with selenomethionine in mice[J].Free radical biology and medicine，2007，42（10）：1524-1533.

[15]JIA X，LI N，CHEN J.A subchronic toxicity study of elemental Nano-Se in Sprague-Dawley rats[J].Life sciences，2005，76（17）：1989-2003.

[16]SHI L G，XUN W G，YUE W B，et al.Effect of sodium selenite，Se-yeast and nano-elemental selenium on growth performance，Se concentration and antioxidant status in growing male goats[J].Small Ruminant Research，2010，96（1）：49-52.

[17]高學(xué)云，張勁松，張立德.納米紅色元素硒的急性毒性和生物利用性[J].衛(wèi)生研究，2000（1）：57-58.

[18]KOKILA K，ELAVARASAN N，SUJATHA V.Diospyros montana Leaf Extract-Mediated Synthesis of Selenium nanoparticles and its Biological applications[J].New Journal of Chemistry，2017，41（15）：7481-7490.

[19]侯江文，趙獻(xiàn)軍，董慶愛.有機(jī)硒對(duì)山羊血硒水平與谷胱甘肽過氧化物酶活性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1996（3）：76-80.

[20]BOCK A，F(xiàn)ORCHHAMMER K，HEIDER J，et al.Selenocysteine：the 21st amino acid.[J].Molecular microbiology，1991，5（3）：515-520.

[21]WHANGERP D.Selenoprotein expression and function-Selenoprotein W[J].BBA-General Subjects，2009，1790（11）：1448-1452.

[22]JOZANOV-STANKOV O，DEMAJO M，DJUJI? I，et al.Selenium intake as a modulator of responsiveness to oxidative stress[J].Journal of environment pathology and oncology：official organ of the International Society for Environmental Toxicology and Cancer，1998，17（3/4）：251-257.

[23]HUANG Y，XU J，HU Q.Effect of selenium on preservation quality of green tea during autumn tea-processing season[J].Journal of agricultural and food chemistry，2005，53（19）：7444-7447.

[24]Bai K K，Hong B H，He J L，et al.Preparation and antioxidant properties of selenium nanoparticles-loaded chitosan microspheres[J]. International journal of nanomedicine，2017，12：4527-4539.

[25]ABDULAH R， MIYAZAKI K，NAKAZAWA M，et al.Chemical forms of selenium for cancer prevention[J].Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2005，19（2）：141-150.

[26]MAIYO F，SINGH M.Selenium nanoparticles： potential in cancer gene and drug delivery[J].Nanomedicine（Lond），2017（Prepublish）.

[27]ZHANG Y B，LI X L，HUANG Z，et al.Enhancement of cell permeabilization apoptosis-inducing activity of selenium nanoparticles by ATP surface decoration[J].Nanomedicine：Nanotechnology，Biology and Medicine，2013，9（1）：74-84.

[28]GAO F P，YUAN Q，GAO L，et al.Cytotoxicity and therapeutic effect of irinotecan combined with selenium nanoparticles[J].Biomaterials，2014，35（31）：8854-8866.

[29]張勁松.硒防治肝?。褐袊难芯楷F(xiàn)狀[J].醫(yī)藥世界，2004（10）：43-44.

[30]張勁松，高學(xué)云，張立德，等.納米紅色元素硒的護(hù)肝、抑瘤和免疫調(diào)節(jié)作用[J].營養(yǎng)學(xué)報(bào)，2001（1）：32-35.

[31]AMIN K A，HASHEM K S，ALSHEHRI F S，et al.Antioxidant and hepatoprotective efficiency of selenium nanoparticles against acetaminophen-induced hepatic damage[J].Biological trace element research，2017，175（1）：136-145.

[32]BHATTACHARJEE A，BASU A，BISWAS J，et al.Chemoprotective and chemosensitizing properties of selenium nanoparticle （Nano-Se） during adjuvant therapy with cyclophosphamide in tumor-bearing mice[J].Molecular and cellular biochemistry，2017，424（1/2）：13-33.

[33]Wada O.，MANABE S，ARAKAWA Y.Ecological Biokinetical and Biochemical Approach to Essentiality and Toxicity of Trace Elements[J].Japan Jounal of Nutrition ，1993，10：199-210.

[34]RAYMAN M P.The importance of selenium to human health[J].The Lancet，2000，356（9225）：233-241.

[35]RAYMAN M P，INFANTE H G，SARGENT M.Food-chain selenium and human health：spotlight on speciation[J].British Journal Nutrtion，2008，100（2）：238-253.

[36]Rayman M P. Selenium in cancer prevention： a review of the evidence and mechanism of action[J].Proceedings of the Nutrition Society， 2005， 64（4）：527-542.

[37]FAIRWEATHER-TAIT S J，BAO Y，BROADLEY M R，et al.Selenium in human health and disease[J].Antioxidants & redox signaling，2011，14（7）：1337-1383.

[38]RAYMAN，MARGARET P.Food-chain selenium and human health： emphasis on intake[J].The British Journal of Nutrition，2008，100（2）：238-253.

[39]程義勇.《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》2013修訂版簡(jiǎn)介[J].營養(yǎng)學(xué)報(bào)，2014，36（4）：313-317.

[40]BOYD R.Selenium stories[J].Nature Chemistry，2011，3（7）：570.

[41]ZIMMERMANN M B.Symposium on Geographical and geological influences on nutrition Iodine deficiency in industrialised countries[J].Proceedings of The Nutrition Society，2009，69（1）：133-143.