动物气溶胶暴露装置的特点及其应用*

郝新彦 张元慧 高 虹*

气溶胶暴露装置(aerosol inhalation exposure device)是可模拟产生药物、毒物等化学物质以及病毒及细菌等病原微生物气溶胶、气体或蒸汽的设备，将动物重复暴露于设定的污染或感染环境中，使动物吸入含有受试物的空气而达到定量攻毒感染[1-3]。实验动物气溶胶暴露是进行毒理学、病原微生物学、医学等多学科研究的重要手段之一，气溶胶暴露装置在化学物质毒理学研究中得到快速应用发展，在病原微生物研究中受到越来越多的关注。通过综述目前气溶胶暴露装置的特点和应用，为装置的研究选择提供参考。

1 气溶胶暴露装置组成

气溶胶暴露装置包括静态暴露装置和动态暴露装置。静态暴露是将动物放入密闭暴露舱，随着试验进行，舱内氧分压及气溶胶浓度均降低，对动物产生负影响；动态暴露是舱内空气呈动态流动性，氧分压及受试物浓度较稳定，符合实验要求且较为常用[3]。动态暴露装置的构成：①气溶胶发生器，雾化受试物，产生一定粒径大小的气溶胶颗粒[2-3]；②动物暴露单元，容纳多只动物同时进行实验；③气溶胶采样器，采集舱内气溶胶颗粒，检测大小分布及颗粒数[2]；④控制和(或)监测装置，控制系统操作，监测舱内气流流速和气压等[3]；⑤供排气系统，进行气流传输；⑥废气处理系统，及时处理含气溶胶空气，防止环境污染(如图1所示)。

图1 气溶胶暴露装置结构简图

2 气溶胶暴露装置特点

气溶胶暴露装置可分为全身暴露装置(wholebody inhalation exposure device)和口鼻暴露装置(nose-only inhalation exposure device)，两者各有优势和不足(见表1)。

2.1 全身暴露装置

全身暴露装置是对整只动物进行暴露，分为无饲养设备和内置饲养设备两种，根据实验需要进行选择[4]。饲养笼有不锈钢网笼和透明塑料笼两种，不锈钢笼耐高温，塑料笼耐腐蚀，均有不同规格型号，根据实验动物类型进行选择(如图2、图3和图4所示)。

2.1.1 装置优势

全身暴露装置可模拟动物自然环境下暴露，不用麻醉固定动物，动物活动处于正常状态。动物可重复暴露在设定的污染和感染环境中，产生的深层肺部感染与真实环境极为相似[3]。暴露舱内空气呈动态流动性，精密的流量控制器保证了系统提供一致可重复剂量。内置饲养设备，可满足动物饲养繁殖进行长期暴露。舱内可同时暴露多只动物，既节省时间又减轻工作量，且一致性好，安全性高，使用方便。结构为全密闭性，有暴露舱、负压系统、废气处理等多重防护，以防气溶胶泄露，在常规和负压环境中均可使用。通过计算机远程监控调节舱内温湿度、气压及气流流速等，动态显示其数值与实时曲线并保存记录到电脑，避免了实验动物与人员接触[4]。装置自带过滤器和紫外灯用于清洁。2.1.2 装置不足

图2 美国099CA4224气溶胶暴露装置示图

图3 德国TSE全身暴露装置示图

图4 美国CHT全身暴露装置暴露系统示图

全身暴露装置存在皮肤及消化道等其他暴露途径。Belser等[5]研究表明，豚鼠和畜禽等可通过眼部发生病毒气溶胶感染。暴露舱容积大、体积流量高，所需受试物多。动物置于不锈钢网笼内，因不舒适而产生压力[6]。笼内动物聚集拥簇、蜷缩，因其皮毛过滤作用，使吸入气溶胶量减少。动物再次吸入自身或周围动物呼出气体，或吸入呼出气体与含气溶胶空气的混合气体，即发生重复呼吸；动物分泌物与气溶胶发生混合，气溶胶受到污染，上述现象均降低动物吸入气溶胶的剂量与质量[2]。

装置在技术标准和操作规范方面难以统一，存在安全隐患。朱善邦等[6]研究发现，装置对暴露舱内物体表面消毒灭菌不完全，对装置进行消毒试剂循环消毒时，大部分强效消毒剂对装置有腐蚀性，对动物有刺激性和毒副性[7-8]。

2.2 口鼻暴露装置

口鼻暴露装置仅对动物口鼻部进行暴露[9]。装置暴露单元采用模块化可扩展结构，动物单独固定在固定管中，限制管后部。可根据实验动物类型选择不同规格型号的固定管(如图5所示)。

图5 美国In-Tox口鼻暴露装置暴露系统示图

2.2.1 装置优势

(1)口鼻暴露装置避免消化道及皮肤等其他途径暴露，消除潜在眼部刺激，减少皮毛携带受试物传播的可能性。气溶胶传递路径小，能迅速达到所需浓度，各动物互不干扰。标准吸入塔为每只动物配备专门管嘴和回流通路以确保暴露量一致，系统提供持续流动空气流，动物吸入和呼出气体完全独立流通，气流流入一主要口鼻暴露腔，呼出气体随过量气体流入排出通道，避免重复呼吸(如图6所示)。

图6 口鼻暴露装置暴露单元运行原理示图

(2)结构可拆卸，方便清洁消毒。通过消毒试剂循环消毒和高温高压消毒，如过氧化氢溶液或干雾、2%戊二醛、10%甲醛以及二氧化氯等消毒，避免病原微生物等残留[7-8]。气溶胶直接传递到固定动物鼻部，避免在动物体表沉积，利于动物清洗消毒，可涂抹或喷雾酒精及次氯酸钠溶液等清洁动物[9]。动物因固定，活动受限，减少了固定区污染。

(3)自动化气溶胶暴露装置具有全自动气溶胶控制传递平台，代替了人工控制系统，通过计算机监控、获取及反馈，进行实时呼吸功能监测，计算出动物所需气溶胶实时剂量，控制暴露时间。美国陆军传染病学研究所(United States Army Medical Research Institute of Infectious，USAMRIID)用自行研制的自动化装置对恒河猴进行SEB毒素头部暴露，其研究表明，实时监测呼吸功能消除了以往研究方法的误差，提高气溶胶剂量传输的准确性和精确性[10]。

2.2.2 装置不足

口鼻暴露装置持续暴露的动物因固定而产生压力，影响动物生理指标。动物被取出时会因转向管内而窒息，尤其是幼小动物取出后，动物因不能适应正常环境而焦虑。固定管后部完全密封，动物无法散热，热湿度均会增加。气流控制不当给动物带来生理压力，如动物因CO2浓度升高而发绀、因紧张而皮肤变红等。若通过每个口的气流量与动物呼吸频率一致，可能不足以清除动物呼出气体，吸入有效气溶胶量减少，热量增加[1]。口鼻暴露期间，持续长时间未给动物进水进食是否会对动物产生压力还有待解决。

3 气溶胶暴露装置应用

目前，气溶胶暴露装置广泛应用于动物感染性实验与吸入毒理学研究，然而，两种类型装置在具体应用方面存在差异(见表2)。

3.1 全身暴露装置应用

3.1.1 动物感染性实验

病原微生物可通过气溶胶传播，如结核分枝杆菌及贝氏克柯斯体等，全身暴露装置可用于啮齿类动物感染模型的制作。Welsh等[11]通过全身暴露装置对C57BL/6小鼠进行结合分枝杆菌气溶胶感染，建立急性肺结核动物模型，研究补体因子C7在肺免疫病理中的作用。装置可通过建立动物气溶胶感染模型，对相关疾病进行研究。

3.1.2 吸入毒理学研究

近年来，基于吸入染毒暴露模型的毒理学研究得到快速发展，Yang等[12]用全身暴露装置雾化甲基环戊烷并对SD大鼠染毒，建立SD大鼠甲基环戊烷毒理模型进行亚慢性吸入毒性评价。全身暴露装置广泛用于化学物质安全性评价，可雾化液体、易溶固体、挥发性气体等，因受试物用量多、存在使用安全隐患，适于量多、不昂贵且毒性小物质的研究；因内置饲养设备，可进行长期重复试验，通过亚慢性、慢性吸入染毒试验进行物质毒性鉴定和定量评估。

3.1.3 吸入免疫

疫苗通过雾化吸入进入上下呼吸道从而产生全身免疫，这种吸入免疫方式和人类自然感染方式最为相似，已受到越来越多的关注。Cha等[13]通过全身暴露装置将肺结核C57BL/6小鼠模型暴露于γ射线照射后卡介苗雾化环境下，小鼠吸入雾化疫苗，研究其对机体强毒力结核分枝杆菌株HN878感染的保护作用。通过全身暴露装置进行实验动物疫苗吸入，研究相关疫苗的保护作用。

3.2 口鼻暴露装置

3.2.1 动物感染性实验

口鼻暴露装置可建立高致病性病原微生物啮齿类动物及哺乳动物感染模型，进行高致病性传染病研究，如高致病性流感及裂谷热等，需在三级或四级生物安全实验室(BSL-3、BSL-4)进行。Reed等[14]在BSL-3实验室通过口鼻暴露装置将狨猴、恒河猴、非洲绿猴等暴露于裂谷热病毒(rift valley fever virus，RVFV)ZH501气溶胶下，建立重复感染模型，进行RVFV动物模型研究。口鼻暴露装置可进行高浓度急性感染、低剂量多次重复感染研究。3.2.2 吸入毒理学研究

表2 两种暴露装置应用的差异

口鼻暴露装置因受试物用量少、安全性高，适于稀少、昂贵、毒性大物质的毒理学研究。Yu等[15]通过口鼻暴露装置对Wistar大鼠进行四溴双酚A(tetrabromo bisphenol A，TBBPA)气溶胶吸入毒性试验，经重复吸入暴露，研究不同吸入剂量TBBPA的毒性及分泌特点。装置可雾化液体、易溶固体及挥发性气体，通过急性和亚急性吸入染毒试验进行物质毒性鉴定和定量评估。

3.2.3 吸入给药

吸入给药是通过气溶胶暴露装置将药物雾化，使其进入呼吸道及肺内从而达到局部或全身治疗，具有给药量少、起效快以及不良反应少的特点。Mainelis等[16]用口鼻暴露装置将阿霉素与靶向小分子干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)雾化，直接传递到肺癌nu/nu大鼠肺部，研究药物在肺部停留时间，并进行药效研究，其结果表明，口鼻暴露装置适合大鼠吸入给药，且药物在肺部停留时间和药效均优于静脉注射。口鼻暴露装置可作为肺部给药传递系统，进行气体、易挥发性液体、气溶胶状态药物吸入治疗方面的研究。

4 展望

口部吸入、气管造口术及鼻内滴注等传统气溶胶暴露方式，均需麻醉动物，不能同时操作，颗粒在肺部沉积不均匀，难以进行长期重复实验，不能真实反应受试物暴露途径等[16-18]。动物气溶胶暴露装置进行气溶胶暴露有效避免了上述缺陷，已用于越来越多的领域，具有广阔应用前景。目前，全身暴露装置存在种种缺陷，口鼻暴露装置技术复杂，其技术标准难以统一；解决气溶胶暴露装置的缺陷，设计规范、统一的标准化气溶胶暴露装置及制定相关标准操作规范是目前亟待解决的问题。

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