鮑 鵬, 李國祥,3

1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所, 城市環(huán)境與健康重點實驗室, 福建 廈門 361021; 2.中國科學(xué)院寧波城市環(huán)境觀測研究站, 浙江 寧波 315830; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

硒抗腫瘤機理研究進展和展望

鮑 鵬1,2, 李國祥1,2,3

1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所, 城市環(huán)境與健康重點實驗室, 福建 廈門 361021; 2.中國科學(xué)院寧波城市環(huán)境觀測研究站, 浙江 寧波 315830; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

作為一種參與生命活動的重要營養(yǎng)元素，硒具有普遍的防癌、抗癌作用。迄今為止對于硒抗腫瘤機理的研究已經(jīng)得出了眾多結(jié)論。綜述了硒元素的抗腫瘤效用和機理，并重點探討了最新的研究結(jié)論——亞硒酸鈉暴露的腫瘤細胞內(nèi)可以發(fā)生亞硒酸鈉還原并與細胞內(nèi)蛋白結(jié)合自組裝產(chǎn)生納米硒粒子。這一研究結(jié)果很好的解釋了超大劑量硒的多重毒理效應(yīng)以及硒對產(chǎn)生耐受性的腫瘤抑制增強效應(yīng)。對于腫瘤細胞/組織內(nèi)自生納米硒粒子的進一步研究將有望揭示硒元素抗腫瘤的潛藏機制，形成對于硒元素抗腫瘤機理的統(tǒng)一認識。

硒；內(nèi)自生納米硒粒子；多重毒理效應(yīng)；超大劑量；腫瘤耐受性

1 硒與癌癥相關(guān)性及作用機理研究

1.1硒的抗腫瘤作用

人群調(diào)查研究顯示，食物中的硒含量和血液中的硒含量與人群癌癥發(fā)生率呈負相關(guān)[5～9]。在100余年前，Walker和Klein將亞硒酸鹽直接注入舌腫瘤，非常有效地緩解了病情。隨后，Kralick等嘗試用有機硒——硒代二谷胱甘肽注入腫瘤作為抗癌治療方法也取得了理想的療效[8]。1969年，Shamberger等[10]進行了較大范圍的普查，他對美國各州白人男性55～64歲特定年齡的癌癥死亡率進行調(diào)查分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高硒、中硒、低硒州之間差別顯著，低硒州人群癌癥死亡率明顯偏高。1977年，Schrauzer等[11]進一步在世界范圍內(nèi)調(diào)查了27個國家和地區(qū)硒含量與癌癥死亡率的情況，得出了與Shamberger等相同的結(jié)論。對于我國國內(nèi)的調(diào)查也有類似的結(jié)果。于樹玉等[12]隨機地檢測了我國8個省24個地區(qū)人群的血硒含量，揭示這些地區(qū)總的癌癥標化死亡率與當(dāng)?shù)厝巳貉砍煞幢龋嚓P(guān)程度依次為食管癌、胃癌、肝癌。在我國江蘇省啟東市，其肝癌發(fā)病率的差異與當(dāng)?shù)丶Z食中硒含量或人體血硒含量呈明顯的負相關(guān)。自1985年起為期8年的營養(yǎng)干預(yù)研究在啟東市肝癌發(fā)病率基本相似的5個鄉(xiāng)130 471人中進行，其中1個鄉(xiāng)全體居民20 849人食用硒添加食鹽，另4個鄉(xiāng)食用普通食鹽，結(jié)果食用含硒食鹽的居民原發(fā)性肝癌發(fā)病率較食用普通食鹽的居民下降了50%[13]。

近百年來的科學(xué)研究結(jié)果顯示：亞硒酸鈉、硒酸鈉、硒代蛋氨酸(SeMet)、硒甲基硒代半胱氨酸(MSC)和甲基硒酸(MSA)具有明顯的抗腫瘤作用[9,14]。人們希望將硒作為藥物去治療各類癌癥，將硒與維生素A和維生素E聯(lián)合使用對癌癥治療取得了較好的效果[15]。硒作為癌癥輔助治療藥物可以增加癌細胞對放化療的敏感性、提高治療效果。超大劑量硒(正常劑量的5～10倍)與化療藥物合并使用可以提高癌癥治療的治愈率，1992年Satoh等[16]將超大劑量亞硒酸鈉用于順鉑的化療中，荷瘤模型動物單獨采用順鉑治療，其存活期大約為7周，而順鉑輔以超大劑量硒則完全抑制了腫瘤。美國在2004年開始嘗試使用超大劑量硒與依力替康聯(lián)用進行模型動物實驗，取得了良好的效果，其中對依力替康不敏感性腸癌治愈率達到40%～80%，對敏感性腸癌治愈率則達到100%[17,18]。

硒對癌癥的預(yù)防與治療作用長久以來一直存在不同的看法甚至互相對立的結(jié)論，目前雖然多數(shù)研究表明硒對癌癥的治療有效，但仍有另一些研究認為沒有明顯治療作用，比如對于乳腺癌、結(jié)/直腸癌、肝癌就存在不同的研究結(jié)果[19～21]。因此還需要研究者們對硒抗腫瘤的作用機理進行深入的研究，以便在臨床中更科學(xué)的應(yīng)用。

1.2硒抗腫瘤機理研究

一般認為的硒抗腫瘤作用機制主要包括：①誘導(dǎo)氧化致凋亡[9]；②誘導(dǎo)腫瘤細胞的程序性調(diào)亡[22,23]；③調(diào)節(jié)細胞轉(zhuǎn)錄因子[23]；④調(diào)節(jié)機體免疫功能[9,23]；⑤調(diào)節(jié)谷胱甘肽過氧化物酶活性[9]；⑥調(diào)控癌基因與抗癌基因的表達[9,23]；⑦阻斷癌細胞分裂增殖的信息傳遞[22,23]；⑧通過氧化脅迫破壞癌細胞線粒體的功能[9]；⑨阻斷癌細胞的能量供應(yīng)[24]；⑩抑制腫瘤新生血管的生成[9,22,23]。由此可見硒的抗腫瘤作用并非單一機制，而是具有多重毒理效應(yīng)[9,23～25]。

這些前期研究大多認為在腫瘤細胞內(nèi)代謝生成的硒代氨基酸或者硒化氫是發(fā)揮抗腫瘤作用的主要成分[9]，并沒有揭示硒的多重毒理效應(yīng)的內(nèi)在機理，或者只停留在硒與腫瘤抑制效應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的描述或者抗腫瘤現(xiàn)象的簡單陳述。無法解釋為何只有超大劑量的硒暴露才對腫瘤具有抑制和治療作用[26]；為何這些劑量接近硒毒性水平；為何硒暴露會對產(chǎn)生抗性的腫瘤細胞更有效。雖然硒與癌癥關(guān)系的研究看似已達到一定的深度和廣度，但許多問題受固有思維、研究手段、研究視角等限制還沒得到合理的闡明；而恰恰是這些尚未得到解答的問題是理解硒元素毒理作用的關(guān)鍵，因此對于硒細胞毒性機理研究需要繼續(xù)深入，而且有必要進一步加大研究力度。

2 內(nèi)自生納米硒粒子抗腫瘤機理研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1內(nèi)自生納米硒粒子的抗腫瘤機理

Bao等[27]于2015年首次提出亞硒酸鈉的細胞毒性是由于其在細胞內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)自生納米硒粒子所導(dǎo)致。該研究成果揭示亞硒酸鈉對3種腫瘤細胞(肺癌細胞系H157、A549；胃癌細胞系MGC-803)的細胞毒性機理在于亞硒酸鈉在腫瘤細胞內(nèi)可被還原性物質(zhì)(如：還原型谷胱甘肽)還原生成單質(zhì)硒，單質(zhì)硒形成的同時與富含-SH、-NH2的蛋白質(zhì)/酶發(fā)生物理化學(xué)結(jié)合并在細胞內(nèi)自組裝形成內(nèi)自生納米硒顆粒(endogenous selenium nanoparticles, SeNPs)(圖1,反應(yīng)式1)，從而將這些重要蛋白質(zhì)/酶大量結(jié)合并固定下來，使之無法參與細胞的代謝活動從而擾亂細胞的新陳代謝。

圖1 亞硒酸鈉暴露腫瘤細胞內(nèi)自生納米硒粒子及其抗癌機理[27]Fig.1 SeNPs self-assembly and anti-cancer mechanism in selenite exposed cancer cells[27].

(1)

這是學(xué)界首次發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞內(nèi)部可以自組裝產(chǎn)生納米級顆粒物；與單質(zhì)硒高度親和的蛋白包括多種關(guān)鍵的蛋白與酶[27]，其中包括參與糖酵解過程的全部酶類、調(diào)節(jié)細胞凋亡的熱休克蛋白、執(zhí)行細胞分裂的微管蛋白，這將導(dǎo)致腫瘤細胞能量代謝被抑制、糖酵解依賴的線粒體功能喪失、細胞周期停滯[28]、自吞噬抑制引起的細胞凋亡[27]；此外，這些納米硒粒子本身具有的尺寸效應(yīng)、邊際效應(yīng)也會產(chǎn)生氧自由基引起細胞氧化損傷；肺癌細胞H157、A549和胃癌細胞MGC-803的存活率與其細胞內(nèi)部的內(nèi)自生納米硒粒子數(shù)量呈負相關(guān)，與粒徑呈正相關(guān)[27]；Bao等[29]進一步研究證實腫瘤細胞內(nèi)自組裝形成納米硒粒子是一個動態(tài)平衡過程，即不斷有新的納米硒粒子產(chǎn)生和原有納米硒粒子被緩慢轉(zhuǎn)化成其他硒形態(tài)(如：進一步被還原)，導(dǎo)致解組裝，這一動態(tài)變化過程使腫瘤細胞無法通過生物化學(xué)調(diào)控來應(yīng)對納米硒粒子帶來的多重毒理效應(yīng)從而引起細胞的最終凋亡[30](反應(yīng)式2)。

Se0+2GSH→HSe-+GSSG+H+

(2)

2.2內(nèi)自生納米硒粒子的研究意義

Bao等[27,29]的研究成果能夠完美解釋高劑量下硒的多重毒理效應(yīng)：即只有在腫瘤細胞內(nèi)有足夠量的硒被轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硒進而自組裝形成納米硒粒子產(chǎn)生納米毒性才會達到最佳抑制效果；這突破了原有對于硒抑制腫瘤機理的研究理論框架，將硒抑制腫瘤機理的認識提升到了新的高度；對于今后硒制劑在臨床上的應(yīng)用具有直接的指導(dǎo)意義。

此外，這一研究成果還提示了為何亞硒酸鈉等硒制劑對于已產(chǎn)生抗藥性的腫瘤更有效[31]，癌癥治療面臨的主要難題是癌細胞產(chǎn)生耐受性，當(dāng)癌細胞受到物理化學(xué)攻擊后，一般情況下一部分細胞會生存下來并在細胞內(nèi)建立相應(yīng)的防御體系，如提高谷胱甘肽表達量、增強谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶P活性、表達糖蛋白和多藥耐藥蛋白(主要包括熱休克蛋白)等[18]，當(dāng)癌細胞再次受到攻擊脅迫，谷胱甘肽可以減少細胞氧化損傷[18]；谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶P可以促進谷胱甘肽與化療藥結(jié)合降低藥效[18]；熱休克蛋白可以使化療藥加速排出癌細胞，從而使化療藥不能在癌細胞中有效積累達到有效濃度[18]。癌細胞的這些耐藥途徑會使癌癥治療效果明顯下降。動物實驗表明，在給動物注射化療藥物的同時輔以大劑量硒，可以明顯降低癌細胞的耐受性[31, 32]。而且愈是對化療藥物不敏感的癌細胞，反而對硒變得十分敏感[33]。用自生納米硒粒子的多重毒理機理來解釋，即：腫瘤組織內(nèi)還原物質(zhì)(如：還原型谷胱甘肽、熱休克蛋白)含量越高，通過硒(亞硒酸鈉)暴露處理在其內(nèi)部越有利于產(chǎn)生內(nèi)自生納米硒粒子，從而對癌細胞產(chǎn)生更強的毒理作用，Bao等[27,29]的研究結(jié)果很好地回答了為什么產(chǎn)生耐受性的腫瘤對硒更加敏感；這同時進一步提示我們一種新的設(shè)計消除腫瘤耐藥性的思路。

納米硒的出現(xiàn)打破了零價硒無生物活性的認知[18,34]，鑒于合并化療提高癌癥治愈率的硒劑量接近或進入了硒的毒性范圍，我們有理由相信內(nèi)自生納米硒的發(fā)現(xiàn)不僅解釋了硒對腫瘤的毒性機理，而且預(yù)示著這也會是硒對正常生命體的致毒機理，因為在正常生命體內(nèi)都具備硒還原、自組裝的條件；那么這就要求研究者們重新審視原有的對于硒元素毒理學(xué)的認識，進一步研究內(nèi)自生納米硒粒子在其他生物體內(nèi)的生成過程與毒性機理。

3 展望

鑒于我國癌癥發(fā)病率逐年上升的嚴峻形勢，進一步明確硒元素的抗癌機制、合理使用硒制劑、建立適當(dāng)?shù)慕o藥途徑(如：介入)，對科學(xué)應(yīng)用硒制劑作為腫瘤輔助治理藥物具有重要的現(xiàn)實意義。因此，由于目前只在亞硒酸鈉暴露的3種腫瘤細胞中發(fā)現(xiàn)并證實了產(chǎn)生納米硒粒子的抑制腫瘤機理，以下三個方面應(yīng)該是今后一段時間亟待解決的問題：①其他形態(tài)的無機硒和有機硒：硒酸鈉、硒代蛋氨酸(SeMet)、硒甲基硒代半胱氨酸(MSC)和甲基硒酸(MSA)是否也會在腫瘤細胞內(nèi)產(chǎn)生納米硒粒子？以及產(chǎn)生內(nèi)自生納米硒粒子與腫瘤抑制的因果關(guān)系？這些納米硒粒子的組裝與解聚是否也以動態(tài)變化平衡狀態(tài)存在？這些納米硒粒子截留關(guān)鍵蛋白與酶對癌細胞產(chǎn)生何種毒理作用？有哪些類型的腫瘤細胞可以在細胞內(nèi)自組裝形成納米硒粒子并因此而凋亡？②硒與化療藥物聯(lián)合使用是否會在癌細胞內(nèi)更易形成內(nèi)自生納米硒粒子？這是否是耐藥性腫瘤對硒更加敏感的原因？在模型動物以致患者腫瘤組織中、在以上各種情況下是否也產(chǎn)生內(nèi)自生納米硒粒子，并存在著多重毒理作用？③處在高硒背景值地區(qū)出現(xiàn)硒中毒癥狀的生物體組織內(nèi)是否會產(chǎn)生內(nèi)自生納米硒粒子？對以上問題的解答將揭示硒元素毒理學(xué)的潛藏機制，形成對于硒元素毒理作用的統(tǒng)一認識。

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ProgressandProspectsofSeleniumAnti-tumorMechanism

BAO Peng1,2, LI Guoxiang1,2,3

1.KeyLabofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,FujianXiamen361021,China; 2.NingboUrbanEnvironmentObservationandResearchStation,ChineseAcademyofSciences,ZhejiangNingbo315830,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

As an important nutrient element that participate in the activities of life, selenium (Se) has general prevention and anti-cancer effects. So far, variety opinions were concluded on Se anti-tumor mechanism. This paper reviewed the progress on anti-tumor effects and mechanisms of Se, and highlighted the latest study founding, that sodium selenite exposure could occur selenite reduction to elemental Se, and combined with intracellular protein for self-assembly of Se nanoparticles within the tumor cells. The results well explained the multiple toxicology effect of Se with large dose and the enhanced inhibition effect to radiation and chemotherapy tolerance tumors. The further study of the Se nanoparticles in tumor cells/tissues will reveal the underlying anti-tumor mechanisms of Se, and form an unified understanding of Se anti-tumor mechanisms.

selenium; endogenous selenium nanoparticles; multiple toxicology effects; ultra high dose; tumor tolerance

2017-06-27;接受日期2017-07-13

國家自然科學(xué)基金項目 (41571240)；寧波市科技惠民項目 (2017C50009)資助。

鮑 鵬，副研究員，博士，研究方向為金屬組學(xué)與生物技術(shù)。Tel:0574-86085998；E-mail: pbao@iue.ac.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0068