動物氣溶膠暴露裝置的特點及其應用*

郝新彥 張元慧 高 虹*

氣溶膠暴露裝置(aerosol inhalation exposure device)是可模擬產生藥物、毒物等化學物質以及病毒及細菌等病原微生物氣溶膠、氣體或蒸汽的設備，將動物重復暴露于設定的污染或感染環境中，使動物吸入含有受試物的空氣而達到定量攻毒感染[1-3]。實驗動物氣溶膠暴露是進行毒理學、病原微生物學、醫學等多學科研究的重要手段之一，氣溶膠暴露裝置在化學物質毒理學研究中得到快速應用發展，在病原微生物研究中受到越來越多的關注。通過綜述目前氣溶膠暴露裝置的特點和應用，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暴露裝置和動態暴露裝置。靜態暴露是將動物放入密閉暴露艙，隨著試驗進行，艙內氧分壓及氣溶膠濃度均降低，對動物產生負影響；動態暴露是艙內空氣呈動態流動性，氧分壓及受試物濃度較穩定，符合實驗要求且較為常用[3]。動態暴露裝置的構成：①氣溶膠發生器，霧化受試物，產生一定粒徑大小的氣溶膠顆粒[2-3]；②動物暴露單元，容納多只動物同時進行實驗；③氣溶膠采樣器，采集艙內氣溶膠顆粒，檢測大小分布及顆粒數[2]；④控制和(或)監測裝置，控制系統操作，監測艙內氣流流速和氣壓等[3]；⑤供排氣系統，進行氣流傳輸；⑥廢氣處理系統，及時處理含氣溶膠空氣，防止環境污染(如圖1所示)。

圖1 氣溶膠暴露裝置結構簡圖

2 氣溶膠暴露裝置特點

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)，兩者各有優勢和不足(見表1)。

2.1 全身暴露裝置

全身暴露裝置是對整只動物進行暴露，分為無飼養設備和內置飼養設備兩種，根據實驗需要進行選擇[4]。飼養籠有不銹鋼網籠和透明塑料籠兩種，不銹鋼籠耐高溫，塑料籠耐腐蝕，均有不同規格型號，根據實驗動物類型進行選擇(如圖2、圖3和圖4所示)。

2.1.1 裝置優勢

全身暴露裝置可模擬動物自然環境下暴露，不用麻醉固定動物，動物活動處于正常狀態。動物可重復暴露在設定的污染和感染環境中，產生的深層肺部感染與真實環境極為相似[3]。暴露艙內空氣呈動態流動性，精密的流量控制器保證了系統提供一致可重復劑量。內置飼養設備，可滿足動物飼養繁殖進行長期暴露。艙內可同時暴露多只動物，既節省時間又減輕工作量，且一致性好，安全性高，使用方便。結構為全密閉性，有暴露艙、負壓系統、廢氣處理等多重防護，以防氣溶膠泄露，在常規和負壓環境中均可使用。通過計算機遠程監控調節艙內溫濕度、氣壓及氣流流速等，動態顯示其數值與實時曲線并保存記錄到電腦，避免了實驗動物與人員接觸[4]。裝置自帶過濾器和紫外燈用于清潔。2.1.2 裝置不足

圖2 美國099CA4224氣溶膠暴露裝置示圖

圖3 德國TSE全身暴露裝置示圖

圖4 美國CHT全身暴露裝置暴露系統示圖

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眼部發生病毒氣溶膠感染。暴露艙容積大、體積流量高，所需受試物多。動物置于不銹鋼網籠內，因不舒適而產生壓力[6]。籠內動物聚集擁簇、蜷縮，因其皮毛過濾作用，使吸入氣溶膠量減少。動物再次吸入自身或周圍動物呼出氣體，或吸入呼出氣體與含氣溶膠空氣的混合氣體，即發生重復呼吸；動物分泌物與氣溶膠發生混合，氣溶膠受到污染，上述現象均降低動物吸入氣溶膠的劑量與質量[2]。

裝置在技術標準和操作規范方面難以統一，存在安全隱患。朱善邦等[6]研究發現，裝置對暴露艙內物體表面消毒滅菌不完全，對裝置進行消毒試劑循環消毒時，大部分強效消毒劑對裝置有腐蝕性，對動物有刺激性和毒副性[7-8]。

2.2 口鼻暴露裝置

口鼻暴露裝置僅對動物口鼻部進行暴露[9]。裝置暴露單元采用模塊化可擴展結構，動物單獨固定在固定管中，限制管后部。可根據實驗動物類型選擇不同規格型號的固定管(如圖5所示)。

圖5 美國In-Tox口鼻暴露裝置暴露系統示圖

2.2.1 裝置優勢

(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，能迅速達到所需濃度，各動物互不干擾。標準吸入塔為每只動物配備專門管嘴和回流通路以確保暴露量一致，系統提供持續流動空氣流，動物吸入和呼出氣體完全獨立流通，氣流流入一主要口鼻暴露腔，呼出氣體隨過量氣體流入排出通道，避免重復呼吸(如圖6所示)。

圖6 口鼻暴露裝置暴露單元運行原理示圖

(2)結構可拆卸，方便清潔消毒。通過消毒試劑循環消毒和高溫高壓消毒，如過氧化氫溶液或干霧、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物鼻部，避免在動物體表沉積，利于動物清洗消毒，可涂抹或噴霧酒精及次氯酸鈉溶液等清潔動物[9]。動物因固定，活動受限，減少了固定區污染。

(3)自動化氣溶膠暴露裝置具有全自動氣溶膠控制傳遞平臺，代替了人工控制系統，通過計算機監控、獲取及反饋，進行實時呼吸功能監測，計算出動物所需氣溶膠實時劑量，控制暴露時間。美國陸軍傳染病學研究所(United States Army Medical Research Institute of Infectious，USAMRIID)用自行研制的自動化裝置對恒河猴進行SEB毒素頭部暴露，其研究表明，實時監測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的準確性和精確性[10]。

2.2.2 裝置不足

口鼻暴露裝置持續暴露的動物因固定而產生壓力，影響動物生理指標。動物被取出時會因轉向管內而窒息，尤其是幼小動物取出后，動物因不能適應正常環境而焦慮。固定管后部完全密封，動物無法散熱，熱濕度均會增加。氣流控制不當給動物帶來生理壓力，如動物因CO2濃度升高而發紺、因緊張而皮膚變紅等。若通過每個口的氣流量與動物呼吸頻率一致，可能不足以清除動物呼出氣體，吸入有效氣溶膠量減少，熱量增加[1]。口鼻暴露期間，持續長時間未給動物進水進食是否會對動物產生壓力還有待解決。

3 氣溶膠暴露裝置應用

目前，氣溶膠暴露裝置廣泛應用于動物感染性實驗與吸入毒理學研究，然而，兩種類型裝置在具體應用方面存在差異(見表2)。

3.1 全身暴露裝置應用

3.1.1 動物感染性實驗

病原微生物可通過氣溶膠傳播，如結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動物感染模型的制作。Welsh等[11]通過全身暴露裝置對C57BL/6小鼠進行結合分枝桿菌氣溶膠感染，建立急性肺結核動物模型，研究補體因子C7在肺免疫病理中的作用。裝置可通過建立動物氣溶膠感染模型，對相關疾病進行研究。

3.1.2 吸入毒理學研究

近年來，基于吸入染毒暴露模型的毒理學研究得到快速發展，Yang等[12]用全身暴露裝置霧化甲基環戊烷并對SD大鼠染毒，建立SD大鼠甲基環戊烷毒理模型進行亞慢性吸入毒性評價。全身暴露裝置廣泛用于化學物質安全性評價，可霧化液體、易溶固體、揮發性氣體等，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的研究；因內置飼養設備，可進行長期重復試驗，通過亞慢性、慢性吸入染毒試驗進行物質毒性鑒定和定量評估。

3.1.3 吸入免疫

疫苗通過霧化吸入進入上下呼吸道從而產生全身免疫，這種吸入免疫方式和人類自然感染方式最為相似，已受到越來越多的關注。Cha等[13]通過全身暴露裝置將肺結核C57BL/6小鼠模型暴露于γ射線照射后卡介苗霧化環境下，小鼠吸入霧化疫苗，研究其對機體強毒力結核分枝桿菌株HN878感染的保護作用。通過全身暴露裝置進行實驗動物疫苗吸入，研究相關疫苗的保護作用。

3.2 口鼻暴露裝置

3.2.1 動物感染性實驗

口鼻暴露裝置可建立高致病性病原微生物嚙齒類動物及哺乳動物感染模型，進行高致病性傳染病研究，如高致病性流感及裂谷熱等，需在三級或四級生物安全實驗室(BSL-3、BSL-4)進行。Reed等[14]在BSL-3實驗室通過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，建立重復感染模型，進行RVFV動物模型研究。口鼻暴露裝置可進行高濃度急性感染、低劑量多次重復感染研究。3.2.2 吸入毒理學研究

表2 兩種暴露裝置應用的差異

口鼻暴露裝置因受試物用量少、安全性高，適于稀少、昂貴、毒性大物質的毒理學研究。Yu等[15]通過口鼻暴露裝置對Wistar大鼠進行四溴雙酚A(tetrabromo bisphenol A，TBBPA)氣溶膠吸入毒性試驗，經重復吸入暴露，研究不同吸入劑量TBBPA的毒性及分泌特點。裝置可霧化液體、易溶固體及揮發性氣體，通過急性和亞急性吸入染毒試驗進行物質毒性鑒定和定量評估。

3.2.3 吸入給藥

吸入給藥是通過氣溶膠暴露裝置將藥物霧化，使其進入呼吸道及肺內從而達到局部或全身治療，具有給藥量少、起效快以及不良反應少的特點。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間，并進行藥效研究，其結果表明，口鼻暴露裝置適合大鼠吸入給藥，且藥物在肺部停留時間和藥效均優于靜脈注射。口鼻暴露裝置可作為肺部給藥傳遞系統，進行氣體、易揮發性液體、氣溶膠狀態藥物吸入治療方面的研究。

4 展望

口部吸入、氣管造口術及鼻內滴注等傳統氣溶膠暴露方式，均需麻醉動物，不能同時操作，顆粒在肺部沉積不均勻，難以進行長期重復實驗，不能真實反應受試物暴露途徑等[16-18]。動物氣溶膠暴露裝置進行氣溶膠暴露有效避免了上述缺陷，已用于越來越多的領域，具有廣闊應用前景。目前，全身暴露裝置存在種種缺陷，口鼻暴露裝置技術復雜，其技術標準難以統一；解決氣溶膠暴露裝置的缺陷，設計規范、統一的標準化氣溶膠暴露裝置及制定相關標準操作規范是目前亟待解決的問題。

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