趙 悅，卞 倩*

(江蘇省疾病預(yù)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(lái)越嚴(yán)重的威脅，農(nóng)藥、重金屬、持久性有機(jī)污染物等引起的環(huán)境污染問(wèn)題已成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行系統(tǒng)、全面的安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)未知化學(xué)品進(jìn)行高通量的毒性篩選以及構(gòu)建更加科學(xué)、高效、準(zhǔn)確的毒效應(yīng)和毒作用機(jī)制研究模型，是未來(lái)毒理學(xué)發(fā)展的重要趨勢(shì)。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(píng)價(jià)多個(gè)污染物聯(lián)合作用的結(jié)果。以大鼠、小鼠等嚙齒動(dòng)物為代表的經(jīng)典毒理學(xué)試驗(yàn)，存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本高、不能對(duì)大量毒物快速評(píng)價(jià)等缺點(diǎn)，且動(dòng)物福利和倫理問(wèn)題也是當(dāng)前質(zhì)疑和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。斑馬魚(yú)雖然也廣泛應(yīng)用于環(huán)境毒物的毒理學(xué)研究中，但是對(duì)飼養(yǎng)條件和環(huán)境要求較高。體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)盡管具有經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)，但是因不能模擬體內(nèi)毒物動(dòng)力學(xué)過(guò)程而限制了其廣泛應(yīng)用。在此現(xiàn)狀下，秀麗隱桿線蟲(chóng)(Caenorhabditis elegans)這種經(jīng)典的模式生物，表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是現(xiàn)代毒理學(xué)研究中體內(nèi)和體外模型的有力補(bǔ)充，在毒理學(xué)研究中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

本文將從秀麗隱桿線蟲(chóng)在毒理學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)及其在環(huán)境毒理學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展兩個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 秀麗隱桿線蟲(chóng)在毒理學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，秀麗隱桿線蟲(chóng)在毒理學(xué)領(lǐng)域引起了越來(lái)越多的關(guān)注，是毒理學(xué)中毒性評(píng)價(jià)及機(jī)制研究的重要體內(nèi)模型，在毒理學(xué)應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)有：①體型微小，所需實(shí)驗(yàn)空間小，實(shí)驗(yàn)成本低；②生長(zhǎng)周期短，繁殖能力強(qiáng)，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；③易于在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和保存，且對(duì)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)人員無(wú)害[1]；④身體透明，易于在顯微鏡下觀察細(xì)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(píng)價(jià)終點(diǎn)被系統(tǒng)提出，可以對(duì)毒物進(jìn)行急、慢性和特定靶器官毒性的評(píng)估；⑦對(duì)多數(shù)環(huán)境毒物或應(yīng)激反應(yīng)十分敏感，適合微克甚至納克水平的毒性分析[2]；⑧可以對(duì)大量環(huán)境樣品進(jìn)行毒效應(yīng)評(píng)價(jià)；⑨符合優(yōu)化、減少、替代的3R原則。

目前利用模式動(dòng)物秀麗隱桿線蟲(chóng)已建立環(huán)境毒物毒性的評(píng)估研究體系，包含了一系列的評(píng)價(jià)終點(diǎn)，如致死率、運(yùn)動(dòng)行為、發(fā)育、生殖、細(xì)胞凋亡、乙酰膽堿酯酶活性、學(xué)習(xí)和記憶行為等[3]。

2 秀麗隱桿線蟲(chóng)在環(huán)境毒理學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在重金屬污染物毒性研究中的應(yīng)用進(jìn)展

由于工業(yè)和人為活動(dòng)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(qiáng)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(chóng)的多個(gè)評(píng)價(jià)終點(diǎn)指標(biāo)已被證明可用來(lái)評(píng)估環(huán)境中重金屬污染物的毒性，如致死率[4]、體長(zhǎng)和體寬、頭部擺動(dòng)和身體彎曲頻率[5]、后代數(shù)目、世代時(shí)間、氧化應(yīng)激[6]、咽泵運(yùn)動(dòng)速率[7]、排泄行為[8]、耗氧量[9]等。其中，生長(zhǎng)、行為和生殖是重金屬毒性評(píng)價(jià)的常用指標(biāo)。Tang等[10]將秀麗隱桿線蟲(chóng)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(duì)其生長(zhǎng)、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(huì)產(chǎn)生一定的聯(lián)合毒效應(yīng)。Lu等[11]以壽命、生殖、氧化應(yīng)激和神經(jīng)毒性為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，研究了錳+鉛和錳+鎘對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的聯(lián)合毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錳鉛混合物對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的致死毒性大于相加作用，表現(xiàn)出協(xié)同作用，對(duì)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(duì)壽命有相加作用，但對(duì)生殖無(wú)明顯影響；兩種混合物均對(duì)應(yīng)激反應(yīng)和神經(jīng)毒性產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。目前，對(duì)環(huán)境中重金屬污染物毒性的研究已從秀麗隱桿線蟲(chóng)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(chóng)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(fù)，但仍明顯低于對(duì)照組，表明親代接觸亞砷酸鹽會(huì)對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)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(dǎo)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(shuō)明其在介導(dǎo)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(chóng)體內(nèi)誘導(dǎo)跨代生殖毒性的潛在機(jī)制。

現(xiàn)已利用秀麗隱桿線蟲(chóng)模型對(duì)多種重金屬污染物毒作用機(jī)制展開(kāi)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(rèn)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(chóng)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)突變體秀麗隱桿線蟲(chóng)在相同條件下暴露于Pb2+溶液1 h，N2型秀麗隱桿線蟲(chóng)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(chóng)中卻未觀察到這種影響，PKC突變體對(duì)Pb2+毒性表現(xiàn)出了顯著的抗性，這說(shuō)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(yīng)用

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)藥在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)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(lái)了潛在的威脅[14]。實(shí)驗(yàn)證明，秀麗隱桿線蟲(chóng)模型對(duì)農(nóng)藥的毒性大小有很好的預(yù)測(cè)性[15]，可以提供明確的劑量-反應(yīng)關(guān)系[16]，同時(shí)也是評(píng)價(jià)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(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)產(chǎn)生多種毒效應(yīng)。Li等[18]將秀麗隱桿線蟲(chóng)急性暴露于多菌靈24 h后，秀麗隱桿線蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)行為明顯減少，壽命縮短，生殖系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p傷。Yu等[19]將秀麗隱桿線蟲(chóng)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(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的發(fā)育、繁殖和運(yùn)動(dòng)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(dá)降低，抗氧化基因(如sod-5、isp-1)表達(dá)顯著增加。這表明，林丹的不良反應(yīng)可能是由腸道損傷和氧化應(yīng)激引起的，這也為其他農(nóng)藥毒性分子機(jī)制研究提供了參考。Yin等[20]通過(guò)非靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，莠去津暴露后可引起秀麗隱桿線蟲(chóng)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(yīng)激和ATP合成中斷有關(guān)，同時(shí)也為發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物提供了可能。

2.3 在持久性有機(jī)污染物毒性研究中的應(yīng)用

持久性有機(jī)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(jī)污染物，因具有高毒、生物蓄積和遠(yuǎn)距離遷移等特性可對(duì)人類多系統(tǒng)造成影響，其中生殖毒性是目前重點(diǎn)關(guān)注和研究的內(nèi)容之一。

現(xiàn)已利用秀麗隱桿線蟲(chóng)模型對(duì)多種持久性有機(jī)污染物的生殖毒性展開(kāi)研究。硫丹是一種有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑，同時(shí)也被列入持久性有機(jī)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(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)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(rèn)為可能是造成這種損傷的潛在機(jī)制[21]。同時(shí)有研究指出，DNA損傷響應(yīng)基因hus-1在硫丹誘導(dǎo)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(jī)污染物，在生物體內(nèi)有相當(dāng)高濃度的蓄積。Yin等[23]將him-5突變體秀麗隱桿線蟲(chóng)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(chóng)的后代數(shù)目、生殖細(xì)胞數(shù)減少，精子細(xì)胞大小和活力降低，精子細(xì)胞畸形率增加，表明生精能力產(chǎn)生了重要的損傷。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種損傷主要是通過(guò)干擾生精不同階段來(lái)實(shí)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(chóng)暴露于0.1~100 mg/L的DEHP后，可引起卵母細(xì)胞數(shù)量減少，凋亡的卵母細(xì)胞數(shù)量增加，細(xì)胞凋亡相關(guān)基因(ep-1、egl-1、ced-4和ced-3)表達(dá)增加，氧化應(yīng)激相關(guān)基因(mev-1、gas-1)表達(dá)降低，提示氧化應(yīng)激引起的DNA損傷可能是其生殖毒性的潛在機(jī)制[24]。

3 展望

秀麗隱桿線蟲(chóng)作為一種成熟的毒性評(píng)價(jià)及機(jī)制研究模型工具，在環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域得到了充分和廣泛的應(yīng)用。利用秀麗隱桿線蟲(chóng)模型進(jìn)行毒性研究時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果常與多種因素有關(guān)[25-27]，如暴露時(shí)期、暴露時(shí)間、評(píng)價(jià)終點(diǎn)以及秀麗隱桿線蟲(chóng)性別等。所以，在進(jìn)行毒性評(píng)估時(shí)，一定要考慮多種因素的影響，選擇最佳的實(shí)驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)終點(diǎn)，進(jìn)而得出更加全面、準(zhǔn)確的毒性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。除此之外，目前的研究多基于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)濃度和實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)際上自然環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，污染物的種類和濃度也處在動(dòng)態(tài)變化之中，因此未來(lái)還需要進(jìn)一步的深入研究，以期得到更加科學(xué)、客觀的環(huán)境評(píng)估數(shù)據(jù)，為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定以及環(huán)境監(jiān)管提供可靠的參考依據(jù)。