硒的抗肿瘤作用机制比较复杂。经过多年的研究，目前发现硒的抗肿瘤作用机制主要有：
（1）抗氧化作用
硒预防肿瘤的作用机制表现在抗氧化保护作用，对致癌物质的解毒作用，及抑制肿瘤发生和发展的某些过程。
许多硒结合蛋白需要硒作为活性中心，激活如GPX类酶系，消除自由基引起的DNA损伤和脂质过氧化反应。
在早期肝癌发生机制研究中，发现硒与脂质过氧化物的作用相反，硒能保护细胞膜的结构和功能，通过形成GPX分解过氧化物，防止细胞膜脂质的过氧化破坏反应，保护细胞膜、线粒体膜、微粒体膜及溶酶体免遭损害。硒能引起线粒体自噬，该过程受线粒体外膜E3连接酶（MUL1）调节。
（2） DNA 修复与细胞衰老
（1）硒与胃癌
Wang等的研究发现，当人体血硒水平降低时可能会增加GPLs及胃癌的发病率及死亡率。相反的，在冀军等对包头市肿瘤医院的46例胃癌患者癌组织及癌旁组织样本进行病例对照研究中发现，胃癌组织中的硒水平含量明显高于癌旁组织中的硒水平含量，这说明即使是人体重要的微量元素，过量也可能使代谢发生紊乱，通过各种机制最终导致癌症的发生。
关于通过膳食硒或硒补充剂是否能有效降低胃癌的发病率的问题，研究结果不一。总之，当人体硒水平偏低或过高时都有可能促进胃癌的发生、发展，因此将人体硒水平维持在相对稳定的状态可有效地预防、控制胃癌的发病及死亡。
（2）硒与肝癌
虽然肝癌的发病通常会伴随着血硒及部分相关组织硒水平的降低，但膳食硒摄入量不足对于肝癌发病的影响也仅存在于绝经期及高体质量指数（BMI）的妇女中。通过补充硒与药物结合虽然可以控制肿瘤的发展与分期，但硒对肝癌的具体作用仍需要进一步的研究来证明其可行性。
虽然结直肠癌的发病与人体内硒水平降低有一定的关系，但对于补充硒控制结直肠癌的发病及临床分期具有一定有效这一说法仍存在争议。
（4）硒与食管癌
适量补充硒对食管癌具有一定的保护作用，但过量补充可能会增加食管癌发病风险。
Yang等在对多项研究进行整理后发现补充适量的硒有助于降低食管癌的发病率和死亡率，而另一项横断面研究得出了相反的结论，即人体中血清硒浓度与食管鳞状细胞癌之间存在显著正相关关系。
由此可见，虽然人体内血清硒水平与食管癌的发病风险显著负相关，且会随着疾病临床分期增加血清硒水平越低，但对于硒补充能预防及控制食管癌的发生及发展仍需要进一步研究其可行性。
（5）硒与甲状腺癌
人体硒水平降低会促使甲状腺癌的发生，这可能与绝经期妇女年龄较大身体免疫力低，对硒的吸收能力较弱等因素有关，另外硒在减轻甲状腺癌患者治疗时的某些副作用方面可能具有一定效果，但对于是否能控制甲状腺癌的发生与发展还需要更进一步的研究。
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