《Redox Report》：XFM and HERFD-XAS studies of selenium in tissues and whole blood from mice supplemented with potentially therapeutic selenocompounds
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这篇综述聚焦于两种新兴的硒营养补充剂和治疗剂——硒纳米颗粒（SeNPs）与硒代烯氨酸（SeN），系统探讨了其在生物体内的利用差异。研究采用同步辐射X射线荧光显微镜（XFM）和高能量分辨荧光检测X射线吸收谱（HERFD-XAS）技术，直观对比了补充不同硒形态后，小鼠肝脏、肾脏及睾丸组织中硒元素的分布和化学种态变化。核心发现揭示了SeN能被高效吸收并以还原形式广泛累积于各组织及血液，而SeNPs则显示较低的生物可利用度。这些发现不仅为开发高效、安全的硒补充剂提供了重要的化学形态依据，也为理解不同硒化合物的体内行为提供了创新的技术视角和评估范式。
1. 引言
1.1 硒与人体健康
硒是维持人体健康所必需的微量元素，在哺乳动物体内参与多种关键生物学功能，包括调节细胞氧化还原化学、发挥抗氧化自由基清除活性以及甲状腺激素的调控。这些功能主要通过硒蛋白来执行，例如谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）、硫氧还蛋白还原酶（TrxRs）和碘甲腺原氨酸脱碘酶，它们均以硒代半胱氨酸（SeCys或Sec，即第21种氨基酸）的形式整合硒元素。硒摄入量的理想窗口狭窄且呈抛物线型，过量或不足都会导致不良健康后果。食物中的硒主要以无机形式（亚硒酸盐Se（IV）和硒酸盐Se（VI））和有机形式（如硒代半胱氨酸、硒-甲基硒代半胱氨酸MeSeCys和硒代蛋氨酸SeMet）存在。全球范围内，由于土壤硒含量的巨大差异，导致作物和食物链中的硒含量波动很大。
1.2 作为营养补充剂和治疗剂的元素硒
硒纳米颗粒因其相较于亚硒酸盐、硒代蛋氨酸和硒-甲基硒代半胱氨酸等硒化合物更低的急性毒性，而成为有前景的膳食硒补充剂。研究表明，硒纳米颗粒可以通过上调包括硒蛋白（GPxs和TrxRs）在内的抗氧化酶活性来有效缓解小鼠的氧化应激。此外，硒纳米颗粒还被探索作为化学预防和化疗剂、抗菌剂以及重金属解毒剂。牛血清白蛋白（BSA）涂层被证明可有效调节纳米颗粒的聚集，并生成尺寸可调的硒涂层纳米颗粒。
1.3 硒代烯氨酸的发现及其潜在治疗特性
硒代烯氨酸是一种天然存在的有机硒形式，最初于2010年在蓝鳍金枪鱼的血液中发现。它是麦角硫因（ET）的硒类似物，后者是一种主要存在于蘑菇、发酵食品、豆类和燕麦中的硫代组氨酸衍生物。初步测定显示，硒代烯氨酸具有与麦角硫因相当的强大自由基清除能力。研究还发现其与甲基汞（MeHg）的解毒作用存在潜在关联，并已在小鼠体内检测到其甲基化代谢物硒-甲基硒代烯氨酸（MeSeN）。然而，硒代烯氨酸在体内的生物活性仍有待充分探索。
1.4 评估补充硒纳米颗粒和硒代烯氨酸后动物体内的分布和硒种态
本研究旨在利用同步辐射X射线技术，评估硒纳米颗粒和硒代烯氨酸在小鼠体内的原位命运。这两种硒强化饲料被设计为提供超营养剂量的硒，低于硒纳米颗粒的半数致死量（LD50），并且硒代烯氨酸的浓度远低于其硫类似物麦角硫因的LD50值。通过XFM技术评估硒在肾脏、肝脏和睾丸组织中的分布，并通过Se Kα1HERFD-XAS光谱阐明这些组织及全血中硒的化学种态组成。
2. 材料与方法
2.1 硒化合物的制备
硒代烯氨酸依照文献报道的方法合成，所有光谱数据均与文献匹配。BSA包覆的硒纳米颗粒通过一锅法合成，使用抗坏血酸还原亚硒酸钠，并在BSA存在下稳定，最终通过离心和冻干获得暗红色粉末。通过透射电子显微镜对硒纳米颗粒进行表征，确认其平均直径。
2.2 硒强化饲料的制备
将合成的硒纳米颗粒或硒代烯氨酸与基础饲料粉末逐步混合、稀释，最终制成分别含有10毫克硒/公斤（以硒纳米颗粒形式）和5毫克硒/公斤（以硒代烯氨酸形式）的饲料。通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）评估饲料中硒分布的均匀性。将粉末与超纯水混合制成面团，再压成颗粒，干燥后储存备用。
2.3 啮齿动物喂养试验
使用雄性C57BL/6J小鼠，随机分为三组，分别喂食对照饲料、硒纳米颗粒强化饲料和硒代烯氨酸强化饲料，持续三周。在整个喂养试验期间监测小鼠体重和饲料消耗量，未观察到显著的不良健康影响。
2.4 血液与器官采集
喂养期结束后，通过心脏穿刺采集血液，并采集肾脏、肝脏和睾丸组织，立即冷冻储存以备后续分析。
2.5 X射线荧光显微镜分析
将冷冻的组织切片（25微米厚）安装在硅氮化物窗口上。在澳大利亚同步辐射中心的XFM光束线站上，使用15.8 keV的入射能量和~2微米 x 2微米的聚焦光束，以飞扫模式收集元素分布图。使用GeoPIXE软件对数据进行定量分析，生成以面密度（ng/cm2）为单位的元素分布图。使用Fiji ImageJ软件选取感兴趣区域进行统计分析，比较不同饮食组间各元素的平均浓度差异。
2.6 X射线吸收光谱分析
在斯坦福同步辐射光源的束线15-2进行Se Kα1HERFD-XAS实验。样品为冷冻的组织块和全血，使用液氦低温恒温器在~10 K下测量。通过线性组合分析X射线吸收近边结构（XANES）光谱，使用已知的硒模型化合物谱图来估算样品中硒物种的组成。
3. 结果
3.1 补充剂对组织总硒含量和分布的影响
3.1.1 肾脏
喂食硒纳米颗粒饲料的小鼠肾脏中硒的分布与对照组相当，但肾小管区域（尤其是肾皮质）的硒浓度略有升高。相比之下，喂食硒代烯氨酸饲料的小鼠在所有分析组织中硒含量均显著升高，在肾脏中尤为明显，但硒与铜的共定位现象（此前在亚硒酸盐处理组中观察到）并未出现。统计学分析证实，硒代烯氨酸组的肾皮质和髓质区域的硒平均浓度均显著高于对照组和硒纳米颗粒组。
3.1.2 肝脏
硒纳米颗粒组小鼠肝脏中的硒浓度和分布与对照组相似。而硒代烯氨酸组小鼠肝脏中的硒信号则显著增强。在所有饮食组中，硒在肝小叶内的分布均匀，未在门静脉（高Fe密度区）或中央静脉（低Fe密度区）区域观察到局部富集。统计分析显示，硒代烯氨酸组整个肝右中叶区域以及门静脉和中央静脉感兴趣区域的硒平均浓度均显著升高。
3.1.3 睾丸
在对照组和硒纳米颗粒组小鼠的睾丸中，硒的浓度和分布相同，主要定位于生精小管内部。在硒代烯氨酸组小鼠的睾丸中，硒含量显著升高，并且在组织中的分布更为弥散均匀。统计分析证实了硒代烯氨酸组中总睾丸区域、生精小管区域和间质组织区域的硒浓度均显著高于其他两组。
3.2 补充剂对小鼠组织和全血中硒种态的影响
Se Kα1HERFD-XAS光谱分析表明，喂食硒纳米颗粒饲料的小鼠各组织及全血的光谱与对照组几乎一致。相比之下，喂食硒代烯氨酸饲料的小鼠，其肾脏、全血、肝脏和睾丸的光谱彼此相似，但与对照组和硒纳米颗粒组有显著差异。
线性组合拟合分析揭示：
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对于对照组和硒纳米颗粒组，组织中的硒种态主要由硒代蛋氨酸、去质子化硒代半胱氨酸和一种推测的金属（II）-硒化物代谢物（CuSe）组成，并含有少量亚硒酸盐和元素硒。硒纳米颗粒组的全血和肝脏中，元素硒的拟合比例略有增加。
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对于硒代烯氨酸组，各组织及全血光谱的最佳拟合主要成分是还原形式的硒代烯氨酸（Se=C(NR2)2），占比高达60-74%。饲料分析显示其中同时存在还原态和氧化态（二聚体形式）的硒代烯氨酸，比例约为1:1。而组织拟合结果显示，氧化态硒代烯氨酸的含量很少或不存在，这表明饲料中的氧化态硒代烯氨酸可能在体内被有效还原。
4. 讨论
4.1 硒纳米颗粒的生物利用度、稳定性和代谢
本研究的结果与一些早期研究有所出入，那些研究报道了较小尺寸的BSA包覆硒纳米颗粒能显著增加肝脏和血液中的硒含量。本研究中，膳食补充硒纳米颗粒对组织总硒含量和分布影响甚微，可能的原因包括：1）纳米颗粒在饲料中可能发生聚集或团聚，减少了生物可利用部分（粒径≤100纳米）的比例；2）硒纳米颗粒在胃肠道中被肠道微生物大量消耗，限制了其向组织的吸收效率；3）硒纳米颗粒在体内的吸收和代谢过程缓慢，其释放的硒可能通过生成硒糖等代谢物迅速被排泄。此外，本研究未观察到硒与铜在肾脏皮质的特征性共定位，这表明硒纳米颗粒在体内氧化为亚硒酸盐的过程可以忽略不计或极其缓慢。
4.2 硒代烯氨酸的体内还原和生物累积
光谱数据显示，硒代烯氨酸在小鼠体内主要以还原形式积累。其高pKa值（约10.1）意味着在生理pH下，它主要以硒酮形式存在，这种形式使其具有高氧化还原电位和抵抗自氧化的能力，类似于其硫类似物麦角硫因。这种化学稳定性可能有助于其在各组织和血液中的大量保留。目前尚不清楚硒代烯氨酸是否能作为硒源用于硒蛋白的生物合成。更可能的是，其独特的化学性质使其能够作为小分子直接清除自由基，或通过与血红蛋白和肌红蛋白等蛋白质结合，提供针对铁自氧化的保护。其高效的吸收和积累特性，加上出色的抗氧化潜力，使其成为一种有前途的候选药物，用于对抗与氧化应激相关的病理状况。
