在生命科學領域，細胞培養(yǎng)技術是解析疾病機制、開發(fā)新型藥物的核心工具。然而，傳統(tǒng)二維（2D）培養(yǎng)因無法模擬體內(nèi)三維微環(huán)境，導致細胞功能表達受限；三維（3D）培養(yǎng)雖更接近生理狀態(tài)，卻面臨操作復雜、成本高昂的挑戰(zhàn)。氣液交互培養(yǎng)系統(tǒng)（Air-Liquid Interface, ALI）通過獨特的“半浸沒式”設計，在保持3D結構優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)了操作標準化與功能精準化，成為呼吸系統(tǒng)、腸道、皮膚等多器官疾病研究及藥物開發(fā)的關鍵技術。
一、技術原理：模擬體內(nèi)極化環(huán)境的“雙相橋梁”
ALI系統(tǒng)的核心在于通過可滲透膜（如聚酯或聚碳酸酯膜）將細胞與培養(yǎng)基分隔：細胞頂端直接暴露于空氣，基底側通過膜孔吸收營養(yǎng)。這種設計模擬了人體空腔臟器（如呼吸道、腸道）的腔內(nèi)環(huán)境，促使細胞形成極化結構，完成分化與功能成熟。例如，呼吸道上皮細胞在ALI條件下可形成偽分層纖毛上皮，包含纖毛細胞、杯狀細胞和基底細胞，其纖毛擺動頻率、黏液分泌能力和屏障功能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)。
二、應用場景：從基礎研究到臨床轉化的全鏈條覆蓋
1. 呼吸系統(tǒng)疾病研究：破解病原體入侵機制
ALI系統(tǒng)為研究呼吸道病毒感染（如SARS-CoV-2）、細菌感染（如金黃色葡萄球菌）和空氣污染物（如PM2.5）的致病機制提供了理想模型。例如，利用ALI培養(yǎng)的原代人支氣管上皮細胞（HBEC）可模擬肺上皮細胞的體內(nèi)特性，顯示纖毛運動、黏液分泌和緊密連接蛋白表達等關鍵功能。研究顯示，ALI模型中暴露于金黃色葡萄球菌氣溶膠的細胞，其炎癥因子（如IL-6、TNF-α）分泌量顯著升高，且屏障功能受損，與哮喘患者的病理特征高度吻合。此外，ALI系統(tǒng)還可模擬吸入藥物（如氣霧劑）的局部作用，為哮喘、慢性阻塞性肺?。–OPD）等疾病的吸入制劑開發(fā)提供關鍵數(shù)據(jù)。
2. 腫瘤研究與藥物篩選：保留免疫微環(huán)境的“活體模型”
ALI技術通過氣液交互法構建的腫瘤類器官模型，能夠保留原始腫瘤的組織學形態(tài)和免疫細胞亞群，為腫瘤免疫治療研究提供新工具。例如，患者來源的結直腸癌類器官在ALI條件下可形成不規(guī)則結構，其腫瘤相關標志物（如CK20、Ki-67）表達與源組織高度一致，且能保留腫瘤浸潤淋巴細胞（TILs），包括CD4+T細胞、CD8+T細胞和B細胞。進一步研究顯示，ALI模型中添加白細胞介素-2（IL-2）可顯著增加TILs數(shù)量，為評估免疫治療藥物（如PD-1抑制劑）的療效提供了可靠平臺。
3. 再生醫(yī)學與組織工程：構建功能性類器官
ALI系統(tǒng)通過模擬皮膚、腸道等組織的生理環(huán)境，促進了類器官的成熟與分化。在皮膚領域，ALI培養(yǎng)的表皮細胞可形成分層結構，包含基底層、棘層和角質(zhì)層，其屏障功能與體內(nèi)皮膚高度相似，為燒傷修復和化妝品毒性測試提供了高效模型。在腸道領域，ALI培養(yǎng)的類器官能模擬微絨毛形成、營養(yǎng)吸收和分泌功能，為炎癥性腸?。↖BD）和結直腸癌的研究提供了強大工具。
三、技術優(yōu)勢：突破傳統(tǒng)培養(yǎng)的局限性
生理還原度高：ALI系統(tǒng)通過模擬體內(nèi)氣體交換和營養(yǎng)供應條件，使細胞在結構、功能和分化狀態(tài)上更接近真實組織。例如，ALI培養(yǎng)的腸道類器官可形成完整的吸收-分泌屏障，其跨上皮電阻（TEER）值穩(wěn)定在500Ω·cm2以上，顯著高于傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)。
實驗可重復性強：標準化培養(yǎng)基配方（如PromoCell的ALI培養(yǎng)基）和預篩選細胞（如ALI預篩的HBEpC）的應用，大幅提高了實驗結果的穩(wěn)定性。研究顯示，ALI模型中細胞存活率超過70%，且TEER值可維持28天以上。
藥物評價更精準：ALI系統(tǒng)能夠模擬藥物在體內(nèi)的實際作用方式。例如，在評估吸入藥物時，ALI模型可將藥物直接添加至細胞頂端表面，而傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)中藥物會覆蓋整個細胞，導致結果偏差。
四、未來展望：從實驗室到臨床的跨越
隨著材料科學、微流控技術和人工智能的融合，ALI技術正朝著自動化、智能化和多功能化方向發(fā)展。例如，集成全自動培養(yǎng)系統(tǒng)的ALI反應器可通過傳感器實時監(jiān)測培養(yǎng)液高度、溫度和pH值，減少人為誤差；多器官聯(lián)用模型則可模擬全身性免疫反應，為系統(tǒng)性疾病研究提供新平臺。未來，ALI技術有望在個性化醫(yī)療、藥物研發(fā)和再生醫(yī)學領域發(fā)揮更大作用，成為連接基礎研究與臨床轉化的“黃金橋梁”。
