秀麗隱桿線蟲在環(huán)境毒理學中的應用研究進展

趙 悅，卞 倩*

(江蘇省疾病預防控制中心，江蘇 南京 210009)

隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境和人類健康受到越來越嚴重的威脅，農(nóng)藥、重金屬、持久性有機污染物等引起的環(huán)境污染問題已成為當今世界關(guān)注的熱點問題。對環(huán)境污染物進行系統(tǒng)、全面的安全性風險評估，對未知化學品進行高通量的毒性篩選以及構(gòu)建更加科學、高效、準確的毒效應和毒作用機制研究模型，是未來毒理學發(fā)展的重要趨勢。傳統(tǒng)的理化分析方法，依賴色譜、質(zhì)譜等昂貴的儀器，仍不能評價多個污染物聯(lián)合作用的結(jié)果。以大鼠、小鼠等嚙齒動物為代表的經(jīng)典毒理學試驗，存在試驗周期長、試驗成本高、不能對大量毒物快速評價等缺點，且動物福利和倫理問題也是當前質(zhì)疑和爭論的焦點。斑馬魚雖然也廣泛應用于環(huán)境毒物的毒理學研究中，但是對飼養(yǎng)條件和環(huán)境要求較高。體外細胞毒性試驗盡管具有經(jīng)濟、快速等優(yōu)點，但是因不能模擬體內(nèi)毒物動力學過程而限制了其廣泛應用。在此現(xiàn)狀下，秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)這種經(jīng)典的模式生物，表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢，被認為是現(xiàn)代毒理學研究中體內(nèi)和體外模型的有力補充，在毒理學研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。

本文將從秀麗隱桿線蟲在毒理學研究中的優(yōu)勢及其在環(huán)境毒理學中的應用研究進展兩個方面進行綜述。

1 秀麗隱桿線蟲在毒理學研究中的優(yōu)勢

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，秀麗隱桿線蟲在毒理學領(lǐng)域引起了越來越多的關(guān)注，是毒理學中毒性評價及機制研究的重要體內(nèi)模型，在毒理學應用中的主要優(yōu)勢有：①體型微小，所需實驗空間小，實驗成本低；②生長周期短，繁殖能力強，可以在短時間內(nèi)獲得大量實驗數(shù)據(jù)；③易于在實驗室培養(yǎng)和保存，且對環(huán)境和實驗人員無害[1]；④身體透明，易于在顯微鏡下觀察細胞、器官等的發(fā)育和損傷情況；⑤遺傳背景清晰，擁有非常成熟的各種分子操作技術(shù)；⑥多方面毒性評價終點被系統(tǒng)提出，可以對毒物進行急、慢性和特定靶器官毒性的評估；⑦對多數(shù)環(huán)境毒物或應激反應十分敏感，適合微克甚至納克水平的毒性分析[2]；⑧可以對大量環(huán)境樣品進行毒效應評價；⑨符合優(yōu)化、減少、替代的3R原則。

目前利用模式動物秀麗隱桿線蟲已建立環(huán)境毒物毒性的評估研究體系，包含了一系列的評價終點，如致死率、運動行為、發(fā)育、生殖、細胞凋亡、乙酰膽堿酯酶活性、學習和記憶行為等[3]。

2 秀麗隱桿線蟲在環(huán)境毒理學中的應用

2.1 在重金屬污染物毒性研究中的應用進展

由于工業(yè)和人為活動的增加，多種重金屬污染物在環(huán)境和生物體內(nèi)累積，尤其是鉛、汞、鉻、鎘、銀、砷等毒性較強的重金屬，因其在環(huán)境中持久存在，是目前全世界普遍存在的一類污染物。

秀麗隱桿線蟲的多個評價終點指標已被證明可用來評估環(huán)境中重金屬污染物的毒性，如致死率[4]、體長和體寬、頭部擺動和身體彎曲頻率[5]、后代數(shù)目、世代時間、氧化應激[6]、咽泵運動速率[7]、排泄行為[8]、耗氧量[9]等。其中，生長、行為和生殖是重金屬毒性評價的常用指標。Tang等[10]將秀麗隱桿線蟲暴露于一定濃度的鉛、鉻、錳3種溶液中48 h后，發(fā)現(xiàn)溶液對其生長、生殖和攝食行為均產(chǎn)生了顯著的抑制作用。在自然環(huán)境中，重金屬污染物常以混合物的形式存在，由此可能會產(chǎn)生一定的聯(lián)合毒效應。Lu等[11]以壽命、生殖、氧化應激和神經(jīng)毒性為評價終點，研究了錳+鉛和錳+鎘對秀麗隱桿線蟲的聯(lián)合毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錳鉛混合物對秀麗隱桿線蟲的致死毒性大于相加作用，表現(xiàn)出協(xié)同作用，對生殖和壽命也均存在相加作用；而錳鎘混合物的致死毒性小于相加作用，表現(xiàn)出拮抗作用，對壽命有相加作用，但對生殖無明顯影響；兩種混合物均對應激反應和神經(jīng)毒性產(chǎn)生了疊加效應。目前，對環(huán)境中重金屬污染物毒性的研究已從秀麗隱桿線蟲親代延伸到了子代。Yu等[12]為了研究亞砷酸鹽的毒性作用是否能傳遞給后代，將F0代秀麗隱桿線蟲暴露于1 mmol/L亞砷酸鹽24 h，發(fā)現(xiàn)F0代后代數(shù)目顯著降低，未暴露的F1~F5代后代數(shù)目雖有所恢復，但仍明顯低于對照組，表明親代接觸亞砷酸鹽會對秀麗隱桿線蟲生殖產(chǎn)生跨代毒性。此研究還發(fā)現(xiàn)，單次母體亞砷酸鹽暴露誘導組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶SPR-5的跨代下調(diào)和H3K4me2的跨代增加，說明其在介導亞砷酸鹽暴露引起的跨代生殖毒性中起了關(guān)鍵作用，這可能是砷在秀麗隱桿線蟲體內(nèi)誘導跨代生殖毒性的潛在機制。

現(xiàn)已利用秀麗隱桿線蟲模型對多種重金屬污染物毒作用機制展開研究，主要涉及神經(jīng)、生殖等方面。鉛是一種神經(jīng)毒性物質(zhì)，被認為與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。Akinyemi等[13]將N2型秀麗隱桿線蟲和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)突變體秀麗隱桿線蟲在相同條件下暴露于Pb2+溶液1 h，N2型秀麗隱桿線蟲多巴胺能神經(jīng)元功能受到顯著損害，而PKC突變體秀麗隱桿線蟲中卻未觀察到這種影響，PKC突變體對Pb2+毒性表現(xiàn)出了顯著的抗性，這說明PKC的激活可能直接參與了鉛神經(jīng)毒性的調(diào)控。

2.2 在農(nóng)藥毒性研究中的應用

作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)藥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是其毒性大、易殘留、易遷移、不易降解等特性給環(huán)境和人類健康帶來了潛在的威脅[14]。實驗證明，秀麗隱桿線蟲模型對農(nóng)藥的毒性大小有很好的預測性[15]，可以提供明確的劑量-反應關(guān)系[16]，同時也是評價農(nóng)藥聯(lián)合毒性作用的敏感模型[17]。

研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥急、慢性暴露后可對秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生多種毒效應。Li等[18]將秀麗隱桿線蟲急性暴露于多菌靈24 h后，秀麗隱桿線蟲運動行為明顯減少，壽命縮短，生殖系統(tǒng)受到嚴重損傷。Yu等[19]將秀麗隱桿線蟲亞急性暴露于環(huán)境相關(guān)濃度(0.01~100 ng/L)的林丹3 d后，對秀麗隱桿線蟲的發(fā)育、繁殖和運動行為均產(chǎn)生了明顯的抑制作用。除此之外，還可觀察到活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生，脂褐素累積顯著增加，腸道通透性增加，腸道發(fā)育相關(guān)的基因(如mtm-6、opt-2)表達降低，抗氧化基因(如sod-5、isp-1)表達顯著增加。這表明，林丹的不良反應可能是由腸道損傷和氧化應激引起的，這也為其他農(nóng)藥毒性分子機制研究提供了參考。Yin等[20]通過非靶向代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，莠去津暴露后可引起秀麗隱桿線蟲代謝譜發(fā)生顯著變化，代謝物的改變主要涉及以下途徑：甘油磷脂代謝、糖酵解/糖異生、葉酸生物合成、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、嘧啶和嘌呤代謝等。這些途徑也在暗示毒作用的發(fā)生可能與氧化應激和ATP合成中斷有關(guān)，同時也為發(fā)現(xiàn)新的生物標志物提供了可能。

2.3 在持久性有機污染物毒性研究中的應用

持久性有機污染物(persistent organic pollutants，POPs)是一類可以持久存在于環(huán)境中的天然或人工合成的有機污染物，因具有高毒、生物蓄積和遠距離遷移等特性可對人類多系統(tǒng)造成影響，其中生殖毒性是目前重點關(guān)注和研究的內(nèi)容之一。

現(xiàn)已利用秀麗隱桿線蟲模型對多種持久性有機污染物的生殖毒性展開研究。硫丹是一種有機氯殺蟲劑，同時也被列入持久性有機污染物名單。研究發(fā)現(xiàn)，硫丹同系物(α-硫丹、β-硫丹)、代謝產(chǎn)物(硫丹硫酸鹽)均可對秀麗隱桿線蟲的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生重要損傷，DNA損傷和線粒體功能失調(diào)被認為可能是造成這種損傷的潛在機制[21]。同時有研究指出，DNA損傷響應基因hus-1在硫丹誘導的生殖功能障礙中發(fā)揮重要作用[22]。全氟辛烷磺 酸 (perfluorooctane sulfonate， PFOS)和 全 氟 辛 酸(perfluorooctanoic acid，PFOA)是兩種新型的持久性有機污染物，在生物體內(nèi)有相當高濃度的蓄積。Yin等[23]將him-5突變體秀麗隱桿線蟲暴露于0.001~0.1 mmol/L的PFOS或PFOA后48 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該突變體秀麗隱桿線蟲的后代數(shù)目、生殖細胞數(shù)減少，精子細胞大小和活力降低，精子細胞畸形率增加，表明生精能力產(chǎn)生了重要的損傷。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種損傷主要是通過干擾生精不同階段來實現(xiàn)的，如有絲分裂、減數(shù)分裂、精子激活等。鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[di(2-ethylhexyl)phthalate，DEHP]是一種廣泛使用的增塑劑，在環(huán)境中有較高的暴露濃度。秀麗隱桿線蟲暴露于0.1~100 mg/L的DEHP后，可引起卵母細胞數(shù)量減少，凋亡的卵母細胞數(shù)量增加，細胞凋亡相關(guān)基因(ep-1、egl-1、ced-4和ced-3)表達增加，氧化應激相關(guān)基因(mev-1、gas-1)表達降低，提示氧化應激引起的DNA損傷可能是其生殖毒性的潛在機制[24]。

3 展望

秀麗隱桿線蟲作為一種成熟的毒性評價及機制研究模型工具，在環(huán)境毒理學領(lǐng)域得到了充分和廣泛的應用。利用秀麗隱桿線蟲模型進行毒性研究時，評價結(jié)果常與多種因素有關(guān)[25-27]，如暴露時期、暴露時間、評價終點以及秀麗隱桿線蟲性別等。所以，在進行毒性評估時，一定要考慮多種因素的影響，選擇最佳的實驗條件和評價終點，進而得出更加全面、準確的毒性評價數(shù)據(jù)。除此之外，目前的研究多基于實驗室環(huán)境下，受試物為單一物質(zhì)或者幾種物質(zhì)的混合物，實驗濃度和實驗條件相對穩(wěn)定，實際上自然環(huán)境相當復雜，污染物的種類和濃度也處在動態(tài)變化之中，因此未來還需要進一步的深入研究，以期得到更加科學、客觀的環(huán)境評估數(shù)據(jù)，為環(huán)境風險評估、環(huán)境標準制定以及環(huán)境監(jiān)管提供可靠的參考依據(jù)。