高内涵筛选技术的原理及其在生态毒理学的应用

大量存在于环境中的有毒污染物仍然缺乏足够的毒理学数据来对其进行有效的监管,为了满足海量化合物毒性评价的需要,基于离体生物测试的高通量毒性筛选方法在近些年得到了迅猛的发展。高内涵筛选技术是新型的高通量化合物毒性筛选方法,该方法最显著的特点是能够在保持细胞结构和功能完整的基础上同时获取多种毒性指标。因此在简介高内涵筛选技术原理的基础上,综述了其在生态毒理学领域已有的应用,并针对性地对高内涵筛选技术的发展和挑战进行了展望。     

基于有害结局路径的化学物质计算毒理学研究

计算毒理学利用分子致毒机制信息和数学模型预测化学物质对人体健康和环境的危害。有害结局路径(adverse outcome pathway, AOP)可将化学物质在个体水平的危害或有害结局(adverse outcome, AO)与其在分子水平上的启动事件(molecular initiating event, MIE)建立关联,为将表征分子致毒机制的体外生物测试数据应用到高通量的化学物质毒性预测中提供了可能。然而,目前缺乏基于有害结局路径的高通量预测化学物质毒性的研究。本研究基于AOP框架,联合ToxCast体外测试数据,选取101种典型环境化学物质进行毒性预测,并通过与PubChem内已报道的化学物质毒性比较,对预测结果进行评价。结果表明,基于AOP预测到101种化学物质共可潜在诱导58个AOs,覆盖了生殖毒性等在内的11个毒性类型。不同毒性类型的真阳性预测率(true positive rate, TPR)不同,其中致癌/遗传毒性、生殖毒性与消化系统毒性的TPR均超过了70%,而神经毒性与呼吸系统毒性的TPR均低于30%。不同毒性类型的TPR与AOP知识库中该毒性类型的AOP (P<0.02,r=0.685)、MIE(P<0.01,r=0.734)、体外生物测试的数量(P<0.01,r=0.752)和化学物质体外测试数量(P<0.01,r=0.293)呈显著正相关。综上,本研究的结果表明,增加高通量体外测试数据和丰富AOP知识库,将进一步提高对化学物质的潜在毒性预测的准确性,为未来化学物质的高通量筛查和风险评估提供支撑。     

毒理学领域的新思维：功能基因组学在毒理学中的应用

功能医学要求应用国际上最先进的检查技术定量检查反应器官功能的各种分子,从而评估器官功能。将功能医学应用到毒理学研究中,必将更早发现环境中有害因素对人体的早期损害,因此它能够将毒理学研究推向一个新高度。     

小分子RNA及其在化学品毒理学中应用的展望

小分子RNA,包括siRNA、miRNA、piRNA等,在基因表达调控过程中扮演了至关重要的角色.对小分子RNA生物发生和功能的认知将有助于促进基因沉默的机制研究和基因治疗.本文归纳了近些年关于小分子RNA的重大研究成果以及应用于毒理学研究的案例,并对毒理学未来研究小分子RNA的重点和方向作出展望.     

邻苯二甲酸酯类增塑剂的体外细胞毒性评价

邻苯二甲酸酯(Phthalate esters, PAEs)是环境介质中的一类典型的有机污染物。已有研究表明,PAEs具有明显的内分泌干扰毒性,并会对动物和人体的生殖发育与神经系统造成损伤。体外细胞评价模型因具有高通量、测试周期短、成本低和毒性效应易于探明等技术优点,被广泛应用到PAEs毒理学效应的研究中。本文从内分泌干扰毒性、胚胎发育毒性、神经毒性、免疫毒性、遗传毒性以及致癌作用等方面,对PAEs的一些体外细胞毒性评价模型进行了分类和总结,并对其相应的研究进展进行了综述。本文旨在为体外细胞毒性评价模型的有效利用提供借鉴,并对PAEs毒性作用机制的深入研究提供思路和依据。     

斑马鱼及其胚胎在毒理学中的实验研究与应用进展

作为一种模式生物,斑马鱼具有很多其他模式生物所不具备的优点,已被广泛应用于生物学各领域,具有十分广阔的发展前景.论文首先介绍了斑马鱼的基因组学,包括正向遗传学、反向遗传学以及斑马鱼在药物研发和人类疾病研究中的应用;其次就斑马鱼在发育生物学中的应用进行了概述;最后,介绍了斑马鱼在毒理学各方面(急性毒性、内分泌干扰、发育毒性、神经毒性、血管研究和癌症研究)的应用进展.     

河蚬(Corbicula fluminea)在生态毒理学研究中的应用与评价

河蚬是大型底栖双壳类生物,广泛分布于我国淡水水域。它具有个体小、分布广、来源方便、易于实验室驯养等特点,常被作为受试生物用于毒理学研究中,为评价污染物毒性作用提供有价值信息。从河蚬对各化学品的行为响应、耐受性以及生理生化指标响应三个方面详细阐述了其在生态毒理学中的研究现状。最后指出将河蚬应用于毒理学研究领域的过程中存在的待完善之处,并对其研究前景进行了展望。总结出其可用于中国淡水水质基准制定、化学品毒性评价以及生物监测领域,具有广阔的研究前景。     

计算毒理学在内分泌干扰物筛选上的应用和展望

内分泌干扰物通过干扰内分泌系统导致多种疾病,如生殖疾病、肥胖症甚至癌症。然而,面对环境中大量潜在的内分泌干扰物,传统的体外、体内评估方法由于成本高、耗时长等问题,难以实现内分泌干扰物的高通量筛查。计算毒理学逐渐发展成为被美国环保局(Environmental Protection Agency,EPA)、经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)等机构所推荐的内分泌干扰物筛选与预测方法。本文综述了计算毒理学在内分泌干扰物筛选上的进展,主要包括分子对接和分子动力学模拟的应用,并对有害结局路径(adverse outcome pathway,AOP)的方法进行介绍和展望。     

斑马鱼p53基因结构比对分析及其在生态毒理学中的应用

斑马鱼p53基因由11个外显子和10个内含子组成,外显子1和外显子11部分序列不参与编码蛋白质．其 cDNA核苷酸序列共2089bp,包含一个1122 bp的开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)(44 bp-1165 bp),这个 ORF编码373个氨基酸．另外在3’端有924 bp是非翻译区(3’-UTR),5’端同样也存在43 bp的非翻译区(5’- UTR);12种脊椎动物p53氨基酸序列的保守性分析结果表明,在一些特殊的区域,12种氨基酸序列表现出了很高的保守性,这些区域和p53的抑癌功能密切相关．研究结果预示斑马鱼p53基因是一种理想的环境致突变物研究分子模型,在生态毒理学研究中具有良好的应用前景．     

蛋白组学技术的发展及在水生态毒理学中的应用

作为后基因组时代重要的研究工具,蛋白组学技术的发展对水生态毒理学研究产生了巨大的促进作用。对近年来应用于水生态毒理学研究中的蛋白组学技术的发展历程和应用现状进行了全面的阐述。从蛋白提取、蛋白分离和鉴定、蛋白定量等方面对蛋白组学研究技术的发展进行了系统的介绍,重点介绍和比较了蛋白分离和鉴定技术中的基于胶的技术和非胶技术。在简介蛋白组学技术发展的基础上,以蛋白的识别和定量,特定功能蛋白的研究,蛋白相互作用研究这3个蛋白组学的研究方向为切入点,详细阐述了各类技术在水生态毒理学研究中的应用,如蛋白组学在阐明各种污染物对水生生物的毒性作用机制方面的应用,以及在水体污染状况的监测和评价方面的应用等。最后,指出了目前蛋白组学研究的不足,并有针对性地提出了水生态毒理学研究中蛋白组学的发展方向。     

基于3D体外培养模型的化学物质肝毒性预测研究进展

精准预测化学物质肝毒性对保护人类生命健康安全具有重要意义。为了避免动物实验固有的物种间差异性和局限性,开发和利用与人源肝脏生理功能直接相关的体外模型至关重要。三维(3D)体外细胞培养模型相比于二维(2D)模型能更好地保留肝细胞代谢功能,再现肝脏内多种细胞相互作用的复杂环境,是体外模拟肝脏生理功能的一大进步,并初步在药物毒性评估方面获得应用的同时,也被引入到环境毒理学领域用于预测环境化学物质的肝毒性。本文介绍了目前常用3D体外细胞培养模型的制备方法,综述了其在环境化学物质(纳米材料、持久性有机污染物和新型有机污染物等)肝毒性预测方面的应用现状,最后探讨了3D肝细胞体外培养模型在有害结局路径指导下开展肝毒性预测的研究与应用前景。     

基于斑马鱼全生命周期毒性测试的研究进展

作为一种模式生物,斑马鱼具有很多优点,包括体积小、成本低、适应性广、繁殖周期短、胚胎透明且产卵量高等,因而被广泛应用于生态毒理学等领域。斑马鱼的生命阶段主要包括胚胎、仔鱼和成鱼3个阶段。近年来,斑马鱼全生命周期的毒理学研究所占比重不断上升并呈稳定增长的趋势。本文对斑马鱼3个生命阶段及整个生命周期的毒性试验展开综述,介绍了斑马鱼全生命周期实验在毒理学中的研究进展,总结了各生命阶段国内外的标准规范和资源库信息、毒理学终点及转基因斑马鱼的研究进展,归纳了多阶段毒性评价和整个生命周期毒性评价的应用。最后,对全生命周期和基于斑马鱼毒性测试的应用做出展望,对未来开展的相关研究提出建议。     

水生生物急性毒性QSAR模型研究进展

化学品污染对人类健康和生态环境造成潜在风险。但是,危害性信息缺失是进行化学品风险评价的主要挑战。经济合作与发展组织(OECD)和美国环保署都提倡用非动物实验替代方法来弥补数据缺失。定量结构-活性关系(QSAR)被认为是一种有应用前景的替代技术。水生生物急性毒性是化学品风险评估和优先污染物筛选中最常用的参数之一。但是,目前可获得的实验毒性数据非常有限。本文总结了近年来发展的急性毒性预测模型,包括:(1)基于同类化合物建模;(2)基于数理统计建模;(3)基于化合物毒性作用模式建模。从模型预测能力、应用域、机理解释等角度对这3类模型进行了比较。其中,基于作用模式构建的模型一般具有较好的预测性能,并有助于机理解释,将是今后水生生物急性毒性预测的发展方向。     

毛细管电泳技术在纳米材料毒性研究领域的应用进展

纳米材料(nanomaterials,NMs)在各个领域的广泛应用导致其不可避免地通过环境暴露、职业暴露和医源性暴露进入人体.当NMs进入人体后,生理环境中复杂的生物分子都可能与NMs发生相互作用,不仅使NMs获得全新的生物学特性而影响其潜在毒性,还可能改变生物分子的结构和生物学功能而引发疾病.随着对NMs毒性效应研究的不断深入,能够详细描述NMs、生物分子以及NMs和生物分子相互作用形成的复合物的分析技术受到广泛关注.毛细管电泳技术(capillary electropho-resis,CE)以其高灵敏、高分辨、高通量、条件温和以及低消耗的优势在NMs与生物分子相互作用研究领域展现出巨大潜力.本文阐述了2010—2019年间CE技术研究NMs与蛋白质相互作用的动态行为表征、结合平衡分析、蛋白冠的形成和转换监测,以及NMs与其他生物分子相互作用的新进展.     

化学品生态毒性测试鱼类模式生物的应用与展望

水生生物毒性测试广泛应用于评估化学品的水生态环境安全,而鱼类生态毒性数据为水生生态风险评估与风险管理提供基础。本文总结了现有的鱼类水生毒性测试标准及常用的物种。阐述了常用水生鱼类模式生物,如斑马鱼Danio rerio、青鳉鱼Oryzias latipes、黑头软口鲦Pimephales promelas等作为模式鱼类的特征及在生态毒性测试中的应用。环保部7号令推荐稀有鮈鲫Gobiocypris rarus作为中国本土生物在水生毒性测试中使用。目前公开发表的利用稀有鮈鲫的水生毒性研究多集中在急性毒性方面,对其他类型的研究如法规毒理相关的长期慢性毒性有待开展。     

化学品厌氧生物降解QSBR预测模型研究

收集了155种有机化学品厌氧生物降解数据,以随机抽取的109种物质作为训练集,另外46种物质作为验证集,通过结构式拆分得到各基团,分别采用多元线性回归和BP人工神经网络2种算法对有机化合物结构与生物降解性定量关系(QSBR)进行研究。结果表明,多元线性回归模型验证集正确率为78.26%,总正确率为84.52%;BP人工神经网络模型验证集正确率为82.61%,总正确率为90.32%。可见,BP人工神经网络算法相对优于多元线性回归算法。     

基于形态修正的描述符构建可电离化合物对大型溞急性毒性的QSAR模型

在环境水体中,可电离有机化合物(IOCs)可解离为分子和离子形态。研究表明,IOCs离子形态的环境行为、毒性效应等都与其分子形态存在较大差异,因而在研究IOCs环境行为、毒性效应时不应忽略离子化的影响。在构建IOCs相关预测模型时如何表征离子化的影响是当前研究的重要内容之一。探讨了采用基于形态修正的描述符构建IOCs水生毒性预测模型的可行性。具体而言,采用逐步多元线性回归(MLR)方法,构建了可预测63种取代酚、取代苯甲酸和取代苯胺等IOCs对大型溞急性毒性的定量结构-活性关系(QSAR)模型。与仅采用分子形态描述符的模型相比,使用基于形态修正描述符的模型决定系数(R2)、去一法交叉验证系数(Q2LOO)、外部验证系数(Q2EXT)等参数从0.622～0.705提高到了0.840～0.875,表明基于形态修正描述符的模型具有更好的拟合优度、稳健性和预测能力。因此,在将来的研究中,可采用基于形态修正的描述符构建IOCs水生毒性效应预测模型。     

功能基因组学在环境化学品毒性机制研究中的应用

认识化学品的毒性机制是开展化学品健康风险评估的基础。掌握化学品有害效应的遗传易感性机制是开展精准的健康风险评估的前提。传统的毒理基因组学主要分析化学品暴露诱导的组学表达图谱,不能建立生物学表型与特定基因/通路表达的直接关联。功能基因组学通过敲除或者敲降全基因组或者特定的基因集,建立基因-化学品毒性的直接关联,进而研究化学品致毒的过程和机制,同时可以提供与化学品暴露的遗传易感性相关的分子响应信息。本论文综述了功能基因组学技术的原理及其主要发展,介绍了酵母、鸡DT40细胞和RNA干扰等功能基因组学测试方法的优缺点。同时,详述了CRISPR功能基因组学的原理和特点,以及其在化学品毒性机制研究中的应用,展望了联合应用分子流行病学和CRISPR功能基因组学,开展化学品有害效应的易感性机制研究。     

标准化测试种子发芽和根伸长毒性试验的基质应用研究

种子发芽和根伸长毒性试验是研究和评价新化学物质对陆生生物危害性的重要手段之一。为探究在标准化测试中能否使用非推荐基质,以及使用推荐基质时能否用灭菌法替代酸洗法处理石英砂,选取8种植物种子在5种基质中进行试验。结果表明,不同基质对种子发芽率的影响较小,但基质较低的养分含量和特殊的物理结构易对部分种子根长形成胁迫,甚至直接制约根系发育。生菜、水稻在5种基质中的发芽率和根长无显著性差异;绿豆、甘蓝、西瓜在酸洗石英砂中的根长分别为25.1、24.5、29.0 mm,在其余4种基质中根长显著缩短;青瓜在吸水纸和发芽纸中发芽率偏低,仅为83.3%;玉米在酸洗石英砂和灭菌石英砂中的发芽率和根长无明显差异,为100%/45.7 mm和93.3%/44.8 mm,其他基质中显著偏低。标准化测试条件下,以推荐的酸洗石英砂上各种子的发芽率和根长为评判依据,生菜和水稻试验可使用本研究中任意基质,绿豆、甘蓝和西瓜试验仅可使用酸洗石英砂作为基质,青瓜和玉米试验可使用干热灭菌法替代酸洗法处理石英砂,并且青瓜试验还可使用滤纸基质。以上结果为测试机构在工作实践中优化试验条件提供理论依据。     

3种毒性预测模型在镉对小麦根毒性预测中的应用及比较

一些基于重金属形态的生物毒性机理模型被广泛应用于水体和陆生生态系统,例如:自由离子活度模型(FIAM)、生物配体模型(BLM)和生物膜电势斯特恩双电层模型(GCSM),但不同模型的应用效果之间还缺乏系统比较。本研究选取小麦作为受试生物,采用水培实验进行了镉对小麦根伸长的毒性测试,通过数据分析软件对实验数据进行非线性拟合,分别建立了3种模型,并从根毒性、根表面吸附镉和根中富集镉3个方面对3个模型的预测能力进行了比较。除此之外,选取苹果酸和柠檬酸2种有机配体,研究了配体对镉生物毒性的影响。结果表明,Ca~(2+)和H~+对Cd的根毒性存在竞争效应,而Mg~(2+)、K~+和Na~+未发现竞争效应。由于BLM模型同时考虑了镉的自由离子态浓度和竞争离子的影响,在预测镉对杨麦13号根毒性和生物体内富集量时效果最好。而FIAM和GCSM模型由于计算中仅考虑了离子活度的影响,缺乏对竞争离子保护效应的考虑,因此预测效果相对较差;此外,Cd对小麦根毒性的主要受扩散过程控制,而非跨膜过程,这可能也是FIAM模型和GCSM模型预测不佳的原因之一。同时结果还发现有机配体存在时尽管降低了溶液中镉的离子活度,但未显著影响镉毒性,进一步证明了扩散过程对Cd毒性的影响。以上结果为评价和预测镉的陆生生态毒性提供了基础数据和模型依据。