Utveckling av en näsa-bara inandning toxicitet provkammare som ger fyra exponering koncentrationerna av Nano-storlek partiklar
Summary
En näsa-bara inandning toxicitet kammare kan testa inhalationstoxicitet vid fyra olika exponering ritades och validerad för flöde fält enhetlighet och korskontaminering mellan exponering portar för varje koncentration. Här presenterar vi ett protokoll för att bekräfta att designade kammaren är effektivt för inandning toxicitetstester.
Abstract
Använder en numerisk analys baserat på datoriserade fluiddynamik, är en näsa-bara inandning toxicitet kammare med fyra olika exponering koncentrationerna utformat och validerad för flöde fält enhetlighet och korskontaminering bland exponering portar för varje koncentrationen. Designade flöde fältvärdena jämförs med uppmätta värden från exponering hamnar vågrätt och lodrätt. För detta ändamål nanoskala natriumklorid partiklar genereras som test partiklar och infördes till inandning kammaren att utvärdera korskontaminering och koncentration underhåll bland kamrarna, för varje koncentration. Resultaten indikerar att designade multiconcentration inandning kammaren kan användas i djurens inhalationstoxicitet testning utan korskontaminering mellan koncentrationen grupper. Dessutom kan designade multiconcentration inandning toxicitet kammaren också omvandlas till en enda-koncentration inandning kammare. Ytterligare tester med gas, organiska ångor eller icke-nanoskala partiklar kommer att säkerställa användningen av kammaren för inandning testning av andra test artiklar.
Introduction
Inandning toxicitetstester är den mest tillförlitliga metoden för att bedöma riskerna med kemikalier, partiklar, fibrer och nanomaterial1,2,3. Alltså kräver mest tillsynsmyndigheter inlämnande av inhalationstoxicitet testdata när exponering för kemikalier, partiklar, fibrer och nanomaterial är via inandning4,5,6,7 ,8. För närvarande finns det två typer av inandning toxicitet system: hela kroppen och näsa-bara exponering system. Ett standard inandning toxiciteten testsystem, antingen hela kroppen eller näsa-bara, kräver minst fyra avdelningar att exponera djur som råttor och möss till fyra olika koncentrationer, nämligen frisk luftkontroll och låg, måttlig och höga koncentrationer7 , 8. the organisation för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD) test riktlinjer föreslår att den valda målkoncentration bör möjliggöra identifiering av den mål organ(med) och demonstration av en tydlig koncentration-respons7 ,8. Hög koncentrationsnivå bör resultera i en tydlig grad av toxicitet men inte orsaka dödlighet eller ihållande tecken som kan leda till döden eller förhindra en meningsfull utvärdering av resultat7,8. Den högsta uppnåeliga nivåerna eller hög koncentrationen av aerosoler kan nås samtidigt som den uppfyller standarden partikel storlek distribution. På måttlig koncentration marknadsnivå(er) ingår bör vara placerade för att producera en gradering av toxiska effekter mellan det låga och höga koncentrationer7,8. Nivån låg koncentration, vilket skulle helst vara en NOAEC (no-observed-adverse-effect concentration), bör producera små eller inga tecken på toxicitet7,8. Hela kroppen kammaren utsätter djur i en ohämmad skick i fast burar, medan endast näsa-kammaren exponerar ett djur i en återhållen skick i trånga röret. Fasthållningsanordningen förhindrar förlust av aerosol genom läckage runt djuret. På grund av den höga volymen av hela kroppen kammaren kräver det ett stort antal test artiklar att utsättas för försöksdjur, medan återhållsamhet av röret i systemet endast näsa-exponering hindrar djurförflyttningar och kan orsaka obehag eller kvävning. Dock föredrar de reglerande OECD inandning toxicity provningsriktlinjer användningen av endast näsa-inandning system4,5,6,7,8.
Rymmer ett fyra-kammaresystem, antingen hela kroppen eller enbart näsa, är dock dyra, utrymmeskrävande, och kräver ett inbyggt system för rengöring och cirkulation. Dessutom kan ett fyra-kammaresystem också kräva separat test artikel generatorer att exponera djur till de önska koncentrationerna, och en separat mätning apparatur att övervaka testkoncentrationerna artikel. Eftersom standard inandning Toxicitetstestning innebär betydande investeringar, måste ett mer bekvämt och ekonomiskt hela kroppen eller endast näsa-exponering system därför utvecklas för användning i små forskningsresurser. När du utformar en inandning kammare, computational fluid dynamics (CFD) modellering används också ofta för att uppnå partikel, gas eller ånga enhetlighet9,10,11,12,13 . Utvärdering av numeriska analyser och validering av experimentella resultat har redan utförts för den hela kroppen exponeringskammare för möss10. Till exempel luft flöde och partikel banan har varit modelleras med CFD och likformigheten av partikel fördelning har mätts i nio delar av hela kroppen kammare10. Näsa-bara kammaren har också utvärderats av numerisk analys av CFD13. Efter det utfördes utvärdering för den näsa-bara exponeringskammare genom att jämföra resultaten numerisk analys med en experimentell studie använder nanopartiklar13.
Denna studie presenterar en näsa-bara inandning kammaresystem som kan exponera försöksdjur till fyra olika koncentrationer i ena kammaren. Ursprungligen har utformats med hjälp av CFD och en numerisk analys, jämförs det föreslagna systemet sedan med en experimentell studie använder nanoskala natriumklorid partiklar för att validera enhetlighet och korskontaminering. Resultaten presenteras här indikerar att presenteras endast näsa-kammaren som kan utsätta djur för fyra olika koncentrationer kan användas för exponeringen hos djur studier i småskaliga akademiska och forskningsanläggningar. Numerisk analys är inställd enligt följande, på samma sätt som inställningen experiment. För singel-koncentration exponering, aerosol flödet till inre tornet är inställd på 48 L/min och slida flödet till yttre tornet är inställd på 20 L/min. För multiconcentration exponering är aerosol flödet till inre tornet ingång 11 L/min för varje etapp. Utlopp differenstrycket håller på -100 Pa att upprätthålla en slät avgasflöde och förhindra läckage. Anta djurhållare är stängda och tömma.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inandning toxicitetstester är för närvarande den bästa metoden för att utvärdera aerosolized material (partiklar, fibrer), ångor och gaser som inandas av de mänskliga andningsorgan14,15. Det finns två metoder för exponering av inandning: hela kroppen och näsa-bara. Dock ett system med enbart näsa minimerar exponering av noninhalation rutter, till exempel hud och ögon, och tillåter testning med minimala mängder test artikeln, vilket gör det till de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av industriell teknik innovationsprogrammet (10052901), utveckling av mycket användbar nanomaterial inhalationstoxicitet testar systemet i handel, via Korea utvärdering industriella högskolan av koreanska Ministeriet för handel, industri och energi.
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 |
References
- 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).
