人間の呼吸器系を模倣する。溶接ヒューム・エアロゾルの毒性評価のためのオンラインin vitro細胞暴露

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J. Hazard. Mater..2020 Aug;395:122687. S0304-3894(20)30676-2. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122687.Epub 2020-04-13.

人間の呼吸器系を模倣する。溶接ヒューム・エアロゾルの毒性評価のためのオンラインin vitro細胞暴露

Mimicking the human respiratory system: Online in vitro cell exposure for toxicity assessment of welding fume aerosol.

Ryan X Ward
Trevor B Tilly
Syeda Irsa Mazhar
Sarah E Robinson
Arantzazu Eiguren-Fernandez
Jun Wang
Tara Sabo-Attwood
Chang-Yu Wu

PMID: 32330784 PMCID: PMC7276288. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122687.

抄録

インビトロで空気中の粒子の生物学的影響を評価する際に、気液界面（ALI）曝露チャンバーは従来の水中曝露技術よりもますます好まれるようになってきているが、歴史的には十分なエアロゾル化された用量を送達することができないために制限されてきた。新しいALIシステム、体外吸入装置（DAVID）は、人間の呼吸器系からバイオインスパイアされ、ALI細胞培養への非常に効率的なエアロゾルの堆積のために水ベースの凝縮を使用しています。ここでは、溶接ヒューム（よく研究されており、本質的に有毒な超微粒子）を使用して、異なる溶接条件の間で毒性学的応答を生成するDAVIDの能力を評価した。ヒューム曝露後、ALI培養細胞は生存率の低下を示したが、これは溶接条件によって異なり、曝露時間に対して線形的に線量依存性を示すものであった。DAVIDは数分でかなりの線量（100μg/cm以上）を提供し、十分な線量を提供するために数時間の曝露を必要とする以前のALIシステムや、同等の生理学的関連性を欠く水中での技術よりも好ましいものとしている。DAVIDは、人間の呼吸器系への生理学的関連性や、危険な曝露条件で一般的な超微粒子エアロゾルの収集効率の観点から、in vitroでの毒性を最も正確に評価できる可能性を秘めています。

In assessing the biological impact of airborne particles in vitro, air-liquid interface (ALI) exposure chambers are increasingly preferred over classical submerged exposure techniques, albeit historically limited by their inability to deliver sufficient aerosolized dose. A novel ALI system, the Dosimetric Aerosol in Vitro Inhalation Device (DAVID), bioinspired by the human respiratory system, uses water-based condensation for highly efficient aerosol deposition to ALI cell culture. Here, welding fumes (well-studied and inherently toxic ultrafine particles) were used to assess the ability of DAVID to generate toxicological responses between differing welding conditions. After fume exposure, ALI-cultured cells showed reductions in viability that were both distinct between welding conditions and linearly dose-dependent with respect to exposure time; comparatively, submerged cell cultures ran in parallel did not show these trends across exposure levels. DAVID delivers a substantial dose in minutes (> 100 μg/cm), making it preferable over previous ALI systems, which require hours of exposure to deliver sufficient dose, and over submerged techniques, which lack comparable physiological relevance. DAVID has the potential to provide the most accurate assessment of in vitro toxicity yet from the perspectives of physiological relevance to the human respiratory system and efficiency in collecting ultrafine aerosol common to hazardous exposure conditions.