微量元素硒在对抗COVID-19中的作用研究进展

2023-02-12高敏宜徐笑高已雯陈鹰马钲斐袁林喜

生物技术进展 2023年1期

高敏宜，徐笑，高已雯，陈鹰，马钲斐，袁林喜

1.西交利物浦大学理学院健康与环境科学系，江苏苏州 215123；

2.西交利物浦大学药学院，江苏苏州 215123；

3.西英格兰大学，英国布里斯托 BS16 1QY

2019年，新型冠状病毒肺炎（简称新冠肺炎，coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情爆发，根据世界卫生组织统计，截至2022年8月7号，全球已有5.818亿例确诊病患和640万例死亡病患［1］。新型冠状病毒肺炎是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）引起的呼吸系统疾病，初期临床表现包含发热、咳嗽、呼吸困难、肌肉疼痛或困倦，少数伴有头痛、咳血及腹泻等症状［2］。SARSCoV-2属于β冠状病毒，同病毒属中还包括严重急性呼吸综合征冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV）和中东呼吸综合征冠状病毒（middle east respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）2种高致病性病毒。RNA序列结果显示SARS-CoV-2和SARS-CoV高度同源，相似度达79.5%［3］，且感染机制同为通过细胞受体血管紧张素转化酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）进入细胞［4］。SARS-CoV-2需借由ACE2入侵细胞，其在人体组织中的分布决定了各器官是否受病毒感染，而ACE2在肺部、心血管系统、肠道、肾脏、中枢神经系统中皆有分布，因此SARS-CoV-2也可能感染循环和消化系统［5］。然而除了病毒入侵细胞，COVID-19对于人体的主要伤害来源于过激免疫反应。研究显示，感染SARS-CoV-2后病毒在体内大量繁殖易引发强烈免疫反应，单核细胞CD14+和CD16+过度激活，伴随白介素-6（interleukin-6，IL-6）高度表达，发炎反应剧增进而引发细胞因子风暴［6］。而由细胞因子风暴导致的急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）和多重器官衰竭是新冠患者死亡的主要因素，且临床数据显示，新冠患者的重症率和死亡率也和年龄、性别及糖尿病、高血压、心脏病等基础疾病相关［7-8］。

硒作为合成硒酶和硒蛋白的必要成分，是人和动物必需的微量元素，具有提高免疫力、减少癌变风险、抗氧化、抗病毒等功效［9］。硒被证实能够抵抗DNA病毒如乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）［10］，以及RNA病毒如人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）、埃博拉病毒（ebola virus，EBOV）和科萨其病毒（coxsackie virus）等［11］，在调节免疫系统和炎症反应中发挥作用。

一项2021年的研究指出，中国新冠肺炎病例死亡率具地域差异性，湖北省以外的地区中黑龙江省死亡率普遍高于其他地区［12］，而黑龙江爆发过大规模的克山病，当地居民的头发硒含量只有0.26 mg·kg-1，属于严重缺硒区。除此之外，全中国新冠病死率较高（病死率1.52%～8.51%不等）的地区都集中在中度和重度缺硒地区［12］。在湖北恩施，新冠爆发初期的治愈率为36.4%，湖北其他地区为13.1%［12］；恩施地区居民普遍有较高的硒摄入量，女性头发硒含量为3.13±1.91 mg·kg-1，男性为2.21±1.14 mg·kg-1；而在湖北省（除恩施外）这一数值（平均值）仅为0.55 mg·kg-1［7］。同时，在关注美国本土COVID-19的病死率时，研究者发现，在硒及其他微量元素浓度较低的美国东南部地区，COVID-19的病死率较高［10］。这些流行病学数据结果提示环境硒含量及人群硒摄取量有可能影响COVID-19患病率及死亡率。本综述总结了微量元素硒对抗COVID-19作用与机制的最新研究成果，包括硒缺乏患者的临床数据、补硒对于新冠肺炎的作用以及研究局限等，以期为了解和研究微量元素硒在预防和辅助治疗COVID-19提供科学参考。

1 硒缺乏在COVID-19患者上的临床表现

在一项针对COVID-19病患和已康复的COVID-19病患血浆硒蛋白p（Sepp1）的对比研究中发现，COVID-19病患体内的硒蛋白p浓度相对于两组已治愈的COVID-19病患较低，均值分别为4.5、5.5和6.8 mg·mL-1［14］。同样，在一项针对妊娠期患COVID-19孕妇的研究中，研究者每3个月对孕妇进行一次血清硒水平以及其他参数的检查，发现母体对硒摄入量的需求随胎儿生长而提高。同时，患新冠肺炎的孕妇在进入第2和第3期妊娠后硒水平显著低于未患病孕妇，中性粒细胞（neutrophil）、淋巴细胞（lymphocyte）和白细胞（white blood cell，WBC cells）水平低于健康孕妇，而IL-6水平高于健康孕妇［15］。在南印度的一项临床研究中，研究者发现，新冠肺炎患者血清硒浓度为69.2±8.7 μg·mL-1，低于血清硒水平处于临界值（79.1±10.9 μg·mL-1）的对照组［16］。在韩国的一项针对新冠肺炎患者体内营养状况的研究中，发现76%的患者体内缺乏维生素D，42%的患者血硒水平低于临界值（40 ng·mL-1）。在此前一项针对韩国健康成年人的研究中，男性血硒浓度为103.2 μg·L-1，而女性血硒浓度是120.8 μg·L-1。同时，在这项针对新冠患者的研究中，成人血硒水平中位数（男性101.4 μg·L-1，女性96.7 μg·L-1）也低于健康成人的硒水平［17］。

在德国的一项COVID-19死亡风险研究中，研究人员收集了33名COVID-19患者的166份血清样本，发现与欧洲平均数据相比（总硒：84.4±23.4 μg·L-1；硒蛋白P：4.3±1.0 mg·L-1），患者的血清总硒水平（50.8±15.7 μg·L-1）和硒蛋白P水平（3.0±1.4 mg·L-1）显著降低。此外，与死亡病例相比，幸存者的硒状态明显更高（硒：53.3±16.2 μg·L-1vs.40.8±8.1 μg·L-1，硒蛋白P：3.3±1.3 mg·L-1vs.2.1±0.9 mg·L-1）［18］。

2 硒对抗COVID-19的临床效应

在土耳其的一项研究中，治疗前被定义为患有低硒血症（患者血清硒水平低于95 μg·L-1）的新冠肺炎患者占所有病例的86.7%，而给药（法维匹拉韦和羟氯喹）治疗后这一占比减小至70%，即使药物中并不存在硒和铁的补充成分，相较给药前，患者体内的硒和铁浓度也有显著升高。虽然在该项研究中没有给出硒对于新冠肺炎治疗的直接效果，但研究者认为法维匹拉韦和羟氯喹对硒蛋白抑制炎症效力可能有药理刺激作用［19］。相似地，在德国的一项临床研究中，参与试验的患者在治疗基础上每天静脉注射0.1 g硒营养，主要成分为亚硒酸钠，发现谷胱甘肽过氧化酶3（GPx3）活性随时间推移增加，同时标定炎性细胞活性的白介素水平显著降低，然后在给药后CD3+T、CD8+T细胞达到正常值。给硒治疗患者体内的硒蛋白P浓度和炎症标志物降钙素原（procalcitonin，PCT）、C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）、白介素（IL-1B、IL-6和IL-10）均成反比；和细胞毒性T细胞（CTL；CT8+T）、自然杀伤细胞（NK cell）、免疫球蛋白以及氧合指数（PaO2/FiO2）均成正比［20］。在一项对用于鉴定抑制主要蛋白酶的抗病毒含硒杂环化合物对抗SARS-CoV-2的研究中，高剂量的含硒化合物如依布硒琳在细胞中与SARS-CoV-2 MPro的活性残基Cys145共价结合，以抑制的方式进行残基修饰，从而达到抗病毒效果［21］。在一项针对疫苗接种后的研究中，发现为受种者在接种后提供硒补充剂可以增加人体内的谷胱甘肽氧化酶4（GPx4）表达和免疫球蛋白G（IgG）滴度，同时补充硒也对健康成人接种疫苗后的诱导抗体滴度有积极影响［22］。IgG滴度的增加有益于疫苗抗体在人体内更好地发挥作用，而GPx4的增加可以更好地保护细胞避免脂质过氧化而导致铁死亡［22］。

3 硒对抗COVID-19的作用机制

3.1 基本免疫机制

研究发现，负责SARS-CoV-2病毒复制的主蛋白酶（main protease，Mpro）与人体内的硒酶——谷胱甘肽过氧化物酶1（GPx1）可能存在相互作用。由于有机物依布硒琳和谷胱甘肽过氧化物酶在影响ROS方面的机制类似，即硒基氧化后被谷胱甘肽还原，研究者把依布硒琳作为谷胱甘肽过氧化物酶的模拟物，发现其对Mpro表现出较强的抑制作用。同时，研究者在SARS-CoV-2与人类蛋白进行互作的研究中，使用野生型和催化不活跃的突变型Mpro进行筛选后确定了高可信度的互作蛋白，即组蛋白去乙酰化酶2（HDAC2）、tRNA（鸟嘌呤-26-（N-2））-二甲转移酶（TRMT1）和GPx1。这2项平行发现进一步解释了GPx1与SARS-CoV-2 Mpro之间的相互作用［23］。此外，硒蛋白K和硒蛋白P以及谷胱甘肽过氧化物酶相互作用可以调节炎症和免疫反应［24］。在人呼吸道上皮细胞培养物A549中添加亚硒酸钠可增加谷胱甘肽过氧化物酶的活性，并抑制过氧化氢的形成和NF-KB的活化。亚硒酸钠不仅通过增加谷胱甘肽过氧化物酶的活性来调节NF-KB的活性，还可能通过该转录因子中关键巯基的直接氧化来调节。亚硒酸钠中的硒作为四价阳离子出现，可以与病毒蛋白二硫键异构酶活性中心的巯基反应，从而使病毒失活［24］；而有机硒化合物如硒代蛋氨酸（SeMet）可以作为强力的抗氧化剂使用，具有保护细胞免受氧化应激并维持氧化还原稳态的作用，能够在与氧化应激相关的所有病理生理过程中发挥其活性，例如炎症、微生物和病毒感染［24］。

3.2 SARS-CoV-2与硒的竞争关系

实验发现非洲绿猴肾细胞（Vero-E6 Cell）在感染SARS-CoV-2 48 h后，硒蛋白表达明显减少，且细胞因子白介素-6表达增加，受影响的硒蛋白包含了GPx4、TXNRD3及硒蛋白S、K、F、M；其中，保护细胞避免脂质过氧化而导致铁死亡的GPx4减少了69.4%，调节内质网应激作用及细胞因子的硒蛋白S、K减少了61.1%和71.3%，而调控氧化还原稳态以及促进内质网蛋白折叠的硒蛋白F、M分别减少了76.9%和56.2%。此外，TXNRD3的mRNA浓度减少了36.9%，由于抑制TXNRD会减少DNA合成进而促进RNA合成，且HIV-1和埃博拉（Ebola）病毒具有类似机制，推测SARS-CoV-2通过反义RNA抑制TXNRD3以达到增加复制的效果［25］。由此可知，在对抗SARS-CoV-2的过程中，硒参与的防御机制遭到攻击，无法发挥最大效用，并且在重症新冠肺炎患者标志性的临床表现中，缺氧以及白介素-6急剧升高已被证实会抑制肝脏中硒蛋白P表达，进而导致可输送的硒蛋白减少和组织中硒缺乏［26-27］。

4 现阶段研究的局限性

尽管硒水平与COVID-19的治愈率之间存在着相对显著的关系，但由于研究人员尚无法对个体进行临床分析和差异性处理，只能在整体水平上对我国现有COVID-19病例的省份和城市进行调查统计，这导致可能混杂其他因素，如患者的年龄、基础疾病、患病前体内的硒水平等［28］；另一方面，与硒有关的个体营养素摄入的数据有限，无法进行营养评估和统计学分析，从而导致目前尚无法对硒在COVID-19中的作用做出准确判断。到目前为止，仍然没有临床试验设计评估硒给药对COVID-19的治疗效果且没有单独的硒干预试验研究。从目前的观察性结果来看［29］，大多数情况下，硒相当于一种“催化剂”，仅仅起着促进和增强作用，但不能起到与维生素D、E类似的直接作用［30］。因此，仍然需要更多的临床研究来确认硒对于COVID-19预防或治疗的有效性。

5 展望

从现有的研究结果（图1）来看，硒具有调节免疫系统和减缓发炎反应的能力，分别对应预防感染SARS-CoV-2以及避免过激免疫反应导致的细胞因子风暴。此外，硒与其他营养素如锌、维生素D和E存在正向联合作用，能帮助减轻新冠肺炎患者的细胞氧化应激压力和发炎程度。而在硒充足地区观察到较低的新冠肺炎患病率及死亡率也符合“硒对于对抗SARS-CoV-2有益处”这一推论，然而单独将硒和其他营养素相比，新冠肺炎病患的临床数据却不足以支撑硒的重要性和显著性，仅能发挥辅助作用。但SARS-CoV-2能抑制硒相关蛋白的合成，而COVID-19重症患者常发生的缺氧和白介素-6急剧升高亦能损害硒在人体内的运输，说明硒和SARS-CoV-2并非是单方面压制而是互相掣肘的关系。为了阐明硒在预防或治疗SARS-CoV-2中的完整机制，亟需展开单独针对硒和新冠肺炎患者的临床研究，如在不同感染时期补硒、以及各类硒蛋白浓度和炎症标志物在感染周期中的变化等。总之，基于现有研究揭示的微量元素硒在对抗COVID-19过程中的辅助作用和潜在机制，值得进一步在人群调查、环境营养、临床机理、分子机制等方面开展深入研究。