《Toxicology and Applied Pharmacology》：Physio-transcriptomic perspectives on midgut structural disruption and metabolic imbalance underlying neodymium oxide toxicity in Bombyx mori
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陈凌志|尹佳欣|李万刚|肖京华|谢启军|马亮|方阳|曾晓曦中国湖南省工业大学生物科学与医学工程学院生物医学纳米材料与器件重点实验室，株洲412007摘要家蚕（Bombyx mori）是一种具有经济重要性的昆虫，同时也是毒理学研究的理想模型。氧化钕（Nd?O?）是一种广泛使用的稀土
陈凌志|尹佳欣|李万刚|肖京华|谢启军|马亮|方阳|曾晓曦
中国湖南省工业大学生物科学与医学工程学院生物医学纳米材料与器件重点实验室，株洲412007
摘要
家蚕（Bombyx mori）是一种具有经济重要性的昆虫，同时也是毒理学研究的理想模型。氧化钕（Nd?O?）是一种广泛使用的稀土氧化物，但其生物学效应尚不明确。本研究将五龄家蚕幼虫暴露于不同浓度的Nd?O?（0–3.2 μg/μL）环境中，评估了其生长情况、氧化应激反应、中肠形态以及转录组变化。高浓度Nd?O?抑制了幼虫的生长，并引发了氧化应激，表现为活性氧（ROS）水平升高、超氧化物歧化酶（SOD）活性下降以及谷胱甘肽（GSH）含量减少。组织病理学和透射电子显微镜（TEM）观察显示，中肠是主要受影响的器官，表现为上皮层变薄、绒毛结构破坏、线粒体肿胀和液泡形成。RNA测序共鉴定出922个差异表达基因。实时荧光定量PCR（RT-qPCR）验证了这些基因的失调情况，包括与脂肪酸代谢相关的BMSK0006934（BglB）和BMSK0009525（尚未明确功能的代谢相关基因）、与PPAR信号通路相关的BMSK0003301（Scd3）和BMSK0011688（Pepck），以及与胆固醇代谢相关的BMSK0004756（ALLC）和BMSK0003704（Tryp_SPc）。保守结构域分析证实这些基因编码关键的代谢酶（Δ9-去饱和酶、PEPCK和尿囊素酶）。研究结果表明，Nd?O?通过诱导氧化应激、破坏中肠结构以及改变代谢途径的转录组表达，从而抑制家蚕的生长。这项研究为稀土氧化物的生态毒理学提供了新的见解。
引言
稀土元素（REEs）因其独特的物理化学性质，在矿物、能源、医疗保健等多个工业领域得到广泛应用（Wang et al., 2025a; Mergelsberg et al., 2025; Golroudbary et al., 2022; Ghosh et al., 2025）。随着稀土产量的增加及其应用范围的扩大，人们对其环境累积和潜在生物风险也越来越关注。作为重要的稀土氧化物，Nd?O?因其对生物体的毒性而备受关注。先前的研究表明，母体在妊娠和哺乳期间接触Nd?O?会损害后代的肠道健康和血脑屏障功能，并促进神经元退化（Du et al., 2025）。此外，斑马鱼胚胎暴露于Nd?O?也会导致毒性反应和心血管系统异常（Chen et al., 2020）。然而，Nd?O?的毒理学效应尤其是对昆虫的影响尚未得到系统研究。
家蚕（B. mori）是生命科学研究中的经典模式生物。与小鼠等哺乳动物模型相比（Ellenbroek and Youn, 2016），家蚕具有周期短、饲养成本低、遗传背景清晰以及伦理限制较少等优点（Meng et al., 2017）。这些特性使得家蚕不仅在蚕丝产业中具有重要价值，在毒理学、病理学、药物筛选和环境风险评估方面也具有很高的应用价值（Kaito and Sekimizu, 2007; Abdelli et al., 2018）。家蚕的中肠是营养物质消化和吸收的主要场所，同时也是抵御摄入有毒物质的第一道屏障（Zha et al., 2021）。因此，中肠的结构和功能完整性直接关系到幼虫的健康和发育。研究表明，低浓度的印多卡巴（indoxacarb）会通过损伤中肠细胞结构来影响家蚕的生长和发育（Wang et al., 2023）；同样，低浓度的氰traniliprole也会引起家蚕中肠的毒性反应和生物学变化（Qi et al., 2025），进一步证明了中肠状态与家蚕健康之间的密切关联。
最新研究还发现某些稀土化合物会影响家蚕的生长、代谢和抗氧化反应（Andoh et al., 2021）。该研究评估了三种钕化合物对家蚕的生物学效应，发现它们能抑制生长并增加死亡率。尽管这些研究提供了关于钕化合物生物效应的有价值证据，但主要局限于表型观察，未深入探讨其分子机制或组织层面的病理变化。因此，Nd?O?对家蚕的毒性作用，尤其是氧化应激、转录组变化与中肠损伤之间的关联，仍需进一步研究。
在本研究中，五龄家蚕幼虫被暴露于不同浓度的Nd?O?（0–3.2 μg/μL）环境中。通过连续测量体重和立体显微镜观察来评估其生长表现和表型变化。通过检测ROS、SOD、CAT和GSH来评估氧化应激反应。利用转录组测序结合GO注释和KEGG富集分析，确定了受Nd?O?影响的分子通路。此外，还进行了组织病理学检查和透射电子显微镜（TEM）观察，以分析中肠的结构和超微结构变化。通过整合生理学、生物化学、转录组和组织学数据，本研究旨在阐明Nd?O?对家蚕的毒性作用，并为评估稀土氧化物的生态风险提供依据。尽管已知Nd?O?在水生生物中具有毒性，但其对陆地无脊椎动物的影响，尤其是中肠中氧化损伤与代谢之间的相互作用，仍需进一步研究。本研究旨在探讨Nd?O?是通过直接损伤中肠还是通过调节代谢通路（如PPAR信号通路和脂肪酸代谢）来抑制家蚕生长的。
章节摘录
家蚕品系与饲养
“楚丰汉云”（Chufeng Hanyun）品系的家蚕五龄幼虫在实验室中饲养，每天提供三次新鲜桑叶，饲养条件为：温度25±1°C、相对湿度75±5%，光照周期为12小时光照/12小时黑暗。该杂交品系的幼虫来自湖北省农业科学院经济作物研究所（武汉）。每个Nd?O?浓度组使用30只幼虫。
Nd?O?浓度对家蚕体重增长的影响
为了评估Nd?O?对幼虫生长的影响，将五龄家蚕喂食含有不同浓度Nd?O?的桑叶，并在0、24、48、72和96小时时记录体重。96小时时的形态观察显示，暴露于Nd?O?的幼虫体型比对照组更小，且浓度越高，体型减小越明显（图1A）。在最高浓度（3.2 μg/μL）下，部分幼虫还出现了明显的身体弯曲。
讨论
稀土元素（REEs）因其独特的物理化学性质，在绿色能源、电子、医学成像和农业等领域得到广泛应用（Golroudbary et al., 2022; Padhan and Paul, 2025）。随着工业需求的增长，稀土氧化物的环境释放和累积引发了对其生态毒理风险的担忧（Wang et al., 2024; Wang et al., 2025b; Ochoa-Guerrero et al., 2025; Abdel Gawad et al., 2025）。
结论
本研究表明，Nd?O?暴露会导致家蚕幼虫的生长受到浓度依赖性的抑制。在3.2 μg/μL的浓度下，Nd?O?增加了ROS水平，降低了SOD活性，并减少了GSH含量，表明氧化还原平衡被破坏。组织病理学和TEM分析进一步证实中肠是主要受影响的器官，表现为上皮层变薄、绒毛结构破坏、线粒体肿胀、嵴结构损伤和液泡形成。转录组分析鉴定出922个差异表达基因，其中涉及
CRediT作者贡献声明
陈凌志：撰写初稿、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构建。尹佳欣：撰写与编辑、实验设计、数据分析。李万刚：数据可视化、数据分析。肖京华：数据可视化、数据分析。谢启军：资源获取、实验设计。马亮：实验设计、数据管理。方阳：撰写与编辑、数据可视化、项目协调、资金申请。曾晓曦：撰写——
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国湖南省重点研发计划（2023NK2026）、湖南省自然科学基金（2023JJ50168）和湖南省教育厅（2022A0402）的支持。家蚕（B. mori）由湖北省农业科学院提供。
