在吸入毒理學(xué)與呼吸系統(tǒng)疾病研究中，傳統(tǒng)浸沒式細(xì)胞培養(yǎng)因無法真實(shí)模擬體內(nèi)氣液界面環(huán)境，逐漸被更先進(jìn)的直接暴露技術(shù)取代。德國Cultex公司研發(fā)的細(xì)胞直接暴露系統(tǒng)（Cultex? In Vitro Exposure System）憑借其輻射流氣溶膠通道、微孔半透膜技術(shù)及模塊化設(shè)計(jì)，成為全球實(shí)驗(yàn)室模擬呼吸道暴露的標(biāo)桿工具，為環(huán)境毒理學(xué)、藥物研發(fā)及疾病機(jī)制研究提供了突破性平臺。
一、技術(shù)原理：從線性流到輻射流的革新
傳統(tǒng)浸沒式培養(yǎng)需將氣溶膠溶解于培養(yǎng)基后作用于細(xì)胞，但此方式存在兩大缺陷：一是顆粒物易沉降或團(tuán)聚，導(dǎo)致暴露濃度不均；二是氣體化合物需穿透液相才能接觸細(xì)胞，暴露效率低下。Cultex系統(tǒng)通過氣液界面（Air-Liquid Interface, ALI）設(shè)計(jì)，使細(xì)胞頂端直接暴露于恒流氣體或氣溶膠，基底面通過半透膜與培養(yǎng)基進(jìn)行物質(zhì)交換，完美復(fù)現(xiàn)了呼吸道上皮的真實(shí)環(huán)境。
輻射流設(shè)計(jì)的突破：
Cultex第二代系統(tǒng)（RFS）摒棄了第一代線性流設(shè)計(jì)的局限性，采用中央噴嘴將氣溶膠均勻分散至三個輻射狀氣道，確保每個培養(yǎng)腔室內(nèi)的顆粒物沉積均一性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，RFS系統(tǒng)使三個腔室間的顆粒沉積偏差降低至5%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差顯著優(yōu)于線性流系統(tǒng)。第三代RFS Compact進(jìn)一步擴(kuò)展腔室數(shù)量至6個，支持兩組平行實(shí)驗(yàn)（如3個腔室暴露霧霾顆粒，另3個暴露清潔空氣），大幅提升了實(shí)驗(yàn)效率與對比可靠性。
二、系統(tǒng)組成：模塊化設(shè)計(jì)保障實(shí)驗(yàn)精度
1.氣溶膠發(fā)生與輸送模塊
Cultex系統(tǒng)可兼容多種氣溶膠發(fā)生器，包括香煙煙霧發(fā)生器、粉塵發(fā)生器及納米顆粒發(fā)生器。例如，其專用的Cultex Dust Generator可精確生成單分散氣溶膠，并通過Cultex Aerosol Dilution系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)濃度梯度調(diào)節(jié)，滿足從納米顆粒到PM2.5的多尺度暴露需求。
2.細(xì)胞培養(yǎng)與暴露模塊
系統(tǒng)采用Transwell膜技術(shù)，細(xì)胞種植于0.4μm孔徑的聚酯膜上，底部培養(yǎng)基通過電腦控制獨(dú)立供給，避免細(xì)胞脫水或毒素聚集。RFS Compact的電加熱系統(tǒng)與CO?接入單元可維持37℃恒溫環(huán)境，支持長達(dá)72小時的連續(xù)暴露實(shí)驗(yàn)。
3.環(huán)境控制與監(jiān)測模塊
全角度水浴設(shè)計(jì)消除氣溶膠冷凝風(fēng)險，高精度質(zhì)量流量控制器（MFC）確保氣流流量與流速穩(wěn)定。系統(tǒng)集成顆粒物濃度監(jiān)測功能，可實(shí)時記錄暴露參數(shù)，滿足GLP規(guī)范要求。
三、應(yīng)用場景：從基礎(chǔ)研究到臨床轉(zhuǎn)化的全鏈條覆蓋
1.環(huán)境毒理學(xué)評估
Cultex系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于PM2.5、柴油廢氣及香煙煙霧的毒性研究。例如，中國科學(xué)院利用該系統(tǒng)開展霧霾健康效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)真實(shí)霧霾顆粒（含二次粒子）較單分散PM2.5標(biāo)準(zhǔn)品誘導(dǎo)更強(qiáng)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，揭示了二次粒子的關(guān)鍵毒性作用。
2.藥物研發(fā)與遞送
在吸入藥物評價中，Cultex系統(tǒng)可量化霧化藥物的細(xì)胞沉積效率。實(shí)驗(yàn)表明，布地奈德氣溶膠在ALI模型中的局部濃度是浸沒培養(yǎng)的120倍，更真實(shí)反映藥物在氣道黏膜的沉積特性。
3.疾病機(jī)制研究
通過構(gòu)建三維共培養(yǎng)模型（如上皮細(xì)胞+巨噬細(xì)胞+樹突狀細(xì)胞），Cultex系統(tǒng)可模擬呼吸道過敏反應(yīng)。研究顯示，暴露于呼吸敏化劑后，共培養(yǎng)模型的跨上皮電阻（TEER）顯著下降，表面活性蛋白表達(dá)異常，為過敏機(jī)制解析提供了直接證據(jù)。
四、技術(shù)優(yōu)勢：高效、穩(wěn)定與可重復(fù)性
Cultex系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于其高度可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。輻射流通道與靜電沉積技術(shù)確保顆粒物均勻分布，避免剪切力對細(xì)胞的損傷；耐高溫高壓材料支持系統(tǒng)清洗與滅菌，防止交叉污染；兼容6.5mm/12mm通用細(xì)胞培養(yǎng)小室，降低實(shí)驗(yàn)成本。多項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在劑量反應(yīng)關(guān)系與時間依賴性研究中具有極高的數(shù)據(jù)可靠性。
五、未來展望：邁向個性化醫(yī)療與精準(zhǔn)毒理學(xué)
隨著微流控芯片與單細(xì)胞測序技術(shù)的融合，Cultex系統(tǒng)正從單一暴露模型進(jìn)化為多功能研究平臺。未來，集成機(jī)械拉伸與黏液流動模擬的下一代系統(tǒng)將更精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)呼吸道生理環(huán)境，推動個性化醫(yī)療與精準(zhǔn)毒理學(xué)的發(fā)展。作為體外暴露技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，Cultex將繼續(xù)引領(lǐng)吸入毒理學(xué)研究進(jìn)入真實(shí)模擬的新時代。
