隨著城市化進程的加快，空氣污染正以出乎意料的復雜性影響著人類健康。顆粒物（PM）、臭氧（O?）和柴油尾氣顆粒（DEP）等污染物已被證實可誘發呼吸系統炎癥、慢性阻塞性肺?。–OPD）以及哮喘等疾病。然而，在實驗室中如何真實再現污染物與人體氣道上皮的直接接觸過程，一直是毒理學研究的重要挑戰。

傳統的“浸沒培養"模式讓細胞浸沒在培養液中，氣體或顆粒難以直接作用于細胞頂端表面。這種培養方式雖然簡便，卻遠離人體呼吸道中細胞與空氣直接接觸的生理狀態。為了彌補這一差距，科學界引入了氣液界面（Air–Liquid Interface, ALI）細胞暴露模型。這種方法通過讓上皮細胞的頂端暴露于空氣，而基底端仍接觸培養液，從而在體外重建類似呼吸道上皮的生理結構與功能。

一、Calu-3 細胞：模擬人氣道屏障的理想模型

在氣液界面細胞暴露設備模型中，細胞系的選擇至關重要。Calu-3 是一種來源于人支氣管腺癌的上皮細胞系，具有形成緊密連接、分泌粘液和表達離子通道的能力，被廣泛認為是研究氣道屏障功能的理想模型。

在氣液界面條件下培養時，Calu-3 細胞能夠分化為具有明顯極性的單層上皮結構，其頂端面暴露于空氣環境，底端通過培養液維持營養供給。這種結構不僅能反映真實的氣道生理特征，還便于研究氣溶膠、氣體或顆粒對屏障功能和細胞信號通路的影響。

二、盧漢坤等人（2025）：從分泌組解析污染暴露效應

2025 年發表在 Lung 雜志的論文《Alteration of the Secretome in Airway Epithelial Cells by Air Pollutants: Evidence from an Air–Liquid Interface Model》由 國內咳嗽研究領域的領導人物之一，呼吸疾病全國重點實驗室賴克方教授課題組盧漢坤等人完成。研究團隊正是基于 Calu-3 氣液界面模型，系統探究了臭氧（O?）與柴油尾氣顆粒（DEP）暴露后細胞分泌組（secretome）的變化。

研究思路十分明確：

在非細胞毒性濃度下暴露 Calu-3 細胞于 O? 與 DEP；

監測跨上皮電阻（TEER）與 FITC-dextran 滲透性，評估屏障完整性；

通過 qPCR 與免疫熒光檢測緊密連接蛋白（如 ZO-1、claudin-4）及炎癥因子（IL-25、IL-33、TSLP）；

采用無標記 LC-MS/MS 技術分析分泌蛋白譜變化。

所有蛋白組數據均上傳至 ProteomeXchange 數據庫（編號 PXD068246），為后續研究者提供了寶貴資源。

三、徑向流暴露系統（Radial Flow System, RFS）：更接近真實呼吸暴露

論文提到實驗采用了 Radial Flow System (RFS)，即徑向流暴露模塊，使氣體或氣溶膠能夠均勻流經細胞表面。這種暴露方式可避免氣體分布不均、濃度梯度或局部干燥等問題，從而實現更加穩定、可控的暴露環境。

這一設計理念與目前國際主流的氣液界面細胞暴露設備一致。例如，德國 CULTEX® RFS 模塊，Databiosci（德伯科技）的ACP3,ACP6,ACP16等便以徑向流氣體分布原理為核心，可通過恒流氣路與溫濕度調控，確保氣體或顆粒在細胞表面形成均勻暴露層。類似的結構也廣泛應用于 CULTEX、Databiosci（德伯科技）等品牌系統中。此類裝置不僅可用于空氣污染物研究，還適用于e-cigarette、藥物氣溶膠、納米顆粒及揮發性有機物的暴露實驗。

四、實驗結果：屏障破壞與炎癥信號激活

研究結果顯示，無論是臭氧還是柴油尾氣顆粒，都顯著破壞了 Calu-3 上皮的屏障完整性。暴露后 TEER 值下降，FITC-dextran 通透性增加，緊密連接蛋白表達下調。與此同時，IL-25、IL-33 和 TSLP 等 alarmin 類炎癥因子被強烈上調，提示上皮細胞已進入活化狀態，啟動早期免疫信號。

更具啟發性的是，蛋白組學分析揭示了污染暴露對分泌蛋白的廣泛調控。O? 主要影響氧化應激與細胞代謝相關蛋白，而 DEP 則顯著調節細胞外基質重塑與免疫調控蛋白。盡管二者機制不同，但在下游信號通路層面呈現“趨同效應"：Wnt 信號通路與抗原加工與呈遞通路均被激活。這表明多種空氣污染物可能通過共同分子通路誘發炎癥反應，是未來干預與藥物開發的重要靶點。

五、從模型到應用：氣液界面細胞暴露技術的科研潛能

盧漢坤等人的研究再次證明了氣液界面模型在呼吸道毒理學研究中的巨大潛能。相較傳統液下培養，氣液界面細胞暴露模型具有以下突出優勢：

真實生理結構：細胞在形態和極性上更接近人體氣道上皮，染物以氣體或氣溶膠形式直接作用于細胞頂端面。

細胞損傷小——      細胞受氣體剪切力損傷更??；

劑量可控性——污染物濃度、暴露時間、氣流速度可精確設定；

數據豐富：可同時結合轉錄組、蛋白組、代謝組等多層級分析。

在科研應用中，氣液界面細胞暴露技術模型已成為研究e-cigarette、香煙煙霧、PM2.5、臭氧、VOC 等氣相污染的核心工具。尤其是配合高通量組學技術，它能揭示環境暴露對細胞微環境與信號網絡的系統性影響。

六、設備選擇與國產化趨勢

目前國際上常用的氣液界面細胞暴露系統包括 CULTEX® RFS系列以及國內的 Databiosci 德伯科技 ACP 系列（ACP3、ACP6、ACP16）和細胞靜態暴露系統Mistber 等。這些設備均支持多通道氣溶膠暴露、精密流量控制和溫濕度調節，可用于多種細胞系（如 A549、NHBE、HBE、HaCaT 等）的暴露實驗。

特別是國產系統的興起，打破了以往進口設備價格高昂、維護復雜的壁壘，使更多實驗室能夠建立標準化的氣液界面細胞暴露系統平臺。隨著控制系統智能化與氣溶膠計量技術的提升，未來的氣液界面細胞暴露系統平臺將更接近人體呼吸道實際環境，實現從基礎研究到應用開發的無縫銜接。

七、結語：從 Calu-3 細胞到呼吸健康的防線

空氣污染的健康危害不僅源于顆?；驓怏w的理化性質，更在于其與氣道上皮細胞的分子互動?；?Calu-3 細胞的氣液界面暴露模型，為研究這一過程提供了可重復、可量化、可機制化的工具。

盧漢坤等人的研究以分泌組為切入點，揭示了臭氧與柴油顆粒雖路徑不同，卻在共同信號網絡中匯合的事實。這一發現不僅深化了我們對空氣污染致病機制的理解，也為疾病預防、藥物開發乃至空氣質量管理提供了新的科學依據。

隨著氣液界面暴露技術的成熟與設備國產化的推進，未來的呼吸健康研究將不再局限于“暴露與損傷"的觀察，而將深入到分子調控、免疫網絡、屏障修復等更精細的層面，為人類構筑起抵御空氣污染的最后一道細胞防線。

參考文獻

Lu H., Xiang J., Zhou X. et al. (2025). Alteration of the Secretome in Airway Epithelial Cells by Air Pollutants: Evidence from an Air–Liquid Interface Model. Lung,