動(dòng)物氣溶膠暴露裝置的特點(diǎn)及其應(yīng)用*

郝新彥 張?jiān)?高 虹*

氣溶膠暴露裝置(aerosol inhalation exposure device)是可模擬產(chǎn)生藥物、毒物等化學(xué)物質(zhì)以及病毒及細(xì)菌等病原微生物氣溶膠、氣體或蒸汽的設(shè)備，將動(dòng)物重復(fù)暴露于設(shè)定的污染或感染環(huán)境中，使動(dòng)物吸入含有受試物的空氣而達(dá)到定量攻毒感染[1-3]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物氣溶膠暴露是進(jìn)行毒理學(xué)、病原微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科研究的重要手段之一，氣溶膠暴露裝置在化學(xué)物質(zhì)毒理學(xué)研究中得到快速應(yīng)用發(fā)展，在病原微生物研究中受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)綜述目前氣溶膠暴露裝置的特點(diǎn)和應(yīng)用，為裝置的研究選擇提供參考。

1 氣溶膠暴露裝置組成

氣溶膠暴露裝置包括靜態(tài)暴露裝置和動(dòng)態(tài)暴露裝置。靜態(tài)暴露是將動(dòng)物放入密閉暴露艙，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，艙內(nèi)氧分壓及氣溶膠濃度均降低，對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生負(fù)影響；動(dòng)態(tài)暴露是艙內(nèi)空氣呈動(dòng)態(tài)流動(dòng)性，氧分壓及受試物濃度較穩(wěn)定，符合實(shí)驗(yàn)要求且較為常用[3]。動(dòng)態(tài)暴露裝置的構(gòu)成：①氣溶膠發(fā)生器，霧化受試物，產(chǎn)生一定粒徑大小的氣溶膠顆粒[2-3]；②動(dòng)物暴露單元，容納多只動(dòng)物同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③氣溶膠采樣器，采集艙內(nèi)氣溶膠顆粒，檢測(cè)大小分布及顆粒數(shù)[2]；④控制和(或)監(jiān)測(cè)裝置，控制系統(tǒng)操作，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)氣流流速和氣壓等[3]；⑤供排氣系統(tǒng)，進(jìn)行氣流傳輸；⑥廢氣處理系統(tǒng)，及時(shí)處理含氣溶膠空氣，防止環(huán)境污染(如圖1所示)。

圖1 氣溶膠暴露裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 氣溶膠暴露裝置特點(diǎn)

氣溶膠暴露裝置可分為全身暴露裝置(wholebody inhalation exposure device)和口鼻暴露裝置(nose-only inhalation exposure device)，兩者各有優(yōu)勢(shì)和不足(見(jiàn)表1)。

2.1 全身暴露裝置

全身暴露裝置是對(duì)整只動(dòng)物進(jìn)行暴露，分為無(wú)飼養(yǎng)設(shè)備和內(nèi)置飼養(yǎng)設(shè)備兩種，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇[4]。飼養(yǎng)籠有不銹鋼網(wǎng)籠和透明塑料籠兩種，不銹鋼籠耐高溫，塑料籠耐腐蝕，均有不同規(guī)格型號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物類(lèi)型進(jìn)行選擇(如圖2、圖3和圖4所示)。

2.1.1 裝置優(yōu)勢(shì)

全身暴露裝置可模擬動(dòng)物自然環(huán)境下暴露，不用麻醉固定動(dòng)物，動(dòng)物活動(dòng)處于正常狀態(tài)。動(dòng)物可重復(fù)暴露在設(shè)定的污染和感染環(huán)境中，產(chǎn)生的深層肺部感染與真實(shí)環(huán)境極為相似[3]。暴露艙內(nèi)空氣呈動(dòng)態(tài)流動(dòng)性，精密的流量控制器保證了系統(tǒng)提供一致可重復(fù)劑量。內(nèi)置飼養(yǎng)設(shè)備，可滿(mǎn)足動(dòng)物飼養(yǎng)繁殖進(jìn)行長(zhǎng)期暴露。艙內(nèi)可同時(shí)暴露多只動(dòng)物，既節(jié)省時(shí)間又減輕工作量，且一致性好，安全性高，使用方便。結(jié)構(gòu)為全密閉性，有暴露艙、負(fù)壓系統(tǒng)、廢氣處理等多重防護(hù)，以防氣溶膠泄露，在常規(guī)和負(fù)壓環(huán)境中均可使用。通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)節(jié)艙內(nèi)溫濕度、氣壓及氣流流速等，動(dòng)態(tài)顯示其數(shù)值與實(shí)時(shí)曲線(xiàn)并保存記錄到電腦，避免了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人員接觸[4]。裝置自帶過(guò)濾器和紫外燈用于清潔。2.1.2 裝置不足

圖2 美國(guó)099CA4224氣溶膠暴露裝置示圖

圖3 德國(guó)TSE全身暴露裝置示圖

圖4 美國(guó)CHT全身暴露裝置暴露系統(tǒng)示圖

全身暴露裝置存在皮膚及消化道等其他暴露途徑。Belser等[5]研究表明，豚鼠和畜禽等可通過(guò)眼部發(fā)生病毒氣溶膠感染。暴露艙容積大、體積流量高，所需受試物多。動(dòng)物置于不銹鋼網(wǎng)籠內(nèi)，因不舒適而產(chǎn)生壓力[6]?；\內(nèi)動(dòng)物聚集擁簇、蜷縮，因其皮毛過(guò)濾作用，使吸入氣溶膠量減少。動(dòng)物再次吸入自身或周?chē)鷦?dòng)物呼出氣體，或吸入呼出氣體與含氣溶膠空氣的混合氣體，即發(fā)生重復(fù)呼吸；動(dòng)物分泌物與氣溶膠發(fā)生混合，氣溶膠受到污染，上述現(xiàn)象均降低動(dòng)物吸入氣溶膠的劑量與質(zhì)量[2]。

裝置在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范方面難以統(tǒng)一，存在安全隱患。朱善邦等[6]研究發(fā)現(xiàn)，裝置對(duì)暴露艙內(nèi)物體表面消毒滅菌不完全，對(duì)裝置進(jìn)行消毒試劑循環(huán)消毒時(shí)，大部分強(qiáng)效消毒劑對(duì)裝置有腐蝕性，對(duì)動(dòng)物有刺激性和毒副性[7-8]。

2.2 口鼻暴露裝置

口鼻暴露裝置僅對(duì)動(dòng)物口鼻部進(jìn)行暴露[9]。裝置暴露單元采用模塊化可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，動(dòng)物單獨(dú)固定在固定管中，限制管后部。可根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物類(lèi)型選擇不同規(guī)格型號(hào)的固定管(如圖5所示)。

圖5 美國(guó)In-Tox口鼻暴露裝置暴露系統(tǒng)示圖

2.2.1 裝置優(yōu)勢(shì)

(1)口鼻暴露裝置避免消化道及皮膚等其他途徑暴露，消除潛在眼部刺激，減少皮毛攜帶受試物傳播的可能性。氣溶膠傳遞路徑小，能迅速達(dá)到所需濃度，各動(dòng)物互不干擾。標(biāo)準(zhǔn)吸入塔為每只動(dòng)物配備專(zhuān)門(mén)管嘴和回流通路以確保暴露量一致，系統(tǒng)提供持續(xù)流動(dòng)空氣流，動(dòng)物吸入和呼出氣體完全獨(dú)立流通，氣流流入一主要口鼻暴露腔，呼出氣體隨過(guò)量氣體流入排出通道，避免重復(fù)呼吸(如圖6所示)。

圖6 口鼻暴露裝置暴露單元運(yùn)行原理示圖

(2)結(jié)構(gòu)可拆卸，方便清潔消毒。通過(guò)消毒試劑循環(huán)消毒和高溫高壓消毒，如過(guò)氧化氫溶液或干霧、2%戊二醛、10%甲醛以及二氧化氯等消毒，避免病原微生物等殘留[7-8]。氣溶膠直接傳遞到固定動(dòng)物鼻部，避免在動(dòng)物體表沉積，利于動(dòng)物清洗消毒，可涂抹或噴霧酒精及次氯酸鈉溶液等清潔動(dòng)物[9]。動(dòng)物因固定，活動(dòng)受限，減少了固定區(qū)污染。

(3)自動(dòng)化氣溶膠暴露裝置具有全自動(dòng)氣溶膠控制傳遞平臺(tái)，代替了人工控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控、獲取及反饋，進(jìn)行實(shí)時(shí)呼吸功能監(jiān)測(cè)，計(jì)算出動(dòng)物所需氣溶膠實(shí)時(shí)劑量，控制暴露時(shí)間。美國(guó)陸軍傳染病學(xué)研究所(United States Army Medical Research Institute of Infectious，USAMRIID)用自行研制的自動(dòng)化裝置對(duì)恒河猴進(jìn)行SEB毒素頭部暴露，其研究表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸功能消除了以往研究方法的誤差，提高氣溶膠劑量傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和精確性[10]。

2.2.2 裝置不足

口鼻暴露裝置持續(xù)暴露的動(dòng)物因固定而產(chǎn)生壓力，影響動(dòng)物生理指標(biāo)。動(dòng)物被取出時(shí)會(huì)因轉(zhuǎn)向管內(nèi)而窒息，尤其是幼小動(dòng)物取出后，動(dòng)物因不能適應(yīng)正常環(huán)境而焦慮。固定管后部完全密封，動(dòng)物無(wú)法散熱，熱濕度均會(huì)增加。氣流控制不當(dāng)給動(dòng)物帶來(lái)生理壓力，如動(dòng)物因CO2濃度升高而發(fā)紺、因緊張而皮膚變紅等。若通過(guò)每個(gè)口的氣流量與動(dòng)物呼吸頻率一致，可能不足以清除動(dòng)物呼出氣體，吸入有效氣溶膠量減少，熱量增加[1]。口鼻暴露期間，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間未給動(dòng)物進(jìn)水進(jìn)食是否會(huì)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生壓力還有待解決。

3 氣溶膠暴露裝置應(yīng)用

目前，氣溶膠暴露裝置廣泛應(yīng)用于動(dòng)物感染性實(shí)驗(yàn)與吸入毒理學(xué)研究，然而，兩種類(lèi)型裝置在具體應(yīng)用方面存在差異(見(jiàn)表2)。

3.1 全身暴露裝置應(yīng)用

3.1.1 動(dòng)物感染性實(shí)驗(yàn)

病原微生物可通過(guò)氣溶膠傳播，如結(jié)核分枝桿菌及貝氏克柯斯體等，全身暴露裝置可用于嚙齒類(lèi)動(dòng)物感染模型的制作。Welsh等[11]通過(guò)全身暴露裝置對(duì)C57BL/6小鼠進(jìn)行結(jié)合分枝桿菌氣溶膠感染，建立急性肺結(jié)核動(dòng)物模型，研究補(bǔ)體因子C7在肺免疫病理中的作用。裝置可通過(guò)建立動(dòng)物氣溶膠感染模型，對(duì)相關(guān)疾病進(jìn)行研究。

3.1.2 吸入毒理學(xué)研究

近年來(lái)，基于吸入染毒暴露模型的毒理學(xué)研究得到快速發(fā)展，Yang等[12]用全身暴露裝置霧化甲基環(huán)戊烷并對(duì)SD大鼠染毒，建立SD大鼠甲基環(huán)戊烷毒理模型進(jìn)行亞慢性吸入毒性評(píng)價(jià)。全身暴露裝置廣泛用于化學(xué)物質(zhì)安全性評(píng)價(jià)，可霧化液體、易溶固體、揮發(fā)性氣體等，因受試物用量多、存在使用安全隱患，適于量多、不昂貴且毒性小物質(zhì)的研究；因內(nèi)置飼養(yǎng)設(shè)備，可進(jìn)行長(zhǎng)期重復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)亞慢性、慢性吸入染毒試驗(yàn)進(jìn)行物質(zhì)毒性鑒定和定量評(píng)估。

3.1.3 吸入免疫

疫苗通過(guò)霧化吸入進(jìn)入上下呼吸道從而產(chǎn)生全身免疫，這種吸入免疫方式和人類(lèi)自然感染方式最為相似，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。Cha等[13]通過(guò)全身暴露裝置將肺結(jié)核C57BL/6小鼠模型暴露于γ射線(xiàn)照射后卡介苗霧化環(huán)境下，小鼠吸入霧化疫苗，研究其對(duì)機(jī)體強(qiáng)毒力結(jié)核分枝桿菌株HN878感染的保護(hù)作用。通過(guò)全身暴露裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動(dòng)物疫苗吸入，研究相關(guān)疫苗的保護(hù)作用。

3.2 口鼻暴露裝置

3.2.1 動(dòng)物感染性實(shí)驗(yàn)

口鼻暴露裝置可建立高致病性病原微生物嚙齒類(lèi)動(dòng)物及哺乳動(dòng)物感染模型，進(jìn)行高致病性傳染病研究，如高致病性流感及裂谷熱等，需在三級(jí)或四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室(BSL-3、BSL-4)進(jìn)行。Reed等[14]在BSL-3實(shí)驗(yàn)室通過(guò)口鼻暴露裝置將狨猴、恒河猴、非洲綠猴等暴露于裂谷熱病毒(rift valley fever virus，RVFV)ZH501氣溶膠下，建立重復(fù)感染模型，進(jìn)行RVFV動(dòng)物模型研究?？诒潜┞堆b置可進(jìn)行高濃度急性感染、低劑量多次重復(fù)感染研究。3.2.2 吸入毒理學(xué)研究

表2 兩種暴露裝置應(yīng)用的差異

口鼻暴露裝置因受試物用量少、安全性高，適于稀少、昂貴、毒性大物質(zhì)的毒理學(xué)研究。Yu等[15]通過(guò)口鼻暴露裝置對(duì)Wistar大鼠進(jìn)行四溴雙酚A(tetrabromo bisphenol A，TBBPA)氣溶膠吸入毒性試驗(yàn)，經(jīng)重復(fù)吸入暴露，研究不同吸入劑量TBBPA的毒性及分泌特點(diǎn)。裝置可霧化液體、易溶固體及揮發(fā)性氣體，通過(guò)急性和亞急性吸入染毒試驗(yàn)進(jìn)行物質(zhì)毒性鑒定和定量評(píng)估。

3.2.3 吸入給藥

吸入給藥是通過(guò)氣溶膠暴露裝置將藥物霧化，使其進(jìn)入呼吸道及肺內(nèi)從而達(dá)到局部或全身治療，具有給藥量少、起效快以及不良反應(yīng)少的特點(diǎn)。Mainelis等[16]用口鼻暴露裝置將阿霉素與靶向小分子干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)霧化，直接傳遞到肺癌nu/nu大鼠肺部，研究藥物在肺部停留時(shí)間，并進(jìn)行藥效研究，其結(jié)果表明，口鼻暴露裝置適合大鼠吸入給藥，且藥物在肺部停留時(shí)間和藥效均優(yōu)于靜脈注射。口鼻暴露裝置可作為肺部給藥傳遞系統(tǒng)，進(jìn)行氣體、易揮發(fā)性液體、氣溶膠狀態(tài)藥物吸入治療方面的研究。

4 展望

口部吸入、氣管造口術(shù)及鼻內(nèi)滴注等傳統(tǒng)氣溶膠暴露方式，均需麻醉動(dòng)物，不能同時(shí)操作，顆粒在肺部沉積不均勻，難以進(jìn)行長(zhǎng)期重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不能真實(shí)反應(yīng)受試物暴露途徑等[16-18]。動(dòng)物氣溶膠暴露裝置進(jìn)行氣溶膠暴露有效避免了上述缺陷，已用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，具有廣闊應(yīng)用前景。目前，全身暴露裝置存在種種缺陷，口鼻暴露裝置技術(shù)復(fù)雜，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一；解決氣溶膠暴露裝置的缺陷，設(shè)計(jì)規(guī)范、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化氣溶膠暴露裝置及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范是目前亟待解決的問(wèn)題。

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