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中国人体硒营养研究回顾

发表于:2019-01-15   作者:夏弈明   来源:《营养学报》2011年04期   点击量:

中国的硒营养研究始于20 世纪 60 年代中期。回顾近50 年的研究历程,感觉兴奋而自豪。因为中国的硒营养研究曾经取得过重要成就,走在国际前沿。现就既往研究作一概略的回顾,盼能继续加强基础研究,再创辉煌。

硒营养研究早期的国际背景
1817 年瑞典化学家 Berzelius 发现并命名了硒元素(selenium,Se)。1934 年美国农业部发表了关于高硒植物导致动物中毒的第一份科研报告。同时,美国公共卫生署对进食当地高硒粮食和肉制品的 South Dakata州农民观察到牙齿和指甲受损率较高的现象,认为这可能与高硒摄入有关。从此,硒被认为是一种对生物有害的毒物。美国食物药品管理局根据1943年高硒小麦和含硒杀虫剂引起大鼠肝癌的一份报告,将硒定为致癌剂,严格禁止在动物饲料和食物中使用。

硒的营养学研究始于1957 年。Schwarz 和Foltz 发现硒是阻止大鼠食饵性肝坏死的第 3 因子的主要组分(另二个因子是胱氨酸和维生素 E)。这是硒具有动物营养作用的第一份报告,堪称硒研究的第一个里程碑。随后,发现硒能预防家畜、禽中各种与低硒和低维生素 E 有关的疾病,如鸡渗出性素质 (1957)、猪肝坏死和桑葚心(1957和1958)、羊白肌病(1958)等。196年在美国举行了第一届生物和医学中硒的国际讨论会(The 1st International Symposium on Selenium in Biology and Medicine,以下简称国际硒会) ,提出了硒是动物必需的营养素。不久,新西兰、澳大利亚、芬兰、 加拿大、英国和美国等在农牧业中广泛采用各种补硒措施(饲料中添加硒的范围是 0.1~0.5 mg/kg), 得到了极大的经济收益。1973 年 WHO 专家委员会按当时的判别标准,将包括硒在内的 14 种微量元素确定为动物所必需的,并提出了它们的日摄入量范围,但当时并没有明确硒是否为人体所必需。

1973 年美国 Rotruck 和 Hoekstra 等和德国 Flohé 等在两个实验室里分别发现硒是谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)的必需组分,从而揭示了硒的第一个生物活性形式,被誉为硒研究的第二个里程碑。1975 年 Awasthi 等分离纯化了人红细胞 GPX,从构成人体生物活性物质角度证明了它的必需性。1979 年中国发表补硒可有效预防克山病,奠定了硒是人体必需微量元素的基础,被誉为硒研究的第三个里程碑。

中国在硒营养研究方面重要的国际贡献
2.1补硒有效预防克山病的研究成果,为确认硒是人体必需微量元素奠定了基础
20 世纪 60 年代我国从东北到西南的许多农村里暴发流行发病率和死亡率极高的克山病(一种以多发性灶状心肌坏死为主要病变的地方性心肌病)。哈尔滨医科大学于维汉教授提出克山病发病可能与营养有关,并与中国医学科学院营养工作者联系,于1968 年开始介入克山病病因和防治的研究。

在克山病病区的家畜中常患有白肌病,畜牧兽医界常用硒防治。受此启发,1974~1977 年中国医学科学院防治克山病工作组在四川省冕宁县进行了大规模口服亚硒酸钠预防克山病效果的严格双盲试验。观察服硒人数达 3.66 万,其发病率由服硒前的 13.6/10 万,逐年降到 2.2、1.0、0.3、0/10 万, 得到了补硒可有效预防克山病的肯定效果。西安医学院克山病研究室在陕西也进行了类似的预防试验,并得到同样的效果。1977 年向全国推广用硒片、硒盐、施硒肥等作预防措施,使克山病发病率明显下降。1984 年北方 11 省的发病率仅为1.7/10 万。之后,全国再未见暴发流行。

1980 年在美国举行的第二届国际硒会上,杨光圻教授代表中国报告了硒与克山病关系的研究成果。为此,在 1984 年北京举行的第三届国际硒会上,中国医学科学院防治克山病工作组和西安医学院克山病研究室荣获了国际生物无机化学家协会1984 年度 Schwarz 奖。此研究成果也确立了硒是人体必需微量元素的地位。1973年 FAO/IAEA/WHO 联合组织人体营养专家委员会(杨光圻教授是委员之一), 明确了必需微量元素的定义,即该元素的摄入量减少到低于某一限值,会导致同一种重要生理功能的 损伤;或该元素是机体内生物活性物质有机结构的必需组分。还强调,如一种元素对动物或人都必需, 要分别证明其作用。基于以上定义和研究依据,专家委员会于 1990 年将硒明确地列入“人体必需微量 元素”,并于 1996 年公布。

2.2中国人体地方性硒中毒的发现,使制定人体硒最大安全摄入量(ul)研究成为可能。
尽管 1936~1940 年 Smith 等在美国,1972~1976 年 Jaffe 等在委内瑞拉观察到一些临床症状, 但都未能证实这些症状是由硒中毒引起的。

1959~1964 年湖北恩施地区暴发流行原因不明的脱发脱甲症,最严重的村庄发病率高达 82.6%,牲畜也中毒死亡。中国医学科学院杨光圻工作组经调查研究,发现牲畜和病人的症状与美国报告的硒中毒很相似。后在病区用玉米喂养大鼠,观察到典型的硒中毒症状和大片肝坏死,以及含砷饮水对玉米毒性的拮抗作用。硒含量测定发现各样品均含大量硒,如有一份玉米硒含量竟高达 44mg/kg(计算摄入的硒量相当于 38 mg/d,3~4 d 内头发全部脱落),从而证明了致病原因确实是硒中毒。调查发现, 当地村民有用石煤火熏土作底肥的习惯,而石煤硒含量高达 13.2~1332 mg/kg,从而造成土壤严重的硒污染,作物硒含量也随之增加,导致人畜硒中毒。1980 年报告陕西紫阳县石煤含硒高达 5.66~32 mg/kg,也有人畜硒中毒发生。由此发现了湖北恩施和陕西紫阳地区是世界上的高硒地区。

之后,杨光圻工作组继续对病区硒中毒病人临床症状进行了细致的观察分析。按头发、指甲脱落以及神经系统等症状严重程度,将急性硒中毒病人分为轻症、重症、严重中毒等三种类型。又按指甲受损等症状严重程度将慢性硒中毒病人区分为(++)和(+)不同病变阶段。同时测定了各类病人的全血硒、血浆硒、尿硒以及外环境硒,得到了迄今唯一的最详尽的人体硒中毒临床症状和内外硒环境的科学资料,有了天然高硒状态人群作为受试对象,使人体硒最大安全摄入量研究成为可能。

2.3人体硒需要量和安全摄入量研究,为各国制定硒的膳食参考摄入量(DRls)提供可信的依据。
1982~1992 年中国预防医学科学院杨光圻工作组在低硒的四川克山病区和高硒的湖北恩施地区 进行了硒的需要量和安全量研究,得到避免发生克山病的膳食硒最低需要量为 17 μg/d 或0.30 μg/(kg·d),使血浆谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)达到饱和的膳食硒生理需要量为41 μg/d 或     0.68 μg/(kg·d)。膳食硒最高安全摄入量为400 μg/d 或 7 μg/(kg·d)。膳食硒的平均最低毒副反 应水平(Lowest observed adverse effect level,LOAEL)为(1271±454)μg/d 或(23±8)μg/(kg·d); 敏感个体的 LOAEL 为 900 μg/d 或 17μg/(kg·d)。膳食硒的平均无毒副反应水平(NOAEL)为(819± 126)μg/d 或(15±2)μg/(kg·d);敏感个体的平均NOAEL为600 μg/d 或 11 μg/(kg·d),也即硒 的个体最高安全摄入量[6]。此研究成果获得1992 年国家科技进步二等奖。

新西兰也是硒水平较低的国家,1995 年也曾进行过人体硒需要量研究,但因受试者的起始硒水平较高(膳食硒约为 29 μg/d,血浆硒约 65 ng/ml,血浆 GPX 活性已达 2/3 饱和)导致补硒后变化不明显而未能得到较确切的数据。而我国进行的硒需要量实验,受试者的起始硒水平很低(膳食硒约11 μg/d,血浆硒仅约 23 ng/ml,血浆 GPX 活性仅为正常的 20%~30%),故可得到较可信的上述硒需 要量数据。鉴于我国同时存在世界上硒水平最低和最高的地区,故为硒需要量与安全量研究提供了天然研究对象。所得数据也成为世界各国营养学界制订 RDA 或 DRIs 的参考依据。

随着硒基础研究的深入,发现血浆硒蛋白 P(SEPP1)也是评价硒营养状态的有用指标。2007 年在四川克山病区再次进行的硒需要量研究,血浆 GPX 达到饱和的硒需要量为 35 μg/d,而使血浆 SEPP1达到饱和的硒需要量为 49 μg/d(58 kg bw)。结论认为,血浆SEPP1经体重和个体变异等因素适当调节后,可作为今后人体硒营养状态及测定人体硒需要量和修订 DRIs 的最佳指标。

中国硒营养的基础研究和应用研究
3.1硒营养状态评价方法的建立和应用
3.1.1 生物材料中微量硒的测定:中国医学科学院防治克山病工作组与北京化工厂合作合成了 2,3二氨基萘(2,3-diaminonaphthalene)试剂,于 1972 年在国内首先建立了生物材料中微量硒的荧光测 定方法[8]。得到了划分克山病病区和非病区的血、发、粮硒含量的界限值,即全血硒、发硒和主粮硒 分别低于 20、120 和10 ng/g 的样品均来自克山病区,而分别高于 50、200 和 20 ng/g 的样品来自于 非病区。这些数值可作为评判人体硒缺乏危险性的参考值。

测定方法推广后,地学工作者从地质、地貌、水土作物、人畜毛发等生态物质硒含量等方面,确 定了从我国东北到西南涵盖 15 个省和自治区的低硒地带与克山病分布一致;并汇编入《中华人民共和 国地方病和环境图集》。农业部门,也进行了青饲料、土壤等硒含量分析,绘制了《中国饲料、牧草中 含硒量分布图》,再证实了我国存在一个生态环境低硒地带。

此微量硒的荧光测定方法已收录入历次《食品中硒的测定》国家标准(GB 12399-1990、GB/T 12399-1996、GB/T 5009.93-2003)中。1996年起的国标中增加了氢化物原子荧光光谱法。目前已报道 还有很多其他测微量硒的方法,如原子吸收法、中子活化法和质谱法等。

3.1.2 膳食硒摄入量的测定:膳食硒摄入量不宜使用食物成分表中的数值来计算,只能用当地各种食 物或份饭硒含量的实际测定值来计算。在上述人体硒需要量和安全摄入量范围研究中,就是用实际测 定值计算得到最接近真实的硒摄入量。

中国预防医学科学院杨光圻工作组,测定了人体全血、血浆、尿、头发、指甲、趾甲、奶中硒含量,以及膳食硒摄入量,得到各个参数间的相关回归公式。经其他实验验证,用全血硒的对数相 关回归公式:Log 膳食硒摄入量(μg/d) = 1.304 Log 全血硒(mg/L) + 2.931 计算得到的硒摄入量与膳食调查方法得到的硒摄入量最接近。这样就可避免了测定当地食物或份饭硒含量的困难。

3.1.3 硒蛋白(selenoprotein)测定:自 1973 年发现 GPX 是含硒酶以来,迄今在人体中已鉴别出 25 种硒蛋白(由 mRNA 上的三联密码子 UGA 编码 Sec 参入的蛋白质称为“硒蛋白”)。目前认为只有硒蛋 白具有生物学功能。因此,测定硒蛋白含量或活性或其 mRNA 表达是评价硒营养状态的可信指标。大部 分硒蛋白分布在各组织细胞内,故只能用血液或个别病理组织作测定样品。中国医学科学院防治克山 病工作组于 1975 建立了人体血中 GPX 活性测定方法[11],并在四川、山东省病区和非病区做了 463 份血样测定,结果表明,所调查人群 GPX 活力与血硒或发硒呈明显正相关。因此测定 GPX 活性已成为克山病发病机制和其他疾病预防研究用得最多的指标。此外,GPX中的硒只占血浆硒的30%、约65%在SEPP1 中,因此,测定血浆 SEPP1 或其mRNA 的表达可作为评价硒营养状态和测定硒需要量的最佳指标。

3.2硒营养状态与人体健康关系研究
在 20 世纪 60~90 年代,通过补硒能有效预防克山病新发,但不能有效控制大骨节病新发(可以 缓解一些症状),学术界较一致认为人体硒缺乏是克山病发病的基本因素,而低硒是大骨节病发生的环 境因素之一。

20 世纪 80 年代人体硒营养状态与其他疾病的关系引起关注。由于硒(硒蛋白)具有抗氧化、提 高免疫力和甲状腺激素调节等功能,以及对病毒毒性的影响等作用,使硒预防(癌症、心血管病、病 毒性疾病等)疾病及其机制研究成为热点。与之相应的富硒产品和硒制剂也应运而生。

这一时期有两项规模较大的人体流行病学硒干预研究:一是,1984~1990 年在我国江苏省启东县 肝癌高发区进行的六年补硒(含亚硒酸钠 15mg/kg 食盐)干预试验,结果表明,肝癌发病率由补硒前的 52.84/105 显著下降到补硒后的 34.49/105;二是,1985~1991 年河南省林县进行了近 3 万人的双盲干预试验,结果发现,同时补充β-胡萝卜素(15mg)、硒酵母(50μg 硒)和维生素 E(30mg)组总 死亡率下降 9%,总癌死亡率下降 13%,胃癌死亡率下降 20%,但对食道癌无效。

对其他疾病的补硒效果观察,除了较多的动物实验研究外,涉及临床观察的疾病有癌症(如肝癌、 肺癌、胃癌、鼻咽癌、乳腺癌、血液肿瘤等);心血管疾病(如:高血脂、冠心病等)内分泌疾病(如 糖尿病等);病毒性疾病(如肝炎、艾滋病、流行性出血热、急性下呼吸道病毒感染等);炎症(如 肺炎、肾病、类风湿性关节炎等);以及白内障等。另外,由于硒可拮抗许多元素(铅、镉、汞、砷、 镍、银等)的毒性,临床上报告补硒可减轻癌症病人顺铂化疗的毒副作用。

这些临床观察结果,虽然还不能得到确切结论,但大多数都是患者硒水平低于健康对照,补硒有 一定改善效果。其“广谱性”可能是由于这些疾病的发病过程无不与活性氧自由基有关,而补硒所发 挥抗氧化、提高免疫力、调节甲状腺激素,以及影响病毒毒性等功能,恰起到阻断病程作用。因此, 硒的作用可能不在于治疗疾病,而在于预防疾病。

3.3提高硒营养状态的措施研究
为了增强机体防病能力,提高硒营养状态是有效途径之一。由于人体硒需要量和安全量范围较窄 (40~400μg/d),故所采用的硒剂量应极为慎重。高效低毒的制剂和产品是我们最期望的。

3.3.1 硒制剂:从化学上可分为无机硒和有机硒二大类。无机硒主要是指亚硒酸钠、硒酸钠和纳米硒。 有机硒主要是指硒蛋氨酸、硒多糖等。这些单一化合物可直接制成片剂或胶囊。

3.3.2 富硒产品:因考虑通过食物补硒相对安全,所以通过施硒肥、硒培养基或提取工艺等措施得到 含有不同硒化物的各种富硒食品或产品。已见报道的有富硒酵母、富硒茶、富硒麦芽、富硒蒜、富硒大米、富硒蛋、富硒苹果、富硒蘑菇、富硒灵芝、富硒猴头菌、富硒姬松茸、富硒藻类、富硒蛹虫草、 富硒干菜、富硒啤酒、大豆硒蛋白、豌豆硒蛋白、烟叶硒蛋白、水稻硒蛋白、富硒茶色素等。有的已批准上市,有的还在研发阶段。

3.4近年的实验室研究基础
由于硒的生物学功能主要由硒蛋白发挥,因此硒蛋白的结构和功能研究,以及探寻新硒蛋白成为基础研究的热点。我国学者在这方面也进行了一些前沿研究。

3.4.1 硒蛋白 PSEPP1)在病变组织中的表达:2004 年中国医学科学院肿瘤研究所分子肿瘤学国家重点实验室及合作者在国内首次制备了特异性较高的兔抗人SEPP1 抗体,它可识别血清中天然的 SEPP1, 与细菌成分及血清中其他蛋白均无交叉反应,为检测 SEPP1 奠定了方法学基础。为了解与癌症的关 系,研究人员分别进行了SEPP1 在人肝癌、胃癌、结肠癌、大肠癌组织中的表达。西安交通大学第一医院肿瘤内科和第四军医大学基础部病理学教研室制备了人 SEPP1 的 cDNA 探针,比较了肝癌、肝硬化 患者和事故死亡正常人 SEPP1 的mRNA 在肝细胞中表达。检测结果显示 SEPP1 和 SEPP1 的 mRNA 在癌组织中的表达降低,提示其可能在癌症的发生、发展过程中起重要作用。

3.4.2 硒蛋白SSelS)功能研究:硒蛋白S是2003年从人类基因组中发现的一种新硒蛋白,广泛分布 在肝脏、骨骼肌、脂肪、下丘脑等组织中,主要位于细胞膜内质网上。它可保护细胞拮抗氧化损伤及 内质网应激诱导的细胞凋亡;参与脂蛋白代谢、精子发育、炎症反应及将错误折叠蛋白从内质网腔逆 向转移到细胞质中然后降解。硒蛋白S基因多态性与糖尿病、冠心病或先兆子痫等密切相关。

2008年华中科技大学化学系报告,SelS在炎症反应中的重要作用可能与它的抗氧化功能和作为内 质网相关蛋白质降解的逆向转运通道的一个重要组成部分密切相关。同年,大连理工大学和大连医科大学报告,SelS 可能作为血清淀粉样蛋白A (serum amyloid A,SAA)的受体参与中国人群Ⅱ型糖尿 病的胰岛素抵抗的发病过程,因而它在Ⅱ型糖尿病和动脉粥样硬化的发生发展中起着一定的作用。

3.4.3 硒蛋白 KSelK)在心脏的表达:硒蛋白 K 也是 2003 年从人类基因组中发现的新的硒蛋白,生 物学功能还不清楚。2006 年中国医学科学院基础医学所报告:SelK 位于细胞膜内质网上,在测定的人 体 8 个组织中,在心脏表达最高,提示它在心肌中起抗氧化作用,与细胞氧化还原平衡调节有关。

3.4.4 硒蛋白生物信息学:深圳大学生命科学学院在真核生物硒蛋白的预测领域进行了研究。如开发了一种对已注释基因信息进行修正、从物种基因组中预测硒蛋白基因的方法,与已报道的结果相比, 其预测准确率达100%;通过生物信息学手段获得了一种家蚕新硒蛋白。

3.4.5 硒酶仿生化合物(selenoenzyme mimics):蛋白模拟化合物的研究为探索硒在硒蛋白中的结构 和功能关系,以及寻找高效低毒硒化合物药提供了一条有效途径。由于 GPX重要的抗氧化作用以及潜 在的药用价值, 国际上广泛开展了对它的人工模拟研究。近年来,吉林大学硒酶研究小组用GPX 的化学模拟方法合成了一系列有机硒或有机碲的环糊精衍生物作为GPX 模型,包括具有Ebselen (一种有 机硒杂环化合物)基团的有机硒环糊精;用化学修饰蛋白质模拟硒酶方法将天然酶改造为含硒酶、设计含硒生物印迹酶和含硒抗体酶;用基因工程方法转化蛋白质为含硒酶。

硒蛋白模拟物在理解硒酶的生化作用中起着非常重要的作用。硒蛋白模拟物在从抗氧化剂到抗癌 及抗滤过性病原体等范围具有治疗潜能。可以预见, 高活性的含硒抗体酶和稳定性好的环糊精硒酶模型具有优良的药用开发前景。

结语
中国的硒营养研究曾经辉煌,走在国际前沿。我国荣获 1984 年第三届和 1996 年第六届国际硒会举办权,许多中国学者参会交流,是硒研究的顶峰时期。遗憾的是,之后中国虽然仍保有国际硒会组委会委员位置,但参会人数寥寥无几,似乎没有较有份量的内容在会上交流。相对于国外研究进展, 我们国内仅有限的几所院校和研究单位从事较深入的硒基础研究。

对于一个与人体健康密切相关的微量元素硒,我们对它的现有认识,只能算是已揭开了一层令人兴奋的面纱,距全面破解还为之甚远,许多有待今后探讨,如还有许多硒蛋白及其功能有待继续探索; 其表达和调控细节还不清楚;硒防病的作用机制还有待证实等等。科学工作者的使命就是不断求索,使硒在抵御疾病,保证人体健康中更有效地发挥作用。希望今后我国在硒研究方面能再攀高峰。
 

[20 世纪 80 年代至 21 世纪初,国外在硒的基础研究方面有了很大的进展:1982 年发现第二个含硒酶(GPX4 或 PHGPX);1986 年发现蛋白质合成时通常为终端密码子的 TGA(在 mRNA 上为 UGA)同时也是硒半胱氨酸的密码子,由此确立了硒半胱氨酸(Sec)是第 21 个遗传编码氨基酸地位;1987 年清楚解释了大肠杆菌(原核生物)中硒半胱氨酸共翻译参入硒蛋白的合成途径,为动物体内硒蛋白表达和调节研究打下基础;1987 年发现血浆 GPX(GPX3)是与 1973 年报告的细胞内 GPX(GPX1)不同的含硒酶;1990 年证明 I型脱碘酶(ID-1)是含硒酶,为硒开辟了非抗氧化功能途径,也为硒和碘在克山病和碘缺乏病发病中的作用提供了联系基础。之后硒蛋白不断发现:GPX2(1993)、ID-1I 和 ID-1II(1995)、硫氧还蛋白还原酶(TR,1996)、硒代磷酸盐合成酶 2(SPS2,1996)…。随着分子生物学技术发展,应用基因工程和生物信息学技术,发现了越来越多的硒蛋白,至 2003 年人体硒蛋白已发现有 25 个,已形成了硒蛋白组学、硒蛋白基因组学。基因剔除模型的建立有力地推动了硒蛋白功能探讨。在此期间的 1995 年 Beck M 等发现非致病良性柯萨奇病毒在低硒小鼠体内发生基因突变而成致病病毒,而在适硒小鼠体内无此变化,这是宿主硒营养状态对病原体遗传影响的第一次报告。如果硒对其他 RNA 病毒(如脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒、流感病毒、艾滋病病毒)也有类似影响,那么硒对公共健康的影响将会相当重要。
 

历届“生物学和医学中的硒”国际研讨会
The Symposium on Selenium in Biology and Medicine
第 1 届 1966  美国 Corvallis  主席 Muth OH(美)、Oldfield JE(美)
第 2 届 1980  美国 Lubbock    主席 Martin JL(美)、Oldfield JE(美)、Spallolz J(美)
第 3 届 1984  中国 北京       主席 Combs Jr GF(美)、金大勋参加组委会
第 4 届 1988  西德 Tubingen   主席 Wendel A(德)、陈君石参加组委会
第 5 届 1992  美国 Nashville  主席 Burk RF(美)、陈君石参加组委会、陈君石、夏弈明大会报告
第 6 届 1996  中国 北京       主席 陈君石(中)、陈君石、夏弈明参加组委会,夏弈明任秘书长
第 7 届 2000  意大利 Venice   主席 Ursini F(意)、夏弈明参加组委会,夏弈明大会报告
第 8 届 2006  美国 Madison    主席 Sunde RA(美)、夏弈明参加组委会,夏弈明、刘琼大会报告
第 9 届 2010  日本 Kyoto      主席 Esaki N(日)、夏弈明参加组委会,夏弈明、黄开勋大会报告

本文来源于《营养学报》2011年04期,如有侵权,请联系我们删除。

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