微量元素硒在骨关节炎中的研究进展

朱义芳 黄玉霞 梁翼 王磊 李敏 郭莉 陈露

骨关节炎 ( osteoarthritis，OA ) 是最常见的退行性疾病关节疾病，是老年人慢性疼痛和残疾的主要原因。据估计，全世界有大约 2.4 亿人患有症状性 OA，其中 60 岁以上老年男性和女性的患病率分别为 10% 和 18%。随着人口老龄化的加剧，其患病率呈现明显的上升趋势。OA是一类高度异质性的疾病，其病因和发病机制尚未揭示清楚，可能是多方面的因素共同作用的结果，目前研究发现OA 的发生与性别、年龄、肥胖、种族、环境、饮食、关节内的局部因素、关节负荷等多种因素有关。微量元素在构成人体的基本元素中只占人体总重量 1 / 10 000 以下，但却影响着人体生长发育、代谢调节、物质合成与分解。硒 ( selenium，Se ) 是人体必需的微量元素，通常通过食物从饮食中摄取或其它方式补充，硒对人体健康有显著的益处，其起主要生理作用的代谢系统甲状腺激素代谢，免疫和抗氧化防御。近年研究显示，硒具有促进软骨前体细胞分化、抑制软骨细胞和软骨基质降解、抗氧化和 DNA 损伤修复的功能，因而与 OA 的发生发展的诸多方面密切相关。笔者就微量元素硒与 OA 的研究进展作一综述。

一、硒代谢

人体不能自行合成硒元素，只能通过摄入来补充。因此，人体内的硒几乎全部来源于膳食中的各种食物，而食物中硒含量的多寡主要由产地土壤中的硒浓度决定。硒主要在小肠吸收，随后进入血液被红细胞摄取，谷胱甘肽还原酶将硒还原为硒化氢，与血浆蛋白结合形成硒蛋白，在体内发挥生物学功能。目前为止，人类基因组中发现了 25 个硒蛋白，小鼠基因组中发现了 24 个。硒蛋白根据其在细胞内发挥的功能可分为几大类：( 1 ) 参与抗氧化：谷胱甘肽过氧化物酶 1 ( glutathione per-oxidases 1，GPX1 )，谷胱甘肽过氧化物酶 2 ( glutathione per-oxidases 2，GPX2 )，谷胱甘肽过氧化物酶 3 ( glutathione peroxidases 3，GPX3 )，谷胱甘肽过氧化物酶 4 ( glutathione per-oxidases 4，GPX4 )；( 2 ) 氧化还原调节：硫氧还蛋白还原酶 1 ( thioredoxin reductase 1，TXNRD1 )，硫氧还蛋白还原酶 2 ( thioredoxin reductase 2，TXNRD2 )，硫氧还蛋白还原酶 3 ( thioredoxin reductase 3，TXNRD3 )，甲硫氨酸亚砜还原酶 B1 ( methionine sulfoxide reductase B1，MSRB1 )，硒蛋白 H ( Selenoprotein H，SELENOH )，硒蛋白 M( selenoprotein M，SELENOM )，硒蛋白 W ( selenoprotein W，SELENOW ) ]；( 3 ) 参与甲状腺激素代谢：脱碘酶 1( deiodinase 1，DIO1 )，脱碘酶 2 ( deiodinase 2，DIO2 )，脱碘酶 3 ( deiodinase 3，DIO3 )；( 4 ) 参与硒转运和储存：硒蛋白 P ( selenoprotein P，SELENOP )；( 5 ) 硒磷酸盐合成：硒磷酸合成酶 1 ( selenophosphate synthetase 2，SEPHS2 )、钙代谢[硒蛋白 K ( selenoprotein K，SELENOK )，硒蛋白 T( selenoprotein T，SELENOT )；( 6 ) 肌细胞生成：硒蛋白N ( selenoprotein N，SELENON )；( 7 ) 蛋白折叠：硒蛋白 F( Selenoprotein F，SELENOF )，硒蛋白 I ( Selenoprotein I，SELENOI )，硒蛋白 S ( selenoprotein S，SELENOS )；( 8 )蛋白修饰[硒蛋白 O ( selenoprotein O，SELENOO )。硒是 GPX 的重要组成部分，研究发现，GPX1-4 可分解代谢各种过氧化物，保护细胞抵抗氧化损伤。TXNRD利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 ( nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH ) 作为电子供体，将氧化型硫氧还蛋白 ( thioredoxin，TXN ) 还原为二硫醇，最终参与调节各种细胞的增殖和凋亡。几种硒蛋白的表达水平均会受硒吸收程度的影响，细胞实验发现，硒缺乏可使硒蛋白 GPX1、DIO、SELENOI 和 SELENOW 的转录减少，其中 GPX1 和 SELENOW 对硒缺乏更敏感，而补充硒后恢复更快。

二、硒代谢与 OA

越来越多的证据显示硒与 OA 的发生、症状和疾病严重程度相关。有学者发现 OA 组患者血清中的硒含量显著低于正常对照组。一项基于人群的队列研究结果表明，低硒水平还与 OA 相关性疼痛和疾病严重程度有联系。相应地可以检测到 OA 患者硒蛋白 GPX1、GPX3、GPX4等表达下调。OA 的主要特征是软骨特异性细胞外基质丢失，关节软骨退行性变，软骨下骨硬化，骨赘形成和滑膜炎症。研究发现，硒参与了软骨前体细胞分化、软骨细胞分解和软骨基质降解，具有抗氧化和维持氧化还原稳态的作用，还与 DNA 损伤修复有关。

1. 硒参与软骨前体细胞分化：多种因素参与了 OA 的发展，其中软骨细胞分化至后期引起的软骨细胞新陈代谢异常以及软骨细胞凋亡是发病的重要因素。因此，软骨分化的调控在延缓 OA 的发展中起到了至关重要的作用。研究发现，硒在促进软骨前体细胞增殖和分化方面起着有利作用。ATDC5 软骨前体细胞的培养基中加入硒可诱导细胞周期蛋白 D1 在 mRNA 和蛋白水平均表达上调，加速 G1 期细胞的细胞周期进程，同时还可增加细胞内三磷酸腺苷 ( adenosine triphosphate，ATP ) 的含量，降低胞内氧自由基的浓度。采用 shRNA 敲降 SELENOO 其mRNA 和蛋白表达水平可显著抑制致软骨基因 SRY 基因盒 9 ( SRY- box 9，SOX9 )、Ⅱ 型胶原 ( type Ⅱ collagen，COLⅡ ) 和蛋白聚糖 aggrecan 的表达并降低碱性磷酸酶的活性，最终软骨细胞分化。敲减 GPX1 可调节细胞内谷胱甘肽 ( glutathione，GSH ) 与氧化型谷胱甘肽 ( glutathione disulfide，GSSG ) 的比例，削弱 ATDC5 细胞向软骨细胞分化的能力，提示 GPX1 敲降诱导破坏软骨生成可能是硒缺乏引起的骨关节病的发病原因。与上述体外实验结果一致，硒摄入不足同样会严重影响小鼠间充质细胞的成软骨分化，造成软骨内成骨。因此，以上研究表明，硒缺乏可破坏软骨前体细胞增殖，抑制前体细胞向软骨细胞分化，补硒治疗可逆转这一过程，这些研究为补硒治疗 OA提供了理论依据。

2. 硒参与软骨细胞分解和软骨基质降解：关节软骨由软骨细胞和软骨基质组成。软骨细胞分解和软骨基质的丢失是 OA 的疾病特征之一。研究发现，硒缺乏可促使软骨细胞分解代谢增加并破坏软骨基质的平衡。硒敏感分子蛋白精氨酸甲基转移酶 5 ( Protein arginine methyltransferase 5，PRMT5 ) 可增加 SOX9 蛋白的半衰期，而 SOX9 是维持软骨基质稳态所需的主调控因子，可以调控 COLⅡ 表达水平并维持关节软骨细胞外基质的稳态。低硒状态下，对硒敏感的 PRMT5 分子表达下调，降低了 SOX9 的稳定性，造成其下游分子 COLⅡ 表达下调和软骨基质减少。细胞实验发现，细胞内硒吸收增加可上调锌转运体 8 ( zinc transporter，ZIP8 )，活化金属调控转录因子-1 ( metal-responsive transcription factor 1，MTF1 )，MTF1 反过来调控软骨细胞内的基质金属蛋白酶 ( matrix Metalloproteinases，MMPs ) 的表达，而 MMPs 能够降解软骨细胞和软骨基质。另一项研究发现，喂养低硒饮食的大鼠磺基转移酶活性降低，软骨基质中吸收机械应力的硫酸糖胺聚糖含量降低。相反地，通过给 STR / 1N 小鼠补充硒可增加 GPXs 的表达，从而缓解关节软骨的自发性退变。

3. 硒与抗氧化：硒对于软骨的保护作用主要归功于它的抗氧化功能。以前的观点认为年龄相关性衰老是 OA 形成的主要原因，现在更多的研究支持氧化应激是 OA 发生发展更为重要的成因。研究发现，活性氧( reactive oxygen species，ROS ) 包括自由基，过氧化物和超氧化物阴离子可显著影响软骨前体细胞和软骨细胞的代谢和存活。适量的活性氧可维持基础细胞活动如软骨细胞增殖和软骨基质重塑，但过量活性氧的堆积可引起氧化应激导致有害事件，如细胞衰老、去分化、凋亡。氧化应激还可上调基质降解酶引起软骨基质降解。硒的抗氧化作用主要是通过 GPXs 和 TXNRDs 等硒蛋白来发挥中和 ROS 的作用。用添加低浓度硒 ( 5～10 μm亚硒酸盐 ) 的培养基培养骨髓基质细胞可使细胞内硒蛋白GPXs 和 TXNRDs 的表达减少，细胞内出现 ROS 积累并导致微核 ( 染色体损伤的标志 ) 的产生。而在补充足够的硒 ( 100 μm 亚硒酸盐 ) 后细胞内硒蛋白 GPXs 和 TXNRDs的表达量和活性恢复正常，能发挥抗氧化活性，减少细胞内 ROS 含量和微核的产生。动物实验发现，硒缺乏饮食组小鼠与正常饮食组相比 GPX1 表达和活性明显降低，导致骨小梁数量减少，骨吸收增加，影响骨与软骨的形成。大鼠暴露于含 T-2 毒素的缺硒饮食后，其血清和软骨中脂质过氧化水平升高，抗氧化 GPX 活性降低，软骨破坏增加。有学者用缺硒饮食喂养小鸡发现可以诱导 miR-138-5p 的表达，进而抑制具有抗氧化功能的硒蛋白 SELENOM 的表达，导致软骨细胞线粒体功能障碍和凋亡。动物实验同样发现，补硒可缓解氧化应激对软骨的破坏作用。因此，硒的抗氧化特性可抵抗氧化应激诱导的软骨损伤，在 OA 治疗上具有极大潜力。

4. 硒参与 DNA 损伤修复：推动 OA 发生、发展的又一方面重要的因素是 DNA 损伤途径。多项研究证实 OA软骨细胞的 DNA 损伤明显多于非 OA 软骨。究其原因，是因为慢性 DNA 损伤可诱导软骨细胞凋亡或细胞衰老的启动。研究发现，在暴露于各种 DNA 损伤环境( 如紫外线辐射或肿瘤 ) 下，微量元素硒可通过减少 DNA损伤，增加 DNA 修复能力逆转这一过程，鉴于硒的DNA 损伤修复功能或可为 OA 患者带来福音。硒可通过诱导 DNA 损伤细胞在紫外线照射下形成修复复合体，降低 DNA 损伤的程度并增强 DNA 修复能力。肿瘤细胞添加一定浓度的亚硒酸盐后，硒蛋白 GPX1 和 TXNRD1 的酶活性水平升高，可有效的保护紫外线或 HO诱导的氧化应激引起的 DNA 链断裂。在肿瘤细胞中加入硒可提高抑癌基因 p53 以及具有 DNA 损伤修复功能的 REF1 蛋白的水平，并诱导它们与抑癌基因 BRCA1 的相互作用，导致 DNA 修复通路的激活。在某种程度上，硒对 DNA 损伤的修复作用可能与硒蛋白 ( 如 GPXs 和 TXNRDs ) 的抗氧化作用有关，推测这些蛋白可在造成 DNA 损伤之前清除ROS。

三、结语

作为人体必需的微量元素，硒具有促进软骨前体细胞分化、抑制软骨细胞和软骨基质降解、抗氧化和 DNA 损伤修复的功能，这些研究进展为探索 OA 的病因与发病机制以及疾病的防治提供了新的思路。但硒用于疾病治疗尚有部分问题有待解决。首先，由于土壤中含硒量的不同，导致不同地区人群体内硒含量差异很大。因而世界各国推荐的硒摄入量尚无统一标准。美国环境保护局根据中国的 400 例流行病学调查，将硒的每日推荐摄入量定为0.005 mg / ( kg·d )，中国营养学会发布的硒需求量为 50～250 μg / 天。这些标准是否适用于中国所有地区还有待商榷。其次，尽管研究提示硒对治疗 OA 的整体作用是有益的，但事实上硒的安全剂量范围很窄，过量摄入硒反而会导致氧化损伤，引起硒中毒甚至致病风险。美国环境保护局制订的硒的最高耐受量为 0. 85 mg / 天，最低中毒剂量为 1.26 mg / 天，这两者的剂量差距以及与需求量的差距均很小。摄入过量的硒会引发急性或慢性硒中毒，轻度急性中毒表现包括指甲和头发脱落、恶心、呕吐、疲劳、腹泻腹痛，重者表现为支气管炎、高热、直立性低血压、肝肿大、虚脱、呼吸衰竭等，慢性中毒表现为胃肠功能紊乱、神经系统异常等症状。此外，如何补充硒以及监测的频率也是同样须考量的问题，摄入不同硒源和不同个体之间硒代谢吸收是否存在差异尚未明确。因此，硒蛋白虽可被考虑到关节病的治疗与预防，但仍需进一步的研究来优化补硒策略。