全气溶胶暴露与组分分离法的技术对比，香烟烟雾体外暴露系统的应用

一、研究背景：HTP毒理学评估的方法学挑战

加热烟草产品（Heated Tobacco Products, HTPs）是近年来烟草减害领域的重要发展方向。与传统可燃烟不同，HTPs通过将烟草加热至低于400°C（通常约300°C）产生含尼古丁的气溶胶，避免了烟草燃烧和热解过程，从而从源头上减少了大量有害及潜在有害化合物（HPHCs）的生成。然而，HTPs气溶胶与烟烟雾在物理化学性质上存在根本差异，这对其毒理学评估方法提出了新的挑战：既要保持对传统烟测试方法的延续性以确保数据可比性，又要针对HTPs特性进行调整以避免方法学偏差。

本研究发表于Toxicology期刊（2024年，第504卷，文章编号153801），由RAI Services Company（Reynolds American Inc.子公司，隶属于英美烟草集团）的研究团队完成，系统评估了四款glo HTPs（三款薄荷味、一款非薄荷味）的体外毒理学效应，并与传统烟及市场对照HTP产品（iQOS）进行了对比。研究在方法学上的核心特征是采用了两种并行的样本制备与暴露方式——组分分离法与全气溶胶暴露法——这一设计兼顾了法规合规性与生物学相关性，代表了当前HTP毒理学评估的主流范式。

二、双轨测试体系的技术解析

1. 组分分离法（TPM/ACM + GVP）

该方法遵循Health Canada方法T-502和T-503的框架，具体操作流程如下：首先通过剑桥滤片（Cambridge filter pad）捕集总颗粒物（TPM）或气溶胶收集物（ACM，HTPs），以DMSO洗脱；同时在剑桥滤片下游通过PBS鼓泡捕集气相成分（GVP）；随后将TPM/ACM与GVP按1:1体积比混合制备组合样本（TPM/ACM + GVP）。

该方法的优势在于可精确控制剂量，适用于高通量筛选和法规测试（Ames、ivMN），符合OECD和Health Canada指南要求。其局限性在于组分分离和重悬过程中可能发生物理化学性质改变——挥发性成分可能损失，气溶胶老化可能改变其生物学活性。此外，DMSO作为溶剂本身可能影响细胞反应，且组合样本的浓度上限受限于渗透压和溶解度。

2. 全气溶胶暴露法

该方法使用Vitrocell® VC10®吸烟机器人实时发生全烟雾/全气溶胶，直接输送至细胞培养物。具体操作流程为：VC10吸烟机器人按照预设抽吸参数（puff volume、duration、frequency）生成气溶胶，通过管路输送至Vitrocell Mammalian 48（NRU）或Vitrocell 48 12-well（MTT/氧化应激）暴露模块；通过调节稀释气流（0-10 L/min）实现浓度梯度；真空泵流速固定为5 mL/min（NRU）或20 mL/min（3D实验）。

该方法的优势在于更贴近真实吸入暴露场景，避免了组分分离和重悬过程中可能发生的物理化学性质改变——挥发性成分得以保留，气溶胶老化被最小化。其局限性在于难以精确控制剂量（依赖稀释气流调节），设备成本较高，且目前尚无针对全气溶胶暴露的监管指南。

两种方法的并行使用体现了“方法学三角验证”的思路——通过不同技术路径获得相互印证的数据，增强了研究结论的可靠性。

三、Vitrocell VC10的技术特征与标准化应用

Vitrocell® VC10®吸烟机器人是本研究中全气溶胶发生与暴露的核心设备，代表了该领域的行业标准。VC10系统的核心技术特征包括：

抽吸参数控制：puff volume最高200 mL，puff frequency 4-250 s，puff duration 0.1-15 s。系统支持符合ISO 3308:2012、Health Canada及square puff profile等多种抽吸协议的自动切换。

自动化能力：300支香烟容量，自动装载、点烟、剔烟，支持长时间无人值守运行。对于HTPs等需要特定激活条件的设备，系统可通过软件配置触发信号实现自动化激活。

扩展性与模块化：可配置多达3个注射泵驱动，支持HTP设备自动化激活；与Vitrocell Mammalian 6/48、48 12-well等多种暴露模块兼容；支持与气溶胶粒径谱仪、化学分析仪等第三方设备联用。

合规性：符合ISO 3308:2012及Health Canada测试方法要求，其生成的样本可用于OECD指南下的法规毒理学测试。

VC10系统的核心价值在于能够实时生成未经组分分离的新鲜全气溶胶，直接输送至ALI条件下的细胞培养物，从而更真实地模拟人体吸入暴露场景。

四、国产替代方案：德伯CSR300全自动香烟烟雾发生器

针对Vitrocell VC10吸烟机器人的技术定位与功能需求，国产科学仪器厂商德伯科技（Data Biosci）已推出CSR300/CM20C系列全自动香烟烟雾发生器，可作为该领域国产替代方案的重要组成部分。以下从技术参数、功能特征和应用场景三个维度进行对比分析：

技术参数对比：

技术能力对标：德伯CSR300符合ISO 3308标准，支持多种吸烟规则及吸烟曲线模拟（钟形、矩形、三角、真实人类曲线），配备100 mL高精度吸烟泵（单口精度<0.2 mL），可实现20支香烟的自动轮换装载、无焰快速点燃（0.5-2s）及机电剔烟（<1s），支持长时间无人值守运行。其arSoftp控制软件可嵌入eComa系统，实现与ALI细胞暴露系统的联动实验。

应用场景适配性：

对于气液界面（ALI）细胞暴露实验，德伯设备支持主流烟气与次流烟气输出，可配合德伯或第三方ALI暴露模块构建从烟雾发生到细胞暴露的全链条解决方案。设备体积紧凑，可置于通风橱内运行，符合实验室安全规范。

适用场景：德伯CSR300/CM20C系列适用于动物COPD熏烟造模、全烟气ALI细胞暴露，以及尼古丁、焦油、一氧化碳等指标的标准化检测。