五氧化二铌：一项90天吸入毒理研究揭示其作为新型“滋扰性粉尘”的身份

《Inhalation Toxicology》：Identification of diniobium pentaoxide as a novel nuisance dust in a 90-day nose-only inhalation study

该研究通过为期90天的单纯吸入暴露实验，系统评估了工业化合物五氧化二铌（Nb2O5）的肺部毒理学效应。研究发现，即使在高浓度（24 mg/m3）暴露下，也仅观察到肺泡巨噬细胞中颗粒沉积等适应性改变，而未引起显著的不良效应或肺部炎症（如嗜中性粒细胞（PMN）水平未持续升高），据此确定了其未观察到有害效应的浓度（NOAEC）。结论认为五氧化二铌符合“难溶性低毒性（PSLT）粉尘”特征，可归类为一种新型的滋扰性粉尘，为工业暴露的职业安全限值制定提供了关键数据。

　　

引言

铌（Niobium）是一种广泛应用于合金制造、光学玻璃、电子设备及生物材料涂层等领域的化学元素。其氧化物之一五氧化二铌（diniobium pentaoxide， Nb₂O₅）是一种多晶型化合物，常见为无定形和晶体两种形态。考虑到其在制造过程中存在吸入暴露的可能，以及庞大的使用量，评估其经呼吸道暴露的潜在健康影响至关重要。当前，对于粉尘吸入风险的评估，监管机构通常要求进行动物实验，而非仅仅依赖体外（in vitro）模型。因此，本研究遵循经济合作与发展组织（OECD）第413号指导原则，旨在通过一项90天的大鼠单纯吸入毒性研究，探究五氧化二铌的潜在肺部毒性，并建立暴露浓度-反应关系。

材料与方法

实验材料与动物模型

研究使用的测试物质为五氧化二铌（CAS # 1313-96-8）。动物模型选用雌雄各半的Wistar大鼠（品系Crl:WI (Han)），共120只。在开始暴露前，动物接受了为期2-3周的适应性训练，以适应每天6小时在鼻吸管中的束缚。动物饲养在常规实验室条件下。

暴露方案与气溶胶表征

动物通过动态吸入舱进行单纯吸入暴露（如图1所示）。系统采用干式分散法产生气溶胶，并通过散射光光度计结合重量分析法实时监测和控制暴露舱内的气溶胶浓度。实验设定了四个暴露组：清洁空气对照组，以及低（1.5 mg/m³）、中（6 mg/m³）、高（24 mg/m³）三个浓度的五氧化二铌暴露组。暴露 regimen 为每天6小时，每周5天，持续13周，之后是长达90天的清洁空气恢复期。通过级联撞击器测定气溶胶的质量中值空气动力学直径（MMAD），各浓度组的MMAD平均值在1.4至1.9微米之间（几何标准偏差GSD约为1.9），表明颗粒物可深入呼吸道。

研究终点与检测方法

研究终点广泛，旨在全面评估毒性反应（详见表3）。主要包括：

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  临床观察：每日观察，定期记录体重和摄食/摄水量。
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  血液学与临床化学：在暴露结束后第1天采集血样进行分析。
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  大体病理学/尸检与组织病理学：对呼吸道（肺、气管、喉、咽、鼻腔五个层面）及OECD指南要求的其他器官进行全面的组织病理学检查，采用苏木精-伊红（HE）和马松三色（Masson's trichrome）染色。
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  支气管肺泡灌洗（BAL）：在暴露结束后第1天和90天（仅雌性）进行。分析灌洗液（BALF）中的白细胞计数、分类（巨噬细胞、嗜中性粒细胞（PMN）、嗜酸性粒细胞、淋巴细胞）以及乳酸脱氢酶（LDH）、β-葡萄糖醛酸酶和总蛋白等生化指标，以评估肺部炎症和损伤。
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  肺负荷分析：使用多路径颗粒物剂量学（MPPD）模型预测肺部滞留的颗粒物质量。

统计方法与研究规范

采用方差分析（ANOVA）和Dunnett's检验进行组间比较，显著性水平设定为p<0.05。组织病理学结果采用双尾Fisher检验。整个研究遵循良好实验室规范（GLP）进行。

结果

一般毒性

所有动物均存活至计划处死日。在各暴露组中，均未观察到指示全身毒性的效应，也未见与性别相关的差异。临床观察、体重变化以及食物和水的消耗量在治疗组与对照组之间均无统计学上的显著差异。

大体病理学

尸检时，在少数大鼠（120只中5只，分布于所有组）中观察到肺相关淋巴结（LALN）轻度肿大，这被认为是颗粒物从肺部转运至淋巴结的一种清除机制，在高浓度组中更为明显。肺部未见由颗粒物引起的典型浓度依赖性病变，如表面变色区域（颗粒沉积灶）或瘢痕组织等改变。

支气管肺泡灌洗液（BALF）分析

这是评估肺部炎症反应的关键指标。如图2所示，在暴露结束后第1天，清洁空气对照组和治疗组的BALF中嗜中性粒细胞（PMN）百分比，雄性在2.7%至6.6%之间，雌性在0.1%至4.2%之间（高浓度组除外）。这些数值均接近历史清洁空气对照数据，且大部分低于10%这一通常认为指示显著炎症反应的阈值。仅在雌性高浓度组（24 mg/m³）第1天，观察到PMN百分比有统计学意义上的显著升高（13.8%），但这一升高是短暂的，在第90天恢复期结束时已恢复正常。此外，BALF上清液中的LDH、β-葡萄糖醛酸酶和总蛋白水平在各组均无显著升高。

肺重量

在暴露结束后第1天，雌性中、高浓度组用于BAL分析的大鼠的相对肺重量（相对于体重）有统计学上的显著增加，但未显示浓度-反应关系。在第90天，此增加现象消失。所有组的绝对肺重量与历史对照数据相比均无变化。鉴于相对肺重量的变化是暂时性的，且缺乏不良组织病理学发现，其毒理学意义尚不明确。

组织病理学

这是本研究的核心发现。在清洁空气对照组中，观察到的肺部血管周围粒细胞浸润是该品系大鼠常见的背景性发现，与暴露无关。

在五氧化二铌高浓度暴露组中，唯一与暴露相关的发现是颗粒负载巨噬细胞（particle-laden macrophages）以及颗粒物在呼吸道不同部位的细胞内和游离存在（详见表4）。组织病理学分析显示，在高浓度组动物的肺泡、支气管相关淋巴组织（BALT）、鼻相关淋巴组织（NALT）以及肺相关淋巴结中，均存在颗粒负载的巨噬细胞（如图3所示）。此外，还观察到非常轻微的II型肺泡上皮细胞（pneumocytes type 2）活化。这些发现被解释为机体对吸入颗粒物的适应性反应，而非有害病变。对照组动物中未见此类发现。

讨论

滋扰性粉尘与PSLT概念

在职业暴露场景中，过去将那些不表现出显著有害肺部效应的空气传播物质称为“滋扰性（nuisance）粉尘”或“惰性（inert）粉尘”。随着认识的深入，这一概念演变为“难溶性低毒性（Poorly Soluble Low Toxicity, PSLT）”粉尘。PSLT粉尘的定义包括：1）难溶性（PS）：其在肺泡巨噬细胞介导的清除半衰期（大鼠约60天）不会因其在肺部的溶解速率而缩短；2）低毒性（LT）：在导致大鼠肺部负荷过载（overload）的剂量下，不应引起超过轻微且短暂的粒细胞炎症。

经典的PSLT粉尘对照品包括特定级别的二氧化钛（TiO₂，金红石型，如Bayertitan T）。本研究的结果与这些已知的PSLT粉尘特性一致。

五氧化二铌的毒理学特征

在本研究中，即使在高浓度（24 mg/m³）暴露下，预测的肺部颗粒物滞留量（约4.9 mg/肺或1.1 μL/肺）已接近或达到理论上的肺部负荷过载阈值（约1 μL/g肺组织）。然而，除雌性高浓度组在暴露后第1天出现短暂、轻微的PMN升高外，并未引发持续性的显著肺部炎症（PMN水平绝大部分时间<10%）或不良组织病理学效应。组织病理学仅显示了颗粒物清除相关的适应性改变（巨噬细胞负载颗粒、II型肺泡细胞活化）。这与Warheit等人（1997年）的研究结论相符：即使是PSLT粉尘，在“极高”的肺部负荷下，也可能表现出持续的肺部炎症和清除延迟；但在未达到严重过载的暴露水平下，其毒性很低。

与二氧化钛（金红石型）的类比

研究指出，测试所用的五氧化二铌是单斜晶系晶体，其晶体结构（单位晶胞含28个铌原子和70个氧原子，其中27个铌原子为八面体配位，1个为四面体配位）与金红石型二氧化钛（如Bayertitan T）的晶体学特征相似。这可能是两者溶解度和毒性特征相似的原因。

风险评估意义

研究强调，在大鼠中观察到的与负荷过载相关的肺部肿瘤，并不自动意味着在人类相关暴露水平下存在危害。将基于大鼠过载条件下致癌性的研究结果直接外推至人类职业风险评估需非常谨慎。欧洲生态毒理学和化学品毒理学中心（ECETOC）及美国环保署（US EPA）的指南均指出，流行病学证据在风险评估中至关重要。

结论

本研究的所有发现均被解释为适应性和非有害性的。因此，在任何观察终点，包括暴露于最高浓度（24 mg/m³）的组中，均未观察到不良效应。在此研究条件下，五氧化二铌的未观察到有害效应浓度（NOAEC）被确定为24 mg/m³。由于在接近理论过载阈值的浓度下仍未观察到不良效应，五氧化二铌被认为是一种新发现的滋扰性粉尘（PSLT粉尘）。这一结论为其工业应用中的职业暴露安全评估提供了重要的科学依据。