呼吸道炎癥機(jī)研究：基于細(xì)胞氣液界面暴露與浸沒(méi)式暴露的比較

研究的背景與目的
為何要模擬不同的氣道微環(huán)境暴露模型？
生物氣溶膠暴露是導(dǎo)致呼吸道感染與疾病的重要環(huán)境因素。然而，傳統(tǒng)的體外毒理學(xué)評(píng)估多采用“浸沒(méi)式”暴露，即細(xì)胞完全浸沒(méi)于含污染物的培養(yǎng)基中。這與人體真實(shí)的呼吸道生理結(jié)構(gòu)——上皮細(xì)胞位于空氣-液體界面，僅覆蓋一層薄薄的肺液——存在本質(zhì)差異。

更重要的是，在慢性阻塞性肺疾病、哮喘等炎癥性呼吸道疾病中，氣道表面液體（ASL）會(huì)異常增厚，形成一種 “病理性的浸沒(méi)微環(huán)境” 。這種微環(huán)境的改變，是否會(huì)影響宿主細(xì)胞對(duì)病原體的反應(yīng)？為回答這一問(wèn)題，本研究旨在：

1. 建立并比較模擬健康氣道（ALI模型）與炎癥氣道（ASL積聚浸沒(méi)模型）的兩種體外暴露系統(tǒng)。

2. 闡明銅綠假單胞菌生物氣溶膠在不同微環(huán)境下的毒性效應(yīng)與分子機(jī)制差異。

研究辦法
精密可控的暴露是實(shí)現(xiàn)對(duì)比的關(guān)鍵，本研究的可靠性建立在高度標(biāo)準(zhǔn)化的暴露技術(shù)之上。
雙模型構(gòu)建：

• ALI模型：將人支氣管上皮細(xì)胞（BEAS-2B）培養(yǎng)于Transwell插片，暴露前移除頂側(cè)培養(yǎng)基，使細(xì)胞直接暴露于空氣，模擬健康氣道界面。

• 浸沒(méi)模型：在ALI模型基礎(chǔ)上，于細(xì)胞頂側(cè)添加一層緩沖液，模擬炎癥狀態(tài)下增厚的ASL層。

氣溶膠發(fā)生與暴露系統(tǒng)：
研究采用6噴射Collison霧化器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的銅綠假單胞菌生物氣溶膠，并關(guān)鍵性地使用了CULTEX輻射流細(xì)胞氣液界面暴露系統(tǒng)RFS(radial flow system)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

• 均勻性與重復(fù)性：其徑向流設(shè)計(jì)確保多個(gè)暴露腔室內(nèi)的氣溶膠濃度與分布高度均一，將腔室間變異降至最低，這是并行比較兩種模型并獲得可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)基石。

• 精確控制：系統(tǒng)能精確控制氣溶膠流速、溫度及濕度，模擬真實(shí)的吸入條件。

   

終點(diǎn)評(píng)估：
研究綜合評(píng)估了細(xì)胞活力、凋亡/壞死、細(xì)菌黏附/侵襲、生物膜形成、上皮屏障通透性及相關(guān)基因表達(dá)等多項(xiàng)指標(biāo)，從表型到機(jī)制全面解析毒性差異。

研究結(jié)論
對(duì)比研究得出了具有明確區(qū)分度的結(jié)論：

1. 在炎癥浸沒(méi)模型中：毒性表現(xiàn)為“直接攻擊”。
   ASL積聚的微環(huán)境上調(diào)了細(xì)菌黏附素基因的表達(dá)，使得銅綠假單胞菌的黏附能力提升約10倍，進(jìn)而顯著增強(qiáng)了其侵襲與生物膜形成能力。這導(dǎo)致了更嚴(yán)重的直接細(xì)胞損傷，表現(xiàn)為更高的細(xì)胞凋亡、壞死率和膜損傷。

2. 在健康A(chǔ)LI模型中：毒性表現(xiàn)為“屏障破壞”。
   盡管直接細(xì)胞毒性較低，但ALI暴露嚴(yán)重?fù)p害了上皮屏障的完整性。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞間連接蛋白（如閉鎖蛋白、鈣粘蛋白）的上調(diào)修復(fù)反應(yīng)較弱，導(dǎo)致上皮通透性大幅增加，細(xì)菌更容易穿過(guò)屏障。這揭示了在健康氣道結(jié)構(gòu)中，病原體可能更易引發(fā)屏障功能障礙與潛在的系統(tǒng)性感染風(fēng)險(xiǎn)。

綜合啟示：該研究清晰地證明，“細(xì)胞所處的微環(huán)境”是決定其應(yīng)對(duì)病原體反應(yīng)方式的核心因素。忽略微環(huán)境的生理或病理狀態(tài)，可能導(dǎo)致對(duì)吸入毒性的誤判。這要求體外研究必須采用能精確模擬目標(biāo)生理/病理狀態(tài)的暴露模型。

研究設(shè)備
精密的體外暴露技術(shù)，如本研究中所采用的CULTEX徑向流暴露系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)胞暴露，是連接氣溶膠模擬與細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵橋梁，其穩(wěn)定性、均勻性與可控性直接決定了研究數(shù)據(jù)的可靠性與機(jī)制的洞察深度。

德伯科技不僅可以為CULTEX設(shè)備提供完全技術(shù)服務(wù)，同時(shí)，我們可以提供更多本土化的技術(shù)支持和成套解決方案，如，德伯科技自主研發(fā)的 “氣液界面（ALI）暴露系統(tǒng)。該系列旨在提供高精度高、重復(fù)性與自動(dòng)化的解決方案，包括：

• ACP3/6/16 系列暴露系統(tǒng)：提供3、6、16通道的標(biāo)準(zhǔn)化與可擴(kuò)展配置，精準(zhǔn)匹配從初步探索到高通量篩選的不同實(shí)驗(yàn)規(guī)模。

• Mistber 靜態(tài)暴露模塊：為需要長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定低流速暴露的特定研究場(chǎng)景，提供了可靠的專用解決方案。

此外，為構(gòu)建從氣溶膠發(fā)生到精準(zhǔn)暴露的完整研究鏈條，德伯科技還可提供與之配套的 Collison液體霧化發(fā)生器 等核心發(fā)生設(shè)備，滿足從生物性到化學(xué)性氣溶膠的多樣化發(fā)生需求。
德伯科技通過(guò)融合國(guó)際領(lǐng)先平臺(tái)的技術(shù)保障與自主產(chǎn)品的靈活創(chuàng)新，力求為國(guó)內(nèi)科研人員在吸入毒理領(lǐng)域、氣溶膠環(huán)境領(lǐng)域、動(dòng)物肺功能領(lǐng)域等領(lǐng)域的突破性研究，提供從標(biāo)準(zhǔn)化工具到定制化方案的全方位支持。歡迎就具體的技術(shù)需求或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)與我們進(jìn)一步交流。

參考文獻(xiàn)
Zhang, Y., Luo, N., Li, G., Liang, Z., Wong, P. K., & An, T. (2026). People with respiratory inflammation may be at higher health risk of bioaerosols: A comparative study of air-liquid interface and submerged exposure models. Ecotoxicology and Environmental Safety, 309, 119672.