通过实验教学可以使生物学课程对学生更具吸引力。本文介绍了两种不同但互补的实验方案,可在课堂教学中用于鼓励学生提出并验证与高热量饮食、饥饿和衰老相关的假设。
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通过实验教学可以使生物学课程对学生更具吸引力。本文介绍了两种不同但互补的实验方案,可在课堂教学中用于鼓励学生提出并验证与高热量饮食、饥饿和衰老相关的假设。
Caenorhabditis elegans(秀丽隐杆线虫)是一种透明的非寄生性线虫,其生物学结构简单,因此非常适合通过细胞或其分子成分的染色来开展生命科学教学。卢戈氏碘液(碘-碘化钾溶液)在生物化学中被广泛用于染色糖原储存。通过该染色方法,可以观察到饲喂与饥饿状态下线虫之间的差异,以及不同条件(如不同饮食和氧气水平)的影响。刺蓝(Erioglaucine)是一种蓝色染料,可用于指示肠道屏障完整性的丧失。当肠道屏障完整时,蓝色染料局限于肠腔内;而当屏障完整性被破坏时,染料会渗漏至体腔中。教师可利用体视显微镜或普通显微镜展示这些生理和生化变化,也可引导学生提出科学问题,并利用上述染色方法进行假设的构建与验证。本实验方案描述了学生可轻松操作的两种针对C. elegans的染色技术。
高中阶段的生物科学教学一直面临持续的挑战。值得注意的是,技术的获取与应用已在教与学过程中带来了重要进展,然而,诸如人工智能聊天机器人等工具由于提供了易于获得(有时却是错误的)回答,使得理性思考和证据寻求变得更加困难1。因此,在课堂教学中采用以探究式学习为导向的科学方法并结合实践性实验,是培养学生或激发学生批判性思维、创造力和技术能力的重要策略2。
在此背景下,自由生活的线虫 秀丽隐杆线虫 已成功用于教学实验3 因其具有特定优势:它不是寄生生物,且 大肠杆菌 用于喂养的生物安全等级为1级,因此生物危害几乎为零;其运动方式优雅且可量化,便于学生观察;此外,该生物体透明,既可直接观察器官,也可用染料染色以指示生物分子的存在或生理变化的发生4因此,可以在课堂上对与生物化学和生理变化(如衰老)相关的简单假设进行假说提出和实验验证。
糖原是一种储存性碳水化合物,由葡萄糖分子通过葡萄糖基残基以(1→4)-α糖苷键形成线性连接,并在分支点处通过(1→6)-α糖苷键连接而成的长链且高度分支的结构,对肌肉收缩、细胞分化以及血糖稳态维持具有重要作用5。进食后,胰岛素激活糖原合酶,促进糖原的合成。在运动或禁食期间,肾上腺素或胰高血糖素分别激活糖原磷酸化酶,从而降解多糖,为肌细胞提供葡萄糖-6-磷酸,或释放游离葡萄糖以防止低血糖6,7。在多种生理和病理生理条件下,包括癌症,糖原水平的变化会影响细胞分化、信号转导、氧化还原调节以及干细胞特性8。在C. elegans中,糖原主要存在于咽部肌肉、表皮、肠道、神经元以及体壁肌中9。可使用卢戈氏碘液测定糖原含量,因为碘可与糖原的螺旋结构结合形成碘-糖原复合物,产生明显的蓝黑色或棕黑色,该方法已成功用于显示C. elegans中的糖原含量10。已有研究表明,高葡萄糖饮食引起的糖原积累可缩短线虫寿命,从而加速衰老过程11,12。此外,代谢紊乱、其他激素以及外源性物质的暴露也会影响糖原代谢13,14。因此,对C. elegans中糖原含量的研究具有重要意义,因为多种因素可能干扰其代谢,进而激发课堂上围绕运动、饮食、疾病和衰老等跨学科主题展开的基础生物化学讨论。
衰老是由细胞损伤引起的时间依赖性功能衰退。这种损伤可能与氧化应激、端粒缩短、蛋白质稳态失衡、炎症,甚至不溶性聚葡萄糖体的积累等多种因素相关15。衰老的一个重要特征是肠道完整性的下降,这与生物体生命周期中出现的多种慢性疾病密切相关16。肠道稳态的维持依赖于肠道上皮的完整性,该完整性由连接相邻上皮细胞的连接蛋白构成的物理屏障提供支持。当上皮受损时,肠腔内容物会渗漏至间质中17。基于这一机制,smurf实验已被用于在多种动物模型中检测肠道完整性,因为这种蓝色染料——二钠盐依柔红苷(Erioglaucine disodium salt)无法穿过完整的肠道膜,而保留在肠腔内18。当线虫感染病原体、暴露于某些有毒物质或衰老导致间质完整性受损时,染料便会穿透屏障并在整个虫体内扩散,使线虫全身呈现蓝色。该检测方法可用于探讨衰老生理学,并通过将线虫暴露于不同条件下,研究能够加速或延缓这一过程的影响因素。本文所述的实验方案将详细描述这两种基于染料的方法,这些方法易于在课堂中实施,有助于激发学生提出并验证与生物化学和生理学相关的假设。
实验方案的第一部分展示了其在C. elegans模型中定性和定量分析糖原含量的适用性10。 第二部分实验方案的目的是评估C. elegans肠道的完整性。该技术通过评估肠道膜的完整性来监测C. elegans的衰老过程。此外,该方法还可用于评估某种物质是否加速或延缓衰老,以及判断任何物质是否对肠屏障具有毒性作用19。
本研究所用的 C. elegans 品系为Bristol N2野生型。然而,该实验步骤也可使用具有相似生长速率的品系进行重复;或者根据设备更换的需求(前提是所替换设备具有相同或类似功能),或根据所用菌株的特性对方法进行相应调整,因为某些菌株具有特定的培养和/或敏感性要求;相关信息可从 Caenorhabditis 遗传学中心(CGC)或WormBase网站获取。这些调整不应影响该方法的可重复性。
注意:Escherichia coli OP50(E. coli OP50)菌株和Bristol N2野生型菌株可从美国明尼苏达大学的秀丽隐杆线虫遗传资源中心(CGC)获取,或由C. elegans实验室赠送。为确保研究人员安全,必须使用个人防护装备。尽管次氯酸钠和氢氧化钠等试剂的浓度较低,但仍需佩戴文中强调的推荐防护装备,以最大限度降低接触这些化学品可能带来的风险。
1. 糖原含量

图 1:C. elegans 中总糖原含量检测的示意图。本实验中用于进行糖原含量检测的实验流程示意图。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 肠道通透性的评估

图2整体肠道通透性检测示意图 秀丽隐杆线虫. (A) 秀丽隐杆线虫 制备。 (B) 用亮蓝二钠盐染色。 请点击此处以查看此图的放大版本。
糖原含量检测为筛选多种测试条件提供了一种可靠且快速的方法,例如比较不同菌株对糖原合成或降解影响的研究。在本研究中,L4期线虫被分为三种不同的测试条件:禁食组、喂养组和葡萄糖富集组。该检测重复进行了三次,每次检测中每种条件均设置两个重复;代表性图像如下所示 图3每次检测后,使用体视显微镜观察经卢戈氏碘溶液染色的线虫,并对各组线虫的染色情况进行定性比较。在视觉观察上,禁食组(饥饿)线虫的染色强度较喂食组线虫弱 E. coli OP50(普通)以及喂食以下食物的 E. coli OP50 和 D-葡萄糖(高葡萄糖)。此外,以大肠杆菌 OP50 和 D-葡萄糖(高葡萄糖)喂养的线虫表现出最强的染色信号。

图 3:糖原含量检测的代表性图像。 通过碘染色法评估 C. elegans 中的糖原水平。显微图像显示了分别在(A)饥饿、(B)正常或(C)高葡萄糖条件下处理 48 小时的代表性 C. elegans 蠕虫。染色过程按照步骤 1.4 所述方法进行:将蠕虫浸入卢戈氏碘液/M9 缓冲液(1%)中染色 5 分钟。 请点击此处查看该图的放大版本。
肠道通透性实验结果显示出具有完整肠道的幼虫(L4)与老年虫(7th 成年后的某一天)因衰老导致肠道膜受损(图4)。肠道的 秀丽隐杆线虫 是健康至关重要的组织,因其在消化和代谢中发挥关键作用,并作为应激反应和衰老调控的信号中心21在幼年蠕虫中,肠道的 秀丽隐杆线虫 由一层强韧的屏障构成,可防止肠道内容物泄漏。然而,随着这些蠕虫老化,肠道屏障功能逐渐减弱,对破坏的敏感性增加,这是由于细胞和微绒毛进行性退化以及衰老肠道内细菌积聚所致21,22当年轻时 秀丽隐杆线虫 摄入染料二钠盐埃里奥蓝后,线虫的肠道被染色(图4A)。另一方面,可以观察到老年蠕虫出现染料外渗现象,染料渗透至蠕虫全身,表明肠道膜结构受损(图4B).

图4代表性图像 秀丽隐杆线虫 使用二钠盐埃里奥格劳辛染色。 显微图像显示 秀丽隐杆线虫 完整肠道(L4阶段)的线虫与肠道破裂的线虫(7th 成虫期当天)。按照步骤2.2.4,将线虫浸入25%的赤藓红二钠盐溶液中染色3小时。 请点击此处以查看此图的放大版本。
补充图1:用于选择秀丽隐杆线虫(C. elegans)轮廓的ImageJ截图。 请点击此处下载该文件。
补充图2:用于计算平均值的ImageJ截图。 请点击此处下载该文件。
补充表 1:培养基、缓冲液和培养物配方。 本实验方案中使用的不同培养基、缓冲液和培养物的成分。请点击此处下载该文件。
补充文件 1:用于定量线虫糖原含量的 ImageJ 软件详细说明。请点击此处下载该文件。
综上所述,本实验方案利用卢戈氏碘染色法对单个秀丽隐杆线虫(C. elegans)的糖原含量进行定性评估:这是一种操作简便、结果可靠且快速的检测方法。卢戈氏碘染色是一种无标记且非侵入性的技术,可在亚细胞分辨率下获取分子数据,从而实现对单条线虫体内糖原含量变化的监测10。此外,该方法因所需设备极少而具有显著的成本优势。仅需使用显微镜或体视显微镜即可采集图像,且只要保持所有照片的光照/亮度/曝光设置一致,甚至可以使用手机摄像头轻松完成成像。同时,通过某些操作步骤的优化可进一步提升本方案的效果。例如,可使用酒精灯和重力沉降替代更复杂的实验设备(如超净工作台和离心机)。这些替代方案使该方法更加经济实惠,并便于广大研究人员使用。除科研人员外,教育工作者也可将该检测方法应用于学校教学,以直观展示与糖原储存及其生物合成相关的生理变化。
尽管传统的酶学检测方法可以定量糖原水平,但卢戈氏碘染色法在评估秀丽隐杆线虫(C. elegans)体内糖原储存方面展现出高灵敏度、准确性、低成本以及高通量的潜力。在本研究中,数据揭示了三种不同条件下染色程度的明显差异,提示喂养条件与染色强度之间可能存在相关性。换句话说,这表明不同喂养组间的糖原含量存在差异,因为染色强度与糖原含量呈正比。基于这些初步观察和证据,学生可以进一步探究和验证不同食物、饮料或化学试剂等各类因素是否也会影响线虫体内的糖原含量。
这种方法的一个缺点源于其依赖人工操作和主观判断。染色评估具有主观性,评分基于视觉观察,可能导致不同分析人员之间存在差异,从而在结果解读中引入波动。
本报告还展示了对肠道完整性的评估 秀丽隐杆线虫 使用染料赤藓红二钠盐。可借此评估肠道屏障功能的丧失情况 秀丽隐杆线虫 通过喂食一种无法经表皮吸收的蓝色染料来处理线虫。该检测可用于观察染料是否从肠道泄漏,此检测被称为“蓝精灵检测”(smurf test),因为动物会变得像卡通中的蓝精灵一样呈蓝色。23该方法此前已被应用于 黑腹果蝇 和 斑马鱼 采用类似方法进行肠道评估24,25。在 秀丽隐杆线虫 我们采用了与二钠盐亮蓝相同的该技术原理,该方法被认为是一种简单且可重复的技术,用于验证肠道完整性 秀丽隐杆线虫19,26.
该方案可用于评估线虫衰老的诱导或延缓,以及验证物质在肠道中的潜在毒性 秀丽隐杆线虫 以简便快速的方式进行,无需使用复杂设备,使该方法具有经济可行性19,27除了在科学研究中的应用外,教师还可将该检测方法用于教育机构的教学目的,以探究肠道通透性的变化 秀丽隐杆线虫通过一个简单的实验,可以研究关于衰老的假设以及化学试剂对线虫肠道屏障的影响。
该实验可根据研究目的调整使用其他 C. elegans 品系和幼虫阶段,前提是所替换的品系具有相同或类似功能,以保持方法的可重复性。为获得成功的分析结果,按照方案所述,对老化线虫进行 3 小时的染色至关重要。随后,洗去多余染料的步骤是该方法中的关键环节,必须小心操作,避免线虫随上清液被一同移除。在评估物质效应时,该方案的一个局限性在于难以找到一种易于获取且可有效裂解线虫肠道膜的阳性对照。
作者无任何利益冲突需要披露。
D.S.A. 感谢巴西国家研究与发展委员会(Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento,CNPq/Brazil)的资助,资助编号 #301808/2018-0、#313117/2019-5;南里奥格兰德州研究资助基金会(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul,FAPERGS/Brazil),资助编号 21/2551-0001963-8;以及高等级人员进修协调办公室(Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior,CAPES,N.S.J 和 A.C.S 的资助代码 001)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 微量离心管 | 本地供应商 | - | |
| 37度培养箱 | KS 4000i | 97014-816 | |
| 50 mL 一次性塑料离心管 | 本地供应商 | - | |
| 6 cm 培养皿 | 本地供应商 | - | |
| 细菌学用琼脂 | 丁â云母石í云母 Contemporânea Ltda. | 9002-18-0 | |
| 秀丽隐杆线虫 Bristol N2(野生型) | 美国明尼苏达秀丽隐杆线虫遗传中心(CGC,美国明尼苏达州) | - | |
| CaCl₂ | 丁â云母石í云母 Contemporânea Ltda. | 10035-04-8 | |
| 胆固醇 | Sigma-Aldrich 巴西有限公司 | 57-88-5 | |
| D-(+)-葡萄糖无水物 | 霓虹 | 50-99-7 | |
| 蒸馏水 | 本地供应商 | - | |
| 二钠盐亮蓝 | Sigma-Aldrich 巴西有限公司 | 3844-45-9 | |
| 大肠杆菌 OP50 | 美国明尼苏达州秀丽隐杆线虫遗传中心(CGC) | - | |
| 超净工作台 | Mylabor | ||
| 培养箱 | 北美松下医疗公司,MIR-254-PA | - | |
| KH2PO4 | 丁â云母石í云母当代ânea Ltda. | 7778-77-0 | |
| 盐酸左旋咪唑 | RIPERCOL L 150F | - | |
| 卢戈氏碘液 | Sigma-Aldrich 巴西有限公司 | L6146 | |
| MgSO4 | 合成 | S1063-01-AH | |
| 微型离心机 | Centrifuge 5425R Eppendorf SE,德国 | ||
| Na2HPO4 | 丁â云母 Quí云母 Contemporânea Ltda. | 7558-79-4 | |
| NaCl | 丁â云母石í云母当代ânea Ltda. | 7647-14-5 | |
| 制霉菌素 | Sigma-Aldrich 巴西有限公司 | N6261 | |
| 蛋白胨细菌学 | êxodo científica | 91079-38-8 | |
| 体视显微镜 | Leica S8 Apo 体视显微镜 (Sã巴西圣保罗 | ||
| 硫酸链霉素 | Estreptomax | - |
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