基于 Calu-3 细胞的气液界面细胞暴露模型揭示空气污染对呼吸道健康机制

随着城市化进程的加快，空气污染正以出乎意料的复杂性影响着人类健康。颗粒物（PM）、臭氧（O₃）和柴油尾气颗粒（DEP）等污染物已被证实可诱发呼吸系统炎症、慢性阻塞性肺病（COPD）以及哮喘等疾病。然而，在实验室中如何真实再现污染物与人体气道上皮的直接接触过程，一直是毒理学研究的重要挑战。

传统的“浸没培养"模式让细胞浸没在培养液中，气体或颗粒难以直接作用于细胞顶端表面。这种培养方式虽然简便，却远离人体呼吸道中细胞与空气直接接触的生理状态。为了弥补这一差距，科学界引入了气液界面（Air–Liquid Interface, ALI）细胞暴露模型。这种方法通过让上皮细胞的顶端暴露于空气，而基底端仍接触培养液，从而在体外重建类似呼吸道上皮的生理结构与功能。

一、Calu-3 细胞：模拟人气道屏障的理想模型

在气液界面细胞暴露设备模型中，细胞系的选择至关重要。Calu-3 是一种来源于人支气管腺癌的上皮细胞系，具有形成紧密连接、分泌粘液和表达离子通道的能力，被广泛认为是研究气道屏障功能的理想模型。

在气液界面条件下培养时，Calu-3 细胞能够分化为具有明显极性的单层上皮结构，其顶端面暴露于空气环境，底端通过培养液维持营养供给。这种结构不仅能反映真实的气道生理特征，还便于研究气溶胶、气体或颗粒对屏障功能和细胞信号通路的影响。

二、卢汉坤等人（2025）：从分泌组解析污染暴露效应

2025 年发表在 Lung 杂志的论文《Alteration of the Secretome in Airway Epithelial Cells by Air Pollutants: Evidence from an Air–Liquid Interface Model》由 国内咳嗽研究领域的领导人物之一，呼吸疾病全国重点实验室赖克方教授课题组卢汉坤等人完成。研究团队正是基于 Calu-3 气液界面模型，系统探究了臭氧（O₃）与柴油尾气颗粒（DEP）暴露后细胞分泌组（secretome）的变化。

研究思路十分明确：

在非细胞毒性浓度下暴露 Calu-3 细胞于 O₃ 与 DEP；

监测跨上皮电阻（TEER）与 FITC-dextran 渗透性，评估屏障完整性；

通过 qPCR 与免疫荧光检测紧密连接蛋白（如 ZO-1、claudin-4）及炎症因子（IL-25、IL-33、TSLP）；

采用无标记 LC-MS/MS 技术分析分泌蛋白谱变化。

所有蛋白组数据均上传至 ProteomeXchange 数据库（编号 PXD068246），为后续研究者提供了宝贵资源。

三、径向流暴露系统（Radial Flow System, RFS）：更接近真实呼吸暴露

论文提到实验采用了 Radial Flow System (RFS)，即径向流暴露模块，使气体或气溶胶能够均匀流经细胞表面。这种暴露方式可避免气体分布不均、浓度梯度或局部干燥等问题，从而实现更加稳定、可控的暴露环境。

这一设计理念与目前国际主流的气液界面细胞暴露设备一致。例如，德国 CULTEX® RFS 模块，Databiosci（德伯科技）的ACP3,ACP6,ACP16等便以径向流气体分布原理为核心，可通过恒流气路与温湿度调控，确保气体或颗粒在细胞表面形成均匀暴露层。类似的结构也广泛应用于 CULTEX、Databiosci（德伯科技）等品牌系统中。此类装置不仅可用于空气污染物研究，还适用于e-cigarette、药物气溶胶、纳米颗粒及挥发性有机物的暴露实验。

四、实验结果：屏障破坏与炎症信号激活

研究结果显示，无论是臭氧还是柴油尾气颗粒，都显著破坏了 Calu-3 上皮的屏障完整性。暴露后 TEER 值下降，FITC-dextran 通透性增加，紧密连接蛋白表达下调。与此同时，IL-25、IL-33 和 TSLP 等 alarmin 类炎症因子被强烈上调，提示上皮细胞已进入活化状态，启动早期免疫信号。

更具启发性的是，蛋白组学分析揭示了污染暴露对分泌蛋白的广泛调控。O₃ 主要影响氧化应激与细胞代谢相关蛋白，而 DEP 则显著调节细胞外基质重塑与免疫调控蛋白。尽管二者机制不同，但在下游信号通路层面呈现“趋同效应"：Wnt 信号通路与抗原加工与呈递通路均被激活。这表明多种空气污染物可能通过共同分子通路诱发炎症反应，是未来干预与药物开发的重要靶点。

五、从模型到应用：气液界面细胞暴露技术的科研潜能

卢汉坤等人的研究再次证明了气液界面模型在呼吸道毒理学研究中的巨大潜能。相较传统液下培养，气液界面细胞暴露模型具有以下突出优势：

真实生理结构：细胞在形态和极性上更接近人体气道上皮，染物以气体或气溶胶形式直接作用于细胞顶端面。

细胞损伤小——      细胞受气体剪切力损伤更小；

剂量可控性——污染物浓度、暴露时间、气流速度可精确设定；

数据丰富：可同时结合转录组、蛋白组、代谢组等多层级分析。

在科研应用中，气液界面细胞暴露技术模型已成为研究e-cigarette、香烟烟雾、PM2.5、臭氧、VOC 等气相污染的核心工具。尤其是配合高通量组学技术，它能揭示环境暴露对细胞微环境与信号网络的系统性影响。

六、设备选择与国产化趋势

目前国际上常用的气液界面细胞暴露系统包括 CULTEX® RFS系列以及国内的 Databiosci 德伯科技 ACP 系列（ACP3、ACP6、ACP16）和细胞静态暴露系统Mistber 等。这些设备均支持多通道气溶胶暴露、精密流量控制和温湿度调节，可用于多种细胞系（如 A549、NHBE、HBE、HaCaT 等）的暴露实验。

特别是国产系统的兴起，打破了以往进口设备价格高昂、维护复杂的壁垒，使更多实验室能够建立标准化的气液界面细胞暴露系统平台。随着控制系统智能化与气溶胶计量技术的提升，未来的气液界面细胞暴露系统平台将更接近人体呼吸道实际环境，实现从基础研究到应用开发的无缝衔接。

七、结语：从 Calu-3 细胞到呼吸健康的防线

空气污染的健康危害不仅源于颗粒或气体的理化性质，更在于其与气道上皮细胞的分子互动。基于 Calu-3 细胞的气液界面暴露模型，为研究这一过程提供了可重复、可量化、可机制化的工具。

卢汉坤等人的研究以分泌组为切入点，揭示了臭氧与柴油颗粒虽路径不同，却在共同信号网络中汇合的事实。这一发现不仅深化了我们对空气污染致病机制的理解，也为疾病预防、药物开发乃至空气质量管理提供了新的科学依据。

随着气液界面暴露技术的成熟与设备国产化的推进，未来的呼吸健康研究将不再局限于“暴露与损伤"的观察，而将深入到分子调控、免疫网络、屏障修复等更精细的层面，为人类构筑起抵御空气污染的最后一道细胞防线。

参考文献

Lu H., Xiang J., Zhou X. et al. (2025). Alteration of the Secretome in Airway Epithelial Cells by Air Pollutants: Evidence from an Air–Liquid Interface Model. Lung,