秀丽隐杆线虫在环境毒理学中的应用研究进展

赵 悦，卞 倩*

(江苏省疾病预防控制中心，江苏 南京 210009)

随着现代化工农业的迅速发展，生态环境和人类健康受到越来越严重的威胁，农药、重金属、持久性有机污染物等引起的环境污染问题已成为当今世界关注的热点问题。对环境污染物进行系统、全面的安全性风险评估，对未知化学品进行高通量的毒性筛选以及构建更加科学、高效、准确的毒效应和毒作用机制研究模型，是未来毒理学发展的重要趋势。传统的理化分析方法，依赖色谱、质谱等昂贵的仪器，仍不能评价多个污染物联合作用的结果。以大鼠、小鼠等啮齿动物为代表的经典毒理学试验，存在试验周期长、试验成本高、不能对大量毒物快速评价等缺点，且动物福利和伦理问题也是当前质疑和争论的焦点。斑马鱼虽然也广泛应用于环境毒物的毒理学研究中，但是对饲养条件和环境要求较高。体外细胞毒性试验尽管具有经济、快速等优点，但是因不能模拟体内毒物动力学过程而限制了其广泛应用。在此现状下，秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)这种经典的模式生物，表现出了极大优势，被认为是现代毒理学研究中体内和体外模型的有力补充，在毒理学研究中发挥了越来越重要的作用。

本文将从秀丽隐杆线虫在毒理学研究中的优势及其在环境毒理学中的应用研究进展两个方面进行综述。

1 秀丽隐杆线虫在毒理学研究中的优势

经过近几十年的发展，秀丽隐杆线虫在毒理学领域引起了越来越多的关注，是毒理学中毒性评价及机制研究的重要体内模型，在毒理学应用中的主要优势有：①体型微小，所需实验空间小，实验成本低；②生长周期短，繁殖能力强，可以在短时间内获得大量实验数据；③易于在实验室培养和保存，且对环境和实验人员无害[1]；④身体透明，易于在显微镜下观察细胞、器官等的发育和损伤情况；⑤遗传背景清晰，拥有非常成熟的各种分子操作技术；⑥多方面毒性评价终点被系统提出，可以对毒物进行急、慢性和特定靶器官毒性的评估；⑦对多数环境毒物或应激反应十分敏感，适合微克甚至纳克水平的毒性分析[2]；⑧可以对大量环境样品进行毒效应评价；⑨符合优化、减少、替代的3R原则。

目前利用模式动物秀丽隐杆线虫已建立环境毒物毒性的评估研究体系，包含了一系列的评价终点，如致死率、运动行为、发育、生殖、细胞凋亡、乙酰胆碱酯酶活性、学习和记忆行为等[3]。

2 秀丽隐杆线虫在环境毒理学中的应用

2.1 在重金属污染物毒性研究中的应用进展

由于工业和人为活动的增加，多种重金属污染物在环境和生物体内累积，尤其是铅、汞、铬、镉、银、砷等毒性较强的重金属，因其在环境中持久存在，是目前全世界普遍存在的一类污染物。

秀丽隐杆线虫的多个评价终点指标已被证明可用来评估环境中重金属污染物的毒性，如致死率[4]、体长和体宽、头部摆动和身体弯曲频率[5]、后代数目、世代时间、氧化应激[6]、咽泵运动速率[7]、排泄行为[8]、耗氧量[9]等。其中，生长、行为和生殖是重金属毒性评价的常用指标。Tang等[10]将秀丽隐杆线虫暴露于一定浓度的铅、铬、锰3种溶液中48 h后，发现溶液对其生长、生殖和摄食行为均产生了显著的抑制作用。在自然环境中，重金属污染物常以混合物的形式存在，由此可能会产生一定的联合毒效应。Lu等[11]以寿命、生殖、氧化应激和神经毒性为评价终点，研究了锰+铅和锰+镉对秀丽隐杆线虫的联合毒性。结果发现，锰铅混合物对秀丽隐杆线虫的致死毒性大于相加作用，表现出协同作用，对生殖和寿命也均存在相加作用；而锰镉混合物的致死毒性小于相加作用，表现出拮抗作用，对寿命有相加作用，但对生殖无明显影响；两种混合物均对应激反应和神经毒性产生了叠加效应。目前，对环境中重金属污染物毒性的研究已从秀丽隐杆线虫亲代延伸到了子代。Yu等[12]为了研究亚砷酸盐的毒性作用是否能传递给后代，将F0代秀丽隐杆线虫暴露于1 mmol/L亚砷酸盐24 h，发现F0代后代数目显著降低，未暴露的F1~F5代后代数目虽有所恢复，但仍明显低于对照组，表明亲代接触亚砷酸盐会对秀丽隐杆线虫生殖产生跨代毒性。此研究还发现，单次母体亚砷酸盐暴露诱导组蛋白去甲基转移酶SPR-5的跨代下调和H3K4me2的跨代增加，说明其在介导亚砷酸盐暴露引起的跨代生殖毒性中起了关键作用，这可能是砷在秀丽隐杆线虫体内诱导跨代生殖毒性的潜在机制。

现已利用秀丽隐杆线虫模型对多种重金属污染物毒作用机制展开研究，主要涉及神经、生殖等方面。铅是一种神经毒性物质，被认为与多种神经系统疾病有关。Akinyemi等[13]将N2型秀丽隐杆线虫和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)突变体秀丽隐杆线虫在相同条件下暴露于Pb2+溶液1 h，N2型秀丽隐杆线虫多巴胺能神经元功能受到显著损害，而PKC突变体秀丽隐杆线虫中却未观察到这种影响，PKC突变体对Pb2+毒性表现出了显著的抗性，这说明PKC的激活可能直接参与了铅神经毒性的调控。

2.2 在农药毒性研究中的应用

作为一个农业大国，农药在我国农业生产中发挥着越来越重要的作用，但是其毒性大、易残留、易迁移、不易降解等特性给环境和人类健康带来了潜在的威胁[14]。实验证明，秀丽隐杆线虫模型对农药的毒性大小有很好的预测性[15]，可以提供明确的剂量-反应关系[16]，同时也是评价农药联合毒性作用的敏感模型[17]。

研究发现，农药急、慢性暴露后可对秀丽隐杆线虫产生多种毒效应。Li等[18]将秀丽隐杆线虫急性暴露于多菌灵24 h后，秀丽隐杆线虫运动行为明显减少，寿命缩短，生殖系统受到严重损伤。Yu等[19]将秀丽隐杆线虫亚急性暴露于环境相关浓度(0.01~100 ng/L)的林丹3 d后，对秀丽隐杆线虫的发育、繁殖和运动行为均产生了明显的抑制作用。除此之外，还可观察到活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生，脂褐素累积显著增加，肠道通透性增加，肠道发育相关的基因(如mtm-6、opt-2)表达降低，抗氧化基因(如sod-5、isp-1)表达显著增加。这表明，林丹的不良反应可能是由肠道损伤和氧化应激引起的，这也为其他农药毒性分子机制研究提供了参考。Yin等[20]通过非靶向代谢组学分析发现，莠去津暴露后可引起秀丽隐杆线虫代谢谱发生显著变化，代谢物的改变主要涉及以下途径：甘油磷脂代谢、糖酵解/糖异生、叶酸生物合成、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、嘧啶和嘌呤代谢等。这些途径也在暗示毒作用的发生可能与氧化应激和ATP合成中断有关，同时也为发现新的生物标志物提供了可能。

2.3 在持久性有机污染物毒性研究中的应用

持久性有机污染物(persistent organic pollutants，POPs)是一类可以持久存在于环境中的天然或人工合成的有机污染物，因具有高毒、生物蓄积和远距离迁移等特性可对人类多系统造成影响，其中生殖毒性是目前重点关注和研究的内容之一。

现已利用秀丽隐杆线虫模型对多种持久性有机污染物的生殖毒性展开研究。硫丹是一种有机氯杀虫剂，同时也被列入持久性有机污染物名单。研究发现，硫丹同系物(α-硫丹、β-硫丹)、代谢产物(硫丹硫酸盐)均可对秀丽隐杆线虫的生殖系统产生重要损伤，DNA损伤和线粒体功能失调被认为可能是造成这种损伤的潜在机制[21]。同时有研究指出，DNA损伤响应基因hus-1在硫丹诱导的生殖功能障碍中发挥重要作用[22]。全氟辛烷磺 酸 (perfluorooctane sulfonate， PFOS)和 全 氟 辛 酸(perfluorooctanoic acid，PFOA)是两种新型的持久性有机污染物，在生物体内有相当高浓度的蓄积。Yin等[23]将him-5突变体秀丽隐杆线虫暴露于0.001~0.1 mmol/L的PFOS或PFOA后48 h，结果发现，该突变体秀丽隐杆线虫的后代数目、生殖细胞数减少，精子细胞大小和活力降低，精子细胞畸形率增加，表明生精能力产生了重要的损伤。通过进一步研究发现，这种损伤主要是通过干扰生精不同阶段来实现的，如有丝分裂、减数分裂、精子激活等。邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[di(2-ethylhexyl)phthalate，DEHP]是一种广泛使用的增塑剂，在环境中有较高的暴露浓度。秀丽隐杆线虫暴露于0.1~100 mg/L的DEHP后，可引起卵母细胞数量减少，凋亡的卵母细胞数量增加，细胞凋亡相关基因(ep-1、egl-1、ced-4和ced-3)表达增加，氧化应激相关基因(mev-1、gas-1)表达降低，提示氧化应激引起的DNA损伤可能是其生殖毒性的潜在机制[24]。

3 展望

秀丽隐杆线虫作为一种成熟的毒性评价及机制研究模型工具，在环境毒理学领域得到了充分和广泛的应用。利用秀丽隐杆线虫模型进行毒性研究时，评价结果常与多种因素有关[25-27]，如暴露时期、暴露时间、评价终点以及秀丽隐杆线虫性别等。所以，在进行毒性评估时，一定要考虑多种因素的影响，选择最佳的实验条件和评价终点，进而得出更加全面、准确的毒性评价数据。除此之外，目前的研究多基于实验室环境下，受试物为单一物质或者几种物质的混合物，实验浓度和实验条件相对稳定，实际上自然环境相当复杂，污染物的种类和浓度也处在动态变化之中，因此未来还需要进一步的深入研究，以期得到更加科学、客观的环境评估数据，为环境风险评估、环境标准制定以及环境监管提供可靠的参考依据。