在環境毒理學、藥物研發及疾病機制研究中，如何精準模擬人體暴露于復雜環境污染物或藥物的過程，是突破傳統實驗瓶頸的關鍵。德國Cultex公司研發的細胞體外暴露染毒系統，通過氣液界面（Air-Liquid Interface, ALI）技術，實現了細胞在體外環境中的真實暴露模擬，成為替代動物實驗、揭示污染物毒性機制的核心工具。

一、技術原理：氣液界面暴露，還原真實生理環境

傳統細胞染毒實驗中，污染物需先溶解于培養基，再通過擴散作用到達細胞表面。這種方式存在兩大缺陷：一是無法模擬肺部、腸道等器官中細胞與氣體或顆粒物的直接接觸；二是顆粒物易沉降于培養基底部，導致暴露效率低下。Cultex系統通過Transwell膜技術構建氣液界面：細胞種植于多孔半透膜上，膜下方為持續流動的培養基，提供營養并維持細胞活力；膜上方則直接暴露于恒流的氣體或氣溶膠中，模擬真實生理環境中的物質交換過程。

以Cultex RFS系統為例，其采用輻射流氣溶膠通道設計，氣溶膠通過主通道分流至三個輻射狀氣道，均勻沉積于三個獨立培養腔室內的細胞表面。這一設計確保了顆粒物在膜上的均勻分布，避免了傳統并排式腔室因氣流不均導致的沉積差異。實驗數據顯示，在60分鐘氧化銅顆粒暴露后，三個腔室內膜的沉積量標準差僅±5%，驗證了系統的高度重復性。

二、技術突破：從單一氣體到復雜混合物，全場景覆蓋

1.多尺度顆粒物精準控制

Cultex系統可處理從納米級到微米級的顆粒物，包括PM2.5、PM10、碳納米管、金屬氧化物等。通過配套的Cultex Dust Generator與Aerosol Dilution設備，可生成單分散氣溶膠或混合變量顆粒物，并精確調節濃度（0.1-100 mg/m3）與流量（0.5-30 L/min）。例如，在霧霾健康效應研究中，系統可實時采集環境空氣，稀釋后直接暴露于細胞，模擬人體呼吸道的真實暴露場景。

2.動態環境參數調控

系統集成溫度（37±0.5℃）、CO?濃度（5%）及濕度（95% RH）控制模塊，支持長時間暴露實驗（長達72小時）。例如，在電子煙毒性評估中，系統可模擬人體呼吸頻率，通過脈沖式氣流暴露細胞于尼古丁氣溶膠，發現1.6%尼古丁液暴露24小時后，人支氣管上皮細胞（NHBE）活性下降40%，氧化應激標志物8-OHdG水平升高3倍。

3.多組學分析兼容性

暴露后的細胞可通過非侵入式采樣（如基底側培養基）或裂解液收集，進行轉錄組、蛋白質組及代謝組分析。例如，在柴油廢氣暴露實驗中，系統結合RNA測序發現，暴露組細胞中炎癥相關基因（IL-6、IL-8）表達量較對照組升高5-8倍，為污染物致病機制研究提供了直接證據。

三、應用場景：從基礎研究到臨床轉化的全鏈條覆蓋

1.環境污染物毒性評估

系統已廣泛應用于香煙煙霧、柴油尾氣、納米材料等污染物的毒性研究。例如，在香煙全煙氣暴露實驗中，系統揭示了主流煙氣與氣相成分對A549肺腺癌細胞的差異化毒性：全煙氣暴露24小時后，細胞活性下降60%，而氣相成分僅導致20%活性損失，凸顯了顆粒物在毒性中的關鍵作用。

2.藥物安全性評價

在吸入制劑研發中，系統可模擬藥物在肺部的沉積與吸收過程。例如，在干粉吸入劑（DPI）評估中，系統通過調節氣流速度（30-60 L/min），模擬不同呼吸模式下藥物的肺部沉積率，為劑型優化提供數據支持。

3.疾病模型構建

結合3D類器官培養技術，系統可構建更接近人體組織的暴露模型。例如，在慢性阻塞性肺疾病（COPD）研究中，系統暴露人支氣管上皮類器官于香煙煙霧6個月，成功誘導出黏液過度分泌、纖毛倒伏等病理特征，為疾病機制研究提供了可靠平臺。

四、未來展望：智能化與標準化引領行業變革

隨著AI算法與微流控技術的融合，下一代細胞暴露染毒系統將實現實時監測與自動反饋。例如，通過集成微流控芯片與傳感器，系統可動態調整氣溶膠濃度，維持細胞暴露的穩定性；結合深度學習模型，系統可預測不同暴露場景下的細胞響應，縮短藥物研發周期。此外，國際標準化組織（ISO）正推動建立細胞暴露染毒技術的操作規范，未來該技術有望成為毒理學研究的“金標準”，為人類健康與環境安全保駕護航。