在生命科學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)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(dǎo)致細(xì)胞功能表達(dá)受限；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)。氣液交互培養(yǎng)系統(tǒng)（Air-Liquid Interface, ALI）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(biāo)準(zhǔn)化與功能精準(zhǔn)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(guān)鍵技術(shù)。
一、技術(shù)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(xì)胞與培養(yǎng)基分隔：細(xì)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）的腔內(nèi)環(huán)境，促使細(xì)胞形成極化結(jié)構(gòu)，完成分化與功能成熟。例如，呼吸道上皮細(xì)胞在ALI條件下可形成偽分層纖毛上皮，包含纖毛細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和基底細(xì)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(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(xì)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(xì)胞（HBEC）可模擬肺上皮細(xì)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(dá)等關(guān)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(xì)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(guān)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(shù)通過氣液交互法構(gòu)建的腫瘤類器官模型，能夠保留原始腫瘤的組織學(xué)形態(tài)和免疫細(xì)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(jié)直腸癌類器官在ALI條件下可形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其腫瘤相關(guān)標(biāo)志物（如CK20、Ki-67）表達(dá)與源組織高度一致，且能保留腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（TILs），包括CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞和B細(xì)胞。進一步研究顯示，ALI模型中添加白細(xì)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(xué)與組織工程：構(gòu)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(lǐng)域，ALI培養(yǎng)的表皮細(xì)胞可形成分層結(jié)構(gòu)，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(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強大工具。
三、技術(shù)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(yīng)條件，使細(xì)胞在結(jié)構(gòu)、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(fù)性強：標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)基配方（如PromoCell的ALI培養(yǎng)基）和預(yù)篩選細(xì)胞（如ALI預(yù)篩的HBEpC）的應(yīng)用，大幅提高了實驗結(jié)果的穩(wěn)定性。研究顯示，ALI模型中細(xì)胞存活率超過70%，且TEER值可維持28天以上。
藥物評價更精準(zhǔn)：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(xì)胞頂端表面，而傳統(tǒng)浸沒培養(yǎng)中藥物會覆蓋整個細(xì)胞，導(dǎo)致結(jié)果偏差。
四、未來展望：從實驗室到臨床的跨越
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)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(yīng)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(yīng)，為系統(tǒng)性疾病研究提供新平臺。未來，ALI技術(shù)有望在個性化醫(yī)療、藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，成為連接基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的“黃金橋梁”。
