ISOTS 53872023 纳米技术-吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量标准立项发展报告

纳米技术——吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—Lungburdenmassmeasurementofnanomaterialsforinhalationtoxicitytests摘要随着纳米技术的飞速发展，纳米材料已广泛应用于医药、电子、能源、环境治理及消费品制造等众多领域，其潜在的健康风险——特别是经吸入暴露后的肺部毒性效应——日益受到国际社会的高度关注。吸入毒性试验是评价纳米材料职业暴露风险与人体健康影响的核心手段，而肺负荷质量（Lungburdenmass）作为连接外部暴露剂量与内部生物有效剂量的关键参数，其准确测量直接决定毒性评价结果的科学性与可靠性。然而，纳米材料在肺组织中的含量极低、基质复杂、粒径分布宽泛，传统检测方法在灵敏度、特异性和标准化方面面临显著挑战。为应对上述需求，国际标准化组织（ISO）于2023年10月27日正式发布ISO/TS5387:2023《纳米技术——吸入毒性试验用纳米材料的肺负荷质量测量》技术规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容、关键试验方法验证及其与现有标准体系的关系，深入分析了标准对纳米毒理学研究、化学品安全管理、药品吸入制剂开发及纳米材料产业合规的支撑作用，并对标准实施后的全球应用前景与后续修订方向进行了展望。本报告指出，ISO/TS5387:2023填补了纳米材料吸入毒性试验中内部剂量精确量化领域的国际标准空白，为全球纳米安全性评价提供了统一、可比的方法学框架。关键词：纳米技术；纳米材料；吸入毒性试验；肺负荷质量；国际标准；ISO/TS5387Keywords:Nanotechnologies;Nanomaterials;Inhalationtoxicitytests;Lungburdenmass;Internationalstandard;ISO/TS5387一、引言纳米材料因其小尺寸效应、表面效应和量子效应展现出独特的物理化学性质，已成为21世纪最具战略意义的新兴材料之一。根据经济合作与发展组织（OECD）的统计，全球已有超过1，800种消费产品宣称含有纳米级组分，涵盖防晒剂、涂层材料、纺织品、食品添加剂及医疗器械等品类。伴随纳米材料大规模生产与应用而来的，是其全生命周期中职业暴露与消费者暴露风险的持续累积。纳米颗粒因其粒径小、比表面积大，可深达肺泡区域，穿越气血屏障进入循环系统，引发氧化应激、炎症反应、纤维化乃至基因毒性等损伤效应。因此，建立科学、规范、可操作的吸入毒性评价方法，是纳米材料风险管理与法规监管的迫切需求。在吸入毒性试验体系中，肺负荷质量——即纳米材料在吸入暴露结束后沉积于肺组织中的绝对质量或质量分数——是连接气溶胶外部暴露浓度与肺组织内部有效剂量的核心桥梁参数。准确的肺负荷质量数据不仅是计算单位肺表面积沉积剂量、推导剂量-反应关系和进行毒代动力学建模的基础，也是将动物试验结果外推至人体暴露风险评估的关键输入。然而，由于纳米材料在肺组织中含量通常仅为微克至毫克级，且肺组织本身含有丰富的有机基质与无机矿物质，待测纳米材料在样品前处理过程中易发生团聚、溶解或与基质发生非特异性结合，使得准确提取与定量面临极大挑战。加之不同实验室在样品消解方式、检测仪器、校准策略及数据处理方法上的差异，导致已有文献中大量肺负荷数据缺乏可比性，严重制约了跨研究间的数据整合与Meta分析。近年来，国际标准化组织纳米技术委员会（ISO/TC229）围绕纳米材料表征、暴露评估与毒理学试验方法制定了一系列标准，但专门针对吸入毒性试验中肺负荷质量测量的技术规范长期处于空白状态。为弥补这一缺口，ISO/TC229下属工作组历经多年研讨与验证试验，于2023年正式发布ISO/TS5387:2023，以技术规范（TechnicalSpecification）的形式为全球实验室提供了统一的方法框架。这一标准的问世，标志着纳米吸入毒理学从"定性描述"迈向"精确计量"的关键转折，具有深远的科学价值与行业影响力。二、标准立项背景与研制历程（一）标准需求分析纳米材料吸入毒性试验面临的一个根本性难题在于：如何精确、可重复地测定肺组织中的纳米材料质量。这一难题体现在三个层面：1.方法的灵敏度与选择性不足。对于金属及金属氧化物纳米颗粒（如TiO₂、ZnO、CeO₂、Ag等），电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）或电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）可提供较好的元素灵敏度，但对于碳基纳米材料（如碳纳米管、炭黑、石墨烯）及有机纳米颗粒，常规元素分析手段难以适用，需借助总有机碳分析、热重分析或定量碳分析方法。不同材料体系的分析方法差异极大，缺乏统一的方法选择指南。2.样品前处理流程缺乏规范。肺组织消解方法包括酸消解、碱消解、酶消化及微波辅助消解等多种路径，消解效率受组织类型、纳米材料理化性质及消解条件等多因素影响。部分纳米材料在强酸条件下可能部分溶解，导致质量测定偏低；而消解不彻底则可能导致颗粒聚集沉降，引入系统偏差。目前各实验室自行其是，数据间缺乏可比性。3.质量计量与颗粒数量计量的关联缺失。吸入毒性试验中还存在通过显微镜颗粒计数或实时气溶胶测量得到的颗粒数浓度数据，但颗粒质量与颗粒数之间受粒径分布、有效密度等参数影响，转换关系复杂。实践中需借助标准参考物质对两种计量进行溯源，但此前缺乏统一的换算协议。在上述背景下，美国国家标准与技术研究院（NIST）、欧盟联合研究中心（JRC）、日本国立产业技术综合研究所（AIST）等机构的科学家在国际学术会议和ISO/TC229会议上多次提议制定统一的肺负荷质量测量方法标准。2018年，ISO/TC229年会上经多国投票正式通过新工作项提案（NWIP），随后组建专项工作组（WG）开展标准研制工作。（二）标准研制历程ISO/TS5387:2023的研制历程跨越五年时间，主要经历了以下阶段：-2018年10月：ISO/TC229"纳米技术"技术委员会全体会议上，由中国、美国、德国、日本、韩国等成员国联合提出新工作项目提案，项目编号确立为ISO/TS5387，对口工作组为WG3"纳米材料暴露与健康、安全和环境评估"。-2019年至2021年：工作组先后召开五次会议（含线上会议），围绕标准的适用范围、方法分类框架、术语定义和验证试验方案进行了多轮充分讨论。期间开展了国际实验室间比对试验（InterlaboratoryComparison），征集了来自8个国家12个实验室的数据，验证了不同分析平台（ICP-MS、ICP-OES、碳分析仪等）在典型纳米材料肺负荷测定中的表现。-2022年初：标准草案进入委员会表决阶段（CD），随后经DIS（国际标准草案）投票获得通过。-2023年上半年：标准进入最终草案（FDIS）审查阶段，各成员国对技术细节和编辑性内容进行最终确认。-2023年10月27日：ISO正式出版ISO/TS5387:2023，标准状态为"现行"。三、标准核心内容解析（一）标准总体框架ISO/TS5387:2023作为一项技术规范（TechnicalSpecification），其定位不同于ISO正式标准（InternationalStandard），旨在通过快速发布，为新兴技术领域尚未完全成熟的方法提供早期规范化引导。标准全文分为若干主要技术章节，涵盖范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和缩略语、测量方法分类与选择、试验准备、质量测量程序、质量控制和质量保证、结果报告等核心内容。（二）范围与核心术语标准明确其适用于吸入毒性试验中纳米材料在肺组织中负荷质量的测定，包括但不限于气溶胶吸入暴露后的动物（主要为大鼠和小鼠）肺组织样本。标准主要针对由金属、金属氧化物、碳基材料、二氧化硅及其他不溶性或难溶性纳米颗粒组成的纳米材料体系。对于可溶性较高的纳米材料（如高溶解度的ZnO纳米颗粒），标准指出其方法可用于测量残余颗粒部分，但应结合溶解态金属离子的单独定量结果进行综合解读。术语部分对"肺负荷质量（lungburdenmass）""肺组织匀浆（lunghomogenate）""方法检出限（methoddetectionlimit，MDL）""定量限（limitofquantification，LOQ）"等关键概念进行了明确定义，为不同实验室间术语统一奠定了语言学基础。（三）测量方法分类与选择标准将肺负荷质量的测量方法按其原理分为三大类，并给出了方法选择的决策路径图（decisiontree）：1.基于元素分析的方法（ElementalAnalysis-basedMethods）：包括ICP-MS、ICP-OES、原子吸收光谱（AAS）等。该类方法适用于含有可被特定元素定量标识的金属或金属氧化物纳米材料，具有灵敏度高、多元素同时检测能力强、动态范围宽等优势。标准详细规定了肺组织酸消解的程序（包括消解酸体系的选择、微波消解参数、温度压力条件等）以及方法验证要求（线性范围、加标回收率、基体效应评估等）。2.基于碳分析的方法（CarbonAnalysis-basedMethods）：针对碳纳米管、炭黑、石墨烯等碳基纳米材料，采用总有机碳分析仪（TOC）或元素分析仪测定肺组织中的外源性碳增量。由于肺组织本身含有有机碳基质，该方法必须设立严格的空白对照，并采用同位素标记（如¹³C富集材料）或差异热重分析等手段将外源碳与本底碳有效区分。3.基于颗粒计数的间接质量转化方法（ParticleCounting-basedIndirectMethods）：利用透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）对肺组织切片中的颗粒进行形貌观察和数量统计，结合颗粒有效密度和体积分布估算质量浓度。该方法主要适用于元素法或碳法不适用的场景（如复合纳米材料中多组分分别定量困难时），也可用于对元素法结果进行交叉验证。标准特别强调：在选择具体方法时，应充分考虑纳米材料的化学组成、溶解度、肺组织中的预期浓度、仪器可获得性以及实验室的前处理经验等因素，并将方法选择的过程和理由完整记录在试验报告中。（四）质量控制与质量保证为确保不同实验室间数据的可比性和重复性，标准设专门章节规定了系统的质量控制（QC）措施：-标准参考物质（ReferenceMaterials）的使用：鼓励实验室采用与待测纳米材料组成相近的认证参考物质（CRM）或在研参考物质，如NIST研制的纳米TiO₂标准参考物质，用于验证整个分析流程的准确性。-加标回收试验（SpikeRecoveryTest）：要求每批次样品中加入已知量的标准纳米材料悬液作为加标样，评估前处理过程中的样品损失和基体干扰。-空白对照与检出限确认：要求每批次试验设置至少3个空白肺组织样本，通过重复测定确定方法的检出限（MDL）和定量限（LOQ），确保实际样本的测量值高于LOQ方能报告定量结果。-仪器校准与期间核查：对ICP-MS等仪器的调谐、灵敏度和质量轴漂移进行定期核查，并提供了仪器性能指标的最低可接受标准。（五）结果报告与数据解释标准对试验报告的内容提出了结构化要求，要求报告应至少包含以下信息：动物品系与性别、暴露方式（鼻式吸入、全身暴露或气管内滴注）、肺组织采集时间点、样本保存方式（冷冻或固定）、前处理方法详细条件、检测仪器型号与测量参数、质量浓度的最终数值（以µg/lung或以µg/g肺组织湿重或干重表示）、回收率数据、方法检出限与定量限以及不确定度的估算结果。数据解释部分还给出了肺负荷质量随时间变化的动力学分析的指导性意见，包括如何利用一阶动力学模型拟合肺清除速率常数等。四、标准实施的支撑单位与机构介绍主要参与单位：中国国家纳米科学中心在中国参与ISO/TS5387:2023研制的过程中，国家纳米科学中心（NationalCenterforNanoscienceandTechnology，NCNST）作为国内纳米科学与技术领域的权威科研机构，发挥了至关重要的支撑作用。国家纳米科学中心由中国科学院和教育部联合共建，于2003年正式成立，定位于纳米科学技术的原始创新研究、应用开发研究和人才培养，是我国纳米科技领域唯一的国家级综合性研究机构。在ISO/TC229国内技术对口单位的工作框架下，国家纳米科学中心长期承担纳米材料表征、纳米安全性评价和纳米标准化研究的核心职能。中心设有纳米生物效应与安全性重点实验室，配备有完整的吸入暴露染毒系统、ICP-MS、ICP-OES、透射电镜、共聚焦拉曼光谱仪等大型仪器平台，具备从纳米材料合成表征、气溶胶发生与暴露、动物实验到组织分析的全链条研究能力。在ISO/TS5387的研制过程中，国家纳米科学中心主要贡献体现在以下几个方面：一是牵头组织了国内多家高校和科研院所完成标准草案的中文翻译和技术意见反馈；二是利用自有动物实验平台开展了多批次纳米TiO₂和碳纳米管的肺负荷测定验证试验，为方法学章节的编写积累了关键数据；三是推动将中国在纳米材料体内分布与毒代动力学研究中的实践经验纳入标准技术内容；四是积极组织国内相关实验室参与标准国际比对试验，提升了中国在纳米国际标准化领域的话语权。此外，中心还承担了该标准在国内的宣贯推广工作，为国内从事纳米吸入毒理学研究的实验室提供方法培训和咨询指导，推动中国在该领域的研究实践与国际标准全面接轨。五、标准价值与应用前景分析（一）对纳米毒理学研究的支撑作用ISO/TS5387:2023的发布，使吸入毒性试验中"外部暴露剂量-肺负荷剂量-生物学效应"三段式链条中的中间环节有了国际公认的量化标尺。肺负荷质量数据的标准化测量，将显著提高不同实验室、不同研究之间吸入毒性数据的可比性，为建立稳健的剂量-反应关系模型和推导无可见有害作用水平（NOAEL）提供坚实的数据基础。同时，肺负荷质量结合肺清除动力学模型，有助于区分纳米颗粒在肺组织的短期沉积与长期滞留行为，为慢性吸入暴露风险评估提供更加精准的输入参数。（二）对法规监管与化学品安全管理的支撑作用OECD化学品测试指南（TestGuidelines，TGs）体系中，吸入毒性试验（如TG412、TG413）已被列为新化学物质申报和农药登记的必要数据项。ISO/TS5387:2023与国际经济合作与发展组织（OECD）的测试指南形成了有效的互操作关系——尽管该标准本身不是OECD指南的一部分，但其推荐的肺负荷质量测量方法可作为OECD测试指南的补充方法（SupplementaryMethod），用于生成更加完整的内部剂量数据。欧盟REACH法规、美国TSCA法规以及中国《新化学物质环境管理登记办法》等法规体系中对纳米材料的风险评估均有明确的数据要求，本标准的应用有助于企业以统一的方法生成合规数据，降低监管不确定性。（三）对药品吸入制剂开发的支撑作用在吸入型纳米药物（如脂质体、聚合物纳米粒、无机纳米载药系统）的临床前开发过程中，肺内沉积量与滞留特性是决定药效和安全性的核心指标。ISO/TS5387:2023为吸入纳米药物的动物实验阶段肺内药量测定提供了标准化方法参考，有助于新药研发企业按照ICH（国际人用药品注册技术协调会）框架下的一致性要求进行规范的临床前研究，加速吸入制剂从实验室向临床阶段的转化效率。（四）对纳米材料产业合规的支撑作用对于从事纳米材料生产、加工和应用的企业而言，ISO/TS5387:2023提供了内部质量控制与职业暴露评估的技术工具。企业可通过标准化的肺负荷测量方法，对工作场所暴露情景下的潜在内部剂量进行评估，完善职业健康风险评估体系，为员工防护措施的制定提供科学依据。同时，采用国际标准方法也有助于企业在国际贸易中降低技术壁垒，提升产品的国际接受度。六、标准实施中的挑战与应对措施尽管ISO/TS5387:2023具有里程碑式的意义，但在实际实施过程中仍面临多重挑战。挑战一：不同实验室间的数据处理和结果表达仍存在差异。虽然标准规定了方法选择和QC/QA要求，但在报告最终结果时，使用"µg/lung"还是"µg/g组织"、是否对肺组织含水量差异进行校正、如何处理因不同品系动物肺重差异引入的系统偏差等问题仍需进一步细化。应对措施是鼓励各实验室利用标准附录中的报告模板，尽可能详细地