Ontwikkeling van een neus-alleen inademing toxiciteit testkamer waarmee vier blootstellingsconcentraties voor de Nano-sized deeltjes
Summary
Een alleen-neus inademing toxiciteit kamer geschikt voor het testen van de inhalatietoxiciteit bij vier verschillende blootstellingsconcentraties werd ontworpen en gevalideerd voor stroom veld uniformiteit en versleping tussen de havens van de blootstelling voor elke concentratie. Hier presenteren we een protocol om te bevestigen dat de ontworpen kamer effectief voor het testen van de toxiciteit van de inhalatie is.
Abstract
Met behulp van een numerieke analyse gebaseerd op geautomatiseerde vloeistofdynamica, is een alleen-neus inademing toxiciteit kamer met vier verschillende blootstellingsconcentraties ontworpen en gevalideerd voor stroom veld uniformiteit en versleping tussen de havens van de blootstelling voor elk concentratie. De veldwaarden ontworpen stroom worden vergeleken met de gemeten waarden uit blootstelling havens gelegen horizontaal en verticaal. Voor dit doel, zijn de nanoschaal natriumchloride deeltjes gegenereerd als test deeltjes en ingevoerd om de inademing zaal om te evalueren van de kruisbesmetting en concentratie onderhoud onder de kamers, voor elke concentratie-groep. De resultaten wijzen erop dat de zaal ontworpen multiconcentration inademing in dierlijke inhalatietoxiciteit testen zonder kruisbesmetting tussen concentratie groepen kan worden gebruikt. De zaal van de toxiciteit ontworpen multiconcentration inademing kan bovendien ook worden geconverteerd naar een single-concentratie inademing kamer. Verdere testen met gas, organische damp of niet-nanoschaal deeltjes, zorgt het gebruik van de kamer bij het testen van de inhalatie van andere test-artikelen.
Introduction
Inademing toxiciteitstests, is de meest betrouwbare methode voor de beoordeling van de risico’s van chemische agentia, deeltjes, vezels en nanomaterialen1,2,3. Dus, meest regelgevende agentschappen vereisen de indiening van de inhalatietoxiciteit testgegevens wanneer de blootstelling aan chemische stoffen, deeltjes, vezels en nanomaterialen via inhalatie4,5,6,7 is ,8. Momenteel zijn er twee soorten inademing toxiciteit systemen: gehele lichaam en neus-only blootstelling systemen. Een standaard inademing toxiciteit testsysteem, zoals het hele lichaam of alleen-neus, vereist ten minste vier holtes bloot dieren zoals ratten en muizen aan vier verschillende concentraties, namelijk de controle van de frisse lucht en laag, normaal en hoge concentraties7 , 8. de organisatie voor economische samenwerking en ontwikkeling (OESO) test richtsnoeren suggereren dat de concentratie van de geselecteerde doel mag de identificatie van de target organ(s) en aantoning van een duidelijke concentratie antistofrespons7 ,8. De hoge concentratie moet leiden tot een duidelijke toxiciteit maar niet leiden tot sterfte of persistente tekenen die kunnen leiden tot de dood of een zinvolle evaluatie van de resultaten7,8te voorkomen. De maximaal haalbare niveau of hoge concentratie van de aërosolen kan worden bereikt met inachtneming van de deeltjes-grootte distributie-standaard. De gematigde concentratie niveau (s) moet worden verdeeld om te produceren een gradatie van toxische effecten tussen die van de lage en hoge concentraties7,8. Het niveau van lage concentratie, dat zou bij voorkeur een NOAEC (neen-observed-adverse-effect concentratie), moet produceren weinig of geen teken van toxiciteit7,8. De zaal van het gehele lichaam blootstelt dieren in een ongebreidelde voorwaarde in bekabelde kooien, terwijl de neus-alleen kamer een dier in een ingetogen staat in de afgesloten buis bloot. De terughoudendheid voorkomt verlies van aërosol door lekkage rond het dier. Wegens het hoge volume van de kamer van het gehele lichaam vereist het een groot aantal test artikelen worden blootgesteld aan proefdieren, terwijl de terughoudendheid van de tube in de neus-alleen blootstelling systeem dierlijke verkeer belemmert en ongemak of verstikking kan veroorzaken. Toch, de regelgevende OESO inademing toxiciteit testrichtsnoeren liever het gebruik van alleen-neus inademing systemen4,5,6,7,8.
Opvang van een vier-kamer-systeem, zoals het hele lichaam of alleen-neus, is echter duur, ruimte-consumeren, en vereist een ingebouwde lucht reinigen en circulatie systeem. Bovendien, een vier-kamer-systeem kunt ook vereisen aparte test artikel generatoren om dieren naar de gewenste concentraties, en een aparte meting apparaat om te controleren de testconcentraties artikel bloot te stellen. Daarom, aangezien standaard inademing toxiciteitstests aanzienlijke investeringen impliceert, handiger en zuinig gehele lichaam of slechts een neus blootstelling moet een systeem worden ontwikkeld voor gebruik in kleine onderzoeksfaciliteiten. Als u een inhalatie kamer ontwerpt, computational fluid dynamics (CFD) modelleren wordt ook vaak gebruikt om deeltje, gas of damp uniformiteit9,10,11,12,13 . Evaluatie door numerieke analyses en validatie door de experimentele resultaten is al verricht voor de gehele lichaam blootstelling kamer voor muizen10. Bijvoorbeeld, de lucht stroom en deeltje traject hebben zijn gemodelleerd met behulp van CFD, en de eenvormigheid van de deeltjesgrootte distributie is gemeten in negen delen van het gehele lichaam kamer10. Ook is de neus-alleen kamer geëvalueerd door numerieke analyse door CFD13. Na dat, werd evaluatie van de blootstelling van de neus-alleen kamer uitgevoerd door het vergelijken van de resultaten van de numerieke analyse met een experimentele studie met behulp van nanodeeltjes13.
Deze studie geeft een alleen-neus inademing kamer systeem dat proefdieren aan vier verschillende concentraties in één kamer blootstellen kan. In eerste instantie ontworpen met behulp van CFD en een numerieke analyse, wordt het voorgestelde systeem vervolgens vergeleken met een experimentele studie met behulp van nanoschaal natriumchloride deeltjes om de uniformiteit en kruisbesmetting te valideren. De resultaten die hier gepresenteerd aangeven dat de gepresenteerde neus-alleen kamer die dieren naar vier verschillende concentraties blootstellen kan kan worden gebruikt voor dierlijke blootstelling studies in kleinschalige academische en onderzoeksfaciliteiten. De numerieke analyse is als volgt ingesteld op dezelfde manier als de instelling van het experiment. Voor single-concentratie blootstelling, de aërosol-stroom naar de innerlijke toren is ingesteld op 48 L/min en de stroom van de schede naar de buitenste toren is ingesteld op 20 L/min. Voor de blootstelling van het multiconcentration is de aërosol-stroom naar de innerlijke toren ingang 11 L/min voor iedere fase. Het drukverschil uitlaat houdt op-100 Pa om een gladde gasstroom en lekkage te voorkomen. Stel de dierlijke houders zijn gesloten en leeg.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inademing toxiciteitstests is momenteel de beste methode voor het uitrekenen van aërosol materialen (deeltjes en vezels), dampen en gassen ingeademd door de menselijke ademhalingswegen14,15. Er zijn twee methoden van inhalatie blootstelling: gehele lichaam en neus-only. Echter een neus-only systeem minimaliseert blootstelling door noninhalation routes, zoals de huid en ogen, en laat testen met minimale hoeveelheden van het test-artikel, waardoor het de voorkeur …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de industriële technologie innovatie programma (10052901), ontwikkeling van hogelijk bruikbare nanomateriaal inhalatietoxiciteit testsysteem in de handel, door middel van het Korea evaluatie Institute of Industrial Technology door de Koreaanse Ministerie van handel, industrie en energie.
Materials
| FLUENT V.17.2 | ANSYS | Software | |
| mass flow meter (MFM) | TSI | 4043 | |
| SMPS (scanning mobility particle sizer) | Grimm | SMPS+C | |
| 5-Jet atomizer | HCTM | 5JA-1000 | |
| Mass flow controller (MFC) | Horiba | S48-32 |
Riferimenti
- Phalen, R. F., Phalen, R. F. Methods in Inhalation Toxicology. Inhalation Exposure Methods. , 69-84 (1997).
- Moss, O. R., James, R. A., Asgharian, B. Influence of exhaled air on inhalation exposure delivered through a directed-flow nose-only exposure system. Inhalation Toxicology. 18, 45-51 (2006).
- White, F. M. . Fluid Mechanics. , (2004).
- OECD TG 403. . OECD guideline of the testing of chemicals 403: Acute inhalation toxicity testing. , (2009).
- OECD TG 436. . OECD guideline of the testing of chemicals 436: Acute inhalation toxicity – Acute Toxic Class Method. , (2009).
- OECD GD 39. . Series on testing and assessment Number 39: Guidance document on acute Inhalation toxicity testing. , (2009).
- OECD TG 412. . OECD guideline of the testing of chemicals 412: Subacute inhalation toxicity testing. , (2018).
- OECD TG 413. . OECD guideline of the testing of chemicals 413: Subchronic inhalation toxicity testing. , (2018).
- Cannon, W. C., Blanton, E. F., McDonald, K. E. The flow-past chamber: an improved nose-only exposure system for rodents. American Industrial Hygiene Association Journal. 44, 923-928 (1983).
- Oldham, M. J., Phalen, R. F., Robinson, R. J., Kleinman, M. T. Performance of a portable whole-body mouse exposure system. Inhalation Toxicology. 16, 657-662 (2004).
- Oldham, M. J., Phalen, R. F., Budiman, T. Comparison of Predicted and Experimentally Measured Aerosol Deposition Efficiency in BALB/C Mice in a New Nose-Only Exposure System. Aerosol Science and Technology. 43, 970-997 (2009).
- Tuttle, R. S., Sosna, W. A., Daniels, D. E., Hamilton, S. B., Lednicky, J. A. Design, assembly, and validation of a nose-only inhalation exposure system for studies of aerosolized viable influenza H5N1virus in ferrets. Virology Journal. 7, 135 (2010).
- Jeon, K., Yu, I. J., Ahn, K. Evaluation of newly developed nose-only inhalation exposure chamber for nanoparticles. Inhalation Toxicology. 24 (9), 550-556 (2012).
- Ji, J. H., et al. Twenty-Eight-Day Inhalation Toxicity Study of Silver Nanoparticles in Sprague-Dawley Rats. Inhalation Toxicology. 19, 857-871 (2007).
- Ostraat, M. L., Swain, K. A., Krajewski, J. J. SiO2 Aerosol Nanoparticle Reactor for Occupational Health and Safety Studies. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 5, 390-398 (2008).
- Pauluhn, J., Thiel, A. A simple approach to validation of directed-flow nose-only inhalation chambers. Journal of Applied Toxicology. 27, 160-167 (2007).
