《Bioactive Materials》：Selenotrisulfide delivery restores redox balance in myocardial infarction via a thiol-exchange reaction
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为解决心肌梗死后氧化应激加剧、传统硒补充剂靶向性差和局部生物利用度低等问题，研究人员开发了新型硒补充剂硒代三硫化物（STS）。研究表明，STS可通过与蛋白半胱氨酸残基发生硫醇交换反应，原位提升心肌硒含量并恢复硒蛋白样活性，从而有效清除活性氧、调控免疫反应、改善糖脂代谢并增强心脏收缩功能。此工作为心肌梗死等氧化应激相关疾病的精准治疗提供了新策略。
在人体内，有一类至关重要的蛋白质——硒蛋白。它们像勤劳的“抗氧化卫士”，在维护心脏健康、抵抗氧化损伤、调节免疫等方面扮演着关键角色。这些“卫士”的核心战斗力，来源于其活性中心的硒元素。然而，当心脏遭遇心肌梗死（MI）这样的重大打击时，缺血缺氧的环境会引发剧烈的氧化应激风暴，产生大量活性氧（ROS）。这场风暴不仅直接损伤心肌细胞，还可能破坏硒蛋白的活性中心，导致“卫士”们战斗力大减，形成恶性循环。更棘手的是，临床上常用的传统硒补充剂，如亚硒酸钠（Na2SeO3）、硒代蛋氨酸（SeMet）等，在应对心梗时常常“力不从心”，存在组织靶向性差、局部生物利用度低、以及无法直接恢复受损硒蛋白活性等问题。那么，有没有一种更聪明、更高效的策略，能够精准地将硒“送货上门”，并就地修复“卫士”们的战斗力，从而打破心梗后的氧化应激困局呢？
近日，发表在《Bioactive Materials》上的一项研究，为我们带来了一个新颖的解决方案。来自浙江大学的研究团队Shifen Li、Beiduo Wang、Weiwei Zheng、Xinman Hu、Liyin Shen、Jun Deng、Yang Zhu、Wenxing Liu和Changyou Gao，巧妙设计并合成了一种名为硒代三硫化物（STS, Pen-S-Se-S-Pen）的新型硒补充剂。它核心的-S-Se-S-结构，使其能够像一把“分子钥匙”，通过一种名为“硫醇交换”的反应，精准地与蛋白质上的半胱氨酸残基（-SH）结合，从而将硒元素“嫁接”到蛋白质上。这种原位“修理工”般的能力，旨在直接提升病变心肌的硒含量，并快速恢复硒蛋白的抗氧化酶活性。研究进一步将STS负载于一种新型两性离子聚氨酯（ZPB）制成的核壳结构纳米纤维贴片中，构建了ZPB@STS心脏贴片，用于实现硒的局部缓释和机械支撑协同治疗。结果表明，STS在体外和体内均表现出远超传统硒补充剂的抗氧化和治疗功效，能有效调节免疫、减少细胞凋亡、改善心肌能量代谢并显著促进心功能恢复。这项工作为心肌梗死及其他硒缺乏相关疾病的治疗提供了全新的思路和强有力的工具。
为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：1. 化学合成与表征：合成了稳定的硒代三硫化物（STS），并通过核磁共振（NMR）、质谱（MALDI-TOF MS）、元素分析等手段确认其结构与纯度。2. 分子相互作用验证：利用液相色谱-质谱联用（LC-MS）和核磁共振技术，在分子水平证实了STS与半胱氨酸（Cys）及牛血清白蛋白（BSA）模型蛋白之间发生了硫醇交换反应，并精确定位了修饰位点。3. 体外细胞功能评估：在H9C2心肌细胞系中，检测了STS的细胞毒性、抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶GPx、硫氧还蛋白还原酶TrxR）活性、细胞内活性氧（ROS）水平及相关硒蛋白基因的表达。4. 大鼠心肌梗死模型体内治疗：构建了大鼠心肌梗死模型，通过静脉注射STS或植入ZPB@STS纳米纤维贴片进行干预，评估了其对心脏局部硒含量、血清学指标、炎症细胞浸润、细胞凋亡、心脏纤维化及心功能（通过超声心动图测量）的影响。5. 蛋白质组学与生物信息学分析：对心肌组织进行蛋白质组学分析，并通过KEGG通路富集、基因集富集分析（GSEA）和加权基因共表达网络分析（WGCNA）等方法，系统揭示了STS对糖脂代谢、炎症通路和心肌收缩相关蛋白网络的调控作用。6. 生物材料制备与表征：设计合成了一种新型两性离子聚氨酯（ZPB），并通过静电纺丝技术制备了负载STS的核壳结构纳米纤维贴片（ZPB@STS），对其形貌、力学性能、药物释放行为及生物相容性进行了全面表征。
2.1. STS的制备与表征
研究人员成功合成了化学结构稳定的硒代三硫化物（STS）。通过一系列光谱学表征（1H NMR, 13C NMR, DEPT-135 NMR, MALDI-TOF MS）和元素分析，确认了STS的化学结构为Pen-S-Se-S-Pen，分子量为376.01，并观察到了其针状多晶结构。
2.2. STS的硫醇交换反应
研究证实了STS的核心机制——硫醇交换反应。STS能与模型小分子半胱氨酸（Cys）快速发生反应，1H NMR和77Se NMR谱图清晰地显示了反应后特征峰的位移和新产物的生成。更重要的是，STS能与蛋白质的游离巯基发生类似反应。与心脏组织裂解液孵育后，硒含量显著升高而总巯基含量下降。与传统硒补充剂（Na2SeO3, SeMet, (Sec)2）相比，只有STS能显著提升反应体系中的硒含量。利用牛血清白蛋白（BSA）作为模型蛋白，LC-MS/MS分析精准定位到STS在BSA第288和312位半胱氨酸残基上发生了修饰，质量数增加了226.95，与理论值相符。令人惊喜的是，经STS修饰后的BSA表现出了谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）样活性，而提前用碘乙酰胺（IAA）封闭巯基的BSA则失去了该活性，证明了STS可通过赋予蛋白新的硒催化中心来恢复其抗氧化功能。
2.3. STS的体外抗氧化作用
STS展现出强大的自由基清除能力，能有效清除ABTS+、羟基自由基（OH•）和DPPH自由基。在细胞水平，STS在无明显毒性的浓度下，能显著提升经H2O2刺激的H9C2心肌细胞内GPx、TrxR、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，并上调多种硒蛋白（如GPx家族、SelW、SelT、SelK）的基因表达。相应地，STS处理组的细胞内活性氧（ROS）水平最低，表明其通过原位提升硒酶活性发挥了显著的抗氧化潜力。
2.4. STS的体内修复作用
在大鼠心肌梗死模型中，静脉注射STS能剂量依赖性地提高梗死心肌局部和血清中的硒含量。与传统硒补充剂相比，STS在提升硒含量、增强GPx样、TrxR样和SOD酶活性方面效果最为显著。STS治疗能最有效地抑制促炎M1型巨噬细胞浸润、促进抗炎M2型巨噬细胞极化，降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）表达，提高白细胞介素-10（IL-10）水平，从而最大程度地减少心肌细胞凋亡。蛋白质组学分析进一步揭示，STS能特异性上调与糖酵解/糖异生、碳代谢、脂肪酸代谢等能量代谢通路相关的蛋白，同时显著抑制NOD样受体（NLR）信号通路，这可能通过减少炎症小体（inflammasome）形成来保护心肌。此外，STS治疗组中心肌收缩相关蛋白（如Actc1, Desmin, Vimentin, Myh6）的表达上调，与最佳的心脏收缩功能恢复结果一致。
2.5. ZPB@STS贴片的增强修复作用
为实现硒的局部持续补充和机械支撑，研究团队制备了一种核壳结构的纳米纤维贴片（ZPB@STS）。该贴片以新型两性离子聚氨酯（ZPB）为壳，STS为核，具有良好的力学性能、水响应形状记忆特性和生物相容性。STS能在72小时内从贴片中持续释放，与心梗后急性炎症期相匹配。体内实验表明，单次植入ZPB@STS贴片在提升局部硒含量、血清硒水平和GPx酶活性方面，优于单次静脉注射STS。在28天的长期治疗中，ZPB@STS贴片展现出最佳的协同治疗效果：不仅通过STS的抗氧化作用调节炎症和代谢，还通过弹性聚氨酯纤维的机械支撑作用，有效限制左心室扩张、减少纤维化面积、增加左室壁厚度，从而综合改善心功能（左室射血分数LVEF、左室短轴缩短率LVFS等）。
研究结论与意义
本研究成功开发了一种基于硫醇交换反应机制的新型硒补充剂——硒代三硫化物（STS）。它能够像“分子手术刀”一样，精准地与蛋白质半胱氨酸残基反应，原位构建硒催化中心，从而高效提升心肌梗死区域的硒含量并恢复硒蛋白的抗氧化酶活性。与传统的无机或有机硒补充剂相比，STS在促进硒吸收、清除活性氧、调节免疫炎症（抑制M1巨噬细胞、促进M2巨噬细胞）、抑制细胞凋亡、改善糖脂能量代谢以及增强心肌收缩功能方面，均表现出显著优势。其核心机制在于独特的-S-Se-S-结构介导的高效硫醇交换反应，这为硒的靶向递送和活性原位修复提供了全新范式。
更重要的是，研究将STS与先进的生物材料相结合，构建了具有核壳结构的ZPB@STS纳米纤维心脏贴片。该贴片不仅实现了STS在病灶部位的智能缓释，延长了治疗窗口，其自身提供的力学支撑还与STS的生化调控作用产生了“1+1>2”的协同效应，共同促进了心脏的结构与功能修复。这项工作从根本上克服了传统硒补充策略靶向性差、局部生物利用度低、无法直接修复受损蛋白活性的局限，开创了“原位硒补充”治疗新策略。
该研究的成功，不仅为心肌梗死这一重大心血管疾病的治疗提供了具有高转化潜力的新方法，其基于硫醇交换的精准硒补充理念，也有望扩展到其他与氧化应激、硒缺乏相关的疾病治疗中，如神经退行性疾病、炎症性疾病等，具有广泛的科学意义和临床应用前景。
