在生命科學(xué)領(lǐng)域，細胞培養(yǎng)技術(shù)的每一次突破都推動著疾病機制解析、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。傳統(tǒng)二維（2D）培養(yǎng)因無法模擬體內(nèi)三維微環(huán)境，導(dǎo)致細胞功能表達受限；而三維（3D）培養(yǎng)雖更接近生理狀態(tài)，卻面臨操作復(fù)雜、成本高昂的挑戰(zhàn)。氣液界面（Air-Liquid Interface, ALI）培養(yǎng)系統(tǒng)通過獨特的“半浸沒式”設(shè)計，在保持3D結(jié)構(gòu)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)、皮膚、腸道等多器官疾病研究的核心工具。
一、技術(shù)原理：模擬體內(nèi)微環(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(cè)通過膜孔吸收營養(yǎng)。這種設(shè)計模擬了人體空腔臟器（如呼吸道、腸道）的極化環(huán)境，使細胞在氣體交換、機械刺激和營養(yǎng)供應(yīng)的協(xié)同作用下，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結(jié)構(gòu)，纖毛擺動頻率和黏液分泌能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)浸沒式培養(yǎng)；腸道類器官則能構(gòu)建完整的吸收-分泌屏障，更接近真實腸黏膜的生理功能。
二、應(yīng)用場景：從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)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。廣東工業(yè)大學(xué)團隊利用ALI模型發(fā)現(xiàn)，金黃色葡萄球菌氣溶膠可誘導(dǎo)支氣管上皮細胞分泌過量炎癥因子（如IL-6和TNF-α），并激活氧化應(yīng)激通路，導(dǎo)致細胞屏障功能受損；而PM2.5暴露則引發(fā)纖毛脫落和黏液過度分泌，與哮喘患者的病理特征高度吻合。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)抗炎藥物和空氣凈化技術(shù)提供了直接證據(jù)。
2. 藥物篩選與毒性測試：替代動物實驗的“黃金標準”
ALI模型在藥物滲透性、代謝穩(wěn)定性和毒性評估中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。例如，類固醇類藥物在ALI皮膚模型中的滲透率更接近臨床數(shù)據(jù)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單層細胞模型；逸芯生命科學(xué)的研究表明，ALI模型在藥物響應(yīng)測試中的準確率比動物模型提高約30%，且可重復(fù)性更高。此外，ALI系統(tǒng)還可模擬藥物對腸道屏障的破壞作用，為口服藥物開發(fā)提供關(guān)鍵安全性數(shù)據(jù)。
3. 再生醫(yī)學(xué)與組織工程：構(gòu)建功能性類器官
ALI技術(shù)通過促進細胞極化和分化，為構(gòu)建功能性類器官提供了關(guān)鍵支持。在皮膚再生領(lǐng)域，ALI培養(yǎng)的原代角質(zhì)形成細胞可形成分層表皮結(jié)構(gòu)，包含增殖的基底層、分化的棘層和角質(zhì)層，為燒傷修復(fù)和化妝品毒性測試提供了高效模型；在腸道領(lǐng)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(jié)直腸癌的研究提供了新工具。
三、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向
盡管ALI系統(tǒng)已取得顯著進展，但其標準化與長期穩(wěn)定性仍需突破。不同器官類器官對滲透膜材質(zhì)（如聚酯 vs. 聚碳酸酯）和培養(yǎng)基成分（如生長因子濃度）的需求差異較大，導(dǎo)致實驗結(jié)果難以橫向比較；部分類器官（如腸道）在ALI環(huán)境中功能維持時間通常不超過3周，限制了慢性疾病研究的開展。
未來，ALI技術(shù)將向以下方向演進：
1.多器官聯(lián)用模型：通過共培養(yǎng)呼吸道、腸道類器官與免疫細胞，模擬全身性免疫反應(yīng)（如COVID-19引發(fā)的細胞因子風(fēng)暴）；
2.個性化醫(yī)療應(yīng)用：利用患者來源的類器官進行個體化藥物敏感性測試，為精準治療提供依據(jù)；
3.自動化與智能化：集成全自動培養(yǎng)系統(tǒng)（如CULTEX? LTC），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，提升實驗可重復(fù)性。
總結(jié)
氣液界面細胞培養(yǎng)系統(tǒng)以其獨特的“雙相設(shè)計”，在生理還原度、功能成熟度和臨床轉(zhuǎn)化效率上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。隨著材料科學(xué)、微流控技術(shù)和人工智能的融合，ALI技術(shù)有望成為連接基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的“橋梁”，為人類健康事業(yè)開辟新的篇章。
