挥发性和半挥发性有机化合物在气液界面ALI系统中的跨孔递送特征

研究背景

ALI系统用于VOCs暴露的方法学空白。

气-液界面（ALI）暴露系统已广泛应用于颗粒物和纳米材料的气溶胶暴露研究，但对于挥发性有机化合物（VOCs）的递送行为尚缺乏系统表征。VOCs吸入后易穿过呼吸道屏障，但它们在ALI系统中的沉积均匀性和跨孔变异性数据十分有限。本研究针对这一方法学空白，系统评估了三种代表性有机溶剂——异丙醇（IPA）、丙酮和苯甲醇（BA）——在6孔ALI系统中的跨Transwell递送均匀性，为未来基于新方法学（NAMs）的VOCs吸入毒性研究提供剂量学支持。

实验设计

测试物质：

化合物	蒸气压（20°C）	粘度	水溶性
异丙醇（IPA）	44 mmHg	2.4 mPa·s	任意比例混溶
丙酮	181.7 mmHg	0.32 mPa·s	任意比例混溶
苯甲醇（BA）	0.167 mmHg	5.5-5.8 mPa·s	4.29 g/100 mL

暴露系统：HCT体外吸入系统（HIVIS），配备6孔Transwell板（0.4 µm PET膜）

气溶胶发生：质量流量控制器控制空气流量（0.2-3 L/min），经雾化器产生VOCs气溶胶，经扩散器稀释后进入6孔分配器

暴露条件：

IPA：2小时
丙酮：1小时
BA：2小时（部分实验1小时）

检测方法：

IPA和丙酮：光离子化检测器（PID）定量
BA：紫外-可见分光光度计（265 nm）定量
粒径分布：扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）监测

核心发现

1 气溶胶粒径与蒸发行为

SMPS监测显示：

IPA：中位直径65.39 nm，数量浓度2.96×10⁶个/cm³
丙酮：中位直径128.63 nm，数量浓度5.49×10⁶个/cm³
BA：中位直径109.76 nm，数量浓度6.53×10⁶个/cm³

蒸发时间估算：根据d²蒸发定律，IPA和丙酮的蒸发时间约在微秒级（10⁻⁶ s），BA在0.24-1.2 s。说明IPA和丙酮在到达细胞表面前已基本处于气相，以扩散方式跨ALI递送，而BA因蒸气压低、粘度高，部分以气溶胶形式存在且管壁损失较高。

2 六孔间递送均匀性

IPA（2小时暴露，3 LPM） ：

平均浓度：13,491 ± 3,712 ppm
CV：9.96%
各孔间无统计学显著差异（ANOVA, F=0.161, p=0.976）

丙酮（1小时暴露） ：

发生流量	平均浓度（ppm）	CV
3 LPM	7,196 ± 1,808	11.73%
2 LPM	2,345 ± 293	13.78%
0.5 LPM	1,067 ± 188	15.8%
0.2 LPM	2,277 ± 319	16.1%

各流量下各孔间均无统计学显著差异（p均>0.05）

苯甲醇（3 LPM） ：

2小时：61.1 ± 24.1 ppm，CV 18.8%
1小时：35.5 ± 21.7 ppm，CV 15.56%
各孔间无统计学显著差异（p≈1.000）

3 主要结论

递送均匀性良好：所有测试条件下，各化合物在6个Transwell间的递送均无统计学显著差异，CV范围为7%-19%，与文献报道的颗粒物ALI暴露系统变异性（10%-25%）相当或更优。
递送机制以扩散为主：IPA和丙酮因蒸发迅速，主要以气相扩散方式跨ALI递送；BA因高粘度和低蒸气压，递送效率较低但均匀性仍可接受。
理化性质影响递送效率：蒸气压越高、粘度越低，递送浓度越高（IPA>丙酮>BA）；发生流量越高，CV越低（均匀性越好）。

研究意义

1. 填补方法学空白：首次系统表征了VOCs在ALI系统中的递送均匀性和跨孔变异性，为后续VOCs吸入毒性研究提供了剂量学基础。
2. 支持NAMs框架：证明了无需静电增强或复杂气溶胶调节，扩散主导的ALI暴露即可实现VOCs的均匀递送，符合新方法学（NAMs）对剂量表征的要求。
3. 提供可接受的CV参考：研究结果表明，CV≤20%且无统计学显著位置差异时，ALI系统的递送均匀性可视为可接受，为该领域的标准化提供了数据支持。

研究设备

文中提到的ALI平台包括Vitrocell等流经式系统，但本研究使用的是作者团队自有的HCT体外吸入系统（HIVIS），该系统的特点是轴向流入口漏斗和6Transwell板配合，属于扩散主导的递送方式。

基于上述文献中暴露于VOCs的ALI实验需求，德伯科技（Databiosci）的VOC气溶胶细胞暴露系统CEVS，可对标此类研究的设备要求：

产品概述：CEVS专用于挥发性有机物（VOCs）气溶胶对体外ALI细胞的高效、持续、直接暴露，支持甲苯、甲醛、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮等物质的气溶胶发生与细胞暴露。

核心特点与文献需求的对照：

文献中的方法学需求	CEVS的产品特点
6孔板格式的气溶胶暴露	一次可对6个12孔板（或24孔板）细胞小室进行气溶胶暴露
挥发性有机物的持续、均匀递送	搭载高精度智能VOC液态加载系统，可恒速或PID控制自动加样，支持微升级VOC液体的持续性发生暴露（1 mL可支持8小时以上持续暴露）
稳定的浓度输出与递送均匀性（CV<20%）	采用径向对称结构模块ACP6，具备高精度温控和均一的气溶胶流量控制，可将暴露因素以外的细胞损伤控制在5%-15%（8小时持续暴露）
区分实验组与对照组	6个通道可分成3个实验组和3个对照组，同步进行对照实验
剂量可重复、可量化	PID控制与介动态监测控制（MDM）系统配合，实现智能化加样与浓度自动控制，定量输出恒定VOC浓度，降低样品消耗

适用场景：适用于需要高通量、长时间VOC气溶胶暴露的吸入毒理学研究，特别适合需要区分暴露组与对照组、对递送均匀性有要求的ALI实验设计。

文章来源：
Lee, J.H. et al. (2026). In vitro delivery and transwell uptake of volatile and semi-volatile organic compounds in an air-liquid interface exposure system. Frontiers in Toxicology, 8:1783871