微量元素硒在骨關(guān)節(jié)炎中的研究進展

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，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。OA是一類高度異質(zhì)性的疾病，其病因和發(fā)病機制尚未揭示清楚，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充，硒對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，硒具有促進軟骨前體細胞分化、抑制軟骨細胞和軟骨基質(zhì)降解、抗氧化和 DNA 損傷修復的功能，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，隨后進入血液被紅細胞攝取，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)揮生物學功能。目前為止，人類基因組中發(fā)現(xiàn)了 25 個硒蛋白，小鼠基因組中發(fā)現(xiàn)了 24 個。硒蛋白根據(jù)其在細胞內(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)運和儲存：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，保護細胞抵抗氧化損傷。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)各種細胞的增殖和凋亡。幾種硒蛋白的表達水平均會受硒吸收程度的影響，細胞實驗發(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 對硒缺乏更敏感，而補充硒后恢復更快。

二、硒代謝與 OA

越來越多的證據(jù)顯示硒與 OA 的發(fā)生、癥狀和疾病嚴重程度相關(guān)。有學者發(fā)現(xiàn) OA 組患者血清中的硒含量顯著低于正常對照組。一項基于人群的隊列研究結(jié)果表明，低硒水平還與 OA 相關(guān)性疼痛和疾病嚴重程度有聯(lián)系。相應地可以檢測到 OA 患者硒蛋白 GPX1、GPX3、GPX4等表達下調(diào)。OA 的主要特征是軟骨特異性細胞外基質(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胞分化、軟骨細胞分解和軟骨基質(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 損傷修復有關(guān)。

1. 硒參與軟骨前體細胞分化：多種因素參與了 OA 的發(fā)展，其中軟骨細胞分化至后期引起的軟骨細胞新陳代謝異常以及軟骨細胞凋亡是發(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)，硒在促進軟骨前體細胞增殖和分化方面起著有利作用。ATDC5 軟骨前體細胞的培養(yǎng)基中加入硒可誘導細胞周期蛋白 D1 在 mRNA 和蛋白水平均表達上調(diào)，加速 G1 期細胞的細胞周期進程，同時還可增加細胞內(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 的表達并降低堿性磷酸酶的活性，最終軟骨細胞分化。敲減 GPX1 可調(diào)節(jié)細胞內(nèi)谷胱甘肽 ( glutathione，GSH ) 與氧化型谷胱甘肽 ( glutathione disulfide，GSSG ) 的比例，削弱 ATDC5 細胞向軟骨細胞分化的能力，提示 GPX1 敲降誘導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。與上述體外實驗結(jié)果一致，硒攝入不足同樣會嚴重影響小鼠間充質(zhì)細胞的成軟骨分化，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胞增殖，抑制前體細胞向軟骨細胞分化，補硒治療可逆轉(zhuǎn)這一過程，這些研究為補硒治療 OA提供了理論依據(jù)。

2. 硒參與軟骨細胞分解和軟骨基質(zhì)降解：關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細胞和軟骨基質(zhì)組成。軟骨細胞分解和軟骨基質(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 表達水平并維持關(guān)節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)。低硒狀態(tài)下，對硒敏感的 PRMT5 分子表達下調(diào)，降低了 SOX9 的穩(wěn)定性，造成其下游分子 COLⅡ 表達下調(diào)和軟骨基質(zhì)減少。細胞實驗發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)硒吸收增加可上調(diào)鋅轉(zhuǎn)運體 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)控軟骨細胞內(nèi)的基質(zhì)金屬蛋白酶 ( matrix Metalloproteinases，MMPs ) 的表達，而 MMPs 能夠降解軟骨細胞和軟骨基質(zhì)。另一項研究發(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)中吸收機械應力的硫酸糖胺聚糖含量降低。相反地，通過給 STR / 1N 小鼠補充硒可增加 GPXs 的表達，從而緩解關(guān)節(jié)軟骨的自發(fā)性退變。

3. 硒與抗氧化：硒對于軟骨的保護作用主要歸功于它的抗氧化功能。以前的觀點認為年齡相關(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胞和軟骨細胞的代謝和存活。適量的活性氧可維持基礎(chǔ)細胞活動如軟骨細胞增殖和軟骨基質(zhì)重塑，但過量活性氧的堆積可引起氧化應激導致有害事件，如細胞衰老、去分化、凋亡。氧化應激還可上調(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)細胞可使細胞內(nèi)硒蛋白GPXs 和 TXNRDs 的表達減少，細胞內(nèi)出現(xiàn) ROS 積累并導致微核 ( 染色體損傷的標志 ) 的產(chǎn)生。而在補充足夠的硒 ( 100 μm 亞硒酸鹽 ) 后細胞內(nèi)硒蛋白 GPXs 和 TXNRDs的表達量和活性恢復正常，能發(fā)揮抗氧化活性，減少細胞內(nèi) ROS 含量和微核的產(chǎn)生。動物實驗發(fā)現(xiàn)，硒缺乏飲食組小鼠與正常飲食組相比 GPX1 表達和活性明顯降低，導致骨小梁數(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。有學者用缺硒飲食喂養(yǎng)小雞發(fā)現(xiàn)可以誘導 miR-138-5p 的表達，進而抑制具有抗氧化功能的硒蛋白 SELENOM 的表達，導致軟骨細胞線粒體功能障礙和凋亡。動物實驗同樣發(fā)現(xiàn)，補硒可緩解氧化應激對軟骨的破壞作用。因此，硒的抗氧化特性可抵抗氧化應激誘導的軟骨損傷，在 OA 治療上具有極大潛力。

4. 硒參與 DNA 損傷修復：推動 OA 發(fā)生、發(fā)展的又一方面重要的因素是 DNA 損傷途徑。多項研究證實 OA軟骨細胞的 DNA 損傷明顯多于非 OA 軟骨。究其原因，是因為慢性 DNA 損傷可誘導軟骨細胞凋亡或細胞衰老的啟動。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 修復能力逆轉(zhuǎn)這一過程，鑒于硒的DNA 損傷修復功能或可為 OA 患者帶來福音。硒可通過誘導 DNA 損傷細胞在紫外線照射下形成修復復合體，降低 DNA 損傷的程度并增強 DNA 修復能力。腫瘤細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，可有效的保護紫外線或 HO誘導的氧化應激引起的 DNA 鏈斷裂。在腫瘤細胞中加入硒可提高抑癌基因 p53 以及具有 DNA 損傷修復功能的 REF1 蛋白的水平，并誘導它們與抑癌基因 BRCA1 的相互作用，導致 DNA 修復通路的激活。在某種程度上，硒對 DNA 損傷的修復作用可能與硒蛋白 ( 如 GPXs 和 TXNRDs ) 的抗氧化作用有關(guān)，推測這些蛋白可在造成 DNA 損傷之前清除ROS。

三、結(jié)語

作為人體必需的微量元素，硒具有促進軟骨前體細胞分化、抑制軟骨細胞和軟骨基質(zhì)降解、抗氧化和 DNA 損傷修復的功能，這些研究進展為探索 OA 的病因與發(fā)病機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，導致不同地區(qū)人群體內(nèi)硒含量差異很大。因而世界各國推薦的硒攝入量尚無統(tǒng)一標準。美國環(huán)境保護局根據(jù)中國的 400 例流行病學調(diào)查，將硒的每日推薦攝入量定為0.005 mg / ( kg·d )，中國營養(yǎng)學會發(fā)布的硒需求量為 50～250 μg / 天。這些標準是否適用于中國所有地區(qū)還有待商榷。其次，盡管研究提示硒對治療 OA 的整體作用是有益的，但事實上硒的安全劑量范圍很窄，過量攝入硒反而會導致氧化損傷，引起硒中毒甚至致病風險。美國環(huán)境保護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，如何補充硒以及監(jiān)測的頻率也是同樣須考量的問題，攝入不同硒源和不同個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)病的治療與預防，但仍需進一步的研究來優(yōu)化補硒策略。