一种基于体外模型的环境暴露试验装置和试验方法与流程

本技术涉及生物试验装置领域，尤其是涉及一种基于体外模型的环境暴露试验装置和试验方法。

背景技术：

1、相对于室外，室内环境处于半封闭状态，空气中的污染物更容易累积，环境污染成分的暴露时间、浓度和强度均被扩大。而室内污染物的来源复杂，综合条件适宜微生物生长繁殖，基于室内环境的特殊性，室内微生物污染对人类的健康一直构成重要的健康威胁，包括感染、过敏、毒性反应。对多次重大传染病流行规律总结发现室内是传染病传播的重要场所。通过研究污染物对呼吸道的影响，可以帮助评估不同污染物对人体健康的风险，为制定空气质量标准和公共健康政策提供科学依据。

2、识别和量化污染物对呼吸道的影响，有助于改善室内外空气质量，推动环境保护措施的实施。同时有助于开发预防措施和治疗方法，以减轻由空气污染引起的呼吸系统疾病，如哮喘、慢性阻塞性肺病（copd）和肺癌。研究结果可以指导制定有效的空气质量管理政策，以减少污染物排放，改善公共健康。

3、目前环境污染物暴露影响人体尤其是呼吸道损伤的研究方式主要有流行病学调查、小鼠模型测试、细胞培养和体外人类呼吸道类器官模型等。尽管体外模型（细胞、类器官、生物芯片、离体组织等）无法完全复制人体内的复杂环境，包括免疫反应、微生物群落和其他生理因素，但由于体外模型具有更好的操作性和单一化因素分析的优点，使其成为环境因素研究的利器。体外模型可用于评估气态和颗粒态污染物如臭氧、挥发性有机物、颗粒物(如可吸入颗粒物pm10和细颗粒物pm2.5等)以及负载病原微生物的气溶胶颗粒对人体健康的影响。随着类器官技术的发展，越来越多的类器官模型被用于环境污染物及病原体研究。但目前的类器官研究装置存在如下问题：

4、首先，目前大部分研究均使用直接添加污染物或病原体，脱离了其真实世界传播特点，在体外模型中准确测定污染物的剂量和沉积可能具有挑战性，可能影响结果的解释和外推。目前的研究方式难以模拟体外模型长期暴露于低剂量污染物的情况，这在评估慢性健康影响时尤为重要。其次，目前大部分试验装置为特殊制作装置，与现有大部分细胞实验体系不兼容；且现有的装置大多基于动物传播舱进行使用，缺乏对细胞特点的改造与适用性。此外，目前大部分试验装置未能提供细胞、类器官等长期培养的条件。由于体外培养的细胞可能经历不同于体内环境的应激反应，因此需要长期的观察来评估。

技术实现思路

1、为了模拟体外模型长期暴露于空气中污染物或病原微生物环境的情况，提高研究的准确性，本技术提供一种基于体外模型的环境暴露试验装置和试验方法。

2、本技术提供一种基于体外模型的环境暴露试验舱，包括：

3、舱本体，提供相对密封空间；

4、第一隔离件，用于将密封空间在上下方向分隔为环境舱和样品舱；

5、抽屉，滑动设置于所述样品舱中，所述抽屉在样品舱内和舱本体外之间滑动，抽屉内至少设置有用于放置体外模型的空间；以及

6、第二隔离件，用于将环境舱在水平方向分隔为实验环境舱和对照环境舱，以及将样品舱在水平方向分隔为实验样品舱和对照样品舱；

7、其中，所述第一隔离件上分别设有与实验样品舱和对照样品舱内体外模型位置对应的暴露口。

8、进一步地，所述舱本体上第一侧设有分别与实验环境舱、对照环境舱相通的进气口，与第一侧相对的舱本体上设置有排气舱。

9、进一步地，所述抽屉底部设有与排气舱连通的排气口。

10、试验时，将接种有体外模型（如气道类器官）的培养皿置于抽屉并推入样品舱中，通过第二隔离件将环境舱分隔为实验环境舱和对照环境舱，并将样品舱分隔为实验样品舱和对照样品舱，使实验组体外模型位于实验样品舱中，对照组体外模型位于对照样品舱中；暴露口使实验样品舱与实验环境舱连通，并使对照样品舱与对照环境舱连通；通过进气口分别向实验环境舱和对照环境舱内通入暴露环境气体（含有污染物或病原体）和对照环境气体（不含污染物或病原体），使实验组体外模型暴露于暴露环境气体，对照组体外模型暴露于对照环境气体。如此，模拟了污染物或病原体在空气中的扩散和传播过程，并模拟了体外模型长期暴露于空气中污染物或病原体的情况。培养完成后，对实验组和对照组体外模型的生物学指标进行检测，以评估暴露环境对体外模型的影响。

11、进一步地，所述第一隔离件通过可拆卸的方式安装在舱本体内。

12、进一步地，所述第二隔离件通过可拆卸的方式安装在舱本体内。

13、进一步地，所述第二隔离件通过上下滑动的方式安装在舱本体内，所述第一隔离件上设有供第二隔离件穿过的滑槽。

14、进一步地，所述第一隔离件配置有多种不同规格，每种规格的暴露口不同，以匹配相应体外模型的环境暴露试验。

15、第二隔离件在舱本体内上下滑动，便于第一隔离件的安装和拆卸。根据体外模型的数量和位置，选择对应规格的第一隔离件；当需要研究口罩等隔离材料的隔离效果时，将隔离材料覆盖于对应的暴露口，从而将实验样品舱内对应的体外模型与实验环境舱隔离。

16、进一步地，所述抽屉底部设有用于调节体外模型温度的温度调节组件。

17、温度调节组件用于调节实验样品舱和对照样品舱的温度。

18、进一步地，所述舱本体上设有能打开的舱门。

19、进一步地，所述舱本体上设有分别连通至实验环境舱和对照环境舱的采样口。

20、试验过程中，通过对应的采样口分别取得实验环境舱和对照环境舱内的空气并检测；从而监测实验组暴露环境中的污染物或病原体浓度，以及确定对照组暴露环境中无污染物或病原体，保证试验结果的可靠性。

21、所述舱本体内设置有密封结构，用于防止所述实验环境舱内的污染物或病原体泄漏至所述对照环境舱，以及防止所述实验样品舱内的污染物或病原体泄漏至所述对照样品舱。

22、本技术提供一种基于体外模型的环境暴露试验装置，包括气体循环装置和一种基于体外模型的环境暴露试验舱，气体循环装置用于向实验环境舱、对照环境舱内分别供给暴露环境气体和对照环境气体。

23、进一步地，所述气体循环装置包括抽气装置、第一进气管和第二进气管，所述抽气装置与排气舱相连，所述第一进气管和第二进气管分别与实验环境舱、对照环境舱的进气口相连。

24、气体循环装置能够维持舱本体内的气体单向流动，具体的，实验环境舱中的气体流向实验样品舱，从而加快污染物或病原体沉降，有利于污染物或病原体与实验样品舱中的体外模型有效接触；对照环境舱中的气体流向对照样品舱，使实验组和对照组暴露环境的气流条件保持一致。

25、本技术还提供一种基于体外模型的环境暴露试验方法，采用一种基于体外模型的环境暴露试验装置，包括以下步骤：

26、将体外模型接种于细胞培养板中，划分实验组和对照组；

27、打开抽屉，将细胞培养板放置于抽屉中，将抽屉推入样品舱中；

28、安装第二隔离件，使得实验组和对照组的体外模型分别位于实验样品舱和对照样品舱内；

29、向实验环境舱和对照环境舱内分别注入暴露环境气体和对照环境气体，进行体外模型环境暴露试验。

30、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

31、1.本技术的环境暴露试验装置为细胞、类器官等体外模型的长期培养提供了条件，能够模拟污染物或病原体在空气中的传播过程以及体外模型长期暴露于空气中污染物或病原体的情况，例如模拟直接接触环境空气的呼吸上皮细胞长期暴露于空气中污染物或病原体的情况，对于需要长期观察来评估慢性健康影响的研究来说，有利于提高研究的准确性；

32、2.由于实验组和对照组样品均同时接种于同一细胞培养板，减少了接种过程的批次间差异，使得污染物或病原体暴露条件成为试验中的唯一变量，从而有利于提高研究的准确性；

33、3.本技术的适用范围广，适用于细胞、类器官等多种体外模型的培养，以及多种污染物及病原体对体外模型影响的研究，为快速评估空气污染物等环境因素变化对人体健康影响的毒理学相关研究提供了新思路。