硒(34Se)是一种重要的抗氧化微量元素，对脑功能起着关键的调节作用。这种益处归因于硒能够作为氨基酸被整合到硒蛋白中。多种硒蛋白在大脑中表达，其中一些，如谷胱甘肽过氧化物酶(GPxs)、硫氧还蛋白还原酶(TrxRs)或硒蛋白P(SelP)，在抗氧化防御和维持细胞间还原环境方面发挥着重要作用。由于氧化应激的增加已被证实与包括帕金森病、阿尔茨海默病、中风、癫痫等神经系统疾病相关，越来越多的证据表明硒缺乏及硒依赖酶活性下降可能是这些病理的重要因素。毫无疑问，对硒在大脑中的生物学功能研究取得了显著进展，这为通过硒作为潜在药物来治疗神经系统疾病开辟了新的可能性。然而，需要进一步研究寻找最佳的硒供体，以实现有效和安全的治疗效果。
介绍
硒(34Se)是人体健康的重要微量元素。在自然界中，这种矿物质主要以有机和无机形式存在。无机硒化合物，如硒酸盐(SeO₄²⁻)、亚硒酸盐(SeO₃²⁻)和硒化物(Se²⁻)，主要存在于水和土壤中，而有机形式，如硒代蛋氨酸(Se-Met)和硒代半胱氨酸(Sec)，则在植物中合成。食品是硒的主要供应源，特别是巴西坚果、猪肉肾脏和鱼类，它们的硒含量很高。然而，硒含量很大程度上取决于区域土壤，但也可以通过食品加工(如烹饪、烘焙)进行调节。硒缺乏会导致健康问题，尤其是在这种微量营养素含量低的地区。人类主要通过食品摄入硒，这些食品主要是有机硒的氧化态II形式，比水中存在的无机形式更容易被吸收。成人人体内总硒含量在10到20毫克之间，这取决于许多因素，如居住地或健康状况。硒的有益特性归因于其能够被整合到各种蛋白质中，但与其它主要作为酶辅因子的金属不同，硒作为氨基酸硒代半胱氨酸(Sec)被整合到多肽链中。为了将硒整合到蛋白质链的催化位点，有机形式的氧化态IV必须首先转化为无机化合物氢硒化物。硒通过在mRNA中位于终止密码子的单个、特定的二级发夹结构，即硒代半胱氨酸插入序列(SECIS)，被共翻译整合。此外，硒代半胱氨酸通过丝氨酰-tRNA[Ser]Sec合成，这种tRNA[Ser]Sec具有ACU反密码子，使用丝氨酸作为中间体。值得注意的是，硒代半胱氨酸的生物合成需要活性硒供体单硒磷酸(H₂Se-P)，而单硒磷酸是由硒磷酸合成酶(SPS2)产生，SPS2本身也是一种硒蛋白。
硒和硒蛋白在正常脑功能中的作用
人类大脑的硒含量较低(约2.3%)，但在饮食缺乏时表现出对硒摄入的高优先级。即使在幼鼠饮食缺乏硒的情况下，血液中硒水平明显下降，但脑组织中的硒浓度保持不变。在连续六代喂养缺硒饮食的大鼠中也观察到这一结果。虽然骨骼肌、肝脏和血液中的硒水平显著降低，但大脑中的硒水平仅小幅下降。此外，研究发现缺硒大鼠注射放射性标记的SeO₃²⁻后，大脑中的放射性示踪剂(75Se)摄取量最高，而在硒含量充足的大鼠中，放射性示踪剂分布更为广泛。这种大脑对硒利用的优先性可能源于大脑对氧化应激的高敏感性，这是由大脑增强的氧化代谢和有限的抗氧化防御系统造成的。
大脑的高代谢活性导致活性氧和氮物质的过度产生。自由基产生与清除之间的不平衡会导致多方向的有害作用，从而引起细胞死亡。此外，大脑富含铁元素，这是芬顿反应的底物，并且富含多不饱和脂肪酸，这是脂质过氧化的潜在靶点。这些特性使大脑成为需要高效清除活性氧(ROS)的特权器官，而活性氧主要通过硒酶介导。目前已在小鼠大脑中鉴定出24种硒蛋白的表达，特别是在海马、嗅球和大脑皮层中。其中，GPx4以及SelP和SelW的表达水平最高，这表明它们在中枢神经系统(CNS)中的重要作用。此外，大脑中硒蛋白的表达和活性取决于硒的供应量，有些硒蛋白组成型表达，而有些则是诱导型表达。这在大脑中形成了硒蛋白的等级阶梯，其中对大脑功能最重要的那些，即使外部硒摄入量发生变化，也保持稳定。
谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)占大脑中总硒的20%，是催化还原过氧化氢、有机过氧化物和磷脂过氧化物为醇或水的酶家族。这些反应使用谷胱甘肽、巯基乙醇、半胱氨酸或其它蛋白质硫醇作为还原底物。目前在人类中已鉴定出具有不同细胞内定位和底物特异性的多种GPx同工型。GPx1是一种主要的细胞质和线粒体抗氧化酶，GPx3存在于细胞外空间，GPx4则表达为细胞质(c-GPx4)、线粒体(m-GPx4)或核(n-GPx4)同工型。在人类大脑中，仅发现GPx1和GPx4两种同工型，既存在于神经元中，也存在于胶质细胞中。GPx1是一种广泛表达在星形胶质细胞中的硒酶，对清除过氧化氢和烷基过氧化氢负责，从而限制它们的有害效应。GPx1活性下降导致大脑对由各种毒素引起的氧化损伤的易感性增加。GPx1基因敲除小鼠显示对百草枯毒性更敏感，表现为H₂O₂释放显著增加和caspase-3激活。然而，GPx1的过表达对保护神经元细胞抵抗氧化应激和神经元损伤是必要的，且更有益。另一方面，小鼠中GPx1的过表达会导致胰岛素抵抗和肥胖，这通过减少细胞内所需的胰岛素敏感化ROS来实现。这与GPx1在胰岛素刺激的β-亚基磷酸化中起调节作用相关。
GPx4主要表达于大脑皮层、小脑和海马，尤其是细胞质和线粒体同工型。其在大脑区域的表达在胚胎发生和出生后时间存在差异。GPx4在胚胎神经管和前、中、后脑神经上皮中表达，在出生后发育过程中，海马中的GPx4 mRNA在出生后第15天达到最高水平，之后逐渐下降。这种酶参与清除磷脂过氧化物，然而其在中枢神经系统中的详细作用仍不清楚。GPx4缺陷的杂合小鼠发育正常，而纯合胚胎则在子宫内死亡。GPx4的过表达已被证明在多种细胞系中具有保护作用，可以抵抗氧化损伤。此外，GPx4除具有抗氧化能力外，还具有抗凋亡特性，因为通过siRNA选择性敲低会导致神经元细胞中caspase-3依赖性凋亡激活。
硫氧还蛋白还原酶(TrxRs)是一类使用NADPH催化蛋白质二硫化物还原的抗氧化酶。在哺乳动物中有3种不同类型的TrxR基因：细胞质硫氧还蛋白还原酶(TrxR-1)、线粒体硫氧还蛋白还原酶(TrxR-2)和硫氧还蛋白-谷氧还蛋白还原酶(TrxR-3)。其中TrxR-1和TrxR-2存在于神经组织中，对维持适当的氧化还原状态和参与大脑发育负责。在脑组织中的TrxR表达和活性保持稳定，对饮食中的硒缺乏不敏感。除抗氧化作用外，TrxR还参与细胞间通信、细胞信号转导、DNA合成和转录调控。此外，Trx在体内对细胞存活和凋亡调节也有重要作用。TrxR-1在胚胎中的失活会扰乱细胞增殖，导致神经管闭合迟缓，从而导致子宫内死亡。同样，线粒体氧化还原蛋白Trx-2对胚胎正常发育也是必需的，且对活跃呼吸的细胞至关重要。Trx-2缺乏与前神经管功能障碍和胎儿生长迟缓有关。此外，体外研究表明，TrxR抑制剂处理会导致ROS水平升高和N-末端丝裂原活化蛋白激酶激活。
SelP是一种普遍表达的细胞外糖蛋白，是硒状态的有用生物标志物。SelP家族独特之处在于可以整合多个硒代半胱氨酸残基，而其他硒蛋白只能整合一个。SelP的N-末端包含一个Sec残基，而其他九个则位于C-末端。此外，SelP还具有组氨酸和赖氨酸簇，使该蛋白能够与细胞膜结合。SelP依赖pH值与肝素结合，这表明其可能吸引炎症位点。血浆SelP主要来源于肝脏，然后被运输到包括大脑在内的外周组织。在CNS中，脑组织只能通过SelP形式摄取示踪硒，而不能直接摄取75Se。然而，肝脏SelP缺乏并不影响大脑硒水平，这表明该蛋白可能在当地局部产生。因此，只要大脑中的SelP表达得以维持，大脑中的硒水平就与血浆浓度无关。在缺硒期间，大脑通过受体ApoER2特异性摄取SelP来调节硒水平。
此外，SelP结合ApoER2，启动内吞作用，提供硒代半胱氨酸。可能在这些条件下，星形胶质细胞是细胞外SelP的主要来源，然后通过ApoER2被神经元摄取。除作为大脑硒转运的证据外，SelP还被发现对神经元生存和微管蛋白有稳定作用。荧光共振能量转移和免疫沉淀实验表明，SelP与微管蛋白相互作用。因此，SelP可能在调节微管蛋白动态特性方面发挥重要作用，而微管蛋白又决定了细胞极性。SelP基因表达缺陷的小鼠表现出轻微的记忆障碍和空间学习问题。此外，研究者还发现脑硒水平下降，伴随着硒依赖酶活性降低和运动协调受损。Burk等人证实，SelP或ApoER2基因敲除会显著耗尽大脑的硒池。然而，将SelP基因敲除与限制性缺硒饮食结合会导致脑干神经元的严重变性以及数天内出现的神经学功能障碍。
此外，硒蛋白M(SelM)在大脑中含量丰富，尤其在嗅球和小脑中表达最高。在SelM结构中，存在硫氧还蛋白样结构域和CXXU形式的活性位点，其中C代表半胱氨酸(Cys)，U代表硒代半胱氨酸(Sec)。这一序列负责可逆硒代半胱氨酸-硫键的形成，并且可能还以氧化还原调节剂的形式发挥作用。SelM参与抗氧化功能，对神经元活动和神经胶质细胞中的钙稳态调节具有重要意义。此外，SelM的神经保护功能可能源于其与半乳糖凝集素-1(galectin-1)的直接相互作用。这种哺乳动物凝集素在大脑中广泛表达，调节细胞增殖、分化以及细胞死亡。
SelW是表达在发育和成年大脑中的小硒蛋白。它广泛分布在皮层和海马神经元中，特别是树突和突触中，既在细胞质又在细胞膜上。在缺硒的情况下，SelW在大脑中的表达得到良好维持，且高度依赖于SelP浓度。SelP缺乏导致脑组织中SelW表达大幅下降。与大多数硒蛋白一样，SelW参与维持氧化还原稳态，与谷胱甘肽结合，作为谷胱甘肽依赖的抗氧化剂，过表达可降低细胞对过氧化氢的敏感性。此外，SelW还被发现与14-3-3蛋白β和χ结合，调节它们的氧化状态。由于14-3-3蛋白协调神经元中各种激酶和磷酸酶与受体和结构蛋白的相互作用，SelW可能间接调节脑中的磷酸化过程。此外，SelW还参与p53和p21依赖的细胞周期调节。SelW的敲低会导致细胞周期停滞在G1阶段，这通过调节丝裂原活化蛋白激酶4(MKK4)和MAPK信号通路实现。
由于越来越多的证据表明氧化损伤和抗氧化防御紊乱是中枢神经系统疾病的重要因素，多项研究探索了抗氧化剂在预防和治疗这些疾病方面的功效。维生素E、C或β-胡萝卜素的抗炎和抗衰老特性已在各种研究中得到证明。然而，有希望的实验室结果并未在临床试验中得到反映。因此，寻找新的可能应用于神经退行性疾病和其它脑部疾病治疗的化合物的研究仍在继续。考虑到硒的多重保护作用，使用这种化合物作为神经元细胞死亡的保护性药物是可行的。当前的科学挑战是找到具有高生物利用度和相应低毒性的合适硒供体。
无机硒物种的神经毒性通常超过有机硒化合物。然而，甲基亚硒酸、L-硒代半胱氨酸或硒二谷胱甘肽等是例外，它们在低微摩尔浓度下就会诱导细胞死亡。另一方面，无机硒(亚硒酸钠)虽然生物利用度高，但毒性也高(LD50：大鼠3.5毫克/千克体重，绵羊1.2-1.9毫克/千克体重)，这比ebselen或硒代蛋氨酸的毒性显著更高。有趣的是，亚硒酸钠的细胞毒性强烈依赖于其摄取和细胞内积累，这又由细胞外环境调节。细胞外亚硒酸盐还原为硒化物主要是通过半胱氨酸介导的，这导致这种还原的硒形成高亲和力摄取，引起积累和细胞死亡。这一过程的效率取决于胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(xc-)依赖的胱氨酸摄取，胱氨酸在细胞内被NADPH依赖的氧化还原系统还原为半胱氨酸，然后由多药耐药蛋白重新分泌。因此，某些硒物种在特定组织类型和个体患者条件下可能具有治疗潜力，但也可能受到限制。
值得注意的是，氧化态IV的有机硒形式表现出更高的生物利用度和更低的毒性，因此补充这些化合物可以实现更高的组织硒浓度。
早在第一种有机硒化合物ebselen就被考虑作为一种潜在的神经药理学药物。ebselen(2-苯基-1,2-苯并硒唑-3(2H)-酮)作为谷胱甘肽过氧化物酶的模拟物，具有抗氧化和抗炎特性。多种临床前动物研究表明，ebselen在中风方面具有神经保护作用。在高血压大鼠的局灶性缺血中，ebselen不仅提供了对氧化损伤引起的神经元死亡的保护，而且在短暂前脑缺血的大鼠模型中也显示出有益效果。此外，对人类的初步临床研究表明，ebselen可能是急性缺血性中风的预防性神经保护剂。最近的多项试验表明，ebselen平均将梗死体积减少了27%，这在9项局灶性缺血研究中有10项实验性对比显示出保护作用，为未来中风治疗带来希望。
此外，其他临床试验还针对硒在阿尔茨海默病治疗中的应用。然而，在这些研究中，硒是与其它化合物联合使用的。在一个小型研究中，老年患者接受了无机和有机硒与维生素E的混合物。这些患者在多种认知参数上相比对照组有显著改善。目前正在进行一项更大的试验，涉及10,000多名60-90岁健康男性，使用硒代蛋氨酸(SelMet)和维生素E。该试验的初始目标是研究此治疗组合对预防阿尔茨海默病和其它脑部疾病的效果。然而，"SELECT"临床试验的最新研究对硒代蛋氨酸在人类疾病治疗中的应用提出了负面报告。它不仅对前列腺癌预防没有任何积极作用，反而增加了患2型糖尿病的风险。这种不良效果源于SelMet随机整合到各种蛋白质中而非甲硫氨酸，这与其较长的生物半衰期一起，导致治疗失败。
此外，一些研究中心正在研究一种新的硒化合物Selol。Selol是基于葵花籽油的有机硒混合物，含有硒酸三甘油酯。这种氧化态IV的硒化合物满足低毒性要求，且具有快速吸收、分布和高生物利用度的特点。Selol已通过各种实验和临床研究作为抗癌药物，目前处于临床前研究的最后阶段。此外，由于Selol能在脑中提供高浓度的硒，目前正研究其神经保护作用。体外研究发现，Selol能够抑制神经细胞中的氧化-亚硝基应激。Selol的细胞保护作用机制涉及通过谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性和谷胱甘肽(GSH)水平的提升，刺激内源性抗氧化系统。因此，硒的水平和其依赖酶的活性在阿尔茨海默病治疗中需要进一步研究。
最近还介绍了一种新的含硒有机化合物——硒代龙虾肌红蛋白(selenoneine)，它从蓝鳍金枪鱼血液和组织中分离出来。然而，这种化合物的生物学意义仍不清楚。研究证明，除了强大的抗氧化能力外，硒代龙虾肌红蛋白还能与血红素蛋白如血红蛋白和肌红蛋白结合，保护它们免受铁诱导的自动氧化。此外，它还被证明能够预防甲基汞(MeHg)的积累和毒性，这是通过作用于有机阳离子/肉碱转运体OCTN1实现的。
结论
最近的研究已确定硒对维持大脑功能和预防年龄相关神经退行性疾病至关重要。硒供应不足可能对脑细胞产生有害影响，通过加剧神经元功能障碍和死亡。毫无疑问，对大脑中硒的生物学功能的理解取得了显著进展，特别是关于硒蛋白的抗氧化和抗炎功能，也为使用硒作为潜在药物治疗神经退行性疾病打开了新的可能性。因此，评估最佳硒补充剂量和形式仍是当务之急。考虑到无机硒形式的较高毒性及其在治疗中的应用局限，需要进一步寻找硒供体，特别是有机形式，以实现有效和安全的治疗效果。
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