综述：硒纳米颗粒与表观遗传景观：人类与植物健康中的新兴机制

《Health Nanotechnology》：Selenium nanoparticles and the epigenetic landscape: emerging mechanisms in human and plant health

　　

硒（Se）是人类必需微量元素，其膳食推荐摄入量范围狭窄（55–90 μg/天），缺乏可导致骨骼疾病、癌症易感性升高、甲状腺功能障碍及生育力受损等严重健康后果。在植物中，硒虽非必需元素，但可通过增强抗氧化防御缓解非生物胁迫而对植物健康产生积极影响，也可能因活性氧（ROS）水平升高而产生负面效应。硒在高浓度下的固有毒性促使研究人员将其制备为纳米颗粒形式（SeNPs），以获得更佳的安全性特征并实现可控递送。本综述系统梳理了近期关于SeNPs在人与植物系统中调控表观遗传过程的进展。除已确立的对DNA甲基化的影响外，研究表明SeNPs可通过影响特定组蛋白甲基转移酶（HMTs，如EZH2、SETD7和SUV39H2/KMT1B）的表达，以及通过转硫途径改变S-腺苷甲硫氨酸（SAM）/S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）比值，进而调控组蛋白甲基化。SeNPs还可调节谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和硫氧还蛋白还原酶（TrxR）等硒蛋白的表达水平。硒蛋白（不仅限于SeNPs介导的调控）日益被认为是细胞稳态、铁死亡及癌症易感性的关键决定因素。在植物系统中，硒暴露（包括SeNP形式的递送）已开始显现出表观遗传效应，这对生物强化策略和作物改良具有重要意义。受气候变化和人为活动影响，环境中非纳米形式的硒有效性预计将在全球范围内下降，加剧约10亿人口的硒缺乏问题，因此SeNP的补充干预具有重要潜在价值。高能量分辨率荧光检测X射线吸收光谱（HERFD-XAS）和纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）等先进分析技术被证实为解析生物系统中硒分子景观、追踪SeNPs命运不可或缺的工具。SeNPs代表了一种多功能健康纳米技术平台，能够在降低硒系统性毒性的同时，调控与癌症预防、硒蛋白调节和植物生物强化相关的关键表观遗传机制。充分阐明这一独特生物元素在健康与疾病中的作用，需要采用多模态分析策略。

背景

硒作为重要微量元素，在人类营养学中属于必需微量营养素，其膳食摄入窗口极为狭窄，推荐范围为55至90 μg/天。低于此阈值可引发硒缺乏症，典型表现为大骨节病（Kashin-Beck disease, KBD），这是一种由骨骺生长板和关节软骨坏死导致的骨骼疾病。其他与硒缺乏相关的健康问题包括营养不良、甲状腺疾病、认知功能衰退、男性生育力受损、HIV感染及骨关节炎。亚适宜摄入水平还可能通过降低含硒代半胱氨酸（SeCys）的硒蛋白表达，削弱机体对氧化应激、氧化还原平衡及炎症反应的调控能力，从而促进多种癌症的发生发展。在摄入上限范围内（最高可达400 μg/天），硒被认为具有化学预防潜力；然而长期超量摄入则会导致硒中毒（selenosis），严重者可致死。在畜牧业中，硒同样是动物健康的关键营养素，常通过饲料添加剂形式补充。

植物对硒的吸收主要源于土壤中的硒酸盐，经同化转化为SeCys和硒代蛋氨酸（SeMet）后掺入蛋白质，成为人类膳食硒的主要来源。土壤中硒含量差异显著（0.05–2 mg/kg，平均0.4 mg/kg），依据植物富集能力可分为非富集型（<100 μg/g干重）、富集型（100–1000 μg/g干重）及超富集型（>1000 μg/g干重）。适量硒可缓解盐胁迫和干旱等非生物胁迫，但过量则会抑制养分吸收并诱导ROS生成，造成细胞损伤。值得注意的是，受燃煤排放减少及气候变化影响，未来大气沉降中的硒通量将下降，导致欧洲、印度、南部非洲及美洲等地的耕地和牧场土壤硒流失加剧，预计全球将有5亿至10亿人口面临硒摄入不足风险。

表观遗传学是指不依赖于DNA序列改变的基因表达调控机制，主要包括三大层面：DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰以及非编码RNA（ncRNA）调控。DNA甲基化主要由DNA甲基转移酶（DNMTs）催化，常见于基因启动子区CpG岛，发挥转录抑制作用。组蛋白修饰则通过甲基化、乙酰化等方式改变染色质构象，其中组蛋白赖氨酸残基的单甲基化、二甲基化及三甲基化分别由HMTs催化、组蛋白去甲基化酶（KDMs）去除。ncRNA包括微小RNA（miRNA）和长链非编码RNA（lncRNA），可通过靶向mRNA降解或招募染色质修饰复合物参与表观遗传调控。表观基因组具有高度动态性，随细胞类型、分化阶段及环境暴露而变化，已成为多种疾病治疗的重要靶点。

硒的纳米颗粒制剂与递送

硒存在四种价态：硒酸盐（Se⁶⁺）、亚硒酸盐（Se⁴⁺）、硒化物（Se²⁺）和单质硒（Se⁰），其毒性高度依赖于氧化还原状态和浓度，限制了传统硒制剂的药学应用。亚硒酸钠（Na₂SeO₃）在水溶液中被广泛研究，低剂量时可诱导氧化还原调控，高剂量则触发凋亡，但其治疗窗较窄且易导致硒中毒。

为克服上述局限，研究人员开发了单质硒纳米颗粒（SeNPs）。临床前及临床研究显示，SeNPs可被癌细胞选择性摄取，在低剂量下发挥抗氧化和防癌作用，高剂量下则表现出细胞毒性。相较于水溶液中的硒，SeNPs在小鼠模型中的毒性降低达4倍，对肝脏的毒性损伤亦显著减轻。裸SeNPs因细胞摄取效率较低，常需表面修饰以提升性能。SeNPs进入生物体后可转化为甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys）和SeCys等有机硒形式，该转化过程可通过HERFD-XAS等高灵敏度技术追踪。

包被型SeNPs

为提高SeNPs的反应活性、生物利用度及分散稳定性，研究人员在合成过程中引入多种包被材料。白蛋白（BSA）包被的SeNPs粒径更小且稳定性更高，BSA通过半胱氨酸残基与硒结合形成Cys-S-Se键，防止颗粒聚集。BSA-SeNPs在小鼠中的毒性较亚硒酸盐降低7倍，且在肝癌细胞模型中显示出良好的生长抑制效果。壳聚糖包被的SeNPs通过表面NH₃⁺基团与细胞膜磷脂相互作用，经胞吞作用高效进入癌细胞，其小鼠半数致死量较亚硒酸盐提高10倍。此外，利用叶酸受体在多种肿瘤细胞表面的高表达特性，叶酸修饰的SeNPs实现了肿瘤靶向递送，显著提升了细胞杀伤率和体内抑瘤效果。壳聚糖与叶酸联合修饰进一步结合了膜结合靶向与pH响应释药的优势，在溶酶体酸性环境下实现药物富集释放。

硒与表观遗传学

DNA甲基化

DNMTs分为维持性甲基化酶DNMT1和从头甲基化酶DNMT3a/3b两类。研究表明，硒（包括SeNPs）可调控DNMTs表达及DNA甲基化水平，但二者变化并不总是同步。SeNPs对DNMTs的调控可能是其表观遗传效应的基础之一。

组蛋白甲基化与乙酰化

SeNPs和亚硒酸盐可在体外上调多种HMT编码基因的表达，包括催化H3K27me3的EZH2、催化H3K4me3的SETD7以及催化H3K9me3的SUV39H2/KMT1B，而对EHMT2/G9a和EHMT1/GLP无显著影响。同时，SeNPs可抑制组蛋白去甲基化酶JMJD3（KDM6B）、UTX（KDM6A）和LSD2（KDM1B）的活性。综合作用下，SeNP暴露导致细胞内H3K4me3、H3K27me3和H3K9me2水平升高，H3K9me3水平降低，呈现全局性而非位点特异性的组蛋白甲基化重塑。

关于作用机制，SAM作为DNMTs和HMTs的甲基供体，其一碳代谢合成途径（由甲硫氨酸腺苷转移酶MAT催化）并未被SeNPs上调，提示存在其他调控通路。鉴于硒与硫的化学相似性，硒可能模拟硫的代谢路径。研究证实合成的Se-腺苷甲硫氨酸（SeAM）类似物可被G9a/EHMT2和SUV39H2识别为底物，暗示内源性SeAM可能作为甲基供体参与组蛋白甲基化。此外，甲基化产物SAH是HMTs的强效抑制剂，其清除效率直接影响甲基化活性。SeNPs通过转硫途径将同型半胱氨酸（HCys）分流生成硒代谷胱甘肽（GS-Se-SG）并最终转化为硒化氢（H₂Se），有效降低了细胞内SAH水平，从而解除其对HMTs的反馈抑制。综上，SeNPs通过"上调HMTs表达"和"促进SAH清除"双重机制驱动组蛋白甲基化增强。除甲基化外，硒代-α-酮酸代谢产物可抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性，硒掺杂的HDAC抑制剂SelSA-1亦显示出优于传统药物伏立诺他（Vorinostat）的抗癌效力。

非编码RNA表达

硒暴露（包括SeNPs和水溶性硒）及硒缺乏均可引起特定ncRNA表达谱的改变。在骨髓间充质干细胞神经分化过程中，适宜浓度的水溶性硒可上调miR-9、miR-124和miR-29a的表达；而硒缺乏诱导的心力衰竭模型中则观察到miR-16、miR-199a-5p、miR-195和rno-miR-30e的异常表达。这些ncRNA的变化进一步介导下游靶基因的表观遗传调控网络。

硒蛋白及硒结合蛋白编码基因的表观遗传调控

硒蛋白含有至少一个SeCys残基，其中GPX和TrxR在维持细胞氧化还原稳态中发挥核心作用。已有证据表明GPX4基因启动子可被HCys诱导甲基化，导致mRNA和蛋白表达下调，这一过程与铁死亡密切相关。虽然SeNPs对GPX和TrxR的表观遗传调控尚未直接证实，但其在处理后引起的基因和蛋白水平变化强烈提示该机制的存在。此外，硒蛋白N（SELENON）基因突变导致的多微核肌病（MmD）伴随DNA甲基化、组蛋白修饰及miR-23b、miR-193b等ncRNA表达异常。硒结合蛋白1（SELENBP1）同样受启动子甲基化调控，其表达下调在多种肿瘤中被报道。上述发现表明，硒及其纳米制剂很可能通过表观遗传机制精细调控硒蛋白家族的功能。

硒在健康与疾病中的广泛意义

生理浓度的SeNPs可促进细胞周期进程并抑制凋亡，支持细胞稳态；而超营养浓度下则诱导细胞周期阻滞和凋亡，发挥化学治疗作用。这种剂量依赖性效应使SeNPs在癌症治疗中具有重要潜力，同时显著降低全身毒性。流行病学数据显示，低硒状态与肝细胞癌、甲状腺癌、卵巢癌及乳腺癌的风险升高相关。然而，大型随机对照试验（如SELECT试验）未能证实硒补充剂在前列腺癌预防中的普遍获益，提示硒的防癌效应存在基线水平和人群异质性。

铁死亡是一种依赖脂质过氧化的程序性细胞死亡形式，其核心调控因子GPX4受到硒水平的严格制约。亚硒酸盐可在携带EGFR^L858R/T790M和KRAS^G12C突变的肺腺癌细胞中诱导铁死亡和凋亡，并与相应靶向药物产生协同杀伤效应；相反，BSA稳定的SeNPs在脑出血模型中通过激活Nrf2/GPX4轴抑制铁死亡，改善认知功能缺陷和神经元损伤。此外，硒营养补充在抑制乙型肝炎病毒和HIV感染方面显示出潜力，其背后的表观遗传机制有待深入探索。

大骨节病作为一种地方性骨关节畸形疾病，其发病机制与硒缺乏密切相关。临床补硒治疗已取得一定成效。研究发现大骨节病患者软骨组织中DNA修复蛋白O⁶-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）表达降低，其启动子区甲基化水平在T-2毒素诱导的细胞模型中可被亚硒酸盐逆转，提示硒通过表观遗传机制参与软骨保护。多项人群队列研究进一步证实，膳食硒摄入量与全基因组DNA甲基化模式存在关联，涉及硫酸化通路（PAPSS2）、脂质氧化（CPT1B）、神经发育（DIP2C、GFI1）等多个生物学过程，凸显了硒在代谢健康和胎儿发育中的表观遗传调控作用。

环境中的硒可利用性与植物系统

陆地生态系统中硒的来源包括海洋浮游生物挥发、火山气体排放、岩石风化及石油冶炼、煤炭燃烧等人为活动。土壤中硒的生物有效性主要受pH值和氧化还原电位控制：碱性氧化条件下以高迁移性的硒酸盐为主，通过硫酸盐转运蛋白高效被植物吸收；酸性还原条件下则以吸附性强的亚硒酸盐为主，生物可利用性受限。

全球约10亿人口居住于低硒土壤区域，面临膳食硒摄入不足风险。常规生物强化手段包括土壤施硒肥、叶面喷施、富硒有机肥施用、品种选育及转基因技术。例如，水稻OsCADT1基因突变体可显著提升硒酸盐吸收能力；将黄芪属植物的SeCys甲基转移酶（SMT）基因转入番茄可实现甲基硒代半胱氨酸的生物强化。从表观遗传角度，硒处理可诱导紫花苜蓿中DNA甲基转移酶CMT3-like上调；玉米在硒肥处理下虽未出现全基因组DNA甲基化显著改变，但叶绿体八氢番茄红素合酶基因PSY1发生特异性甲基化，增强了抗旱性。然而，高浓度（>10 mg/L）SeNPs处理辣椒愈伤组织会导致DNA甲基化模式紊乱并破坏顶端分生组织发育，警示过量纳米硒应用的潜在风险。随着植物对SeNPs表观遗传响应的逐步揭示，监测并利用这些表观遗传变化将成为作物改良和精准生物强化的重要方向。

技术专栏|硒分析的先进技术

总硒浓度测定已发展为标准化流程，而针对SeNPs及硒形态的分析则需要更为精密的技术支撑。原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）成本低、通量高，检出限约为50 ppb。X射线荧光光谱（XRF）特别是全反射XRF（TR-XRF）可用于液体样品总硒分析及组织活检样本的元素成像；同步辐射XRF（SR-XRF）可实现200 nm空间分辨率的硒元素分布图谱绘制。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）灵敏度极高，水中硒检出限可达15 ng/L，联用气相色谱（GC–ICP-MS）或液相色谱（LC–ICP-MS）可实现硒形态（如二甲基硒醚、二甲基二硒醚）的精准鉴定。纳米级二次离子质谱（Nano-SIMS）利用50 nm微探针实现组织切片中⁸⁰Se及其他离子的同步检测，空间分辨率突破100–200 nm，已成功应用于谷物籽粒中硒分布的示踪研究。X射线吸收光谱（XAS）利用同步辐射光源探测硒的局部配位环境和电子结构，其中X射线吸收近边结构（XANES）可区分Se⁶⁺、Se⁴⁺和Se⁰，扩展X射线精细结构（EXAFS）则提供配位数和键长信息，且无需复杂样品前处理即可获得组织中硒的空间分布和化学形态。在此基础上发展的高能量分辨率荧光检测X射线吸收光谱（HERFD-XAS）将检出限推进至μg/kg级别，在液氦低温（10 K）下可有效抑制辐射损伤，首次实现了生物组织中低至400 μg/kg浓度硒的形态解析，为SeNPs在复杂生物基质中的归宿研究提供了革命性工具。

结论

硒纳米颗粒代表了这一兼具必需性和毒性的微量元素在安全高效应用方面的重大突破。SeNPs将水溶液硒的狭窄治疗窗拓展了近10倍，在动物模型中显著降低全身毒性，同时保持甚至增强生物学功效。SeNPs在表观遗传领域的贡献尤为突出，除经典的DNA甲基化调控外，其通过影响HMTs表达和SAH清除重塑组蛋白甲基化景观的作用机制已被系统阐明。硒蛋白（包括GPX4和TrxR）的表观遗传调控很可能是连接硒生物学效应与细胞稳态维持、铁死亡调控及癌症易感性的核心枢纽。表面功能化策略赋予SeNPs肿瘤靶向递送能力，进一步提高了治疗指数。在农业领域，SeNPs为应对全球环境硒匮乏提供了一种新型生物强化手段，但需严格控制施用浓度以避免干扰植物发育。面对气候变化和人为排放格局改变导致的全球硒有效性下降趋势，开发以SeNPs为代表的安全高效硒递送系统具有迫切的现实意义。综合运用HERFD-XAS、NanoSIMS、ICP-MS形态分析和长读长测序表观基因组学的多模态策略，将是全面解析硒及其纳米制剂在生物系统中分子机制、指导硒基健康纳米技术研发的关键路径。