2. 湖北民族大学生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000;
3. 湖北民族大学硒科学与产业研究院，湖北 恩施 445000;
4. 中国科学院武汉病毒研究所农业与环境微生物重点实验室，湖北 武汉 430071
2. Hubei Key Laboratory of Biologio Resouces Protection and Utilization of Hubei Minzu University, Enshi Hubei 445000, China;
3. Institute of Selenium Science and Industry of Hubei Minzu University, Enshi Hubei 445000, China;
4. Key Laboratory of Agricultural and Environmental Microbiology/Wuhan Institute of Virology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
硒是重要的微量元素，具有多种生物学功能，如合成硒代半胱氨酸、辅酶Q、谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶等[1]。硒缺乏与感染和癌症等疾病高发密切相关。目前，有机和无机硒化合物广泛用于食品添加剂，然而，由于硒的安全范围相对狭窄(在必需浓度和中毒剂量之间只有1个数量级[1])，因此摄入硒的量要严格控制，否则很容易导致硒中毒。
硒纳米颗粒(selenium nanoparticles, SeNPs)具有独特的物理、化学和生物学特性，已受到生物医学领域广泛关注。与传统的有机和无机硒化合物相比，SeNPs表现出很多的优势，包括低毒、抗癌和抗微生物等活性。此外，SeNPs还能够靶向巨噬细胞，并通过调节细胞因子的产生和巨噬细胞的极化从而激活天然免疫的抗微生物作用。而且，SeNPs还能通过增强抗肿瘤免疫，如调节肿瘤相关巨噬细胞和激活特异性T淋巴细胞等方式作为免疫调节剂抑制肿瘤的生长。此外，SeNPs作为药物载体包埋化疗药物具有更好的抗感染和抗癌效果。本文评述了SeNPs的合成方法、安全性以及SeNPs在抗感染和抗癌方面的作用及其机制的最新进展，希望能促进其临床研究及应用。
1 SeNPs的合成SeNPs合成用于生物医学时，要考虑很多因素，包括大小、形状、组成、表面性状和分散性等。通常采用化学、物理和生物合成方法制备SeNPs。
1.1 化学合成方法水热法是成本低廉、操作简单有效的制备晶体硒纳米结构的方法。将GeSe3置于装有去离子水的容器里，在适宜的温度下，水解释放出的硒原子形成无定型态的硒胶体悬浊液，然后进一步形成稳定的六边形晶体和多晶体的纳米球，直径通常在10~1 000 nm范围。利用类似的方法，也可以用亚硒酸钠作为原料，维生素C作为还原剂，形成具有非常好的六边形和光滑透明表面的颗粒，其大小均匀分布于100 ~200 nm。这表明水热法合成SeNPs能够产生功能性的、具有不同形状和直径的SeNPs，然而，大多数采用该方法制备的SeNPs主要用于工业领域。
基于化学还原，模板方法制备SeNPs是最为广泛采用的方法。在硒单质形成过程中，在某种模板或稳定剂存在的情况下，能促进其形成纳米颗粒。很多的化合物可作为模板，比如壳多糖和叶酸等。模板不同，所获得的SeNPs大小、形状和表面特征各不相同。如壳多糖具有活性氨基、羟基或羧基，这些基团对SeNPs的形成、稳定和生长具有重要的作用，所获得SeNPs在溶液中非常稳定[2]。另外，壳多糖还具有很多优点(如带正电荷、生物兼容性好、无免疫原性、无毒、pH敏感、易生物降解等)，而且制药行业已对其进行了大量的研究，并广泛用于生物医学和营养学领域，因此安全性高。就成本、简易性和大小可控等方面来说，模板法是高效的化学合成方法。
1.2 物理合成方法在物理合成方法中，脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation, PLA)法最为常见。利用激光照射离心管底部的硒沉淀，当时间为15 min，波长为355 nm时，获得具有抑制细菌生长活性的SeNPs[3]。采用类似的方法，不同波长的激光可以产生不同大小的SeNPs。此外，采用PLA，加入多种稳定剂会获得活性更高的SeNPs。如Menazea等[4]通过加入聚乙烯醇/壳多糖合成的SeNPs具有更强的杀菌活性[4]。不仅如此，采用飞秒PLA方法合成SeNPs，成功的抑制了白色念珠菌的生物膜形成。这种纳米颗粒很容易黏附到生物膜上，并进入到病原菌，最终通过取代硫而破坏细胞结构。与其他方法相比，PLA合成SeNPs具有很多的优势，如减少了化学试剂的污染、设备简单和容易收集等，而且所获得的SeNPs具有更强的抗微生物活性。
1.3 生物合成物理和化学合成方法需要独特的环境(如温度和激光)和毒性的化学试剂，造成对环境的污染甚至合成的SeNPs具有毒性，因此开发绿色环保的合成方法日益受到重视。多种植物可用于SeNPs的合成，如茶叶提取物和可可豆壳等。利用植物提取物合成SeNPs，相比于其它合成方法，具有价格低廉，而且不需要任何特殊条件等优势。
此外，微生物能够合成金属纳米颗粒。不同细菌能够还原四价硒(亚硒酸盐)和(或)六价硒(硒酸盐)成为低毒性的硒单质从而形成SeNPs。不同类型的细菌已用于SeNPs的生物合成(Tab 1)。
| Microorganisms | ||
| Kingdom | Phylum | Species |
| Bacteria | Proteobacteria | Escherichia coliATCC 35218 |
| Recombinant Escherichia coli | ||
| Enterococcus faecalis | ||
| Ralstonia eutropha | ||
| Enterobacter cloacae Z0206 | ||
| Pseudomonasaeruginosa ATCC 27853 | ||
| Klebsiella pneumoniae | ||
| Pantoea agglomerans | ||
| Zooglea ramigera | ||
| Rhodopseudomonaspalustris strain N | ||
| Shewanella sp. HN-41 | ||
| Azoarcussp. CIB | ||
| Firmicutes | Lactobacillus casei | |
| Lactobacillus acidophilus | ||
| Lactobacillus helveticus | ||
| Enterococcus faecalis | ||
| Streptococcusthermophilus | ||
| Staphylococcus carnosu | ||
| Bacillus sp.MSh-1 | ||
| Bacillus subtilis | ||
| Bacillus mycoides SelTE01 | ||
| Bacillus licheniformis JS2 | ||
| Actinobacteria | Streptomyces sp.ES2-5 | |
| Bifidobacterium BB-12 | ||
| Cyanobacteria | Arthrospira [Spirulina] platensis | |
| Fungus | Ascomycetes | Saccharomyces cerevisiae |
| Pichia pastoris | ||
| Aspergillus terreus | ||
| Basidiomycetes | Lentinula edodes | |
微生物产生的SeNPs光学性质显著不同于化学方法合成的无定型态的SeNPs。不仅如此，由于微生物中氧化还原酶的不同，微生物产生的纳米颗粒特征也各不相同。微生物合成SeNPs具有独特的、复杂的和致密结构的原子排列，这可能反映了细菌中涉及氧化还原反应的各种酶间的微妙差别。很显然，这些条件不能通过目前的化学方法实现。此外，细菌合成SeNPs相比于化学方法更有效，包括：1)高纯度的硒球体(相对规则和均一，其大小与细菌种类有关); 2)更便宜和高效的生产过程; 3)更方便的控制参数。在医学领域，SeNPs的生物合成具有诱人的应用前景。
2 SeNPs的安全性尽管具有大量积极生物医学作用的研究报道，但要将硒用于临床仍然存在安全性和毒性问题。虽然硒的安全范围很窄，但硒的安全范围不仅与浓度有关，还与其存在形式相关。比如，有研究表明超过硒的摄取上限(400 μg·d-1)会导致硒中毒，但当摄取硒的形式为SeNPs(1 600 μg·d-1)时并没有观察到明显的中毒症状，甚至摄取量为3 200 μg·d-1时才出现某些硒中毒症状[5]。
SeNPs比有机硒如硒代甲硫氨酸(selenomethionine, SeMet)、硒代半胱氨酸(selenocystine, SeCys)和硒代甲基硒代半胱氨酸(seleno-methylselenocysteine，Se-MetSeCys)具有更低的毒性和更优良的生物学功能。比如，相对于SeNPs，SeMet长时间明显增加肝脏中丙氨酸氨基转移酶、天冬氨酸转移酶和乳酸脱氢酶的水平，表现出急性肝损伤[6]。SeNPs、SeMet和Se-MetSeCys的半致死剂量分别为：92.1、25.6和14.6 mg·kg-1，因此相比于有机硒，SeNPs的毒性更低。另一方面，SeNPs比无机硒(亚硒酸盐和二氧化硒)具有更低的毒性和更优良的生物学功能。比如，相比于SeNPs，无机硒明显减少了肝脏中谷胱甘肽还原酶水平，并增加了肝脏中脂过氧化物的产生，从而减少了肝脏中抗氧化酶SOD和CAT的活性[7]。SeNPs急性中毒的剂量大约是亚硒酸钠的7倍：它们的半致死剂量分别是113和16 mg·kg-1。在体外，SeNPs与谷胱甘肽反应速率是亚硒酸钠的1/10。在大鼠体内的研究也表明，相较于亚硒酸钠，SeNPs具有类似的药效和更低的急性毒性。此外，相对于SeNPs(LC50=41.0 mg·L-1)，二氧化硒(LC50=6.7 mg·L-1)具有更低的半致死浓度。无机硒(亚硒酸盐和二氧化硒)和有机硒的高毒性与它们能氧化巯基，导致含巯基酶失活有关。因此，相比于其它形式的硒，SeNPs具有更宽的安全范围，可以作为具有更低毒性风险的潜在化疗药物。
3 SeNPs在抗感染中的作用感染性疾病由病原体如结核分枝杆菌等感染所引起，由于高的感染率和病死率，感染性疾病仍然是公共健康最大的威胁。目前化学治疗是感染性疾病控制的主要方法，然而抗生素的滥用导致其疗效越来越差和耐药性产生等问题。另外，生物膜还导致持留感染和抗生素抗性问题。因此，如何增加目前治疗感染性疾病的疗效成为急性解决的全球健康问题。
SeNPs具有更小的直径和更大的表面积，从而促进其与生物分子的相互作用。硒离子能够破坏细胞壁和细胞膜的完整性，导致细胞内环境稳态的破坏，从而导致微生物的功能障碍，并最终导致微生物的死亡。SeNPs能瓦解生物膜的机制也与抑制病原菌生长相关。不仅如此，SeNPs还能够靶向巨噬细胞并通过诱导细胞因子的产生调节巨噬细胞的极化从而激活天然免疫的抗微生物作用。这些免疫学功能进一步表明SeNPs可能作为免疫调节剂发挥在病原菌防御方面的作用，从而促进感染性疾病的免疫治疗。
3.1 SeNPs的抗细菌活性小部分有害的细菌能导致各种感染性疾病，虽然大多数病原菌能够通过抗生素进行治疗，但某些极端狡猾的细菌或药物抗性细菌仍然是人类健康的威胁。SeNPs能够抑制多种病原菌，可能作为抗菌药物或增加杀伤作用的化学致敏剂。
3.1.1 SeNPs的广谱抗菌作用硒化合物对不同病原菌表现出抑制作用，而SeNPs具有比硒化合物具更强的广谱抗菌活性。体内和体外实验表明，SeNPs能够吸附蛋白、破坏细胞膜、抑制生物膜形成、调节基因表达和减少细胞内游离巯基等作用，从而表现出有效的抗微生物作用。
金黄色葡萄球菌是一种常见的革兰阳性菌，通常导致皮肤感染、肺炎、肠炎和其他致死性疾病。SeNPs能在几个小时内杀死金黄色葡萄球菌，可能对革兰阳性菌具有直接杀伤作用。此外，SeNPs也能够抑制金黄色葡萄球菌形成生物膜。这表明SeNPs可作为医疗设备表面的涂层以阻止生物膜相关的感染。
SeNPs也表现出对革兰阴性细菌如大肠杆菌的抑制活性。生物来源的SeNPs对肠产毒性大肠埃希菌K88导致的肠道屏障功能障碍具有保护作用，从而对促进肠道上皮细胞的生长和维持肠道微生态平衡起到非常重要的作用[8]。SeNPs对大肠杆菌的这种抑制作用可能与硒能够减少胞外多糖合成、抑制生物膜形成和破坏成熟的生物膜密切相关。
此外，SeNPs还能抑制其他革兰阳性菌(包括表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和变形链球菌)和其他革兰阴性菌(如铜绿假单胞菌)以及分枝杆菌，表明SeNPs具有广谱抗细菌作用。目前所知的SeNPs的杀菌作用机制主要有2个方面：1)对细胞壁破坏所导致的直接杀菌活性; 2)诱导产生抗菌代谢产物，杀死细胞内细菌。然而，SeNPs某些重要的活性，如药物载体、增加细菌对化学药物的敏感性或免疫调节仍需进一步研究。
3.1.2 SeNPs对耐药菌的抑制作用耐药性成为日益严重的问题，因此，需开发出有效的药物来解决此问题。SeNPs抑制细菌生长的强大能力为解决细菌的耐药问题提供了新的策略。如SeNPs对耐药菌有强烈的抗菌活性，而不容易导致大肠杆菌或金黄色葡萄球菌抗性的产生。另外，一种新的明胶-SeNPs系统用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的治疗[9]，明胶能够被感染处的明胶酶降解而缓慢释放SeNPs，并诱导了强烈的ROS产生，从而有效的破坏了细菌细胞膜，具有逃避免疫清除和中和细菌毒素的作用。这些结果表明，SeNPs有望成为抗生素替代品治疗各种细菌包括耐多药菌的感染。
此外，与其它抗菌药物结合，SeNPs表现出更强的抗菌活性。溶菌酶是一种广泛分布于人类、脊椎动物、植物、细菌和噬菌体中的酶，在天然免疫和直接杀菌方面起到非常重要的作用。Vahdati等[10]研究了SeNPs和溶菌酶联合抗菌作用，当SeNPs存在时，非常低浓度的溶菌酶就能抑制细菌生长，而单独的溶菌酶需要很高的浓度才能抑制细菌的生长。这些结果表明，设计以纳米颗粒为基础的复合系统协同抗菌有可能克服耐药问题。
3.1.3 SeNPs对结核分枝杆菌的作用结核分枝杆菌感染所致的肺结核已成为感染性疾病中最重要的死因之一。在最近几十年里，耐多药结核分枝杆菌的产生已成为新的问题，需要开发出不同于目前所用抗生素或技术的替代疗法来增强治疗效果。Estevez等[11]发现，SeNPs通过破坏细胞膜的完整性抑制结核分枝杆菌的生长，表明直接使用SeNPs或与其它药物联合使用治疗分枝杆菌的感染成为可能。
在体内，细胞外的结核分枝杆菌主要以生物膜的形式存在。Basaraba等[12]详细的论述了结核分枝杆菌在宿主体内可能以生物膜的方式生长，其生物膜不仅与感染的发生相关，而且还涉及组织的坏死、空洞的形成，以及结核病的复发。我们的实验发现SeNPs能够抑制耻垢分枝杆菌生物膜的形成(结果尚未发表)。之前我们的研究表明，多聚磷酸盐(polyphosphate, polyP)影响耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis mc2 155)生物膜形成，其原因是polyP影响了耻垢分枝杆菌细胞表面结构[13]。Estevez等[11]研究发现，SeNPs通过破坏细胞外被的完整性从而抑制结核分枝杆菌和耻垢分枝杆菌的生长。因此，我们想知道是否polyP和SeNPs对分枝杆菌生物膜形成的联合作用。研究表明，相对于野生菌，SeNPs抑制polyP缺失的耻垢分枝杆菌形成生物膜的程度更强(结果尚未发表)。
SeNPs对细胞内的结核分枝杆菌的清除作用。到目前为止，结核分枝杆菌能逃避吞噬溶酶体的破坏作用和限制药物的靶向投递是治疗结核和耐药结核的最大问题。Pi等[14]在2017年首次发现并报道SeNPs具有调节宿主细胞免疫的作用，可能为解决结核分枝杆菌免疫逃逸提供解决办法。为了解决结核分枝杆菌治疗的问题，Pi等[15]在2020年结合纳米技术和免疫技术开创性的设计出靶向巨噬细胞的SeNPs，其对细胞内的结核分枝杆菌具有抗菌和杀菌的协调作用。甘露糖化的SeNPs不仅能够直接杀死结核分枝杆菌，而且也能作为异烟肼的载体特异性靶向巨噬细胞，从而增强了对细胞内结核分枝杆菌的杀伤作用。此外，SeNPs具有抑制结核分枝杆菌溶酶体逃逸作用，显著改善吞噬体与溶酶体的融合，促进溶酶体对细胞内结核分枝杆菌的清除。不仅如此，更多的宿主细胞对结核分枝杆菌的抗菌免疫，包括自噬、凋亡和M1抗菌极化作用等被激活，从而增强了细胞内结核分枝杆菌的杀伤作用。这些结果表明，SeNPs不仅可以作为直接的杀菌试剂或药物投递系统，而且还具有调节宿主免疫以增强细胞内细菌清除的作用。
3.2 SeNPs的抗病毒感染作用病毒每年导致数百万人死亡，近年来，由于新冠病毒(SARS-CoV-2)的流行导致了更多人的死亡。如何更有效的治疗病毒感染已成为人类健康的最迫切需求。很早就发现硒具有抗病毒感染的作用，如抗流感病毒、肝炎病毒和人类免疫缺陷病毒等。这些抗病毒作用不仅与直接杀病毒相关，而且也与调节硒蛋白作用相关，因此SeNPs可能成为理想的广谱抗病毒试剂。
3.2.1 SeNPs抑制流感病毒活性不同亚型的流感病毒导致每年流感的季节性流行，严重威胁人类健康。SeNPs具有对流感病毒的直接抑制活性，比如，SeNPs能通过阻止染色质凝聚和DNA断裂，以及抑制ROS介导的AKT和p53信号途径，直接阻止H1N1感染细胞。另外，SeNPs与抗病毒药物具有协同作用，如Li等[16]将奥司他韦结合到SeNPs上用于H1N1病毒治疗，通过抑制血凝素和神经氨酸酶活性干扰了H1N1流感病毒与宿主细胞的结合。此外，SeNPs可能通过抑制凋亡信号事件，保护细胞和肺组织不受H1N1病毒诱导的损伤，表明SeNPs可抑制H1N1流感病毒诱导的凋亡而成为新的抗病毒试剂。
3.2.2 SeNPs抑制肠道病毒的作用肠道病毒71(enterovirus 71，EV71)是一种最常见的导致手、足和口严重疾病的病毒，能产生不同临床症状，严重会致6个月以下婴幼儿的死亡。不幸的是，目前还没有有效治疗方法，因此需要开发有效的治疗策略。Zhong等[17]将SeNPs作为奥司他韦载体有效的增强了奥司他韦抗EV71增殖的活性，并能通过减少半胱天冬酶-3的活性和ROS的产生以阻止细胞的凋亡。Lin等[18]也设计了一种SeNPs与siRNA结合的试剂能靶向结合EV71 VP1基因，表现出在神经细胞系SK-N-SH中显著的干扰活性并阻止EV71感染细胞和限制EV71诱导的宿主细胞凋亡。这些结果表明，SeNPs可能作为潜在的药物和药物载体用于抗EV71病毒感染，为控制EV71病毒感染提供了可能途径。
3.2.3 SeNPs抑制肝炎病毒的作用肝炎病毒是最严重和流行最广的病毒之一。最新的抗病毒药物虽能减缓其感染的流行，但仍存在某些缺陷如副作用和药物抗性等，因此需开发新的药物以达到更安全有效治疗的目的。在肝细胞模型中的研究显示亚硒酸钠能以剂量和时间依赖方式抑制乙型肝炎病毒蛋白的表达、转录和基因组的复制，表明在硒和病毒活性之间存在密切关系。该工作首次证实硒对乙肝病毒复制的抑制作用，也暗示SeNPs可能存在对乙肝病毒治疗的潜力。
通过接种乙肝疫苗，已有效控制了乙肝病毒感染的流行，该疫苗可诱导针对HBV感染的强烈Th2反应。然而，为更有效地控制HBV感染，迫切需要刺激Th1预防性免疫应答反应。Mahdavi等[19]设计了一个的新策略，通过服用SeNPs和乙肝表面抗原疫苗不仅影响淋巴细胞增殖和总抗体应答，而且增加了γ-IFN的水平和诱导Th1应答反应。这些免疫学结果清楚表明，SeNPs具有促进免疫系统朝Th1模式发育的能力，因此增加疫苗通过细胞免疫抗病原体的效率。
3.2.4 SeNPs在SARS-CoV-2流行方面的潜在应用SARS-CoV-2是分布广泛的、高致病性和极度危险的病毒，在过去一年里已导致数百万人死亡。有趣的是，在某些地区其治愈率与硒的摄取水平显著相关，表明硒在SARS-CoV-2治疗方面的潜能[20]。更重要的是，有机硒通过共价接合SARS-CoV-2包膜上的Mpro抑制SARS-CoV-2进入细胞，从而有效抑制SARS-CoV-2感染Vero细胞。此外，SeNPs能够抑制不同病毒并激活天然和获得性免疫，为使用SeNPs作为新的抗SARS-CoV-2策略提供了可能。然而，目前只有少量的关于SeNPs抗SARS-CoV-2方面的研究工作，需要更多的研究工作证实SeNPs在控制SARS-CoV-2方面的作用。
3.3 SeNPs的抗真菌活性真菌广泛存在并可能通过感染影响身体的各个部位而威胁人类健康。导致各种疾病的白色念球菌是主要的机会致病菌，由于其形成的生物膜表面有各种聚合物或细胞外聚合物基质保护病原菌抵抗各种不利环境如杀真菌剂和宿主免疫，因此其控制非常困难。SeNPs在与生物膜吸附后可能穿透病原菌，然后通过取代硫破坏细胞结构，从而起到抗真菌的作用，比如SeNPs对白色念珠菌生物膜抑制浓度很低[21]。此外，生物来源的SeNPs对白色念珠菌和烟曲霉具有很强的抑制作用。分枝杆菌来源的SeNPs也起到了抗真菌的活性，表明SeNPs在治疗真菌感染性疾病方面的可能应用。
4 SeNPs在抗癌方面的作用 4.1 SeNPs具有抗癌活性和成为抗癌药物的潜力SeNPs表现出显著的抗癌活性，具有成为抗癌药物的巨大潜力。如SeNPs在2 mg·L-1浓度时还能有效抑制前列腺癌细胞PC3的增殖和诱导半胱天冬酶非依赖性坏死[22]; 对人类宫颈癌细胞HeLa和人类乳腺癌细胞MDA-MB-231具有剂量依赖方式抑制其生长。SeNPs抗癌活性主要有以下方式：1)介导eIF3蛋白复合物下调，而导致细胞周期停止在S期，从而抑制癌细胞的生长; 2)SeNPs能被癌细胞选择性吞噬，从而通过触发凋亡信号诱导细胞凋亡; 3)对癌细胞毒性与细胞膜相关，SeNPs的处理改变了癌细胞的生物力学性质，在黏附力和杨氏模量方面显著下降; 4)在乳腺癌细胞系中，SeNPs的抗癌活性与ERα水平相关，SeNPs诱导的细胞死亡和凋亡标志物(p38、Bax和细胞色素c)的表达在ERα阳性细胞(MCF-7)中显著高于ERα阴性细胞(MDA-MB-231)。另外，SeNPs还具有预防癌症的作用，其化学预防作用的关键机制在于硒对谷胱甘肽S转移酶(glutathione S- transferase，GST)的诱导作用，而且SeNPs对GST活性的诱导比SeMet和亚硒酸盐更早和更显著。除了独特的抗癌效率，在相同浓度时，SeNPs对正常细胞和癌细胞的选择性比无机硒更好。
4.2 SeNPs作为抗癌药物的转运载体除了直接的抗癌活性外，SeNPs还可以作为潜在的抗癌药物转运载体。纳米物质通过靶向过程更易于聚集在癌细胞内，而常作为化疗药物的载体。包埋进SeNPs的药物浓度更高，显著增加了抗癌效果。与单个药物相比，SeNPs表现出对癌细胞更高的选择性、生物活性、药物溶解性和靶向作用，最终表现了更高效的作用和更低的副作用。比如，SeNPs可以与5-氟尿嘧啶联用具有协同抗癌作用，表面结合有5-氟尿嘧啶的SeNPs通过诱导半光天冬酶依赖的细胞凋亡方式显著增强了抗癌活性并减少了药物的副作用[23]。5种人类癌细胞系(A375、MCF-7、HepG2、Colo201和PC3)表现出对5-氟尿嘧啶表面修饰的SeNPs(5-fluorouracil surface-functionalized SeNPs，5-FU-SeNPs)的敏感，其IC50在6.2~14.4 μmol·L-1范围之间。最为重要的是，5-FU-SeNPs对正常细胞和癌细胞具有很强的选择性。5-FU-SeNPs对A375人类癌细胞系凋亡的诱导作用表现为sub-G1细胞群体的聚集、DNA断裂和核浓缩。这些结果表明，SeNPs作为抗癌药物载体的治疗方法可能成为下一代安全有效的化放疗方法。此外，使用各种表面修饰剂增强了纳米物质的细胞摄取和抗癌效率，如GE11肽结合的SeNPs作为投递系统增强癌症靶向作用并增加冬凌草甲素(oridonin)的溶解度，从而显著增强冬凌草甲素在体内和体外的抗癌活性[14]。另外，叶酸修饰的SeNPs作为靶向癌细胞的药物，具有与放射性碘协同作用和抑制集落形成的能力，表明表面修饰的SeNPs能够作为碘125I放射疗法的增敏剂。
5 SeNPs抗感染和抗癌作用的可能机制 5.1 SeNPs抗氧化和作为化学药物致敏剂SeNPs在增加小鼠血浆中谷胱甘肽还原酶活性方面具有很高的效率，而且就LD50、急性肝损伤和短期毒性等方面来看比有机硒毒性更低。这些结果表明SeNPs可以作为抗氧化剂，而且具有低中毒风险[6]。在调节硒蛋白表达方面，SeNPs与亚硒酸盐和Se-MetSeCys相当，而且急性毒性更低。
癌症和感染性疾病治疗的重要挑战之一是药物抗性的产生，从而导致治疗的失败。作为一种药物载体，SeNPs不仅增强了药物的靶向作用，而且还能增强抗癌和抗病毒治疗的药物敏感性。SeNPs增强癌细胞对5-氟尿嘧啶的化学敏感性。这种功能与硒通过谷胱甘肽过氧化物酶或硫氧还蛋白还原酶调节抗氧化活性相关，可能这是SeNPs抗癌治疗最重要的机制之一。体内研究也证明联合服用SeNPs和环磷酰胺导致肿瘤体积和细胞数量显著减少，增加了患者的生存率。SeNPs的这些有趣的特性可能增强SeNPs抗感染和抗癌治疗的效果。
5.2 SeNPs诱导细胞凋亡细胞凋亡是受调控的自杀机制，在多细胞生物的发育和防御中起到非常重要的作用。细胞凋亡对癌细胞的杀伤作用具有内在或外在两种途径。内在途径是由于细胞内DNA损伤或细胞氧化压力触发半胱天冬酶9所激活。然而，外在途径的激活是由促凋亡配体与死亡受体的结合开始的，从而触发半胱天冬酶(caspase)8介导的细胞凋亡。通常，SeNPs能够产生过量的ROS，从而损伤了DNA而诱导了细胞凋亡。此外，过度产生的ROS能够诱导线粒体的功能障碍，如瓦解线粒体的膜电位，从而激活线粒体凋亡途径。过度产生的ROS可能增加细胞色素C诱导半光天冬酶-9的活性，作为重要的细胞凋亡蛋白促进了下游半光天冬酶-3的活性，最终激活内在细胞凋亡途径。如此强效的杀癌细胞能力，又对正常细胞具有低细胞毒性，因此可能用于抑制体内肿瘤的生长。如结合有高良姜素的SeNPs具有更高的细胞毒性和抗增殖能力，能有效的抑制肝细胞瘤HepG2的增殖，其作用机制与ROS诱导的细胞凋亡相关。另外，SeNPs还能迅速、有效的起始外在信号途径如DISC/半光天冬-8/半光天冬酶-3信号途径，从而促进细胞凋亡。如转铁蛋白结合的SeNPs包埋多柔比星(doxorubicin)对半光天冬酶-3、半光天冬酶-8和半光天冬酶-9表现出强烈的凋亡诱导活性[24]。不仅如此，通过细胞周期分析发现，SeNPs也能以剂量依赖方式导致G2/M期的停止而诱导凋亡。如硒取代的羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)纳米颗粒可能抑制Cdk1蛋白表达，细胞周期停止在S-G2/M期，加速癌细胞的DNA损伤，导致肿瘤坏死。另外，SeNPs还能抑制很多抗凋亡基因如Bcl-xl和ERK，并上调促凋亡基因如p38、p53和Bad。
除了能够杀死癌细胞，凋亡也是杀死细胞内病原菌的途径，其对于宿主免疫防御细菌感染非常重要。在微生物感染过程中，细胞凋亡通常对宿主是有利而对病原菌有害，因为凋亡能够避免病原菌存在于宿主细胞内导致进一步的扩散。然而，某些具有非常稳定细胞壁的病原菌很难通过凋亡伤害到它，而且某些病原菌还可以通过抑制宿主细胞凋亡作为其免疫逃逸的重要方式。因此，通过诱导细胞凋亡来清除细胞内的病原菌是非常好的想法，这为调节凋亡来增强宿主细胞免疫成为可能。此外，SeNPs也诱导结核感染的巨噬细胞的凋亡，这有利于抗微生物免疫和细胞内结核分枝杆菌的清除和杀灭[15]。
5.3 SeNPs促进细胞自噬作为分解代谢过程，由于自噬阻止了毒性蛋白的聚集、清除损坏的细胞器并为细胞和生物体提供代谢原料，自噬是维持细胞稳态必需而有效的。然而，过度的自噬导致不可逆的细胞功能受损并最终导致细胞死亡。自噬是抑制还是促进肿瘤与其发展阶段和肿瘤类型有关，因此调节自噬对于癌症治疗是非常有前景的策略，这为纳米颗粒的癌症治疗提供了新的思路。有研究表明在SeNPs处理24 h后，细胞内的自噬起始因子Beclin-1显著上调从而增加LC3-Ⅱ表达和降低了p62的表达，表明SeNPs可能促进自噬体的形成并通过调节自噬蛋白促进自噬过程的发展。过度激活自噬可能导致线粒体功能障碍，最终诱导肿瘤细胞的凋亡。SeNPs以时间和剂量依赖方式，导致自噬协同促凋亡从而导致癌细胞死亡。然而，某些研究表明SeNPs在抑制自噬、降低肿瘤细胞耐药性方面发挥作用。在SeNPs处理12 h过程中p62和Beclin-1水平显著增加，表明自噬早期被激活，但是自噬后期是被抑制的。这些结果表明与肿瘤细胞自我产生机制相关的自噬被SeNPs抑制。不仅如此，通过溶酶体活性的评估，SeNPs减少了自噬体与溶酶体的融合或抑制了溶酶体的降解，并最终抑制了自噬的后期阶段。在不同细胞模型中，SeNPs所诱导的自噬促进或阻断机制进一步证实调节癌细胞自噬的抗癌策略。
此外，很重要的一点是自噬能够调节免疫功能，这影响病原菌的感染及其在宿主细胞中的存活。宿主细胞试图通过自噬途径杀死细胞内的病原菌，但某些病原菌已进化出各种策略通过干扰自噬信号或自噬组分来逃避自噬。在某些情况下，病原菌能利用自噬存活下来。因此，如何调节宿主细胞的自噬对于清除细胞内的病原菌仍是一个很大的挑战。通过诱导自噬来杀死细胞内病原菌的想法为自噬相关的抗菌策略提供了诱人的前景。如通过SeNPs促进感染结核分枝杆菌的巨噬细胞的自噬，增强细胞内结核分枝杆菌的抑制，为清除细胞内的结核分枝杆菌提供了一种新的方法[15]。
5.4 SeNPs的免疫调节功能SeNPs通过调节各种免疫细胞或重要的免疫信号，而表现出强烈的免疫调节活性。随着嵌合抗原受体T细胞治疗的快速开发，免疫疗法有望成为新的恶性肿瘤治疗方法。由于SeNPs具有增强免疫细胞抗肿瘤的细胞毒性，因此具有抗肿瘤免疫治疗的优势。Wang等[25]制备的金-SeNPs能够激活抗肿瘤免疫。体内研究结果表明，金-SeNPs不仅产生了抗肿瘤免疫应答，即在肿瘤相关抗原存在时具有有效的癌细胞杀伤作用，而且能有效的将肿瘤相关巨噬细胞从M2型转移到M1型。这些作用可能进一步促进T细胞活化，加快肿瘤细胞的清除以及远端肿瘤的吞噬。Hu等[26]通过SeNPs上调细胞毒性相关分子如NKG2D、CD16和IFN-γ在γδT细胞中的表达，显著增强癌细胞的杀伤作用和体内肿瘤生长的抑制作用。SeNPs在天然免疫和获得性免疫方面的调节作用表明，SeNPs作为免疫调剂在抗癌方面的巨大潜力。
感染性疾病通常与多种免疫应答相关，因此通过免疫调节的方式为治疗感染性疾病提供了可能。口服壳多糖作为稳定制备的SeNPs增强了斑马鱼对嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)感染的免疫力和疾病的抗性。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)和伴刀豆球蛋白(concanavalin A, ConA)的刺激下，壳多糖-SeNPs处理的斑马鱼脾细胞表现出高的增殖。脾细胞对ConA的免疫应答与IL-2和IL-12上调相关。另外，SeNPs能抑制结核分枝杆菌巨噬细胞的逃逸，促进宿主抗分枝杆菌免疫，诱导宿主细胞的凋亡、自噬和M1抗细菌激活，从而显著增强细胞内结核分枝杆菌的杀伤效率[15]。这些研究结果表明，SeNPs可能作为新的免疫调节剂，为抗菌感染提供了新的治疗策略。
6 SeNPs在其他方面的作用 6.1 SeNPs的保护作用 6.1.1 SeNPs在预防顺铂(cisplatin, DDP)诱导的生殖毒性方面的作用由于低毒和高药效，SeNPs能够保护正常细胞不受化学治疗药物的细胞毒性作用。比如，Rezvanfar等[27]发现SeNPs通过抗氧化作用阻止DDP诱导的生殖腺毒性作用。此外，SeNPs导致雄性老鼠中DDP诱导的自由基毒性压力和精子的DNA损伤显著减少。SeNPs也增强了抗氧化活性和对DDP诱导的肾损伤的抗性，表明SeNPs在阻止DDP诱导的肾损伤中的潜力。这些结果表明SeNPs可能作为化学治疗过程中的保护剂以减少化疗的副作用，为目前治疗感染性疾病和癌症的强烈副作用提供了新的解决途径。
6.1.2 SeNPs对多环芳烃毒性的保护作用当老鼠暴露在多环芳烃7, 12-二甲基苯并蒽[7, 12-dimethylbenz(a)anthracene，DMBA，一种免疫毒素和致癌剂]诱导的氧化压力条件下，口服SeNPs的老鼠，与对照老鼠(也暴露在DMBA条件下)相比，白细胞存活率增加2倍，吞噬细胞数量增加3倍，而且它们的骨髓恢复率增加2倍，粒细胞再生能力高出4倍。
6.2 SeNPs在重金属脱毒方面的作用SeNPs是一种能够阻止重金属慢性中毒的潜在药物。如SeNPs对亚砷酸盐诱导的细胞死亡和DNA损伤具有保护作用[28]。这或许可以用于减少亚砷酸盐诱导的ROS介导的毒性作用，尤其在亚砷酸盐含量高的地下水地区和亚砷酸盐中毒流行地区。
SeNPs对六价铬诱导的甲状腺毒性也具有保护作用。腹膜内注射重铬酸钾(60 μg·kg-1)氧化损伤导致的毒性作用对老鼠导致游离的三碘甲状腺原氨酸、甲状腺素和谷胱甘肽水平显著增加。相对于重铬酸钾处理组，SeNPs改善了激素水平和氧化压力生物标志物。
硒也表现出对镉诱导的肾中毒具有保护作用。给腹膜反复注射亚致死剂量的镉(1.5 mg·kg-1, 14 d)的老鼠口服亚硒酸钠2周, 减少了其肾脏中的脂质的过氧化反应和修复了谷胱甘肽还原酶和SOD活性。相比与镉暴露而没有摄取硒的老鼠组相比，硒的添加促进了镉在肾脏中的聚集。有趣的是，X射线衍射分析肾切片表明存在硒化镉和/或硫化镉纳米颗粒(约62 nm大小)。这表明镉可能诱导了硒化镉和硫化镉纳米颗粒在肾脏中的生物合成。通过服用硒减少镉诱导的肾脏毒性可能在于其能够与镉结合形成不溶的、荧光的纳米颗粒复合物。这表明镉与硒或硫形成的纳米水平的颗粒减少镉在肾脏中诱导的氧化压力损伤。
6.3 SeNPs在治疗代谢混乱方面的作用目前，SeNPs作为口服抗糖尿病药物载体促进了其治疗作用。Yin等[29]设计了一种硒包被的纳米脂质载体(selenium-coated nano-structured lipid carriers，SeNLCs)用于增强口服药物的药效和增强小檗碱的降血糖作用。携带有小檗碱的SeNLCs通过口服给药显著增强了小鼠体内小檗碱的生物药物6.6倍，并显著增强降糖作用。
SeNPs在治疗脂肪肝(fatty liver disease，FLD)方面效果显著。肝脂肪变性(hepatic steatosis，HS)或脂肪肝是代谢混乱的特征之一。脂肪肝能导致肝脏的炎症反应，从而导致永久性肝损伤，甚至死亡。不经过有效治疗，致死率高达25%。除了饮食管理，SeNPs的服用可能有效治疗糖尿病。在大鼠中的研究发现，SeNPs减少了炎症反应和自由基的释放，但要证实其治疗作用还需要进一步实验。另外，硒不仅具有类胰岛素的作用，而且硒还能与胰岛素通过调控Cbl-b，抑制p38MAPK而阻止Bax转位来协同抑制糖尿病大鼠心肌细胞凋亡，从而减缓糖尿病心肌病变的发生[30]。
7 展望作为一种新的纳米物质，SeNPs日益受到关注以解决抗生素抗性困境和癌症治疗的难题，因此表现出未来临床治疗诱人的前景。然而，在临床转化之前存在很多不可避免的挑战。在面临的这些挑战中，最亟需解决的问题是SeNPs可能会导致的硒中毒问题。SeNPs对癌细胞或病原菌的毒性已有广泛的报道，然而SeNPs对正常细胞或组织的毒性仍然需要进一步研究。因此，理解硒和SeNPs在治疗差异和毒性作用方面的分子机制对于了解他们的生物兼容性非常重要。另外，SeNPs在身体内的降解也不清楚，长期的服用可能导致毒性。因此，需要进一步关注SeNPs长期服用后的降解将有利于SeNPs临床使用的安全性。如何开发出具有更好生物兼容性和降解特性的功能性SeNPs对临床应用SeNPs治疗不同感染性疾病和癌症非常重要。
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