鉴于纳米材料易于进入生物体内且已经进入生活环境，有关其生物安全性及相应毒理学研究日益受到关注^{〔1, 2〕}。有关纳米材料环境暴露的致生物毒性，利用各种离体(in vitro)与在体(in vivo)生物体系已经证明了环境暴露确实存在安全性问题^{〔3, 4, 5〕}。秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)因为其对环境毒物暴露的高度敏感性而广泛应用于环境毒物暴露毒性评价分析^{〔6, 7, 8〕}。同时，基于模式动物的特点，也被广泛应用于环境毒理学相关研究^〔9〕，自2009年始也逐渐被应用于纳米材料暴露毒性评价以及相应纳米毒理学研究^{〔8, 9〕}。本研究针对利用秀丽线虫进行纳米材料安全性评价研究进展综述如下。

1 纳米材料暴露致秀丽线虫毒性作用机理 1.1 应激反应与组织衰老作用

在秀丽线虫中，伴随着氧化铝纳米颗粒暴露导致的毒性加剧，动物体内的应激反应以及肠道组织自发荧光也逐渐加剧或增强^〔10〕，表明氧化铝纳米颗粒致秀丽线虫毒性与应激反应以及组织衰老之间存在关联。进一步对银纳米颗粒暴露生物效应进行代谢基因组学研究表明，在与应激反应相关基因中M162.5、 mtl-2(编码金属硫蛋白)、 sod-3(编码过氧化物酶)及daf-12(编码永久性幼虫形成调控蛋白)表达上调，其中mtl-2及sod-3基因表达量呈现出银纳米颗粒暴露剂量依赖性^〔11〕，daf-12及sod-3基因表达量变化明显与银纳米颗粒暴露诱发的生殖缺陷有关^〔11〕。

1.2 行为相关信号作用

基于代谢基因组学研究，发现银纳米颗粒暴露后秀丽线虫中149个与刺激信号反应、运动行为、摄食行为、生殖行为等有关的信号通路基因表达被明显抑制，暗示刺激信号反应、运动行为、摄食行为、生殖行为等相关信号通路在银纳米颗粒暴露致秀丽线虫毒性形成中具有重要作用^〔11〕。

1.3 应激反应基因突变作用

在秀丽线虫中观察到应激反应基因mtl-2与sod-3基因突变后诱发动物呈现出与野生型不同的银纳米颗粒生殖毒性^〔11〕。mtl-2基因突变明显增加了daf-12基因表达，而sod-3基因突变明显增加hsp-16.1、 hsp-16.2、 hsp-16.41、 hsp-70、 M162.5、 pgp-14、 col-131、 ain-1、 apt-10、 lin-10、 cogc-4、 wnk-1、 F02A9.4基因表达，提示这些基因在诱发相应突变体动物呈现出不同银纳米颗粒毒性中具有重要功能^〔11〕。对秀丽线虫cyp35a2基因RNAi干扰后，在1 mg/L纳米粒子(CeO₂-NPs，TiO₂-NPs)作用下，其存活率明显下降，但其子代数量有所上升。

1.4 产卵器功能作用

在秀丽线虫发育进入成熟成虫后进行0.25～2.5 mg/mL的硅纳米颗粒暴露可以观察到严重的生殖缺陷以及具有突出袋状产卵器结构的秀丽线虫比率明显增加，表明硅纳米颗粒诱发的生殖缺陷并不主要归因于秀丽线虫在L4-成虫发育期中可能形成的产卵器发育缺陷^〔12〕。利用抗痉挛药物乙琥胺(ethosuximide)预处理硅纳米颗粒暴露的秀丽线虫(该药物曾被证明具有延缓生殖衰老功能)，结果表明乙琥胺预处理可预防硅纳米颗粒暴露诱发的秀丽线虫生殖缺陷^〔12〕。因此，硅纳米颗粒暴露可能通过影响产卵器功能而导致秀丽线虫出现严重的生殖缺陷或生殖衰老。

2 纳米颗粒在秀丽线虫体内分布与转运

利用暗视野显微镜技术观察银纳米颗粒在秀丽线虫中分布，发现银纳米颗粒可以被转运进动物体内并主要分布于卵巢与生殖腺中，而在头部与尾部只有微量分布^〔11〕。硅纳米颗粒大量分布于咽泵与肠道，同时硅纳米颗粒还可以分布于生殖腺与精巢，并在后代胚胎细胞质被观察到^〔13〕。目前，纳米颗粒在秀丽线虫中分布存在初级靶向组织与次级靶向组织，初级靶向组织主要指咽泵与肠道等组织，而次级靶向组织包括生殖腺等^〔13〕。银纳米颗粒进入秀丽线虫体内后首先分布于咽泵，柠檬酸盐包裹的银纳米颗粒则可以进一步被转运到后代胚胎中^〔13〕。纳米钻石的红色荧光主要分布于秀丽线虫的咽泵与肠道，但是尚无证据证实纳米钻石可以直接被转运进入肠道细胞^〔14〕。然而，当纳米钻石表面被牛血清白蛋白或葡聚糖包被后则可以被转运进肠道细胞^〔14〕。如果纳米钻石经由显微注射进入生殖腺，可以被转运到后代胚胎中，主要分布于早期胚胎的细胞质中^〔14〕。

纳米颗粒在秀丽线虫体内存在至少2种转运形式:其一，纳米颗粒经由秀丽线虫的摄食后进入咽泵与肠道后，从消化功能组织转运到生殖腺、肌肉组织与神经元等次级靶向组织;其二，纳米颗粒被转运到生殖腺、肌肉组织与神经元等次级靶向组织后，又可能被进一步从暴露当代动物转运到秀丽线虫体内尚未孵化的后代胚胎中，即可能出现世代间的转运问题。

3 常见纳米材料暴露致秀丽线虫毒性评价 3.1 氧化锌纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

随着暴露剂量上升动物死亡比率逐渐增加、动物运行速率逐渐降低、动物体长逐渐缩减、动物后代数目以及卵巢中卵数量逐渐缩减，与相同剂量ZnCl₂暴露所致动物毒性相当^{〔8, 9〕}。随着暴露剂量上升Pmtl-2: GFP荧光表达量逐渐增强，相比于致死率，随着氧化锌纳米颗粒暴露剂量上升运行速率降低幅度更大，表明运行速率是更为敏感评价终点^〔15〕，而后代数目可能比致死率和运行速率更敏感，该评价终点可以检出更低剂量暴露可能诱发的毒性^〔15〕。

3.2 氧化铝纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

随着暴露剂量上升动物死亡比率逐渐增加^{〔9, 15〕}，与相同剂量AlCl₃暴露致死率相当^〔16〕。随着暴露剂量上升动物后代数目以及卵巢中卵数量逐渐减少、动物体长逐渐减少^〔16〕。基于对于肠道自发荧光(反映秀丽线虫肠道细胞衰老与损伤程度)与应激反应进行的毒性分析表明，随着暴露剂量上升动物肠道自发绿色荧光与应激反应逐渐增强^{〔10, 17〕}。

3.3 氧化钛纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

随着暴露剂量上升动物死亡比率逐渐增加^〔16〕，动物世代时间逐渐延长、后代数目以及卵巢中卵数量则逐渐缩减、动物体长逐渐缩减^{〔9, 14〕}。基于身体弯曲频率与头部摆动频率等反映运动行为评价终点进行的毒性分析表明，随着剂量上升动物身体弯曲频率与头部摆动频率逐渐降低^〔17〕。

3.4 氧化铈纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

氧化铈是一种重要的稀土氧化物，1 mg/L氧化铈纳米颗粒的暴露会使秀丽线虫体长缩减，子代数目明显减少。同时粒径较小(7 nm)的氧化铈纳米颗粒能使cyp35a2基因的表达水平显著上升^〔18〕。

3.5 银纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

0.05～0.5 mg/L银纳米颗粒暴露24、 72 h，并不影响野生型动物存活率与发育，但是后代数目明显降低^〔11〕。银纳米颗粒暴露致mtl-2、 sod-3、 daf-12突变体呈现出与野生型相似存活率与发育毒性，致daf-12突变体呈现出与野生型相似生殖毒性^〔11〕。50mg/L银纳米颗粒暴露则可以严重抑制动物发育^〔13〕。高浓度银纳米颗粒暴露致mtl-2与mev-1突变体呈现出比野生型更敏感发育毒性，但是暴露致xpa-1与nth-1突变体呈现出与野生型相似发育毒性^〔13〕。

3.6 硅纳米颗粒致秀丽线虫毒性评价

0.25～2.5 mg/mL硅纳米颗粒暴露并不明显影响动物寿命(同时针对最长寿命与半数致死天数)、成虫发育1～10 d中体内肠道自发荧光变化，表明肠道组织衰老损伤与野生型相似^〔12〕。0.25～2.5mg/mL硅纳米颗粒暴露后代数目以及发育2～4 d后代产生数目明显降低、具有突出袋状产卵器结构的秀丽线虫比率明显增加，大尺度(bulk)硅纳米颗粒暴露后则不会诱发出现明显突出袋状产卵器结构^〔12〕。

3.7 纳米金刚石致秀丽线虫毒性评价

纳米金刚石(nanodiamond，FND)是纳米碳材料的一个成员，其暴露并未观察到明显影响摄食行为、寿命与后代数目，也未诱发明显氧化应激或应激反应发生^〔14〕。目前数据尚不能证明该种纳米材料暴露存在毒性。

4 纳米颗粒暴露致秀丽线虫毒性影响因素 4.1 纳米颗粒溶解度影响

在秀丽线虫中可以观察到氧化锌、氧化铝与氧化钛纳米颗粒较对应的大尺度氧化锌(532nm)、氧化铝(429 nm)与氧化钛(285 nm)具有更强毒性^〔16〕。由于氧化锌、氧化铝与氧化钛纳米颗粒与大尺度同类颗粒具有相似溶解速率，而这些纳米颗粒悬浮液离心后的上清液对于秀丽线虫毒性要远远低于对应的纳米颗粒，提示影响秀丽线虫毒性主要是纳米尺度，溶解度影响相对要小^〔16〕。

4.2 秀丽线虫发育时期影响

在发育上，秀丽线虫具有4个(L1、 L2、 L3、 L4)幼虫发育阶段以及年轻成虫与成熟成虫2个成虫阶段。在L1幼虫的秀丽线虫要远较L4幼虫以及年轻成虫具有针对氧化铝纳米颗粒所致毒性更敏感的特性^〔10〕。即相对于L4幼虫以及年轻成虫，氧化铝纳米颗粒悬液处理将导致L1幼虫形成更严重的致死毒性以及肠道自发绿色荧光以及应激反应^〔10〕。

4.3 纳米颗粒尺寸影响

在秀丽线虫中针对不同尺寸氧化钛颗粒(5、 35、 300 nm)所致毒性进行分析，结果表明当特定剂量的5、 35 nm氧化钛纳米颗粒暴露导致秀丽线虫后代数目明显降低、秀丽线虫头部摆动频率明显降低时，相应剂量的300 nm氧化钛颗粒暴露则后代数目改变、头部摆动频率变化不明显^〔17〕。当5 nm氧化钛纳米颗粒暴露导致秀丽线虫体长明显缩减时，相应剂量35 nm氧化钛纳米颗粒暴露则对秀丽线虫体长影响不明显^〔17〕。因此，纳米颗粒尺寸对于秀丽线虫毒性可能具有重要作用^〔18〕。

4.4 不同化学修饰影响

分别利用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP)和柠檬酸盐包裹银纳米颗粒制备PVP-AgNPs及CIT-AgNPs，并分析其对于秀丽线虫毒性，结果表明将秀丽线虫暴露于PVP-AgNPs离心后上清液中也能产生类似于金属纳米粒子溶液的生长抑制作用;然而CIT-AgNPs中的螯合作用可能使银离子较难释放到水中，因而其离心后上清液对秀丽线虫生长无抑制作用^〔13〕。同时，经过自然光(natural sunlight，NSL)处理和实验室人造光(ambient artificial laboratory light，AALL)处理的氧化锌纳米颗粒相比较，NSL处理的样品表现出了更强的毒性^〔19〕。

4.5 不同溶剂影响

研究发现，对于银纳米颗粒利用K+培养基配制悬浮溶液将导致形成约1～1.6 μm直径的团聚，而直接利用水配制银纳米颗粒悬浮溶液则形成约140 nm的团聚^〔13〕。与此相对应，不同溶剂配制的银纳米颗粒暴露致秀丽线虫的毒性也不同^〔13〕。因此，对于不同纳米颗粒选择合适的溶剂配制相应的悬浮溶液十分重要。

4.6 食物状态影响

秀丽线虫以大肠杆菌E.coli OP50作为食物。研究发现，虽然银纳米颗粒对E.coli OP50能够起到一定的杀死作用，但是通过对秀丽线虫使用紫外线处理(导致DNA损伤)的E.coli OP50作为食物并不能降低银纳米颗粒对于秀丽线虫的发育毒性，表明在银纳米颗粒致发育毒性中纳米颗粒的毒害是直接的，而银纳米颗粒对于E.coli OP50的致死影响对动物发育毒性作用无明显影响^〔13〕。此外，研究也表明当银纳米颗粒直径在1～10 nm之间时易于被E.coli OP50吸收，即银纳米颗粒也可能通过食物链被摄入到秀丽线虫体内，从而对秀丽线虫诱发毒害^〔13〕。

5 展望

利用秀丽线虫对纳米材料进行毒性评价及毒理学研究尚主要侧重于金属纳米颗粒材料，应当继续针对纳米管、量子点等纳米材料暴露所致毒性及毒理开展研究，而且应当重视纳米材料的长期暴露所致毒性效应^〔20〕。纳米材料毒性评价目前应用的评价终点尚有限，增加评价敏感性的重要尝试是引入突变体材料^〔13〕。在秀丽线虫纳米毒理研究上，目前研究很大程度上还停留在相关性研究或针对氧化应激或应激反应角色解析上，应考虑围绕某一个改变性状并结合秀丽线虫遗传与发育研究背景深入追踪其诱发机制。目前已经揭示的纳米材料在秀丽线虫中2种转运方式可能是通用的长距离转运形式，但是其具体转运的分子调控机制尚不清楚。