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模式生物果蝇在食品毒理学实验教学改革中的应用

2024-09-05 90 上传者：管理员

摘要：黑腹果蝇是生命科学领域经典模式生物之一，具有体积小、易饲养、繁殖快和遗传背景清晰等特点，已助力科学家获得六次诺贝尔生理学或医学奖。目前，黑腹果蝇已成为食源性污染物毒作用评价及深入机制研究的新兴动物模型，且不受伦理限制，符合毒理学替代法3R原则。该文简述了模式生物果蝇在食品毒理学实验教学应用中的可行性和优势，及其在寿命、神经和生殖毒作用机制方面的应用研究。将果蝇模型应用于食品毒理学实验教学，有助于实现教学与科研相融合，推动食品毒理学教学的发展。

关键词：
实验教学
果蝇
模式生物
预防医学
食品毒理学
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我国现代毒理学正处于快速发展阶段，通过与预防医学、环境科学以及食品科学等领域相互结合、相互渗透，呈现多元化、多学科交叉的特点。食品毒理学是基于毒理学的角度研究食品各类化学成分对食用者的健康危害，评价食品安全性以及安全使用范围的一门科学。食品毒理学实验与传统毒理学实验存在较多差异，如食品毒理学研究更多关注食品危害物低剂量、长期甚至持续终身暴露的毒作用影响，最终指导不同化学物在食品中的允许残留量和人体每日容许摄入量（ADI）等膳食风险评估数据。食品毒理学实验常使用小鼠、大鼠、兔等模式生物，长期或终身染毒面临时间花费长、动物用量大、饲养成本高、操作复杂和重复性差等问题。

近年来，毒理学替代性方法利用非动物体外系统（如“3D”类器官）或非哺乳动物模型（如果蝇）进行毒作用评价及深入机制研究，以满足现代毒理学提出的“取代、减少、优化”的3R原则。果蝇是生命科学、食品科学和环境科学等众多研究领域的理想模型。黑腹果蝇已成为毒理学领域研究的重要模型，用于潜在危害物毒性评价，具有快速、高效、高通量的特点。2015年我国发布《食品安全国家标准果蝇伴性隐性致死试验》标准[1]，利用黑腹果蝇评价食品化合物的遗传毒性。在食品毒理学实验教学中引入果蝇模型替代或部分替代传统哺乳动物进行实验教学，具备高度可行性和独特优势。在实验教学中激发学生科研兴趣，培养学生科研能力，实现教学与科研相融合，以前沿科研反哺教学，培养优秀人才。本文阐述模式生物果蝇的研究优势、食品毒理学实验教学可行性分析及具体应用，为现代毒理学教学及实验设计提供一定的参考和借鉴意义。

1、模式生物果蝇的简介及研究优势

黑腹果蝇是科学研究中经典模式生物之一，早在2000年全基因组信息就已测序完成，超75%的人类致病基因在果蝇中有同源基因[2]。果蝇体积虽小，但多种系统功能与人类相似（如神经系统、运动系统、内分泌系统、免疫系统），具有研究器官之间交流的优势；且很多代谢途径、生理学功能类似哺乳动物，使实验结果更具有外推性。

食品毒理学实验中常用啮齿类动物进行实验，与其相比，果蝇模型具有饲养简单、生命周期短（10～12 d）、繁殖能力强、突变表型丰富、遗传背景清晰及可操作性强等多种优势（见图1），符合食品毒理学实验暴露微小剂量、快速、稳定及可重复的要求。可通过全球多果蝇库存中心资源获得果蝇转基因株系，利用遗传操作工具如GAL4/UAS等异位表达系统研究靶基因功能和表型筛选，并利用荧光标记技术实现可视化观察；还可借助Fly-Base、Flyatlas、The Interactive Fly等公共数据库对目的生命结局进行完整信号通路探索及解释。

自摩尔根利用果蝇作为模式生物进行研究以来，经过了一个多世纪的深入研究，果蝇模型已被广泛应用于生命科学领域，如遗传学、神经生物学、发育生物学、社会行为学、免疫学等。果蝇模型助力科学家获得六次诺贝尔生理学或医学奖，为现代生物医学领域进步做出了巨大贡献。随着科学研究的发展，果蝇也被用于多学科交叉研究，如核科学、化学物毒性评价和仿生智能等新科学技术领域。

2、将模式生物果蝇应用于食品毒理学实验教学的可行性

食品毒理学实验教学设计需要包含毒物检测、化学物生物转运过程、毒性表现以及毒作用机制等多方面实验内容，涉及食品营养学、细胞生物学、毒理学等多学科内容。食品毒理学作为具有代表性的交叉学科之一，其实验教学设计具有独特性，区别于传统毒理学实验内容，在食品毒理学实验中一般选择单一外源性化学物质进行低剂量、长期暴露，在本科生实践过程中开展较困难，无法达到理论结合实践的教学目的，最终导致学生难以理解复杂抽象的实验原理与过程，失去科研兴趣。

模式生物果蝇虽已被多领域学科应用于不同层次的生命科学研究，但目前国内毒理学领域应用果蝇替代部分哺乳动物仍较少。相比于传统模式应用生物小鼠等哺乳动物，果蝇作为模式生物具有众多优势。果蝇饲养简单，学生接受短时间培训即可进行基本操作，有利于增强学生实验信心。果蝇寿命约为60～90天，可以满足在正常教学实验设计长期微量外源化学物的暴露需求，远远低于小鼠慢性暴露或者终身暴露所需时日。果蝇繁殖能力强、子代多，能产生大量实验样本供学生操作，有利于调动学生实验积极性。

3、模式生物果蝇在食品毒理学实验中的具体应用

大学生实验课程需要设计具备科学性的研究假设和清晰的实验技术路线。利用模式生物果蝇可以建立一系列科学、高效、简易的实验操作方法，且满足食品毒理学实验需求。

图1 模式生物果蝇具备的优势

具体食品毒理学实验设计，可在标准培养基中添加单一或混合的外源化学物，观察毒作用影响和结局指标。前期仅需学生熟悉并掌握基础培养基配置方法即可，对暴露方法无其他更高要求。在果蝇食品危害物暴露饲养过程中，可观察寿命影响、神经毒性（睡眠、运动）、生殖毒性（卵巢或精巢形态、产卵数、孵化率）等，通过观察或仪器检测即可完成。基于以上毒性发现，也可开展进一步分子实验，深入探索毒作用机制。

3.1 寿命影响

在食品危害物暴露毒效应评价中，寿命常作为重要结局观察指标。人群队列研究数据和常用的模式动物如小鼠、斑马鱼，虽常用于寿命指标检测，但整个生命周期较长。时间越长意味着有更多混杂因素影响，易造成结局指标失真。黑腹果蝇在温度25℃和湿度60%饲养环境条件下，寿命约为60～90天，表现出快速繁殖和生命周期相对较短等特点，这些特点使果蝇成为研究食品危害物引起的预期寿命变化的绝佳模型生物之一[3]。有研究报道食品工业中微塑料、塑化剂[邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯]以及重金属等危害物饮食暴露会明显缩短果蝇寿命，进一步研究发现，胰岛素/胰岛素样生长因子1(IGF-1）、C-JunNH2末端激酶信号通路（JNK）、雷帕霉素靶标（mTOR）以及核因子Kappa B(NF-κB）等途径可能与寿命缩短相关[3-5]。

具体教学应用：将食品危害物添加至基础培养基中，将果蝇置于其中饲养长期或终身暴露，连续观察生存情况；进一步通过NCBI寿命基因引物、RNA提取、cDNA合成、qRT-PCR寿命基因表达、Western blot检测相关蛋白水平等方法探索机制。

3.2 神经毒性

人类约三分之一的生命在睡眠中度过，睡眠能够帮助机体维持免疫健康、恢复能量和巩固记忆。全球睡眠障碍发病率为27%，我国为38.2%，睡眠障碍一直是全球关注的重点问题[6]。饮食长期以来被认为是影响睡眠健康的重要因素[7]。食物生产加工过程中存在多种引发睡眠障碍的危险因素，例如农药残留物、重金属污染等。目前，关于食物有害外源性化合物与睡眠健康的研究大多停留在流行病学层面，缺乏大量实验证据支持。虽然小鼠睡眠模型被广泛使用于评价不同物质对于睡眠健康的影响，然而小鼠睡眠模型需要的昂贵设备、高实验环境要求和困难的小鼠脑电芯片植入技术，使睡眠实验难以在本科实验教学中开展。果蝇是研究睡眠的理想模式生物，其具备与哺乳动物相近的昼夜节律，运用果蝇睡眠监测装置（DAM2 Drosophila Activity Monitor）能够准确测定睡眠觉醒阈值、昼夜节律、运动能力等指标。因此，在食品毒理学实验中引入果蝇睡眠运动模型，无疑是具备高度可行性、性价比和创新性的举措。

具体教学应用：将果蝇置于添加食品危害物培养基中暴露，利用DAM2监测果蝇睡眠运动情况，用R语言软件对数据进行处理和分析，获得睡眠总时间、觉醒次数、睡眠节律、运动能力等指标。可利用UAS/GAL4系统或光遗传学技术开展睡眠/运动相关脑神经元分子机制研究。

3.3 生殖毒性

近年来，全球生育率普遍下降，生殖健康问题越发严重。大量研究表明，食源性污染物是引起生殖功能降低的重要诱因。哺乳动物在生殖实验中常具有后代数量少、生殖毒性观察周期长、实验样本昂贵以及伦理问题等方面的局限性。果蝇具备强大的繁殖能力，能够在较短时间内获得大量子代。果蝇与哺乳动物的精子和卵子发生过程相似，且生殖相关基因保守[8]。果蝇在生殖健康研究中展现出了优势，而更多的遗传操控手段使果蝇在生殖健康机制水平研究中具有更强的可塑性。

具体教学应用：将果蝇置于添加食品危害物培养基中暴露，在体视显微镜下解剖果蝇生殖精巢或卵巢，倒置显微镜观察组织结构，统计雌性果蝇产卵数量。可利用激光共聚焦观察生殖干细胞数目，进一步建立生殖系统RNA提取、cDNA合成、qRT-PCR和Western blot检测生殖相关基因、蛋白表达水平探索机制。

4、总结及展望

食品毒理学是现代毒理学的一个重要分支，也是实现食品、医学、环境科学等多学科交叉的重要桥梁。为了满足食品危害物暴露的特点，在食品毒理学实验教学中引入毒理学替代性方法和非哺乳动物模型进行毒作用评价具有重要意义。黑腹果蝇作为百年经典模式生物，具有与哺乳动物基因组高度同源、器官功能相似的优势，成为毒理学研究的新兴模型，且符合现代毒理学倡导的3R原则。在果蝇食品危害物暴露饲养过程中，可观察寿命影响、神经毒性、生殖毒性等，能够通过科学、高效、简易的实验操作满足食品毒理学实验需求，激发学生科研兴趣，在课堂中融合科研，以科研反哺教学，从而推进我国食品毒理学教学的进一步发展。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.食品安全国家标准果蝇伴性隐性致死试验[S].2015.

[6]鑫黄,苏宁李,军祥尹,等.我国睡眠障碍防控研究现状及建议[J].四川大学学报(医学版),2023,54(2):226-230.

基金资助:安徽省高等学校省级､校级质量工程项目(2024xjxm31､2022gzs006); 教育部高等教育司协同育人项目(2020xfxm30); 毒理学基础教学团队(2021jxtd134);

文章来源:韦田,张程,赵玲俐,等.模式生物果蝇在食品毒理学实验教学改革中的应用[J].科教文汇,2024,(17):122-125.