气液界面细胞暴露技术在大气污染物健康效应研究中的学进展与应用实践

摘要：气液界面细胞暴露技术作为现代空气毒理学研究的关键技术，通过模拟人体呼吸道生理环境，为精准评估大气污染物的健康效应提供了重要的研究平台。本文以东京都公众卫生研究团队对硫酸铵与硫酸氢铵的毒性评估研究为典型案例，结合德伯科技ACP6/16气液界面暴露系统的技术特点，系统分析该技术的方法学优势、实验设计要点及其在环境健康风险评估中的实际应用价值，探讨该技术在未来大气污染研究中的发展前景。

关键词：气液界面暴露；细胞毒理学；大气颗粒物；ACP6/16系统；方法学；风险评估

1. 技术背景与方法学演进

传统浸没法暴露法在环境毒理学研究中长期占据主导地位，但其方法学局限性日益凸显。将颗粒物溶解后直接作用于浸没培养的细胞，这种模式与人体真实的呼吸暴露场景存在显著差异。浸没环境会改变污染物的理化特性，特别是对于硫酸铵、硫酸氢铵等水溶性化合物，其电离平衡、表面活性等关键参数都将发生改变。

气液界面暴露技术的出现，正是对环境毒理学研究方法学瓶颈的突破。该技术将培养细胞置于多孔膜支持物上，仅从基底面提供营养液，使细胞顶面直接暴露于流动空气中。以德伯科技ACP6/16系统为代表的现代暴露装置，通过精确控制气溶胶生成、温湿度和流量参数，为研究大气污染物的直接暴露效应提供了更加可靠的实验平台。

2. 案例解析：东京都研究的方法学创新与ACP6/16系统的技术契合

东京都公共卫生研究团队近期发表的硫酸铵与硫酸氢铵毒性研究，采用Cultex® RFS系统进行研究，其技术原理与德伯科技ACP6系统具有显著的方法学共通性。这些系统都体现了气液界面暴露技术的核心优势。

2.1 暴露系统的精确控制
研究团队通过将测试化合物水溶液使用液体雾化发生器 DUSTTRAK DPX8543（DSI公司，德伯科技可提供替代的Collison雾化发生器）分散于流速2 L/min的空气中实现气相化，并以1.0 mL/min的稳定流速引入暴露系统。德伯科技ACP6系统Cultex® RFS功能类似，但新推出ACP16气液界面细胞暴露系统在此基础上升级了通道数，最高可以进行16个细胞小室的同时暴露，16通道独立设计，能够同时进行多组平行实验，显著提高了实验效率和数据的可比性。系统的质量流量控制器确保气体流量的精确稳定，为剂量-效应关系研究提供了可靠基础。

2.2 颗粒物粒径分布的全面表征
研究采用气溶胶监测仪和惯性撞击式分级装置对生成的气溶胶进行了系统的粒径分析。德伯科技ACP6系统集成了在线粒径监测功能，可实时追踪气溶胶的粒径分布变化，确保实验过程中颗粒物特性的稳定性。这一技术改进大大增强了实验结果的可靠性和重复性。

2.3 多端点生物标志物的综合评估
研究设计了全面的毒性评价指标体系，包括细胞活力、细胞膜完整性、炎症反应和氧化应激等关键毒理学终点。德伯科技ACP6系统的模块化设计支持多种细胞培养基底，兼容Transwell等标准培养装置，为这类综合性研究提供了便利的技术平台。

3. 实验结果的方法学解读与技术需求

从方法学角度分析，该研究获得的结果揭示了气液界面暴露技术在毒性识别中的独特优势，同时也对实验设备提出了更高要求。

3.1 化合物特异性效应的区分
研究发现硫酸铵与硫酸氢铵表现出不同的生物学效应，这种精细的效应区分在传统浸没暴露实验中难以实现。德伯科技ACP6系统的多通道独立控制设计，正好满足了对不同化合物进行平行比较研究的需要，避免了批次实验可能带来的误差。

3.2 细胞类型依赖性反应的揭示
研究观察到A549和Calu-3两种细胞对硫酸铵暴露的不同反应模式，体现了呼吸道不同区域细胞的异质性响应。ACP6系统支持多种细胞模型的同步暴露，包括原代细胞、细胞系和三维培养模型，为研究污染物作用的区域特异性提供了理想平台。

3.3 复杂剂量-效应关系的解析
本研究观察到硫酸铵对Calu-3细胞中炎症因子的表达呈现非单调的剂量-效应关系。德伯科技ACP6系统的精确浓度控制和实时监测功能，为解析这类复杂剂量-效应关系提供了可靠的技术保障。

4. 在环境健康风险评估中的应用价值与技术支撑

该研究的方法学设计为环境健康风险评估提供了重要参考。通过将实验浓度与环境本底浓度进行对比，研究者得以评估实际环境暴露条件下的健康风险。德伯科技ACP6系统的高精度控制特性，使得实验室数据向真实环境的外推更加可靠。

此外，ACP6系统的智能化设计支持实验数据的自动记录和追溯，包括温度、湿度、气体流量等关键参数的实时监控，这为研究结果的可靠性和重复性提供了重要保障，也符合现代毒理学研究对数据质量的高标准要求。

5. 技术比较与发展展望

与Cultex® RFS系统相比，德伯科技ACP16系统在多个方面展现出技术优势：16通道并行设计提高了实验效率；集成的在线监测功能增强了过程控制；模块化结构提升了系统的灵活性和扩展性。这些技术进步使得气液界面暴露实验更加标准化和自动化。

未来发展方向应包括：开发更复杂的三维共培养模型以更好地模拟呼吸道结构；整合实时生物传感技术实现毒性效应的动态监测；建立标准化操作流程以提高实验室间的可比性。德伯科技ACP6/16系统的模块化设计为这些功能扩展提供了良好的技术基础。

6. 结论

气液界面细胞暴露技术代表了大气污染物毒理学研究方法学的重要进步。通过东京都研究团队的案例可以看出，该技术能够提供更贴近生理条件的暴露场景，识别传统方法可能遗漏的毒性效应。德伯科技ACP16系统作为新一代气液界面暴露装置，通过其精确的控制系统、多通道设计和在线监测功能，为环境健康风险评估研究提供了更加可靠的技术平台。随着技术的不断完善和标准化，气液界面暴露模型有望成为大气污染健康效应研究的核心平台，为环境标准制定和公共卫生决策提供更加可靠的科学依据。