氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)選型與品牌解析

在現(xiàn)代毒理學(xué)、藥理學(xué)、吸入制劑開發(fā)以及環(huán)境健康研究中，氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)（Air-Liquid Interface, ALI System）已成為核心技術(shù)之一。它能夠在體外精確模擬人體肺部對(duì)氣體、氣溶膠（如霧霾、電子煙）、納米顆粒及藥物的暴露過程，極大提升了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與可重復(fù)性。
然而，ALI系統(tǒng)同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜且高度定制化的系統(tǒng)性工程，涉及氣溶膠物理、流體力學(xué)、生物反應(yīng)控制及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等多領(lǐng)域技術(shù)。因此，在選型時(shí)需要綜合考慮研究目的、預(yù)算、樣品通量、操作便利性以及售后服務(wù)等多重因素。

一、氣液界面暴露系統(tǒng)的選型要點(diǎn)：暴露物質(zhì)的類型：是對(duì)諸如氣體/揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）、顆粒物/納米顆粒、還是復(fù)雜混合物（如香煙/發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣/火災(zāi)煙氣）或者是幾種不同物質(zhì)的聯(lián)合暴露，比如使用廣泛應(yīng)用的臭氧和顆粒物混合氣溶膠聯(lián)合對(duì)氣液界面細(xì)胞進(jìn)行暴露？不同暴露物質(zhì)可能需要不同的發(fā)生、監(jiān)測(cè)以及氣溶膠輸送方式。

1. 劑量控制與監(jiān)測(cè)：是否需要實(shí)時(shí)濃度/粒徑/沉積量監(jiān)測(cè)？是否做電荷輔助沉積（electrostatic deposition）和沉積定量檢測(cè)？電荷輔助沉積會(huì)影響氣溶膠沉積效而沉積定量檢測(cè)能夠獲得在線實(shí)時(shí)的沉積數(shù)據(jù)（雖然該數(shù)據(jù)不能作為真實(shí)沉積量）。
2. 細(xì)胞小室（inserts）兼容性與通量：需要同時(shí)暴露多少孔（6、9、12、24孔）？是否要兼容市售品牌的小室（如Falcon®、Corning®）？選擇通量可能將直接影響實(shí)驗(yàn)規(guī)模與采購成本。
3. 氣溶膠發(fā)生與輸送方式：使用噴嘴霧化還是振動(dòng)霧化？干粉直接發(fā)生還是預(yù)處理發(fā)生？香煙煙氣是采用全自動(dòng)香煙發(fā)生器還是半自動(dòng)香煙發(fā)生器？揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）是采用直接加熱發(fā)生揮發(fā)性發(fā)生？燃燒煙氣是采用什么物質(zhì)燃燒？有無預(yù)處理（分級(jí)、去除大顆粒、稀釋）模塊？不同系統(tǒng)在傳輸損失與粒徑分布上有差異，價(jià)格也可能差別很大。
4. 生理?xiàng)l件控制：溫度、相對(duì)濕度、氣體成分（CO₂/氧）、培養(yǎng)基供應(yīng)方式。
5. 操作與維護(hù)：不同系統(tǒng)操作方式上往往差別很大，同樣系統(tǒng)維護(hù)，諸如清洗，滅菌，更換耗材等也有很大差別。
6. 預(yù)算與擴(kuò)展性：初期預(yù)算和長期擴(kuò)展預(yù)算。

二、主流儀器類型：目前市場(chǎng)上商品化的氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)主要分兩類，即經(jīng)典的獨(dú)立通道暴露和多孔板式系統(tǒng)，兩者主要區(qū)別是對(duì)每個(gè)通道的氣流是否進(jìn)行獨(dú)立控制。
1. 所謂獨(dú)立通道暴露，即所有細(xì)胞小室具有獨(dú)立的進(jìn)氣和排氣結(jié)構(gòu)，主要是通過暴露模塊頂部加熱氣溶膠引導(dǎo)模塊，引導(dǎo)模塊上設(shè)有喇叭噴嘴，每個(gè)噴嘴可以給底部的細(xì)胞小室提供獨(dú)立的進(jìn)氣和排氣。該技術(shù)的具有以下主要特點(diǎn)：
1.1.在細(xì)胞氣液界面的氣相層有持續(xù)流動(dòng)氣流（如下圖1,三個(gè)獨(dú)立氣路模式圖，圖2，氣液界面流動(dòng)氣溶膠），由于具有獨(dú)立的進(jìn)氣排氣結(jié)構(gòu)作為技術(shù)支撐，細(xì)胞氣相層能夠直接暴露在持續(xù)流動(dòng)氣流環(huán)境內(nèi)，更類似于生物體內(nèi)呼吸道持續(xù)穩(wěn)定的氣體流動(dòng)和氣體交換。和無氣流的氣液界面暴露比較，這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，如氣體交換更快，顆粒物等氣溶膠沉積更高效，細(xì)胞表面有一定機(jī)械剪切力和氣流應(yīng)激等等，更適合污染物暴露、藥物遞送及呼吸道防御機(jī)制研究等。
1.2.可實(shí)現(xiàn)高精度暴露：通過對(duì)每個(gè)小室的進(jìn)氣/排氣流量精確控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度的暴露劑量，如CULTEX  RFS，CULTEX RFS compact以及Databiosci的ACP6，ACP16等型號(hào)的產(chǎn)品通過高精度質(zhì)量流量控制器（MFC）的使用，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道氣流流量精度達(dá)到0.5%的高精度氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)。
1.3.提供360°的溫度控制：從結(jié)構(gòu)上看獨(dú)立通道暴露最明顯的區(qū)別是具有精密的氣溶膠引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而不是小室頂部是巨大的空曠環(huán)境，所以通過對(duì)氣溶膠引導(dǎo)模塊進(jìn)行精密控溫既可以實(shí)現(xiàn)小室位置是360℃溫控。這一結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)進(jìn)入細(xì)胞小室內(nèi)暴露的氣溶膠進(jìn)行預(yù)加熱，更真實(shí)模擬呼吸道對(duì)吸入體內(nèi)氣體的預(yù)加熱。
1.4. 同等條件下細(xì)胞損傷更�。邯�(dú)立暴露通道內(nèi)持續(xù)流動(dòng)的氣流是通過從排氣口抽氣作用下持續(xù)從氣溶膠入口出抽吸進(jìn)來，由于這種方式在氣液界面位置流動(dòng)的氣體流是橫向的，對(duì)細(xì)胞的剪切力更小，細(xì)胞非劑量損傷更小。另外由于氣溶膠引導(dǎo)模塊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以對(duì)引入的確認(rèn)進(jìn)行一定的預(yù)冷凝，預(yù)團(tuán)聚，最終到達(dá)細(xì)胞表面的氣溶膠更均一穩(wěn)定。
2. 多孔板式暴露：所謂多孔板暴露，即所有細(xì)胞小室被放置在一個(gè)簡(jiǎn)易的暴露艙內(nèi)，頂部沒有氣溶膠引導(dǎo)模塊，通常具有一個(gè)振動(dòng)式霧化頭（Aerogen），霧化后的氣溶膠通過自然沉降作用沉積到細(xì)胞小室內(nèi)細(xì)胞表面，實(shí)現(xiàn)快速，短暫的簡(jiǎn)易暴露（如下圖3，簡(jiǎn)易氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)圖）。具有一下幾個(gè)特點(diǎn)：
2.1. 在細(xì)胞氣液界面的氣相層沒有持續(xù)流動(dòng)的氣溶膠，細(xì)胞始終處于一個(gè)靜態(tài)氣溶膠環(huán)境中，無法模擬體內(nèi)呼吸道持續(xù)通氣的狀態(tài)。
2.2. 由于所有細(xì)胞小室處于一個(gè)空曠暴露艙底部，暴露劑量完全取決于氣溶膠在底部沉積量，因位置不同沉積量差別較大，所以所有細(xì)胞小室暴露劑量的均一性較差，無法實(shí)現(xiàn)高精度的劑量暴露。
2.3. 細(xì)胞小室直接暴露在霧化氣溶膠環(huán)境中，中間沒有辦法對(duì)氣溶膠進(jìn)行預(yù)加熱預(yù)處理，所以暴露在細(xì)胞表面的氣溶膠的低溫應(yīng)激效應(yīng)較大，且由于霧化時(shí)會(huì)有大霧滴的團(tuán)聚冷凝，更多的細(xì)胞表面會(huì)被液體覆蓋，液滴覆蓋的細(xì)胞失去了氣液界面暴露真實(shí)效應(yīng)。

3. 主要的三個(gè)氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)品牌介紹（代表：Vitrocell，Cultex，Databiosci）主要原理：細(xì)胞培養(yǎng)在細(xì)胞小室底膜上（如Transwell），底膜是半通透的，暴露時(shí)，小室被放置在暴露模塊中，小室底部有培養(yǎng)液持續(xù)通過滲透作用給底膜上細(xì)胞提供營養(yǎng)，受試氣溶膠從底膜上方持續(xù)流過，如此細(xì)胞底部處于液體環(huán)境中，上部處于持續(xù)通氣環(huán)境中，形成所謂氣液界面暴露。這是最經(jīng)典和廣泛使用的設(shè)計(jì)。
3.1 Cultex是該技術(shù)最早進(jìn)行商品化的品牌，并陸續(xù)推出非常經(jīng)典并被廣泛應(yīng)用的線性氣液界面暴露系統(tǒng)CULTEX(CC,CG,B)，徑向結(jié)構(gòu)氣液界面暴露系統(tǒng)(RFS,RFS compact)等，其中線性氣液界面暴露系統(tǒng)CULTEX(CC,CG,B)由于通道間暴露劑量計(jì)粒徑分布重復(fù)性不高已經(jīng)被停售，目前在售的主要是RFS,RFS compact兩個(gè)型號(hào)，其中RFS通過水域提供穩(wěn)定的溫度，可支持的小室尺寸和類型非常全面，從6孔板到24孔板的各種市售品牌小室都可以兼容，最大支持3個(gè)細(xì)胞小室。RFS compact由于結(jié)構(gòu)更緊湊，僅支持12孔板和24孔板的市售小室，最大支持6個(gè)細(xì)胞小室（6個(gè)小室可以分成兩組氣路，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組可以同時(shí)進(jìn)行）。在氣溶膠發(fā)生和輸送上，Cultex還專門開發(fā)了用于氣液界面細(xì)胞暴露的細(xì)顆粒物粉塵發(fā)生器DG，該發(fā)生器通過精密的電氣控制以及對(duì)氣溶膠預(yù)分層沉降輸出的氣溶膠粒徑分布更均已，濃度更加穩(wěn)定，其他類型發(fā)生器采用兼容其他品牌實(shí)現(xiàn)。在劑量控制上，Cultex提供可以與暴露模塊RFS/RFS compact兼容的電沉積裝置，能有效提高細(xì)顆粒物在氣液界面細(xì)胞上沉積的效率，最高可達(dá)95%。操作維護(hù)，Cultex采用獨(dú)立模塊，占地空間小，便于維護(hù)，其核心結(jié)構(gòu)可以高溫高壓滅菌。價(jià)格，Cultex徑向結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本非常大，加之每通道獨(dú)立控制，配置頂級(jí)精度的流量控制器決定了其價(jià)格相對(duì)較高。

3.2 Vitrocell主要使用的是Cultex線性氣液界面暴露系統(tǒng)（多孔板系統(tǒng)下文有述），在Cultex棄用的線性氣液界面暴露系統(tǒng)基礎(chǔ)上，Vitrocell通過改進(jìn)加工工藝，擴(kuò)大通道數(shù)量，擴(kuò)展配套設(shè)備等方法推出典型的Flow4，CF系列（通道數(shù)可以支持3，4，6，12，24）以及更大通量的實(shí)驗(yàn)的高通量的工作站（支持48甚至是96通道）。在兼容小室上，僅Flow4與48通道可以支持6孔板小室，其他產(chǎn)品僅支持12孔板與24孔板。在氣溶膠發(fā)生，Vitrocell香煙煙氣發(fā)生器（全自動(dòng)/手動(dòng)）已被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞暴露，其他類型發(fā)生器采用兼容其他品牌實(shí)現(xiàn)。在劑量控制上Vitrocell提供電沉積和QCM微天平方案可以實(shí)現(xiàn)。另外，Vitrocell還配有諸如氣溶膠分配系統(tǒng)，這是由于Vitrocell采用的是Cultex的線性氣路結(jié)構(gòu)，在氣溶膠進(jìn)入暴露模塊后通往每個(gè)小室的氣路長短，彎曲程度等是完全不同的，暴露重復(fù)性較差，所以Vitrocell試圖通過分配系統(tǒng)加以解決。操作維護(hù)，Vitrocell采用獨(dú)立模塊，占地空間小，便于維護(hù)，其核心結(jié)構(gòu)可以高溫高壓滅菌。價(jià)格，Vitrocell采用線性結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造成本非常較低，加之采用多通道共用流量控制器，所以其價(jià)格相對(duì)較低（與Cultex比較，其48通道的高通量暴露系統(tǒng)使用的精密流量控制器與Cultex6通道系統(tǒng)相同）。

3.3 Databiosci采用了徑向?qū)ΨQ氣路和陣列氣路兩種結(jié)構(gòu)，通道數(shù)上單獨(dú)徑向氣路模塊最大可以支持16通道，陣列氣路可以支持24通道。由于Cultex在通道數(shù)上最大僅支持6通道，即使是基礎(chǔ)科研領(lǐng)域也無法滿足相當(dāng)部分用戶需求，所以Databisoc16通道氣液界面暴露系統(tǒng)（ACP16）可以滿足基礎(chǔ)科研領(lǐng)域?qū)Ρ┞吨貜?fù)性的高要求和細(xì)胞小室通道數(shù)的需求。Databiosci的陣列氣路最高可以支持24通道（HHA24），但于Cultex經(jīng)典線性氣路結(jié)構(gòu)相比較，陣列是結(jié)構(gòu)小室分布雖然仍然是陣列式的但氣溶膠引導(dǎo)模塊采用了新型的同源二型獨(dú)立引導(dǎo)氣路結(jié)構(gòu)，即氣溶膠入口仍然從頂部唯一入口進(jìn)入，每個(gè)小室的氣溶膠引導(dǎo)氣路不共用，只是陣列不同位置采用了兩種不同長度與角度的進(jìn)氣引導(dǎo)管，在通道間重復(fù)性上比完全徑向結(jié)構(gòu)有略微差距，但相比完全陣列式公用引導(dǎo)氣路，Databiosci的陣列結(jié)構(gòu)通道間重復(fù)性有較大的提高。與Cultex  RFS compact類似，Databiosci所有高通量的型號(hào)都支持把小室可以分成兩組甚至更多組氣路，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組（甚至式多濃度組）可以同時(shí)進(jìn)行在兼容小室上，Databiosci的ACP3支持6，12，24三種孔板，其余僅支持12孔板和24孔板。在氣溶膠發(fā)生和輸送上，Databiosci提供氣體/揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）氣溶膠發(fā)生器（EVG60）、顆粒物/納米顆粒(DG208系列)、香煙煙氣發(fā)生器（CSR300,AGS，SCG），液體霧化發(fā)生器（LGC）等各種常規(guī)氣溶膠發(fā)生裝置，以及生物質(zhì)燃燒發(fā)生器等。在劑量控制上Databiosci提供電沉積和QCM微天平方案可以實(shí)現(xiàn)。操作維護(hù)，Databiosci采用獨(dú)立模塊，占地空間小，便于維護(hù)，其核心結(jié)構(gòu)可以高溫高壓滅菌。價(jià)格，Databiosci無論是徑向結(jié)構(gòu)還是陣列復(fù)雜，制造成本非常大，加之每通道獨(dú)立控制，配置高精度的流量控制器決定了其價(jià)格相對(duì)也較高。 

綜上可見，獨(dú)立通道暴露的氣液界面細(xì)胞暴露系統(tǒng)在選型時(shí)，在明確幾個(gè)選型要點(diǎn)后，需要對(duì)暴露重復(fù)性，通道數(shù)，氣溶膠發(fā)生器和劑量控制，價(jià)格等因素進(jìn)行重點(diǎn)了解和調(diào)研，在較低通道（小于6）要求時(shí)Cultex和Databiosci暴露重復(fù)性更好，但價(jià)格偏高，同時(shí)，在對(duì)Cultex和Databiosci相比較，Databiosci國內(nèi)品牌價(jià)格相對(duì)更低且技術(shù)服務(wù)更及時(shí)。在高通量（大于6通道）時(shí)，Vitrocell和Databiosci分別采用不同的技術(shù)路線決定其價(jià)格成本差距交大，Databiosci的每通道間實(shí)驗(yàn)重復(fù)性更高，但單一模塊內(nèi)最多只能提供24通道系統(tǒng)，Vitrocell可以提供最多98通道。所以不同實(shí)驗(yàn)需求可以根據(jù)實(shí)際預(yù)算選擇不同品牌和型號(hào)。