[摘要] 氧化应激损伤普遍存在，人类的大部分疾病伴随着氧化应激损伤过程，因此研究氧化应激损伤及其防护策略已成为生命科学领域的热点，防治各种氧化应激相关疾病的药物研发也迫在眉睫。秀丽隐杆线虫(Caenorhab．如 elegans)作为一种简单的模式生物，具有生长周期短、遗传背景清晰、表型容易观察等优点，在生命科学研究领域中发挥了重要作用，并在用于植物提取物的抗氧化损伤方面的研究中具有重要的应用价值。本文将从氧化应激和植物提取物的抗氧化角度来阐述线虫在该领域中的研究进展及应用前箭。
[关键词】 氧化应激；秀丽线虫；抗氧化；植物提取物
[中图分类号] Q959．17 [文献标志码] A
【文章编号] 1674-9960(2013)04-0315-04    DOI：10．7644／j．issn．1674-9960．2013．04．019  
Caenorhabditis elegans：a model organism for studies of antioxidant activity of plant extracts
GAO Da Wen ’ ，LI Wei—Guang ，GAO Yan ，ZHANG Cheng—Gang '
(1．State Key Laboratory of Proteomics，Military Cognitive and Mental Health Research Center，Beijing Institute of Radiation Medicine，Beijing 100850，China；2．Graduate School，Anhui Medical University，Hefei 230032，China)
【Abstract] Oxidative stress is univers81 and associated with a large number of human diseases．Oxidative stress and its protection strategy have become a hot field of life sciences，making the development of anti-oxidative drugs urgent in recent
years．The nematode worln Caenorhabditis elegans is becoming increasingly popular as a model organism with short growth cycle，a large amount of biological information，an d clear genetic background，having been widely used in biomedical stud—ies．Important research results have been achieved in oxidative stress damage protection drugs using C elegans．This review summarizes the injury of oxidative stress and antioxidant property of natural plant extracts in order to shed liglit on the prospect of application of nematodes in this field．
[Key words] oxidative stress；Caenorhabditis elegans；antioxidant；plant extracts
    近年来，随着工业化、信息化社会的发展和生活节奏的加快，来自生活、工作、社会的压力也逐渐增加，人们的身心健康极易受到各种压力所导致的应激反应损伤。研究表明人类多数疾病是由于氧化应激过度造成的或者与氧化应激密切相关，如糖尿病、心血管疾病等都是氧化应激相关疾病，说明氧化应激无处不在，给人类健康带来极大危害。目前已有大量关于不同动物模型下氧化应激相关疾病及其天然防护药物的研究，本文就模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabdi—tis elegans)在植物提取物抗氧化研究中的应用进行综述。
1 氧化应激与疾病
    氧化应激的概念最早起源于人类对衰老的认识。衰老的机制目前尚不完全清楚，众说纷纭，其中较为常见的是Denham Harman于1965年提出的“衰老的自由基假说”，认为生命体在氧气代谢产生能量的过程中，一部分转变成活性氧(reactive oxygen species，ROS)自由基，后者攻击生物大分子造成细胞损伤并最终导致细胞功能障碍，从而导致机体死亡率增加，寿命缩短。随后，人们对自由基的产生及对机体的危害有了越来越深刻的认识。1990年美国研究衰老的Sohal教授指出了衰老的自由基假说的种种缺陷，并首先提出了氧化应激的概念。氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子如ROS(自由基)产生过多，氧化程度超出了氧化物的清除能力，氧化系统和抗氧化系统失衡，从而导致组织损伤。自由基包括超氧阴离子(·0 )、羟自由基(·OH)和过氧化氢(H：0：)等⋯ 。在化学结构上，自由基是外层轨道上含有≥1个未配对电子的分子、原子、离子或基团，表现出较强的顺磁特性，不成对电子具有成对趋向，极易和其他物质反应形成新的自由基，呈现链式反应。正常情况下，机体中的抗氧化系统会将自由基的产生和清除维持在动态平衡过程，避免机体被自由基伤害；然而一旦该平衡被打破，自由基在机体内过度积累，则成为有害物质，会直接攻击生物膜上的不饱和脂肪酸和细胞内的糖类、蛋白质等，超出自身抗氧化系统的清除能力，导致正常细胞功能退化，机体衰老，免疫力下降，进而产生肿瘤、代谢综合征、糖尿病、神经退行性疾病如帕金森病、阿尔茨海默病等疾病 。
2 秀丽隐杆线虫在氧化应激相关疾病药物筛选中的优势
2．1 秀丽隐杆线虫
     在生命科学领域，许多复杂的生命现象和机制研究都是通过模式生物来完成的。学术界公认的模式生物有酵母、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等。1974年，Brennerl3 首次公开报道了模式生物秀丽隐杆线虫，其结构简单，身体透明，容易观察，且实验可操作性强于其他模式生物；目前已具备大量的该突变株系和完整的基因组文库、RNA干涉文库，且具备完整的神经网络，是一种易于在实验室培养和研究的模式生物。Brenner创造性地将该线虫用于个体和器官发育的遗传调控研究；随后Sulston在显微镜下绘制了秀丽隐杆线虫的细胞谱系图，使线虫成为体内的细胞能逐个盘点并各归其类的唯一生物；Horvitz在此基础上揭示了细胞程序性死亡的遗传调控机制，上述3位科学家因此获得2002年度诺贝尔生理和医学奖 J。
2．2 线虫与人类基因的保守性
    研究发现线虫中的19 000个基因约40％ 与人类同源 J。线虫中许多信号转导途径都存在高度保守性，如RAS、Notch、Wnt等细胞增殖分化相关信号途径 。此外还有免疫相关信号途径TGF—p，胰岛素信号通路，参与ROS应答的P38 MAPK以及DAF-2／DAF一16信号通路、Toll信号途径等 。孟德尔人类遗传资料库2466个人类疾病基因中有533个和秀丽隐杆线虫同源¨ 。除此以外衰老的机制在该线虫和人类进化上也是保守的 。 由于线虫和人类有如此高的同源性，线虫的遗传学操作简单方便，基因敲除、转基因、突变体获得等技术方法相当成熟，因此制备线虫的各种疾病模型如衰老模型、神经退行性疾病模型等在研究人类疾病机制以及防护药物机制方面成为可能。
2．3 线虫中的氧化应激应答
    氧化应激损伤在完整的生命体线虫中是同样存在的。文献中通常采用百草枯(paraquat，PQ)、胡桃醌、亚砷酸盐、过氧化氢(双氧水)等促氧化剂处理线虫来制备氧化应激损伤模型。线虫受到氧化应激损伤时，机体内第一道防线抗氧化酶开始发挥保护作用，线虫体内的主要抗氧化酶如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)，可将线虫体内的超氧阴离子转变成氧化能力较弱的过氧化氢。线虫中SOD基因家族含有5个成员，分别是位于细胞质中的SOD一1、SOD-5，线粒体中的SOD一2、SOD-3和细胞质中的SOD-4。成年野生型线虫中，sod．J、sod-2、sod一3、sod-4、sod-5总mRNA水平分别为76％ 、18％ 、1％ 、5％ 、0．5％，研究发现，线虫的5个sod基因中sod．J对PQ和低氧最敏感，sod-2只对PQ敏感，其敏感性弱于sod—J_1 。另外，线虫体内还含有3种过氧化氢酶(c&talase，CTL)，分别是细胞质中的CTL．1，过氧化物酶体中的CTL-2，而CTL-3在线虫体内的分布目前尚不清楚。CTL可将SOD的产物过氧化氢转变成水，其中CTL-2是比较重要的过氧化氢酶 。除此以外，线虫体内还含有谷胱甘肽转移酶GST、过氧化物酶基因PRDX等，这些抗氧化酶在线虫体内发挥各自的解毒功能，共同调控着线虫机体内的氧化还原平衡体系。
3 线虫在植物提取物抗氧化活性研究中的应用
    当线虫体内的抗氧化酶难以抵挡内源的或外源的自由基的过度积累时，就需要补充外源抗氧化剂来辅助机体对抗多余的ROS。早在1988年，Harrington等 将秀丽线虫用于维生素E(vitamin E，VE)对寿命效应的研究。随后文献中又报道了加入外源抗氧化剂，如过氧化物类似物SOD／过氧化氢酶模拟物(SOD／eatalase mim~ies，SCMs)等可使野生型线虫的寿命延长54％ ，并且SCMs对线虫的发育等无影响 。一定浓度的纳米材料铂钠米颗粒(platinum nanopa~ticles)可以延长线虫寿命并降低线虫体内脂褐素水平，具有过氧化物类似物的功能，是潜在的抗氧化剂 。虽然这些人工合成的抗氧化剂具有较好的抗氧化性能，但其对人体健康的潜在风险不容忽视，人们对合成抗氧化剂难免有排斥心理，寻求天然无害的抗氧化剂已成为迫切的需求。现代药理学研究表明，许多天然植物提取物如传统中药、银杏叶、茶叶等的提取物中含有提高抗氧化酶活性，并可以直接清除自由基的活性物质。世界各科学家已逐渐开始对天然植物提取物的抗氧化活性进行深入研究。
3．1 中草药的抗氧化作用
    我国具有丰富的中草药资源，传统中医通常不能用来直接地治疗慢性疾病，但可以用来平衡机体的“阴阳五气”，从而调节机体对抗各种疾病 。各种中草药中富含大量多酚类物质，具有潜在的抗氧化活性，有望成为低毒、高效的天然抗氧化剂。为探讨中草药在体内的抗氧化机制，除了选用小鼠等动物模型来研究中草药提取物对机体氧化应激的影响，低成本、高效率、方便快捷的线虫模型越来越受到欢迎。Yu 等检测了两种传统的中草药活络效灵丹、十全大补汤对线虫寿命和氧化应激抵抗方面的影响，结果显示十全大补汤能显著增加线虫寿命，其中的肉桂和党参成分发挥了延长寿命的作用，除此以外还发现HSP16．2受体的表达量升高。
    姜黄素是从中草药姜黄中提取的活性成分，具有抗炎症、抗氧化、化学防癌等特性，具有良好的药用价值。Liao等 利用秀丽隐杆线虫来研究姜黄素和寿命、衰老的关系，研究发现姜黄素能有效增加线虫寿命，减少细胞内的ROS和脂褐素堆积水平，并且采用热灭活的死菌排除了线虫食物OP50的干扰。姜黄素也能延长氧化应激相关突变株系 一j、daf-16等的寿命，并且发现姜黄素是通过osr sek—J、mek—J、skn—J、une-43、sir-2．J、age— 等应激和寿命相关的基因来调控寿命的。
3．2 其他植物提取物抗氧化作用
    除了成分复杂的中草药外，还有一些植物的果实、叶子等也含有抗氧化活性成分。早在1999年，Joseph等发现蓝莓提取物对老年大鼠有益。蓝莓提取物中含有大量的具有抗氧化抗炎症作用的多酚类化合物。在此基础上，Wilson等 将蓝莓提取物用于线虫氧化应激方面的研究，发现蓝莓提取物处理后的线虫寿命延长28％ ，并且咽部泵的速率下降，降低了线虫体内脂褐素的堆积，并且脂质过氧化物羟基王醛(4-hydroxy-2一nonen~，4一HNE)水平也随之降低，但是蓝莓提取物不能增加PQ、过氧化氢(H O )等促氧化剂损伤后的线虫存活率，除此以外，蓝莓提取物也不能延长突变株系mev一1的寿命。这说明蓝莓提取物不是通过抗氧化途径来延长寿命的。
   白藜芦醇(resveratro1)是从虎杖、葡萄、桑葚、花生等植物中提取出的小分子多酚类物质，具有抗氧化、抗自由基、延
缓衰老、抗动脉粥样硬化和冠心病、高血脂的防治作用。2004年，Wood等 将白藜芦醇用于线虫寿命的研究，发现100 Ixmol／L的白藜芦醇可使野生型线虫的寿命延长10％ ，并且发现白藜芦醇是通过激活线虫中的sir2．J基因来发挥抗氧化、延长寿命作用的，并且白藜芦醇本身对秀丽隐杆线虫的产卵、咽部泵的速率没有影响。随后Viswanathan等又发现白藜芦醇对秀丽隐杆线虫寿命的作用具有梯度依赖性，1 mmol／L时可以最大限度地将寿命延长18％ ，还发现白藜芦醇能延长突变株系线虫daf-16的寿命，并且使其sir一2．J基因过表达，abu一11等寿命延长相关基因在白藜芦醇处理之后也会出现高表达。总之，白藜芦醇通过激活线虫体内的sir一2．J，进而通过其下游调节因子daf-16来调控线虫寿命。
   银杏叶提取物(EGb761)通常作为一种保健品用来维持健康和提高认知能力，但其作用机制尚不清楚，后来发现银杏叶提取物能够增加机体的氧化应激抵抗，许多科学家开始将线虫用于银杏叶和寿命、压力应激的研究。Wu等 研究发现银杏叶提取物中的黄酮类物质和桂柳黄素可以使线虫寿命提高25％ ，并且银杏叶提取物可以降低热应激和胡桃醌氧化应激下的hsp和gst-4的表达，同时银杏叶处理后的线虫体内过氧化氢酶的表达量下降，这也说明了银杏叶提取物是通过抗氧化途径来延长线虫寿命的 ，随后Wu等将阿尔茨海默病中的B淀粉样蛋白(AB)转入线虫肌肉中，使得线虫体内的活性氧高于没有转n13的线虫，而EGb761处理之后，转hi3的线虫体内活性氧水平显著降低，并且EGb761可以减少AB在转基因线虫体内积累。这可能是EGb761治疗神经系统疾病的一个重要原因。
    绿茶中的活性成分茶多酚单体表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate，EGCG)具有抗氧化活性，不能延长正常情况下线虫的寿命，但能有效降低胡桃醌诱导的ROS水平，并且EGCG处理的线虫中hsp16．2、sod-3、skn—J等压力应激相关基因的表达增加，这说明EGCG可以激活线虫体内的抗氧化系统来保护胡桃醌诱导的氧化应激损伤 。
    许多临床、动物实验和体外研究表明大蒜中的活性成分大蒜素能抑制肿瘤细胞的增殖，增加抗氧化酶的活性，被称为抗氧化剂和内由基清除剂，具有抗癌和预防心血管疾病的药用价值‘ ⋯，Powolny等 将大蒜素用于线虫寿命的研究，进一步研究发现5～10 p~mol／L的大蒜素可以不依赖daf-2通路延长线虫寿命，通过微点阵分析发现大蒜素处理后的线虫RNA中，位于肠细胞和ASI神经元中的skn— 激活，其下游的谷胱甘肽转移酶基因gst-4高表达，因此提示大蒜素是通过激活延长寿命的基因skn— 来调控线虫的寿命。
    总之，植物提取物处理氧化应激损伤的线虫，激活了线虫体内一系列抗氧化系统相关基因，增强了线虫的压力抵抗，和机体内的抗氧化系统协同应对多余的自由基，进而不同程度地延长了线虫的寿命。利用秀丽隐杆线虫研究植物提取物的抗氧化作用已经取得了一定的进展，但目前还存在一些问题需要解决，如植物提取物成分复杂，需要确定是多种成分还是其中一种成分发挥的作用；此外，植物提取物大多含多酚类等不稳定的物质，很容易被氧化而成为氧化物，需保持其活性防止被氧化。
4 结语与展望
    综上所述，秀丽隐杆线虫作为一个完整的生命体，以其低成本高效率的特点优于小鼠等其他模式生物，在植物提取物的体外和体内抗氧化活性之间架起了一座桥梁，在植物提取物抗氧化化合物乃至药物的筛选方面发挥着不可替代的作用，是研究植物提取物的抗氧化作用不可或缺的工具。线虫可帮助人们理解复杂的氧化应激损伤机制，并指导人们如何规避氧化应激相关疾病的发生，同时为临床上氧化应激相关疾病的治疗等提供参考数据。利用线虫已阐明了植物提取物在体内的抗氧化部分机制，能够很好地指引该研究领域向高等动物继续深化，直至发展成为临床上治疗氧化应激相关疾病首选的纯天然药物。
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