《Scientific Reports》：Concentration-dependent aerosol size alters regional deposition and inhalation dose translation
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本研究针对非挥发性水溶性物质气溶胶的粒径分布（PSD）如何影响大气浓度（AC）与呼吸道区域特异性内剂量（ID）的定量关系展开系统研究。通过实验测量不同浓度下PHMG-p（聚六亚甲基胍磷酸盐）和PQ（百草枯）等物质的PSD，结合MPPD（多路径粒子剂量学）模型计算大鼠呼吸道沉积剂量，发现溶液浓度升高会导致质量中值空气动力学直径（MMAD）增大，进而引起头部（H）区域沉积剂量显著增加而肺部（P）区域ID/AC比值下降。研究强调在吸入毒性评估中必须结合实测PSD而非仅依赖对数正态分布假设，为跨毒性评价系统的剂量转换提供关键方法学支撑。
吸入毒性评估是评估化学物质健康风险的重要环节，尤其在当前动物实验伦理关注度日益升高、体外细胞毒性测试等新方法策略（NAMs）逐渐兴起的背景下。然而，在比较体内吸入毒性试验与体外呼吸道细胞毒性测试结果时，如何准确量化大气浓度（AC）与呼吸道区域特异性内部沉积剂量（ID）之间的关系成为关键难题。对于颗粒物而言，气溶胶粒径分布（PSD）的变异往往使得ID与AC之间的精确对应关系变得模糊不清，这严重制约了不同毒性评价平台间数据的可比性与转化应用。
为解决上述问题，韩国大学环境科学与生态工程系的Yurim Choi、Ha Ryong Kim和Jung-Hwan Kwon团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究，系统探讨了非挥发性水溶性物质（如氯化苄基二甲基铵（BAC）、聚六亚甲基胍磷酸盐（PHMG-p）和百草枯（PQ））的气溶胶PSD如何受溶液浓度影响，并进一步分析这种粒径变化对呼吸道各区域（头部（H）、气管支气管（TB）和肺部（P））ID与AC比值的影响。研究指出，忽视气溶胶粒径特性，尤其是其随浓度变化的规律，会导致内部剂量估算的显著偏差，从而影响毒性评估的准确性。
研究人员采用的主要技术方法包括：使用超声加湿器在0.125 m3丙烯酸腔室内生成气溶胶，通过扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）和光学粒径谱仪（OPS）实时测量0.01–10 μm范围内的PSD；运用多路径粒子剂量学（MPPD）模型（v3.04）计算Sprague-Dawley（SD）大鼠呼吸道各区域的沉积分数；结合时间加权平均浓度（CTWA）和一级动力学方程计算沉积质量并转换为ID（μg/cm2）；通过幂律回归分析AC与MMAD的关系，并比较实测PSD与对数正态分布假设下的剂量估算差异。
气溶胶粒径分布受溶液浓度驱动
研究发现，所有测试物质（BAC、DDAC、PHMG-p、PQ）在超声加湿过程中产生的气溶胶PSD均呈现双相或幂律分布特征，而非理想的对数正态分布。随着溶液浓度升高，气溶胶的质量中值空气动力学直径（MMAD）显著增大。例如，PHMG-p的溶液浓度从3 mg/L增至300 mg/L时，MMAD从231 nm上升至719 nm；PQ从27 mg/L增至2700 mg/L时，MMAD从481 nm增至1123 nm。同时，气溶胶质量浓度也相应升高。这表明PSD的变化主要由物理参数（溶液浓度）驱动，而非溶质的特定分子性质。
粒径变化导致呼吸道沉积模式偏移
通过MPPD模型模拟发现，随着AC增加，呼吸道各区域的沉积质量均呈上升趋势，但增加幅度存在显著区域差异。头部（H）区域沉积质量增幅最为明显（如PQ从0.2 mg/m3升至7.7 mg/m3时，H区域沉积质量增加约120倍），而肺部（P）区域仅增加28倍。这种差异归因于MMAD增大导致细颗粒比例下降，使得更多大颗粒通过惯性撞击沉积于上呼吸道，而可到达肺泡区的细颗粒减少。气管支气管（TB）区域的ID/AC比值随MMAD变化呈现非单调性趋势，在窄分布（GSD≈1）时逐渐上升，而在宽分布（GSD=3–4）时出现平台或波动。
对数正态分布假设引入剂量估算偏差
研究重点对比了实测PSD与基于MMAD和几何标准偏差（GSD）的对数正态分布假设下的ID/AC比值。结果显示，实测PSD（GSD≈3.5–4.0）的沉积模式更接近GSD=2的假设曲线，表明简单对数正态模型会低估实际PSD中的粒径变异，从而导致ID估算偏差。尤其是在肺部区域，实测PSD下的ID/AC比值随AC增加而下降，凸显了在剂量转换中直接使用实测全粒径分布数据的重要性。
研究结论与讨论
本研究表明，对于非挥发性水溶性物质，气溶胶PSD随溶液浓度变化显著影响呼吸道区域沉积效率。忽略这种浓度依赖性粒径偏移会导致肺部沉积风险低估和上呼吸道沉积高估。研究通过将体内吸入毒性数据（如PHMG-p的LOAEL 0.03 mg/m3对应P区域ID 0.0052 μg/cm2）与体外毒性基准剂量（如PHMG-p的转录组基准剂量BMD10推导的ID 0.0050 μg/cm2）进行对比，验证了基于PSD的剂量转换方法在跨平台毒性数据整合中的实用性。该研究为下一代风险评估（NGRA）框架下吸入毒性数据的准确解读与比较提供了关键方法学支持，强调在吸入毒性试验指南（如OECD测试指南）中应强化PSD的详细表征要求。
