在呼吸系統(tǒng)疾病研究領(lǐng)域，傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)因無法模擬體內(nèi)復雜的組織結(jié)構(gòu)和功能，逐漸被更具生理相關(guān)性的三維培養(yǎng)體系所取代。其中，氣液界面（Air-Liquid Interface, ALI）細胞培養(yǎng)系統(tǒng)憑借其獨特的結(jié)構(gòu)設計，成為模擬呼吸道上皮生理環(huán)境的核心工具，為疾病建模、藥物篩選和毒理學研究提供了突破性平臺。

一、技術(shù)原理：重構(gòu)細胞微環(huán)境的關(guān)鍵突破

ALI培養(yǎng)系統(tǒng)的核心在于通過物理界面分離氣體與液體環(huán)境，使細胞基底面接觸營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基，而頂端面直接暴露于空氣。這種設計模擬了呼吸道上皮在體內(nèi)的真實狀態(tài)：纖毛細胞通過頂端空氣接觸實現(xiàn)定向擺動，杯狀細胞分泌的黏液層捕獲病原體，基底細胞維持上皮再生能力。例如，原代人支氣管上皮細胞（HBEC）在ALI條件下可形成假復層柱狀上皮，其跨上皮電阻（TEER）值穩(wěn)定在500Ω·cm2以上，黏液分泌量較傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)提升3倍，纖毛覆蓋率達80%，完美復現(xiàn)了體內(nèi)氣道的屏障功能與分泌特性。

二、系統(tǒng)組成：精密設計保障實驗可靠性

1.可滲透支持膜

采用聚酯（PET）或聚碳酸酯（PC）材質(zhì)的微孔膜（孔徑0.4μm），既允許營養(yǎng)物質(zhì)雙向擴散，又通過物理屏障防止細胞遷移?？祵嶵ranswell小室與Lonza的B-ALI系統(tǒng)均采用預涂I型膠原的PET膜，顯著提升細胞黏附效率與分化質(zhì)量。

2.動態(tài)培養(yǎng)基優(yōu)化

無血清培養(yǎng)基通過添加氫化可的松、胰島素、維甲酸等關(guān)鍵成分，精準調(diào)控細胞分化進程。例如，PneumaCult?-ALI培養(yǎng)基可維持人大支氣管上皮細胞分化狀態(tài)長達5年，而B-ALI系統(tǒng)通過三碘甲狀腺原氨酸（T3）補充，促進杯狀細胞成熟與黏液分泌。

3.環(huán)境控制模塊

德伯科技ACP16系統(tǒng)集成高精度質(zhì)量流量控制器，可實現(xiàn)氣溶膠濃度誤差＜±5%，并支持16通道獨立稀釋控制，滿足多濃度梯度暴露實驗需求。其超微量取樣口（100μL）設計，允許實時監(jiān)測培養(yǎng)液中炎癥因子水平，為毒理學研究提供動態(tài)數(shù)據(jù)支持。

三、應用場景：從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化的全鏈條覆蓋

1.疾病機制解析

通過構(gòu)建COPD、哮喘患者來源的ALI模型，研究者發(fā)現(xiàn)患病細胞雖保持分化能力，但基因表達譜存在顯著差異。例如，COPD患者的HBEC中MUC5AC基因過表達導致黏液黏稠度增加，而哮喘模型則表現(xiàn)為IL-13驅(qū)動的纖毛細胞減少，這些發(fā)現(xiàn)為靶向治療提供了新方向。

2.藥物療效評估

ALI系統(tǒng)可精準模擬吸入藥物遞送過程。實驗顯示，布地奈德氣霧劑在ALI模型中的局部濃度是傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)的120倍，更真實反映藥物在氣道黏膜的沉積效率。此外，系統(tǒng)支持超微量取樣技術(shù)，可動態(tài)監(jiān)測藥物誘導的TEER值變化，評估屏障功能損傷與修復。

3.毒理學安全評價

在電子煙煙氣暴露實驗中，ALI模型揭示丙二醇/甘油基質(zhì)可誘導上皮細胞產(chǎn)生氧化應激反應，而尼古丁則通過α7煙堿受體抑制纖毛擺動頻率。這類發(fā)現(xiàn)推動了《電子煙管理辦法》中成分限值的制定，凸顯了ALI系統(tǒng)在政策制定中的支撐作用。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來展望

盡管ALI系統(tǒng)已實現(xiàn)標準化操作流程，但跨實驗室重復性仍受細胞來源、培養(yǎng)基配方等因素影響。未來發(fā)展方向包括：開發(fā)通用型誘導多能干細胞（iPSC）來源的氣道上皮細胞，降低供體差異；集成微流控芯片技術(shù)，實現(xiàn)黏液流動與機械拉伸的動態(tài)模擬；結(jié)合單細胞測序與空間轉(zhuǎn)錄組學，解析ALI模型中細胞亞群的空間異質(zhì)性。

氣液界面細胞培養(yǎng)系統(tǒng)正從單一模型工具進化為呼吸系統(tǒng)疾病研究的綜合平臺。隨著自動化暴露系統(tǒng)與多組學分析技術(shù)的融合，這一技術(shù)將推動個性化醫(yī)療與精準用藥進入新階段，為全球2.1億慢性呼吸疾病患者帶來希望。