硒在地方病中的防治作用及其分子机制研究进展

熊咏民, 杨晓莉, 张荣强, 李宝荣, 陈静宏, 代晓霞, 陈 群, 谭武红, 张 峰

西安交通大学医学部公共卫生学院地方病研究所, 国家卫计委微量元素与地方病重点实验室, 西安 710061

硒在地方病中的防治作用及其分子机制研究进展

熊咏民, 杨晓莉, 张荣强, 李宝荣, 陈静宏, 代晓霞, 陈 群, 谭武红, 张 峰

西安交通大学医学部公共卫生学院地方病研究所, 国家卫计委微量元素与地方病重点实验室, 西安 710061

大骨节病、克山病、地方性氟中毒和地方性砷中毒是我国的主要地方病，其病因、发病机制均与宏量元素和微量元素的缺乏、中毒与失衡有关。低硒是大骨节病和克山病的重要环境因素，补硒对其具有一定防治效果。综述了微量元素硒与大骨节病和克山病之间的关系，以及硒元素在大骨节病、克山病、氟中毒和硒中毒中的作用机制方面的研究进展，旨在进一步探索微量元素硒的生物学潜能及其分子机制，更好地造福于人类。

硒；地方病；细胞凋亡；信号转导；氧化应激

大骨节病(Kashin-beck disease,KBD)、克山病(Keshan disease,KSD)、地方性氟中毒(endemic fluorosis)和地方性砷中毒(endemic arsenicosis)是我国的主要地方病，其病因、发病机制与防治均涉及宏量元素和微量元素的缺乏、中毒与失衡，近年来防治工作成效显著，地方病总体得到了控制，但距离消除地方病危害目标仍有较大差距，地方病仍是严重危害我国人口健康的公共卫生问题之一。流行病学调查提示低硒是大骨节病、克山病等地方病重要的环境危险因素之一，研究表明硒具有抗氧化功能以及拮抗毒素、氟和砷的毒性，在地方病防治中发挥了重要作用。本文将对微量元素硒与地方病关系的相关研究进展进行综述，旨在进一步探索微量元素硒的生物学潜能及其分子机制，更好地造福于人类。

1 微量元素硒与大骨节病

大骨节病是一种地方性、慢性、退行性骨关节疾病，主要发生在儿童及青少年，以四肢关节软骨和骺(板)软骨变性、坏死、增生、修复为主要病理改变。目前研究认为硒缺乏和T-2毒素污染是大骨节病的主要环境危险因素，随着对硒与大骨节病关系研究的不断拓展和深入，将进一步揭示硒在大骨节病发病中的作用。

1.1低硒与大骨节病的关系研究

硒是人和动物生命过程中的必需微营养素。早在20世纪70年代末80年代初的大骨节病科学考察中，地方病学者们对大骨节病病区的生态环境、食物链和人群体内硒状态进行了大量研究。莫东旭等[1]调查结果证实大骨节病病区内、外环境硒含量低，病区与低硒地带分布大体上一致；病区人群血液、尿液和头发中硒含量均低于非病区人群；低硒饲料饲养动物能复制出低硒人群的一些表现，从而揭示了硒缺乏是大骨节病发病的重要环境因素之一。近年来随着在病区采取多种补硒措施，病区人体硒含量有所提高，但多项研究显示病区人群硒含量仍低于正常对照人群。

1.2硒防治大骨节病的效果

应用硒盐、亚硒酸钠片剂以及小麦扬花期喷洒亚硒酸钠等方法，在陕西大骨节病区取得了显著效果，并在全国大部分病区推广。研究结果表明补硒对大骨节病早期病例具有较好疗效，硒对干骺端损害具有较好的修复作用，但对骨端作用不明显[2]。

1.3硒对真菌毒素的拮抗作用

粮食真菌毒素污染是大骨节病发生的另一重要环境危险因素，T-2毒素是镰刀菌在生长过程中产生的有毒代谢产物，其可影响软骨细胞中基因、蛋白等的表达从而在大骨节病软骨损伤机制中发挥作用。为了研究硒是否具有拮抗T-2毒素的作用，本团队与中国农业大学和军事医学科学院合作，采用中国农业大学培育的小型猪进行实验，结果表明T-2毒素能致中国小型猪关节软骨深层发生类似人类大骨节病的关节软骨损害，并引起软骨基质胶原和蛋白聚糖含量降低，补硒可减轻T-2毒素引起的关节软骨损伤病变的严重程度，改善软骨基质生化代谢[3]。

另一项低硒和T-2毒素联合作用的SD大鼠实验发现，低硒条件下T-2毒素中毒大鼠关节软骨深层出现片状坏死和细胞凋亡，补硒可以改善这些病理改变。研究还表明低硒条件下T-2毒素中毒引起大鼠关节软骨过氧化产物标志物升高。低硒与T-2毒素中毒的大鼠软骨破坏及其软骨细胞死亡与氧化损伤有关[4]。

采用软骨细胞体外培养观察脱氧雪腐镰刀菌烯醇、T-2毒素和雪腐镰刀菌烯醇对幼兔关节软骨细胞的影响，发现3种真菌毒素对软骨细胞的细胞膜、核膜及细胞器具有损害作用，硒可部分改善这些变化[5,6]。

1.4硒蛋白在大骨节病中的作用机制

哺乳动物中发现的硒蛋白主要有25种，是硒在体内发挥生物学功能的主要形式。一项病例对照研究显示，硒蛋白S基因SEPP1-105G>A变异与大骨节病发病风险相关，AA基因型是大骨节病发病的独立危险因素，可使大骨节病的发病风险增加6.341～10.290倍[7]；谷胱甘肽过氧化物酶1(GPX1)基因GPX1Pro198Leu和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)基因GPX4单体型A-T在大骨节病病人组和正常对照组中均具有统计学差异，与大骨节病发病风险增加存在关联性[8]；这些结果提示硒蛋白基因多态性与低硒环境下大骨节病易感性密切相关。

研究发现大骨节病患者机体内的硒蛋白基因GPX1、GPX4和硒蛋白15(SEP15)转录水平均低于正常对照组，表现为抗氧化酶的活性降低，从而导致抗氧化能力减弱[8,9]。

1.5硒的抗氧化作用机制研究

氧化应激是大骨节病软骨损伤的重要机制之一，硒作为一种抗氧化剂对软骨损伤是否具有保护作用值得进一步探索。

1.5.1大骨节病硒蛋白基因多态性与信号通路的关系 研究发现大骨节病患者体内P53、NF-κB、PI3K/Akt和JNK等信号通路较对照上调[7,10,11]。为进一步探索硒蛋白基因变异与信号通路表达异常的关系，通过基因亚组分析对硒蛋白基因变异的生物学功能进行了研究，发现携带SEPS1AA和GA基因型的受试者Gβγ、pAkt和pGSK3β蛋白表达水平高于GG基因型的蛋白表达水平，提示大骨节病患者SEPS1-105G>A基因型变异可影响PI3K/Akt信号通路蛋白表达水平，表明硒蛋白基因变异可能通过介导PI3K/Akt等信号通路在大骨节病发病过程中发挥作用[7]。

1.5.2硒的抗软骨细胞凋亡作用 大骨节病的主要病理特征之一是软骨细胞凋亡和坏死，氧化损伤是否参与其中值得探索。采用叔丁基过氧化氢(tBHP)成功地建立了人C28/I2软骨细胞氧化损伤模型，研究微量元素硒的软骨保护机制。实验分为正常对照组、单纯补硒组、tBHP损伤组、低硒预保护组、中硒预保护组和高硒预保护组。结果显示tBHP损伤组较正常对照组细胞内ROS水平升高，证实tBHP可诱导人C28/I2软骨细胞氧化损伤，0.10～0.15 μg/mL的Na2SeO3预保护可以抑制由tBHP损伤引起的软骨细胞内ROS升高，减弱氧化应激中自由基对细胞的毒害作用。

1.5.3硒对信号通路的作用 利用软骨细胞氧化损伤模型检测硒对信号通路的影响，在tBHP诱导的软骨细胞中，细胞凋亡增加，JNK信号通路表达上调，Na2SeO3可下调JNK通路表达，从而使细胞免受tBHP诱导的氧化应激损伤和细胞凋亡[11]。另一实验发现tBHP诱导组中，PI3K/Akt信号通路表达上调；而Na2SeO3预保护组中PI3K/Akt表达水平明显降低。上述研究结果证实氧化应激可能通过上调PI3K/Akt、JNK通路介导软骨细胞凋亡，其类似于大骨节病患者体内的改变，Na2SeO3可通过下调PI3K/Akt、JNK通路发挥抗软骨细胞凋亡的作用。

2 微量元素硒与克山病

克山病是一种以心肌病变为主的地方性心肌病，死亡率较高，至今病因未明。截至2015年底，克山病分布在我国16个省、市、自治区，328个县，现症病人37 425人，受威胁人口1.29亿人[12]。长期以来，有关硒与克山病关系研究倍受关注。

2.1低硒与克山病的关系

以往的流行病学调查发现，克山病病区多处于低硒地带，粮食和水中硒含量较低，病区人群中发硒、血硒及心肌硒含量低于非病区。1978年原西安医科大学克山病研究室王世臣教授的“大剂量维生素C及硒静脉注射治疗急重型克山病研究”将克山病患者死亡率从80%降到12%以下，证实硒对克山病具有良好的防治效果。近年来对新发潜在型克山病的随访调查发现低硒是潜在型克山病发展为慢型克山病的危险因素之一[13]。尽管硒防治克山病的效果已被证实，但硒在克山病发病机理中的确切生物学功能尚不清楚。

2.2克山病中硒相关分子流行病学研究

应用流行病学、细胞生物学和分子生物学技术研究克山病分子发病机制，筛选出慢型克山病心肌损伤相关的34个差异表达基因和40条通路。研究发现AMPK通路与克山病病情进展有关，低硒能激活AMPK通路分子p-AMPKα蛋白表达并诱导PGC1α表达，提示低硒条件下心肌细胞线粒体功能异常与克山病心肌损伤相关[14]。

另有研究发现硒蛋白基因GPX1变异与克山病的关系密切，GPX1Pro198Leu与硒缺乏相关，二者之间存在协同交互作用，在应用GPX1Pro198Leu载体的研究中，发现硒缺乏与GPX1酶活性降低相关，从而增加克山病发病风险[15]。

3 硒与氟中毒和砷中毒

针对陕西省燃煤型氟、砷中毒严重危害病区人群健康的主要科学问题，通过病区人群流行病学和实验动物相结合的方法，对硒在氟、砷中毒发病机制中的作用进行了研究。

3.1硒与氟中毒

地方性氟中毒是由于一定地区的环境中氟元素过多，导致生活在该环境中的居民经饮水、食物和空气等途径长期摄入过量氟所引起的一种慢性全身性疾病。地方性氟中毒是我国流行最为广泛、病情最为严重的重要地方病之一。

氧化应激在地方性氟中毒发病中的作用一直是该研究领域的热点之一。大量研究表明适量硒在氟中毒防治中具有重要作用。一项研究根据病区血清氟、尿氟及发硒含量将受试者分为高氟+高硒组、高氟组、高硒对照组和正常对照组。实验检测了各组抗氧化物酶活性、热休克蛋白(HSP 70)的mRNA和蛋白表达以及p38信号通路表达水平。结果表明过量氟可导致机体抗氧化能力下降，处于氧化应激状态，p38 MAPK信号通路上调，HSP 70表达下降；硒可增加HSP 70表达，抑制p38 MAPK信号通路，从而减少细胞凋亡[16,17]。

另有研究表明氟中毒女性的雌激素水平低于正常对照组，硒可通过增加雌激素水平来拮抗氟化物毒性从而发挥保护效应[18]。

3.2硒与砷中毒

地方性砷中毒简称地砷病，是一种生物地球化学性疾病，是居住在特定地理环境条件下的居民，通过长期食物、饮水或空气摄入过量的无机砷而引起的全身性慢性中毒。目前已成为我国人群健康和公共卫生中的一个严重问题[19]。

薜晚利[21]和Xu等[22]应用流行病学调查探明了陕南地区居民燃用污染的石煤可致燃煤型砷中毒，单因素与多因素回归分析筛选出接触高砷煤年限、血砷、尿砷和发砷负荷、年龄和居住年限6种主要危险因素。研究发现无机砷暴露与氧化应激相关，硒可通过抗氧化作用拮抗砷的毒性。NF-κB信号通路参与了三氧化二砷(As2O3)诱导的H9C2心肌细胞氧化应激反应，Na2SeO3可能通过抑制NF-κB减轻氧化应激诱导的H9C2细胞损伤。

另有研究显示硒对大鼠肝脏慢性砷中毒氧化损伤具有保护作用。与对照组和Na2SeO3组相比，砷中毒组中MDA含量降低，抗氧化酶活性降低，HSP70和HO-1表达升高；Na2SeO3干预后大鼠肝脏抗氧化酶活性升高，SOD1、CAT、GPX和Txnrd1 mRNA水平增加，HSP70和HO-1表达降低。提示长期摄取亚砷酸钠(NaAsO2)会引起大鼠肝脏氧化损伤，Na2SeO3可通过调节氧化应激相关基因的表达，提高抗氧化酶的活性从而保护肝细胞[22]。

4 展望

综上所述，低硒是大骨节病和克山病的重要环境因素，补硒对大骨节病和克山病具有一定防治效果；硒蛋白基因变异与大骨节病和克山病发病风险相关，可导致患者体内信号通路表达异常，导致细胞凋亡；硒可通过调节信号通路表达发挥抗细胞凋亡作用，同时硒具有拮抗氟、砷毒性的生物学效应。随着分子流行病学、分子生物学以及生物信息学等学科的发展，从遗传学与表观遗传学角度认识硒的生物学作用将为深入研究地方病病因、发病机制及微营养素与人群健康提供新的思路。然而，值得注意的是硒的安全摄入量范围较窄，长期摄入高水平硒可导致硒中毒，因此，必须强调科学补硒。

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微量元素硒与地方病关系研究团队介绍

西安交通大学地方病研究所成立于1996年，1990年被批准为卫生部微量元素与地方病重点实验室，在长期的地方病防治实践中王世臣教授、莫东旭教授等主持的“硒与克山病”、“硒与大骨节病”研究分别获得了国际生物无机化学家协会“Klaus Schwaz奖”以及全国科学大会奖。多年来熊咏民教授致力于微量元素与地方病关系研究，其负责的科研团队骨干包括陈静宏教授、张峰教授、代晓霞副教授、陈群副教授、谭武红副教授和马天有博士等。研究方向主要为环境化学元素失衡与地方病关系、地方病靶组织损伤的分子机制、微量元素动态变化与地方病发病趋势的关系和生物组学等研究。该团队近年来承担了“政府间国际科技创新合作”重点专项1项、国家自然科学基金面上项目9项、省部级项目15项；获陕西省科学技术奖一等奖1项，陕西省科学技术奖二等奖1项，陕西省高等学校科学技术奖一等奖2项，西安市科技进步三等奖1项；发表学术论文一百余篇，其中SCI收录三十余篇；参与国家地方病标准的复审和修订。团队的研究成果被国际一流学术期刊引用，并被Science杂志专题报道。

TheEffectofSeleniumonEndemicDiseasesanditsMolecularMechanism

XIONG Yongmin, YANG Xiaoli, ZHANG Rongqiang, LI Baorong, CHEN Jinghong, DAI Xiaoxia, CHEN Qun, TAN Wuhong, ZHANG Feng

KeyLaboratoryofTraceElementsandEndemicDiseasesofNationalHealthandFamilyPlanningCommission,InstituteofEndemicDiseases,SchoolofPublicHealth,Xi’anJiaotongUniversityHealthScienceCenter,Xi’an710061,China

The main endemic diseases in our country include Kashin-beck disease, Keshan disease, endemic fluorosis and arseniasis. Their etiology and pathogenesis refer to the deficiency, toxicity and imbalance of macroelement and microelement. The selenium (Se) deficiency is the important environmental factor for Kashin-beck disease and Keshan disease, and Se supplement has good effects of prevention and treatment on Kashin-beck disease and Keshan disease. This article summarized the progress on relationship between Se and Kashin-beck disease and Keshan disease, and the action mechanism of Se in Kashin-beck disease, Keshan disease, endemic fluorosis and arseniasis. The paper was aimed to explore the potential biological functions and molecular mechanisms of Se, which was expected to bring benefits to mankind preferably.

selenium; endemic diseases; cell apotosis; signal transduction; oxidative stress

2017-06-21;接受日期2017-07-13

国家自然科学基金项目(81573104；81172610；81673117；81673115)资助。

熊咏民，教授，主要从事微量元素与地方病关系研究。E-mail：xiongym@mail.xjtu.edu.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0064