納米硒制備方法、抗氧化作用機制及臨床應用研究進展

黃軼馳 ，田紅旗

1 北京協和醫學院中國醫學科學院放射醫學研究所，天津30019；2 天津市放射醫學與分子核醫學重點實驗室

硒（selenium，Se）是人體必需的微量元素之一，可維持人體氧化還原平衡，在預防心血管疾病、高膽固醇血癥及癌癥等疾病中起重要作用［1］。根據美國國家科學院建議，成人每日硒攝取量55～400 μg，每日硒攝取量＞700 μg 時對人體產生毒性，嚴重時可導致硒中毒［2］。硒中毒主要表現為疲勞及神經、心血管和胃腸系統紊亂等癥狀。目前，有機硒和無機硒化合物作為硒的膳食補充劑已應用數年，但由于其安全范圍極窄，用量不慎極易造成硒中毒［3］；紅色的單質硒毒性較低且有一定生物活性，但化學穩定性差，快速受熱或室溫下容易緩慢聚集成無活性狀態［4］。

1997 年，張勁松等［5］首次創造性地將納米技術應用于紅色單質硒的制備，他們引入牛清血白蛋白（bovine serum albumin，BSA）作為保護劑，成功地制備結構穩定、生物活性高的納米硒。相較于其他價態的有機硒和無機硒化合物，利用納米技術制備的紅色單質硒不僅生物利用度更高、安全性更好，而且具有良好的抗氧化活性，能顯著改善細胞異常的氧化應激狀態［6］。現將納米硒的制備方法、抗氧化活性和作用機制，及其對各組織、器官損傷和相關疾病的防治作用最新研究進展綜述如下。

1 納米硒的制備方法

納米硒的粒徑可影響其生物活性及細胞對其攝取能力［7］。因此，制備合適的納米粒徑和形態，即選取合適的方法至關重要。目前，制備納米硒的方法主要包括化學、物理、生物（如細菌、真菌、植物等）制備方法三類。

1.1 化學制備方法 化學方法制備的納米硒通常是通過硒源（如亞硒酸或其鹽類溶液）與還原劑（如維生素C、谷胱甘肽等）發生氧化還原反應后制成，但生成的紅橙色納米硒產物具有化學不穩定性，其生物活性和生物相容性大大降低［4］。為得到穩定、均勻分散的納米硒，常使用穩定劑對制備的納米硒表面進行修飾。用于納米硒表面的修飾劑主要有高分子聚合物、糖類、蛋白質、脂質，甚至是藥物［2，6，8］等，具有分枝多、富含大量羥基或氨基，能與納米硒表面發生穩定的靜電作用等特點，可阻止硒粒子間的相互聚集，保證納米硒的高度分散性和穩定性。

通過化學方法得到的納米硒化學結構穩定、粒徑均一，并可通過修飾劑用量和種類變化來調控合成納米硒在不同環境的釋放速率，提高其在人體內的生物利用度和生物活性［7］。ZHAI等［7］使用不同分子量的殼聚糖（chitosan，CS）作為穩定劑，合成外觀均勻的球形納米硒粒子（CS-SeNPs），并發現低分子量CS-SeNPs 比高分子量者結構更為致密，在胃、腸和汗液的模擬環境中硒釋放速率更緩慢，但不影響其抗氧化活性。

1.2 生物制備方法 雖然目前化學制備方法應用廣泛，但由于其存在如成本昂貴、危險試劑的使用以及對環境造成化學污染等諸多弊端，再加之與現代社會所提倡的“綠色科學”理念相違背，越來越多的研究人員開始聚焦于更為安全、經濟和環保的納米硒生物制備方法。作為化學制備方法的替代品，生物制備方法可利用細菌、真菌等微生物或植物某一部位的提取物得到生源性納米硒。

1.2.1 利用細菌制備納米硒 可用于制備納米硒的細菌包括如Bacillus、Streptomyces、Lactobacillus等的革蘭氏陽性菌和如Klebsiella、Idiomarina、Enterobacter、Citrobacter、Pseudomonas 及 Rahnella 等的革蘭氏陰性菌［9-12］。

細菌驅動制備納米硒的機制至今尚未完全明確，可簡單概括為以下幾個過程：①硒氧陰離子通過各類轉運體轉運至細胞內；②硒氧陰離子在細胞內發生復雜的氧化還原反應，將高價態硒鹽還原為零價硒；③生成的零價硒轉運至細胞外；④運用蛋白質、多糖等有機成分物質將零價硒封裝成穩定的納米硒狀態。由于細菌的生物多樣性和復雜性，納米硒的制備不一定全部發生在細胞內，也可能在細胞外，甚至是通過膜結合酶完成［12］。這就意味著過程①、③并不是必須的，但過程②、④在納米硒的合成中是必然存在。因此，蛋白質、多糖等生源性分子在合成納米硒的整個過程中充當十分重要的角色，除了可以作為一些催化酶系參與硒鹽的還原之外［12］，還作為表面修飾劑維持納米硒的生長和穩定。

細菌制備的納米硒具有生物相容性更高、毒性更低等優勢。但目前采用生物方法存在培養細菌過程繁瑣、制備持續時間較長、制備納米硒質量可控性差以及納米硒表面成分未知等問題，具體制備方法仍需進一步探索和優化。

1.2.2 利用真菌制備納米硒 真菌作為一個簡單、經濟、靈活的生物系統，同樣可以作為合成納米硒的“工廠”，包括 Alternaria、Saccharomyces、Aspergillus、Polyporus、Phanerochaete、Pichia、Pleurotus、Mariannaea、Fusarium、Monascus、Lentinus、Ganoderma Karst等［13-14］。

當硒的表面被真菌的生源性多糖、蛋白質或多糖—蛋白復合物包裹時，整個納米體系在生理環境中可保持相對穩定，同時更容易被靶細胞攝取，生物活性更強。YANG 等［14］以富有免疫佐劑功能的真菌多糖lentinan（LET）和Tw-80 作為修飾劑，制備了一種新型納米硒顆粒（LET-Tw-SeNPs），由于其優秀的細胞轉運能力和理想的粒子大小，能高效地到達靶細胞部位，并在血液中能較長時間地保持穩定，從而實現對實體腫瘤深度治療的目的。

1.2.3 利用植物提取物制備納米硒 葉、果實、果殼、種子等部位常中含有一些如多酚等易氧化性成分，因此植物提取物可用來還原硒鹽，最終獲得高包裹度納米硒。與其他生物制備方法比較，植物提取物制備納米硒所需反應條件簡單，價格更低。將Hibiscus sabdariffa葉提取液和亞硒酸溶液在不斷攪拌下制得由次級植物代謝物結合的納米硒，反應條件簡單環保，所得納米產物抗氧化活性較高［15］。

相較于傳統的化學制備方法，不論是利用細菌、真菌，還是各種植物提取物制備納米硒方法，均擁有如操作簡便安全、經濟、綠色環保等優勢，所得的生源性納米硒穩定性、安全性、生物相容性均更高，但也正因為該獨特而又復雜的制備方式，制備過程繁瑣、產品質量不可控等弊端也影響納米硒的產量及臨床廣泛應用。

1.3 物理方法 物理方法制備得到的納米硒顆粒尺寸可控，穩定性高，但存在諸如設備條件嚴苛、合成環境危險等因素，限制其廣泛應用。γ-輻射和微波輻射等物理方法常作為化學或生物制備納米硒的輔助方法，可迅速加快制備反應的進行，提升制備效率，提高納米硒的產量和質量［16］。與Monascus purpureus制備納米硒方法比較，1 000 Gy的γ-射線聯合Monascus purpureus制備納米硒的產量提高將近5倍，其原因可能在于γ 射線誘導該真菌細胞產生基因突變，從而導致納米硒的加倍產生［13］；Mellinas等［4］在使用Theobroma cacao L.豆殼提取物制備納米硒的過程中使用了微波輻射，不僅有效控制了納米硒粒徑大小，延長其貯存時間，同時制備的納米硒抗氧化活性高。液體脈沖激光燒濁法（pulsed laser ablation in liquids，PLAL）是一種納米硒的新型制備工藝，可用于純裸納米硒顆粒（沒有表面功能化）的制備，通過兩次脈沖激光照射得到的納米硒粒徑小、穩定性高，并可發揮多種生物功能［17］。

2 納米硒的抗氧化作用機制

2.1 清除活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）ROS 是一類性質較為活潑的含氧化合物總稱，正常狀態下人體內少量的ROS 作為一種傳遞細胞信號和維持細胞穩態的重要因子，能讓機體逐漸適應氧化環境的變化；但在輻射、化學藥物、酒精、吸煙、重金屬等外部因素的誘導下，高水平ROS 的產生會導致機體的氧化應激，對體內的脂質、蛋白質和核酸等生物重要分子造成損傷，最終造成病理狀態［18］。

納米硒可直接清除ROS。不同分子量CS 修飾得到的納米硒球形粒子對DPPH，ABTS 等自由基均具有較好的清除能力；且在一定范圍內，對皮膚和腸道細胞內ROS 產生的抑制強度取決于納米材料中硒的濃度，濃度越高，對ROS的抑制強度越大［7］。

2.2 增強酶促抗氧化系統的抗氧化能力 ROS 可以被體內的非酶促抗氧化系統和酶促抗氧化系統清除。非酶促抗氧化系統主要分為水溶性抗氧化劑（如維生素C、尿素等）、脂溶性抗氧化劑（如維生素E、胡蘿卜素等）；酶促抗氧化系統包括各種抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（superoxde dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）和硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）等。

SOD 和CAT是體內十分重要的抗氧化酶。SOD可將超氧化物自由基（如超氧陰離子）轉化為H2O2和水，可充當清除ROS 的第一道防線；而CAT 進一步催化H2O2生成水和氧氣［19］。

目前，已有25 種維持體內氧化還原平衡的硒蛋白已被鑒別［20］。其中GPx是人體不可或缺的一類內源性抗氧化酶，可催化GSH 還原H2O2或有機過氧化物生成水或相應的羥基化合物，并受體內硒水平的影響［21］；Trx及其還原酶（thioredoxin reductase，TrxR）參與細胞的凋亡，在機體抵抗氧化應激功能上發揮重要的作用［22］；硒蛋白P（SelP）是一種含數個硒代半胱氨酸殘基的重要糖蛋白，不僅具有抗氧化活性，而且可用于硒的轉運［20］；硒蛋白S（SelS）主要對糖尿病和心血管損傷具有良好的保護作用；硒蛋白R（SelR）作為唯一一種含Sec 的甲硫氨酸亞砜還原酶，在中樞神經系統中發揮重要功能［22］。

納米硒可以增強體內酶促抗氧化系統的抗氧化能力。LOESCHNER 等［23］研究發現，納米硒在大鼠體內與亞硒酸鹽具有相似的代謝途徑：吸收至體內的納米硒可能先轉化為H2Se，隨后被納入GPx、Trx等各種硒蛋白的活性位點，從而顯著提高硒蛋白的活性，保護機體免受氧化損傷。納米硒顆粒的攝入首先導致人體ROS 水平降低，在發生細胞凋亡之前，通過激活核轉錄因子Nrf2 刺激下游各種抗氧化酶基因轉錄，促進人體清除ROS，保護腸道免受氧化應激的損傷［24］。

2.3 抑制細胞凋亡 納米硒可通過抑制細胞凋亡發揮抗氧化作用。納米硒可以通過上調抗凋亡蛋白Bcl-2 和下調凋亡蛋白Bax 的表達，調節線粒體膜通道的滲透性，抑制了如細胞色素c 等的促凋亡蛋白釋放至細胞質，從而抑制細胞凋亡的發生［25］。此外，納米硒可通過調節p38 MAPK/Erk，核轉錄因子kappa B（NF-κB）、ASK1/JNK、PI3-K/Akt/mTOR 等多條信號通路來抑制氧化應激所誘導的細胞凋亡［25］。

3 納米硒的臨床應用

日常生活中與有毒化學物質、引起嚴重副作用的藥物、重金屬、酒精、疾病等危險源過量接觸均會引起人體敏感組織和器官的氧化應激，造成一定程度的損傷。納米硒作為強抗氧化劑單獨或提前使用時，能有效地預防或保護不同組織、器官（如睪丸、肝臟等）因過度氧化應激所造成的損傷，并在神經系統疾病、糖尿病等疾病的治療中具有潛在的優勢。作為硒的一種獨特形式，單獨使用納米硒在某些情況下治療效果往往有限。為了更為有效、快速地達到治療目的，可將納米硒與治療藥物聯合應用，包括與抗氧化劑、降血糖藥物等，不僅能通過協同作用，增強藥物的治療效果，也可降低藥物的不良作用，減少過量納米硒產生毒性的風險。

3.1 在生殖系統疾病中的臨床應用 睪丸因其膜多不飽和脂質含量高而成為氧化應激的敏感器官［20］，氧化應激進一步會造成睪丸組織的損傷，影響精子的生成和質量。硒不僅是參與雄性生殖中睪酮的生物合成和精子的形成的關鍵元素［18］，而且其強大的抗氧化活性可以改善性腺的氧化應激狀態。而納米硒的補充可以顯著地提高雄性大鼠精液的質量和睪丸組織中抗氧化系統的活性，對生活中各種危險因素（有毒化學物質、藥物等）所誘導的生殖系統損傷具有一定的保護和預防作用。

雙酚A（bisphenol A，BPA）是許多塑料用品的常用原料，在日常使用中容易被人體攝入體內，容易引起睪丸組織的氧化應激而造成男性生殖功能的損傷。Khalaf等［20］研究發現，服用2 mg/kg 的納米硒可通過減輕雄性小鼠睪丸組織的氧化應激來抑制BPA引起的生殖毒性，且效果明顯優于同劑量的亞硒酸鈉。

過度食用味精（monosodium glutamate，MSG）會可導致人體產生過量ROS、脂質過氧化水平過高，造成睪丸退化和精子數量、形態的改變，從而引起生殖毒性。Hamza 等［19］發現，無論是低劑量還是高劑量的MSG 均能在一定程度上造成雄性小鼠睪丸組織的損傷，而服用納米硒能顯著提高小鼠體內CAT、SOD 和GPx 等抗氧化酶的活性，降低睪丸組織的脂質過氧化水平，從而較好地改善和保護MSG 所誘導的雄性小鼠睪丸組織損傷。

溴氰菊酯（deltamethrin，DLM）是一類應用廣泛的殺蟲劑，但其在體內代謝會產生過量的ROS，對雄性小鼠生殖功能和精子的生成具有損害作用。服用0.5 mg/kg 的納米硒可以提高小鼠GPx 等內源性抗氧化酶的活性，對DLM 誘導雄性小鼠的生殖毒性具有一定的保護潛力，這為提高男性的生殖能力提供了一種新的可能策略［21］。

納米硒可以通過增強雄性動物睪丸組織的抗氧化能力，顯著改善和預防因過量有毒化學物質在睪丸的蓄積而引起的氧化損傷，且毒性較低。

3.2 在消化系統疾病中的臨床應用 氧化應激是引起消化系統損傷的重要原因之一。肝臟的氧化應激會引起ROS 的大量產生，導致肝細胞膜和基本細胞器的損傷，進而造成DNA 損傷，并通過細胞凋亡和壞死等途徑引起肝細胞死亡［26］。作為人體主要的代謝器官，肝臟可將吸收的納米硒代謝為有生物活性的有機形式，參與體內各種活性酶包括抗氧化酶系的生物合成［27］。因此，肝臟同樣是納米硒發揮抗氧化作用的重要靶標。

LESNICHAYA 等［27］報道，當給予肝損傷大鼠高劑量的由多糖硫酸酯κ-carrageenan（κCG）穩定的納米硒時，能降低其血液中脂質過氧化產物的濃度，使肝酶水平正常化；當給予健康大鼠相同劑量時雖引起一定程度的脂質過氧化和泌尿系統的損傷，但未觀察到死亡現象。證實納米硒具有一定的肝損傷保護潛力，且生物相容性和安全性較高。

通過快速超濾法制備得到的納米硒具有較好地清除DPPH、超氧陰離子和羥基自由基等的能力，并可通過延緩脂質過氧化，促進SOD、GPx、CAT 的活性以及改善硒保留等途徑，保護小鼠免受concanavalin A誘導的自身免疫性肝炎［6］。

丙烯酰胺（acrylamide，ACR）容易在肝臟過量蓄積，引起肝毒性。HAMZA 等［26］采用納米硒和維生素C 兩大抗氧化劑的聯合治療策略，通過協同作用顯著增強了雄性小鼠肝臟組織SOD、CAT、GR 等的表達水平，減少了肝臟組織脂質過氧化水平，對減輕ACR所誘導的肝毒性具有更為顯著的效果。

納米硒能夠降低肝臟組織脂質過氧化水平，減輕氧化應激所誘導的肝損傷；而納米硒和其他抗氧化劑的聯合應用能增強保護效果。因此，納米硒作為改善肝臟損傷的營養保護劑值得進一步發展和探索。

3.3 在神經系統疾病中的臨床應用 大腦神經細胞由于存在氧氣的消耗量高、易氧化底物含量高、抗氧化酶含量低、膜表面積與細胞質體積比值高等特點，容易受到ROS 引起的氧化損傷［28］。元素硒除了是大腦抗氧化防御系統的重要組成部分以外，還可以通過調節Ca2+通道、線粒體功能障礙等方式，改善大腦的氧化應激［29］。納米硒通過多靶點作用，能夠有效減輕大腦的氧化應激狀態，延緩神經系統疾病的進一步病變和發展。

阿爾茲海默病（Alzheimer's disease，AD）作為一種復雜的進行性腦神經退行性疾病，氧化應激在其發病機制中起關鍵作用［29］。GAO 等［29］巧妙地將具有神經保護作用的硫酸軟骨素和納米硒相結合，制備了穩定的多靶點硒-軟骨素納米粒子（CS@Se）。該粒子一方面通過降低ROS 和MDA 水平，提高GPx表達水平，減少氧化應激引起的損傷；另一方面抑制了淀粉樣-β 蛋白的聚集，減弱tao 蛋白的過度磷酸化，延緩了AD 的發展，為AD 的治療提供了一種新的方法。

癲癇是一種特征為反復發作或無端發作的慢性神經退行性疾病。隨著癲癇的發作，腦組織中會產生ROS 以及內源性抗氧化劑的失活。提前口服補充0.5 mg/kg 的納米硒，可通過上調轉錄因子Nrf2和血紅素加氧酶-1（HO-1）的表達，來減輕氧化應激，并同時抑制炎癥反應和凋亡級聯反應，延緩戊四唑注射后小鼠強直、肌肉痙攣和全面性癲癇發作的持續時間［1］。

缺血性腦卒中也是威脅人類健康的一類神經系統疾病。Amani等人設計了針對大腦毛細血管內皮細胞的單克隆抗體（OX26）-聚乙二醇化的納米硒顆粒（OX26-PEG-SeNPs），在體內具有靶向缺血性腦卒中的能力［28］。

3.4 在糖尿病中的臨床應用 糖尿病患者體內的持續高糖水平可導致機體氧化應激水平升高，而氧化應激直接參與糖尿病的發病機制及其并發癥的發生［30］。對2 型糖尿病大鼠給予連續口服由聚乙烯基吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone，PVP）修飾的硒納米顆粒（PVP-SeNPs）0.5 mg/mL 一周，可緩解大鼠體內氧化損傷程度，提高調節糖異生和糖酵解過程中關鍵酶活性，提高胰腺和血漿胰島素水平，有效地降低血糖，使受損的胰腺組織恢復［30］。

納米硒具有一定的氧化應激改善能力，與降血糖藥物的聯合應用后能在有效降低血糖的同時，抑制氧化應激所致的組織損傷。Ebokaiwe 等［31］用納米硒和二甲雙胍聯合治療糖尿病小鼠的氧化性腦損傷和行為障礙，治療后大鼠血糖水平降低，胰島素分泌和胰島β 細胞功能增強，抗氧化應激的關鍵核轉錄因子Nrf2的表達升高，細胞凋亡得到抑制。

由于對糖尿病和氧化損傷的雙重治療作用，納米硒有望用于糖尿病的治療和預防。同時納米硒與降血糖藥物的聯用能顯著增強對糖尿病及其并發癥的治療效果。

綜上所述，大量制備納米硒的方法已被開發，包括化學、物理和生物方法。但多數制備方法只適用于實驗室小批量生產，且環境污染是一個值得關注的問題。摸索大批量綠色合成納米硒的最佳工藝將成為未來研究納米硒的一大重要方向。另外，對于納米硒，修飾劑占據不可或缺的角色，如何選擇和改進更為合理的修飾劑來進一步提高納米硒的生物活性和靶向性也是今后可以繼續深入的研究方向。

納米硒主要通過直接清除活性氧簇、增強酶促抗氧化系統抗氧化能力及抑制細胞凋亡等機制發揮抗氧化作用。目前多數關于納米硒抗氧化機制的研究集中在細胞凋亡，而對其他細胞死亡機制探究的相關文獻報道卻很少。由于其優異的抗氧化性能，納米硒無論是作為單獨或提前使用的補充劑，還是與其他藥物進行聯合應用，在各種氧化應激所致的組織、器官損傷以及一些相關疾病中均發揮較好的治療和預防效果，但仍存在如應用的范圍不夠大、納米硒與抗氧化劑等藥物的聯合應用不夠深入等問題。