朱義芳 黃玉霞 梁翼 王磊 李敏 郭莉 陳露

骨關(guān)節(jié)炎 ( osteoarthritis，OA ) 是最常見的退行性疾病關(guān)節(jié)疾病，是老年人慢性疼痛和殘疾的主要原因。據(jù)估計(jì)，全世界有大約 2.4 億人患有癥狀性 OA，其中 60 歲以上老年男性和女性的患病率分別為 10% 和 18%。隨著人口老齡化的加劇，其患病率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。OA是一類高度異質(zhì)性的疾病，其病因和發(fā)病機(jī)制尚未揭示清楚，可能是多方面的因素共同作用的結(jié)果，目前研究發(fā)現(xiàn)OA 的發(fā)生與性別、年齡、肥胖、種族、環(huán)境、飲食、關(guān)節(jié)內(nèi)的局部因素、關(guān)節(jié)負(fù)荷等多種因素有關(guān)。微量元素在構(gòu)成人體的基本元素中只占人體總重量 1 / 10 000 以下，但卻影響著人體生長(zhǎng)發(fā)育、代謝調(diào)節(jié)、物質(zhì)合成與分解。硒 ( selenium，Se ) 是人體必需的微量元素，通常通過食物從飲食中攝取或其它方式補(bǔ)充，硒對(duì)人體健康有顯著的益處，其起主要生理作用的代謝系統(tǒng)甲狀腺激素代謝，免疫和抗氧化防御。近年研究顯示，硒具有促進(jìn)軟骨前體細(xì)胞分化、抑制軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)降解、抗氧化和 DNA 損傷修復(fù)的功能，因而與 OA 的發(fā)生發(fā)展的諸多方面密切相關(guān)。筆者就微量元素硒與 OA 的研究進(jìn)展作一綜述。

一、硒代謝

人體不能自行合成硒元素，只能通過攝入來補(bǔ)充。因此，人體內(nèi)的硒幾乎全部來源于膳食中的各種食物，而食物中硒含量的多寡主要由產(chǎn)地土壤中的硒濃度決定。硒主要在小腸吸收，隨后進(jìn)入血液被紅細(xì)胞攝取，谷胱甘肽還原酶將硒還原為硒化氫，與血漿蛋白結(jié)合形成硒蛋白，在體內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)功能。目前為止，人類基因組中發(fā)現(xiàn)了 25 個(gè)硒蛋白，小鼠基因組中發(fā)現(xiàn)了 24 個(gè)。硒蛋白根據(jù)其在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮的功能可分為幾大類：( 1 ) 參與抗氧化：谷胱甘肽過氧化物酶 1 ( glutathione per-oxidases 1，GPX1 )，谷胱甘肽過氧化物酶 2 ( glutathione per-oxidases 2，GPX2 )，谷胱甘肽過氧化物酶 3 ( glutathione peroxidases 3，GPX3 )，谷胱甘肽過氧化物酶 4 ( glutathione per-oxidases 4，GPX4 )；( 2 ) 氧化還原調(diào)節(jié)：硫氧還蛋白還原酶 1 ( thioredoxin reductase 1，TXNRD1 )，硫氧還蛋白還原酶 2 ( thioredoxin reductase 2，TXNRD2 )，硫氧還蛋白還原酶 3 ( thioredoxin reductase 3，TXNRD3 )，甲硫氨酸亞砜還原酶 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 ) 參與甲狀腺激素代謝：脫碘酶 1( deiodinase 1，DIO1 )，脫碘酶 2 ( deiodinase 2，DIO2 )，脫碘酶 3 ( deiodinase 3，DIO3 )；( 4 ) 參與硒轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存：硒蛋白 P ( selenoprotein P，SELENOP )；( 5 ) 硒磷酸鹽合成：硒磷酸合成酶 1 ( selenophosphate synthetase 2，SEPHS2 )、鈣代謝[硒蛋白 K ( selenoprotein K，SELENOK )，硒蛋白 T( selenoprotein T，SELENOT )；( 6 ) 肌細(xì)胞生成：硒蛋白N ( selenoprotein N，SELENON )；( 7 ) 蛋白折疊：硒蛋白 F( Selenoprotein F，SELENOF )，硒蛋白 I ( Selenoprotein I，SELENOI )，硒蛋白 S ( selenoprotein S，SELENOS )；( 8 )蛋白修飾[硒蛋白 O ( selenoprotein O，SELENOO )。硒是 GPX 的重要組成部分，研究發(fā)現(xiàn)，GPX1-4 可分解代謝各種過氧化物，保護(hù)細(xì)胞抵抗氧化損傷。TXNRD利用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 ( nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH ) 作為電子供體，將氧化型硫氧還蛋白 ( thioredoxin，TXN ) 還原為二硫醇，最終參與調(diào)節(jié)各種細(xì)胞的增殖和凋亡。幾種硒蛋白的表達(dá)水平均會(huì)受硒吸收程度的影響，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硒缺乏可使硒蛋白 GPX1、DIO、SELENOI 和 SELENOW 的轉(zhuǎn)錄減少，其中 GPX1 和 SELENOW 對(duì)硒缺乏更敏感，而補(bǔ)充硒后恢復(fù)更快。

二、硒代謝與 OA

越來越多的證據(jù)顯示硒與 OA 的發(fā)生、癥狀和疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn) OA 組患者血清中的硒含量顯著低于正常對(duì)照組。一項(xiàng)基于人群的隊(duì)列研究結(jié)果表明，低硒水平還與 OA 相關(guān)性疼痛和疾病嚴(yán)重程度有聯(lián)系。相應(yīng)地可以檢測(cè)到 OA 患者硒蛋白 GPX1、GPX3、GPX4等表達(dá)下調(diào)。OA 的主要特征是軟骨特異性細(xì)胞外基質(zhì)丟失，關(guān)節(jié)軟骨退行性變，軟骨下骨硬化，骨贅形成和滑膜炎癥。研究發(fā)現(xiàn)，硒參與了軟骨前體細(xì)胞分化、軟骨細(xì)胞分解和軟骨基質(zhì)降解，具有抗氧化和維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的作用，還與 DNA 損傷修復(fù)有關(guān)。

1. 硒參與軟骨前體細(xì)胞分化：多種因素參與了 OA 的發(fā)展，其中軟骨細(xì)胞分化至后期引起的軟骨細(xì)胞新陳代謝異常以及軟骨細(xì)胞凋亡是發(fā)病的重要因素。因此，軟骨分化的調(diào)控在延緩 OA 的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，硒在促進(jìn)軟骨前體細(xì)胞增殖和分化方面起著有利作用。ATDC5 軟骨前體細(xì)胞的培養(yǎng)基中加入硒可誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白 D1 在 mRNA 和蛋白水平均表達(dá)上調(diào)，加速 G1 期細(xì)胞的細(xì)胞周期進(jìn)程，同時(shí)還可增加細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷 ( adenosine triphosphate，ATP ) 的含量，降低胞內(nèi)氧自由基的濃度。采用 shRNA 敲降 SELENOO 其mRNA 和蛋白表達(dá)水平可顯著抑制致軟骨基因 SRY 基因盒 9 ( SRY- box 9，SOX9 )、Ⅱ 型膠原 ( type Ⅱ collagen，COLⅡ ) 和蛋白聚糖 aggrecan 的表達(dá)并降低堿性磷酸酶的活性，最終軟骨細(xì)胞分化。敲減 GPX1 可調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽 ( glutathione，GSH ) 與氧化型谷胱甘肽 ( glutathione disulfide，GSSG ) 的比例，削弱 ATDC5 細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的能力，提示 GPX1 敲降誘導(dǎo)破壞軟骨生成可能是硒缺乏引起的骨關(guān)節(jié)病的發(fā)病原因。與上述體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，硒攝入不足同樣會(huì)嚴(yán)重影響小鼠間充質(zhì)細(xì)胞的成軟骨分化，造成軟骨內(nèi)成骨。因此，以上研究表明，硒缺乏可破壞軟骨前體細(xì)胞增殖，抑制前體細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化，補(bǔ)硒治療可逆轉(zhuǎn)這一過程，這些研究為補(bǔ)硒治療 OA提供了理論依據(jù)。

2. 硒參與軟骨細(xì)胞分解和軟骨基質(zhì)降解：關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)組成。軟骨細(xì)胞分解和軟骨基質(zhì)的丟失是 OA 的疾病特征之一。研究發(fā)現(xiàn)，硒缺乏可促使軟骨細(xì)胞分解代謝增加并破壞軟骨基質(zhì)的平衡。硒敏感分子蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 5 ( Protein arginine methyltransferase 5，PRMT5 ) 可增加 SOX9 蛋白的半衰期，而 SOX9 是維持軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)所需的主調(diào)控因子，可以調(diào)控 COLⅡ 表達(dá)水平并維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)。低硒狀態(tài)下，對(duì)硒敏感的 PRMT5 分子表達(dá)下調(diào)，降低了 SOX9 的穩(wěn)定性，造成其下游分子 COLⅡ 表達(dá)下調(diào)和軟骨基質(zhì)減少。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)硒吸收增加可上調(diào)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體 8 ( zinc transporter，ZIP8 )，活化金屬調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子-1 ( metal-responsive transcription factor 1，MTF1 )，MTF1 反過來調(diào)控軟骨細(xì)胞內(nèi)的基質(zhì)金屬蛋白酶 ( matrix Metalloproteinases，MMPs ) 的表達(dá)，而 MMPs 能夠降解軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，喂養(yǎng)低硒飲食的大鼠磺基轉(zhuǎn)移酶活性降低，軟骨基質(zhì)中吸收機(jī)械應(yīng)力的硫酸糖胺聚糖含量降低。相反地，通過給 STR / 1N 小鼠補(bǔ)充硒可增加 GPXs 的表達(dá)，從而緩解關(guān)節(jié)軟骨的自發(fā)性退變。

3. 硒與抗氧化：硒對(duì)于軟骨的保護(hù)作用主要?dú)w功于它的抗氧化功能。以前的觀點(diǎn)認(rèn)為年齡相關(guān)性衰老是 OA 形成的主要原因，現(xiàn)在更多的研究支持氧化應(yīng)激是 OA 發(fā)生發(fā)展更為重要的成因。研究發(fā)現(xiàn)，活性氧( reactive oxygen species，ROS ) 包括自由基，過氧化物和超氧化物陰離子可顯著影響軟骨前體細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的代謝和存活。適量的活性氧可維持基礎(chǔ)細(xì)胞活動(dòng)如軟骨細(xì)胞增殖和軟骨基質(zhì)重塑，但過量活性氧的堆積可引起氧化應(yīng)激導(dǎo)致有害事件，如細(xì)胞衰老、去分化、凋亡。氧化應(yīng)激還可上調(diào)基質(zhì)降解酶引起軟骨基質(zhì)降解。硒的抗氧化作用主要是通過 GPXs 和 TXNRDs 等硒蛋白來發(fā)揮中和 ROS 的作用。用添加低濃度硒 ( 5～10 μm亞硒酸鹽 ) 的培養(yǎng)基培養(yǎng)骨髓基質(zhì)細(xì)胞可使細(xì)胞內(nèi)硒蛋白GPXs 和 TXNRDs 的表達(dá)減少，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn) ROS 積累并導(dǎo)致微核 ( 染色體損傷的標(biāo)志 ) 的產(chǎn)生。而在補(bǔ)充足夠的硒 ( 100 μm 亞硒酸鹽 ) 后細(xì)胞內(nèi)硒蛋白 GPXs 和 TXNRDs的表達(dá)量和活性恢復(fù)正常，能發(fā)揮抗氧化活性，減少細(xì)胞內(nèi) ROS 含量和微核的產(chǎn)生。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硒缺乏飲食組小鼠與正常飲食組相比 GPX1 表達(dá)和活性明顯降低，導(dǎo)致骨小梁數(shù)量減少，骨吸收增加，影響骨與軟骨的形成。大鼠暴露于含 T-2 毒素的缺硒飲食后，其血清和軟骨中脂質(zhì)過氧化水平升高，抗氧化 GPX 活性降低，軟骨破壞增加。有學(xué)者用缺硒飲食喂養(yǎng)小雞發(fā)現(xiàn)可以誘導(dǎo) miR-138-5p 的表達(dá)，進(jìn)而抑制具有抗氧化功能的硒蛋白 SELENOM 的表達(dá)，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞線粒體功能障礙和凋亡。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)硒可緩解氧化應(yīng)激對(duì)軟骨的破壞作用。因此，硒的抗氧化特性可抵抗氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的軟骨損傷，在 OA 治療上具有極大潛力。

4. 硒參與 DNA 損傷修復(fù)：推動(dòng) OA 發(fā)生、發(fā)展的又一方面重要的因素是 DNA 損傷途徑。多項(xiàng)研究證實(shí) OA軟骨細(xì)胞的 DNA 損傷明顯多于非 OA 軟骨。究其原因，是因?yàn)槁?DNA 損傷可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡或細(xì)胞衰老的啟動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，在暴露于各種 DNA 損傷環(huán)境( 如紫外線輻射或腫瘤 ) 下，微量元素硒可通過減少 DNA損傷，增加 DNA 修復(fù)能力逆轉(zhuǎn)這一過程，鑒于硒的DNA 損傷修復(fù)功能或可為 OA 患者帶來福音。硒可通過誘導(dǎo) DNA 損傷細(xì)胞在紫外線照射下形成修復(fù)復(fù)合體，降低 DNA 損傷的程度并增強(qiáng) DNA 修復(fù)能力。腫瘤細(xì)胞添加一定濃度的亞硒酸鹽后，硒蛋白 GPX1 和 TXNRD1 的酶活性水平升高，可有效的保護(hù)紫外線或 HO誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激引起的 DNA 鏈斷裂。在腫瘤細(xì)胞中加入硒可提高抑癌基因 p53 以及具有 DNA 損傷修復(fù)功能的 REF1 蛋白的水平，并誘導(dǎo)它們與抑癌基因 BRCA1 的相互作用，導(dǎo)致 DNA 修復(fù)通路的激活。在某種程度上，硒對(duì) DNA 損傷的修復(fù)作用可能與硒蛋白 ( 如 GPXs 和 TXNRDs ) 的抗氧化作用有關(guān)，推測(cè)這些蛋白可在造成 DNA 損傷之前清除ROS。

三、結(jié)語

作為人體必需的微量元素，硒具有促進(jìn)軟骨前體細(xì)胞分化、抑制軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)降解、抗氧化和 DNA 損傷修復(fù)的功能，這些研究進(jìn)展為探索 OA 的病因與發(fā)病機(jī)制以及疾病的防治提供了新的思路。但硒用于疾病治療尚有部分問題有待解決。首先，由于土壤中含硒量的不同，導(dǎo)致不同地區(qū)人群體內(nèi)硒含量差異很大。因而世界各國(guó)推薦的硒攝入量尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局根據(jù)中國(guó)的 400 例流行病學(xué)調(diào)查，將硒的每日推薦攝入量定為0.005 mg / ( kg·d )，中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)發(fā)布的硒需求量為 50～250 μg / 天。這些標(biāo)準(zhǔn)是否適用于中國(guó)所有地區(qū)還有待商榷。其次，盡管研究提示硒對(duì)治療 OA 的整體作用是有益的，但事實(shí)上硒的安全劑量范圍很窄，過量攝入硒反而會(huì)導(dǎo)致氧化損傷，引起硒中毒甚至致病風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局制訂的硒的最高耐受量為 0. 85 mg / 天，最低中毒劑量為 1.26 mg / 天，這兩者的劑量差距以及與需求量的差距均很小。攝入過量的硒會(huì)引發(fā)急性或慢性硒中毒，輕度急性中毒表現(xiàn)包括指甲和頭發(fā)脫落、惡心、嘔吐、疲勞、腹瀉腹痛，重者表現(xiàn)為支氣管炎、高熱、直立性低血壓、肝腫大、虛脫、呼吸衰竭等，慢性中毒表現(xiàn)為胃腸功能紊亂、神經(jīng)系統(tǒng)異常等癥狀。此外，如何補(bǔ)充硒以及監(jiān)測(cè)的頻率也是同樣須考量的問題，攝入不同硒源和不同個(gè)體之間硒代謝吸收是否存在差異尚未明確。因此，硒蛋白雖可被考慮到關(guān)節(jié)病的治療與預(yù)防，但仍需進(jìn)一步的研究來優(yōu)化補(bǔ)硒策略。