秀丽隐杆线虫模型毒理学研究现状及其法医学应用前景

doi:10.12116/j.issn.1004-5619.2024.440406

摘要/Abstract

摘要：

秀丽隐杆线虫作为一种新兴的模式生物，因生命周期短、遗传背景清晰、进化高度保守、基因组解析完全、实验数据与人体结果高度拟合的特点，近年来已被广泛应用于基础医学、生命科学、环境科学等多个学科领域。在毒理学领域，秀丽隐杆线虫模型也展现出其独特优势。本文从秀丽隐杆线虫的生物学特性出发，总结其毒理学研究优势，介绍基于秀丽隐杆线虫模型的毒理学研究方法及研究进展，重点介绍其在环境法医学和法医毒理学方面的应用，并对其在法医学领域的应用前景进行了展望。

关键词: 法医毒理学, 环境法医学, 秀丽隐杆线虫, 模式生物, 综述

Abstract:

Caenorhabditis elegans, as an emerging model organism, has been widely used in multiple disciplines such as medicine, life science, and environmental science in recent years, due to its characteristics of short life cycle, clear genetic background, highly conserved evolution, complete genome analysis and excellent fitting between experimental data and human results. It also shows unique advantages in the field of toxicology. This paper summarizes its advantages in toxicological research starting from the biological characteristics of C. elegans, introduces the toxicological research methods and progress based on the C. elegans model, focuses on demonstrating its applications in environmental forensic medicine and forensic toxicology, and looks forward to the application of the relevant results in the field of forensic science.

Key words: forensic toxicology, environmental forensic medicine, Caenorhabditis elegans, model organism, review

中图分类号:

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图/表 4

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评价指标	研究意义	主要内容	文献
存活率	确定半数致死浓度（LC₅₀）以初步判断毒性效应	毒物暴露后受试种群存活个体比例	[14]
生殖能力	评估毒物对于生殖系统的毒性效应	产卵数目、生殖器官形态、虫袋现象	[15-16]
生长发育情况	评估毒物对于能量代谢以及细胞分裂、分化等发育相关的毒性效应	身体长度、结构发育异常、各发育阶段所需时长	[17-18]
行为学表型	评估线虫运动、感知等初级功能以及学习记忆、信息整合等高级功能	化学趋化性实验、学习记忆实验、嗅觉屏蔽实验	[19-23]

评价指标	研究意义	主要内容	文献
存活率	确定半数致死浓度（LC₅₀）以初步判断毒性效应	毒物暴露后受试种群存活个体比例	[14]
生殖能力	评估毒物对于生殖系统的毒性效应	产卵数目、生殖器官形态、虫袋现象	[15-16]
生长发育情况	评估毒物对于能量代谢以及细胞分裂、分化等发育相关的毒性效应	身体长度、结构发育异常、各发育阶段所需时长	[17-18]
行为学表型	评估线虫运动、感知等初级功能以及学习记忆、信息整合等高级功能	化学趋化性实验、学习记忆实验、嗅觉屏蔽实验	[19-23]

技术类型	技术简述	文献
高通量相关技术
荧光筛选技术	基于荧光蛋白转基因线虫株或特殊荧光染色对线虫进行高通量荧光成像	[11]
代谢组学技术	通过整合非靶标与靶标代谢技术，对毒物作用下线虫整体代谢水平进行高通量、高灵敏度的检测	[26]
微流控芯片技术	基于集成化的微流控芯片对线虫进行自动化的大规模分型及筛选	[27-28]
转录组学技术	对特定毒物作用下线虫的RNA进行大规模、高通量分析以获得基因转录情况，研究基因差异表达的调控规律	[24-25]
基因编辑相关技术
TALEN技术	TALEN是类似于转录激活因子的效应物核酸酶，转录激活因子样效应子重复序列可以通过模块的形式组装，改变重复可变的双氨基酸残基（repeat variable di-residue，RVD）以产生能够进行精确靶向DNA操作的嵌合蛋白，实现精确高效的基因编辑	[29]
转座子Mos1剪切技术	可以将外源基因以单拷贝的方式插入基因组，而不被秀丽线虫自身的RNAi系统沉默，允许在特定的位置插入转基因作为单一拷贝且在广泛的组织中进行明显的内源性水平的基因表达	[30-31]
CRISPR/Cas9系统	通过人工设计的sgRNA来识别目的序列并引导Cas9蛋白酶进行切割，基于DNA损伤后修复造成基因敲除或敲入等，实现对基因组DNA进行修饰的目的	[32]

技术类型	技术简述	文献
高通量相关技术
荧光筛选技术	基于荧光蛋白转基因线虫株或特殊荧光染色对线虫进行高通量荧光成像	[11]
代谢组学技术	通过整合非靶标与靶标代谢技术，对毒物作用下线虫整体代谢水平进行高通量、高灵敏度的检测	[26]
微流控芯片技术	基于集成化的微流控芯片对线虫进行自动化的大规模分型及筛选	[27-28]
转录组学技术	对特定毒物作用下线虫的RNA进行大规模、高通量分析以获得基因转录情况，研究基因差异表达的调控规律	[24-25]
基因编辑相关技术
TALEN技术	TALEN是类似于转录激活因子的效应物核酸酶，转录激活因子样效应子重复序列可以通过模块的形式组装，改变重复可变的双氨基酸残基（repeat variable di-residue，RVD）以产生能够进行精确靶向DNA操作的嵌合蛋白，实现精确高效的基因编辑	[29]
转座子Mos1剪切技术	可以将外源基因以单拷贝的方式插入基因组，而不被秀丽线虫自身的RNAi系统沉默，允许在特定的位置插入转基因作为单一拷贝且在广泛的组织中进行明显的内源性水平的基因表达	[30-31]
CRISPR/Cas9系统	通过人工设计的sgRNA来识别目的序列并引导Cas9蛋白酶进行切割，基于DNA损伤后修复造成基因敲除或敲入等，实现对基因组DNA进行修饰的目的	[32]

毒物	暴露浓度	暴露时间	评价指标	毒性效应	文献
农药
三氟吡啶胺	0.2、1.0、5.0 mg/L	24 h	体长、咽泵运动频率、头摆频率	氧化应激水平上升、线粒体损伤	[39]
氯吡硫磷	0.01%、0.005%、0.002 5%	48 h	体长、产卵数量、运动能力	胆碱能神经元发育异常	[40]
百草枯二氯化物	0.035、1.0 mmol/L	72、6 h	产卵数量、寿命、活性氧含量	氧化应激水平上升、线粒体损伤	[41]
鱼藤酮	0.25、0.5、1.0、5.0 μmol/L	48 h	体长、耗氧量	能量代谢受限、抑制	[42]
纳米级化工材料
纳米聚苯乙烯	10^-6、1.5×10^-5、0.1、0.5、1.0、2.0 mg/mL	108、72 h	体长、寿命、运动能力、产卵数量、活性氧含量	氧化应激水平上升、肠壁通透性异常改变	[43-44]
纳米级氧化锌颗粒	1 mg/mL	60 h	产卵数量、细胞凋亡水平	基因组DNA断裂增加、染色体畸变	[45]
钴纳米颗粒	100、500、1 000 μg/mL	2 h	存活率、寿命、运动能力、活性氧含量	氧化应激水平上升、线粒体损伤	[46]
二氧化硅纳米颗粒	0.25、0.5、1.0 mg/mL	24 h	产卵数量、运动能力、寿命、活性氧含量	生殖细胞凋亡、氧化应激水平上升	[47]
有机污染物
3，4-苯并芘	1、5、10、20、40 μmol/L	24、8 d	寿命、产卵数量	基因组DNA断裂增加、脂质代谢异常	[18]
双酚A	2、10、50、200 μmol/L	72、48 h	运动能力、体长、活性氧含量	神经递质合成与传递受限、氧化应激水平上升、能量代谢受限	[48]
重金属
氯化锰	10、50、100、250 mmol/L	1、4 h	存活率	基因组DNA损伤	[49]
甲基汞	0.01、0.05 μmol/L	24 h	产卵数量、运动能力	多巴胺能神经元过度激活、内源性多巴胺增加	[50]
氯化镉	10、30、60、100、250 μmol/L	24、48、72 h	产卵数量、运动能力、化学趋化性	雌雄同体特异性神经元损伤、生殖细胞凋亡	[15，24，51]