呼吸道炎癥機研究：基于細胞氣液界面暴露與浸沒式暴露的比較

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)的體外毒理學評估多采用“浸沒式”暴露，即細胞完全浸沒于含污染物的培養(yǎng)基中。這與人體真實的呼吸道生理結構——上皮細胞位于空氣-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）會異常增厚，形成一種 “病理性的浸沒微環(huán)境” 。這種微環(huán)境的改變，是否會影響宿主細胞對病原體的反應？為回答這一問題，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)境下的毒性效應與分子機制差異。

研究辦法
精密可控的暴露是實現(xiàn)對比的關鍵，本研究的可靠性建立在高度標準化的暴露技術之上。
雙模型構建：

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

• 浸沒模型：在ALI模型基礎上，于細胞頂側(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)生標準化的銅綠假單胞菌生物氣溶膠，并關鍵性地使用了CULTEX輻射流細胞氣液界面暴露系統(tǒng)RFS(radial flow system)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

• 均勻性與重復性：其徑向流設計確保多個暴露腔室內(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，模擬真實的吸入條件。

   

終點評估：
研究綜合評估了細胞活力、凋亡/壞死、細菌黏附/侵襲、生物膜形成、上皮屏障通透性及相關基因表達等多項指標，從表型到機制全面解析毒性差異。

研究結論
對比研究得出了具有明確區(qū)分度的結論：

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

2. 在健康ALI模型中：毒性表現(xiàn)為“屏障破壞”。
   盡管直接細胞毒性較低，但ALI暴露嚴重損害了上皮屏障的完整性。研究發(fā)現(xiàn)，細胞間連接蛋白（如閉鎖蛋白、鈣粘蛋白）的上調(diào)修復反應較弱，導致上皮通透性大幅增加，細菌更容易穿過屏障。這揭示了在健康氣道結構中，病原體可能更易引發(fā)屏障功能障礙與潛在的系統(tǒng)性感染風險。

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

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

德伯科技不僅可以為CULTEX設備提供完全技術服務，同時，我們可以提供更多本土化的技術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、重復性與自動化的解決方案，包括：

• ACP3/6/16 系列暴露系統(tǒng)：提供3、6、16通道的標準化與可擴展配置，精準匹配從初步探索到高通量篩選的不同實驗規(guī)模。

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

此外，為構建從氣溶膠發(fā)生到精準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)生設備，滿足從生物性到化學性氣溶膠的多樣化發(fā)生需求。
德伯科技通過融合國際領先平臺的技術保障與自主產(chǎn)品的靈活創(chuàng)新，力求為國內(nèi)科研人員在吸入毒理領域、氣溶膠環(huán)境領域、動物肺功能領域等領域的突破性研究，提供從標準化工具到定制化方案的全方位支持。歡迎就具體的技術需求或?qū)嶒炘O計與我們進一步交流。

參考文獻
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.