DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c12562
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41504697
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Timothy A. Crombie وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الوراثة، الشيخوخة، وطول العمر في الكائنات النموذجية
نظرة عامة
تؤكد جامعة برمنغهام التزامها بالتحكم الدقيق في العناصر المتاحة؛ ومع ذلك، تعترف بأنه قد تحدث أخطاء أحيانًا، مما يؤدي إلى تحميل غير مقصود لوثائق قد تكون حساسة تجاريًا أو غير مناسبة للوصول العام. في مثل هذه الحالات، تشجع الجامعة الأفراد الذين يحددون مثل هذه الوثائق على التواصل عبر عنوان البريد الإلكتروني المقدم (UBIRA@lists.bham.ac.uk) مع التفاصيل ذات الصلة لتسهيل إزالة الوصول إلى المواد المعنية. تسلط هذه العملية الضوء على التزام المؤسسة بالحفاظ على نزاهة وملاءمة مواردها الأكاديمية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على المشهد المتطور لعلم السموم البيئية، مع التأكيد على التحول نحو تقليل اختبار الحيوانات الفقارية مع تعزيز رفاهية الحيوانات. تمكّن التقدم في علم السموم الجزيئية والحسابية، وخاصة الفحص عالي الإنتاجية (HTS)، من تقييمات سريعة للسمية. بينما تعتبر الأنظمة المعتمدة على الخلايا والأعضاء واعدة، يبقى استخدام الكائنات الحية الكاملة ضروريًا لالتقاط التفاعلات المعقدة للضغوط الكيميائية عبر مسارات بيولوجية مختلفة. تدعو الورقة إلى استخدام الديدان الخيطية، وبشكل خاص *Caenorhabditis elegans*، كنموذج للكائنات الحية لاختبار HTS نظرًا لسهولة زراعتها، وقابليتها الجينية، وأهميتها البيئية.
تعتبر *C. elegans* أداة قيمة لفهم الآليات السمية ذات الصلة بالصحة البشرية والبيئية، نظرًا للحفاظ على المسارات التنموية والعصبية الرئيسية بين الديدان الخيطية والثدييات. تناقش المقدمة أيضًا منصات HTS الحالية المحسّنة لـ *C. elegans*، بما في ذلك تقنيات الميكروفلويديك وتحليل النمط السلوكي، والتي تعزز القدرة على اختبار السمية. ومع ذلك، لا تزال قابلية تطبيق هذه الأنظمة في التنظيم غير مستكشفة بشكل كافٍ. يقترح المؤلفون إجراء مقارنة منهجية لبيانات HTS الخاصة بـ *C. elegans* مع نماذج أخرى مثبتة لتقييم قوتها التنبؤية في تقييم المخاطر الكيميائية، بهدف تحديد نقاط القوة والقيود والاتجاهات البحثية المستقبلية في علم السموم القائم على الديدان الخيطية.
النتائج
تشير النتائج إلى توافق كبير بين استجابات *Caenorhabditis elegans* (C. elegans) والنماذج البيئية المعروفة، وخاصة في اختبارات الفحص عالي الإنتاجية (HTS) المعتمدة على الصور. تظهر النتائج أن نقاط النهاية للنمو والتطور في C. elegans ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالنتائج النهائية التي لوحظت في اختبارات السمية التقليدية التي تشمل الأسماك واللافقاريات، مما يؤكد فائدتها كنموذج تنبؤي في علم السموم البيئية.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على مزايا استخدام منصات المجهر الآلي، التي توفر حساسية ودقة محسنتين لت quantifying التأثيرات تحت القاتلة. تسهل هذه القدرة الفحص الكيميائي على نطاق واسع وتقييمات المخاطر المقارنة، مما يضع الفحص المعتمد على الصور كطريقة قوية لتقييم سلامة المواد الكيميائية والمخاطر البيئية.
المناقشة
تقدم قسم المناقشة في الورقة البحثية مقارنة شاملة لمنصات الفحص عالي الإنتاجية (HTS) لتقييم التأثيرات السمية في *Caenorhabditis elegans* (C. elegans) والديدان الخيطية ذات الصلة. يسلط الضوء على أربعة أنظمة رئيسية: الميكروفلويديك، الفحص السلوكي، الأنظمة المعتمدة على تدفق الجسيمات الكبيرة (LPFB)، والأنظمة المعتمدة على الصور، كل منها له مزايا وقيود مميزة. تتفوق أنظمة الميكروفلويديك في التحكم البيئي والتصوير عالي الدقة ولكن تواجه تحديات في تحقيق إنتاجية عالية. تطورت أنظمة الفحص السلوكي لأتمتة تتبع الحركة، مع تمكين منصة loopbio من جمع بيانات واسعة حول الاستجابات السلوكية للسموم. تسمح أنظمة LPFB، مثل COPAS FP، بالفرز السريع وتحليل الديدان الخيطية بناءً على المعايير الفسيولوجية، بينما تقدم الأنظمة المعتمدة على الصور إنتاجية عالية وفعالية من حيث التكلفة، على الرغم من أنها تواجه صعوبات في معالجة البيانات بشكل آلي.
تشدد الورقة على أهمية التباين داخل الأنواع بين سلالات C. elegans، مما يكشف عن اختلافات كبيرة في الحساسية الكيميائية التي يمكن أن تفيد علم السموم التنبؤية. تشير المقارنات بين بيانات HTS من C. elegans مع بدائل الصحة البيئية والبشرية إلى أنه على الرغم من وجود بعض الارتباط، خاصة مع النماذج المائية، إلا أن القيمة التنبؤية تختلف. تظهر الأنظمة المعتمدة على الصور عمومًا توافقًا أقوى مع بيانات السمية المائية مقارنة بأنظمة LPFB. يدعو المؤلفون إلى اختبار منسق وإنشاء لوحات مرجعية مشتركة من المركبات لتعزيز القابلية للمقارنة عبر الدراسات وتحسين الإمكانية التحويلية لمنصات HTS الخاصة بـ C. elegans. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى اختيار سلالات بعناية وتقدم منهجي لتحسين فائدة C. elegans في البحث السمي.
القيود
تقدم قيود منصات الفحص عالي الإنتاجية (HTS) الحالية لـ C. elegans تحديات للتبني التنظيمي وتحديد الأولويات الكيميائية. تعتبر الاعتماد على مصادر الغذاء البكتيرية الحية، مثل E. coli، مصدر قلق رئيسي، حيث يمكن أن تقدم متغيرات مشوشة مثل إنتاج الإندوتوكسين والانحلال الأيضي للمركبات المختبرة، مما قد يؤثر على تقييمات السمية. بينما أظهرت وسائل بديلة، مثل وسط سكن C. elegans (CeHM)، وعدًا في دعم النمو الطبيعي، إلا أنها ليست قابلة للتطبيق عالميًا في علم السموم التنظيمي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر عوامل مثل درجة الحرارة والرطوبة وامتصاص المواد الكيميائية بواسطة مواد الزراعة على النتائج التجريبية، مما يتطلب إدارة دقيقة للحفاظ على تركيزات التعرض المتسقة.
علاوة على ذلك، فإن وجود يرقات الداور، التي يمكن أن تنشأ تحت ظروف الضغط، يعقد تقييمات السمية بسبب حالتها غير الغذائية وإمكانية تحفيز استجابات الضغط في اليرقات غير الداور. قد تتجاهل الممارسة الحالية لتطبيق نطاقات تركيز موحدة عبر المركبات في دراسات HTS التأثيرات السمية الحرجة، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات تحديد الجرعات الأكثر تخصيصًا. على الرغم من إمكانيات منصات HTS الخاصة بـ C. elegans للتوافق مع النماذج البيئية، إلا أن صلتها بتنبؤات الصحة البشرية لا تزال غير مؤكدة بسبب التداخل المحدود مع بيانات السمية الثديية. يمكن أن تعزز معالجة هذه القيود من خلال بروتوكولات موحدة والتحقق الدقيق من صحة البيانات من قابلية تطبيق C. elegans كنموذج غير فقاري لتقييم سلامة المواد الكيميائية، مما يمهد الطريق لقبول تنظيمي مستقبلي.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c12562
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41504697
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Timothy A. Crombie et al.
Primary Topic: Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms
Overview
The University of Birmingham emphasizes its commitment to careful curation of available items; however, it acknowledges that errors may occasionally occur, leading to the unintended upload of documents that may be commercially sensitive or otherwise inappropriate for public access. In such cases, the university encourages individuals who identify such documents to reach out via the provided email address (UBIRA@lists.bham.ac.uk) with relevant details to facilitate the removal of access to the concerned material. This process underscores the institution’s dedication to maintaining the integrity and appropriateness of its academic resources.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the evolving landscape of environmental toxicology, emphasizing a shift towards reducing vertebrate animal testing while enhancing animal welfare. Advances in molecular and computational toxicology, particularly high-throughput screening (HTS), are enabling rapid toxicity assessments. While cell-based systems and organoids are promising, the use of whole organisms remains essential for capturing the complex interactions of chemical stressors across various biological pathways. The paper advocates for the use of nematodes, specifically *Caenorhabditis elegans*, as a model organism for HTS due to their ease of culture, genetic tractability, and ecological relevance.
*C. elegans* is positioned as a valuable tool for understanding toxicological mechanisms relevant to human and environmental health, given the conservation of key developmental and neurobiological pathways between nematodes and mammals. The introduction also discusses the existing HTS platforms optimized for *C. elegans*, including microfluidic technologies and behavioral phenotype analysis, which enhance the capacity for toxicity testing. However, the regulatory applicability of these HTS systems remains underexplored. The authors propose a systematic comparison of *C. elegans* HTS data with other established models to assess its predictive power in chemical risk assessment, aiming to identify strengths, limitations, and future research directions in nematode-based toxicology.
Results
The results indicate a significant alignment between the responses of *Caenorhabditis elegans* (C. elegans) and established ecotoxicological models, particularly in image-based high-throughput screening (HTS) assays. The findings demonstrate that growth and developmental endpoints in C. elegans closely correlate with apical outcomes observed in traditional toxicity tests involving fish and invertebrates, thereby affirming its utility as a predictive model in ecotoxicology.
Moreover, the study highlights the advantages of using automated microscopy platforms, which provide enhanced sensitivity and resolution for quantifying sublethal effects. This capability facilitates large-scale chemical screening and comparative hazard assessments, positioning image-based HTS as a robust method for evaluating chemical safety and ecological risks.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive comparison of high-throughput screening (HTS) platforms for assessing toxicological effects in *Caenorhabditis elegans* (C. elegans) and related nematodes. It highlights four major systems: microfluidic, behavioral screening, large-particle flow-based (LPFB), and image-based systems, each with distinct advantages and limitations. Microfluidic systems excel in environmental control and high-resolution imaging but face challenges in achieving high throughput. Behavioral screening systems have evolved to automate locomotion tracking, with the loopbio platform enabling extensive data collection on behavioral responses to toxins. LPFB systems, such as the COPAS FP, allow rapid sorting and analysis of nematodes based on physiological parameters, while image-based systems offer high throughput and cost-effectiveness, although they struggle with automated data processing.
The paper emphasizes the importance of intraspecific variation among C. elegans strains, revealing significant differences in chemical sensitivity that can inform predictive toxicology. Comparisons of HTS data from C. elegans with ecological and human health surrogates indicate that while there is some correlation, particularly with aquatic models, the predictive value varies. Image-based systems generally show stronger alignment with aquatic toxicity data than LPFB systems. The authors advocate for coordinated testing and the establishment of shared reference panels of compounds to enhance comparability across studies and improve the translational potential of C. elegans HTS platforms. Overall, the findings underscore the need for careful strain selection and methodological advancements to optimize the utility of C. elegans in toxicological research.
Limitations
The limitations of current C. elegans high-throughput screening (HTS) platforms present challenges for regulatory adoption and chemical prioritization. A primary concern is the reliance on live bacterial food sources, such as E. coli, which can introduce confounding variables like endotoxin production and metabolic degradation of test compounds, potentially skewing toxicity assessments. While alternative media, such as C. elegans Habitation Medium (CeHM), have shown promise in supporting normal growth, they are not universally applicable for regulatory toxicology. Additionally, factors such as temperature, humidity, and chemical absorption by culturing materials can affect experimental outcomes, necessitating careful management to maintain consistent exposure concentrations.
Moreover, the presence of dauer larvae, which can arise under stress conditions, complicates toxicity evaluations due to their non-feeding state and potential to induce stress responses in non-dauer larvae. The current practice of applying uniform concentration ranges across compounds in HTS studies may overlook critical toxic effects, highlighting the need for more tailored dose-setting strategies. Despite the potential of C. elegans HTS platforms to align with ecotoxicological models, their relevance for human health predictions remains uncertain due to limited overlap with mammalian toxicity data. Addressing these limitations through standardized protocols and rigorous validation could enhance the applicability of C. elegans as a nonvertebrate model for chemical safety assessment, paving the way for future regulatory acceptance.