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气液界面(Air liquid interface)暴露系统主要应用领域

气液界面(ALI)暴露系统(技术)之所以成为呼吸毒理学、感染性疾病和药物研发领域的“金标准”体外模型,是因为它能够高度模拟人体呼吸道暴露的真实情况,特别是CULTEX/Databiosci代表的径向气路结构系统,既能够实现气液界面暴露,有可以保证每个通道之间暴露的高度重复性。受试物(如污染物、病原体、药物)以气溶胶形式直接作用于细胞气液界面(ALI)气相中细胞顶端。

以下是其主要的的应用领域:

1. 烟草及新型烟草制品毒理研究

  • 传统卷烟烟气:评价颗粒物与气相对气道上皮细胞的细胞毒性、炎症反应、DNA损伤。

  • 电子烟(E-cigarettes)与加热不燃烧(HNB)产品:比较其与卷烟烟雾在细胞层面的毒性差异。

  • 薄荷味/调味电子烟:研究添加剂对呼吸道的额外毒性。

2. 环境空气污染研究

  • PM2.5、PM10、超细颗粒物(UFPs):研究颗粒沉积效率、细胞应激反应和炎症通路。

  • 城市大气暴露(真实环境采样空气直曝):直接暴露气液界面 ALI培养细胞以评估真实空气毒性。

  • 春运烟花爆竹污染、雾霾(Haze)暴露:研究节日污染或冬季污染的细胞效应。

  • 交通隧道内污染物暴露:研究特殊环境下的空气毒性。

3. 职业暴露与工业有害物

  • 焊接烟雾(Welding fumes):研究金属颗粒对肺上皮的细胞损伤。

  • 柴油/汽油尾气颗粒物(DEP, GEP):评价交通源污染物对细胞毒性及炎症反应。

  • 纳米材料/微塑料气溶胶:评估新型材料在吸入条件下的生物学效应。

4. 生物气溶胶与病原体传播

  • 细菌气溶胶(结核分枝杆菌 M. tuberculosis、铜绿假单胞菌等):在气液界面 ALI 模式下感染呼吸道细胞。

  • 病毒气溶胶(流感病毒、冠状病毒):研究病毒传播、入侵机制及宿主免疫反应。

5. COPD、哮喘等呼吸系统疾病模型

  • 慢阻肺(COPD)机制研究:利用香烟烟雾或 PM 在 ALI 上暴露,研究炎症因子释放、细胞凋亡/自噬。

  • 哮喘相关过敏原气溶胶暴露:检测炎症和屏障功能损伤。

6. 药物与干预措施评价

  • 吸入药物递送:在气液界面条件下测试气雾化药物对气道细胞的吸收与毒副作用。

  • 抗氧化剂/抗炎药物:与烟雾或污染物联合暴露,检测保护作用。

  • 载体系统(纳米粒子递送药物):验证递送效率和生物安全性。

7. 机制研究与体外模型发展

  • 氧化应激通路(ROS, Nrf2, NF-κB)

  • DNA损伤与修复(Comet      assay, γ-H2AX)

  • 表观遗传学(miRNA、DNA甲基化)

  • 多细胞共培养(上皮细胞+巨噬细胞+成纤维细胞),模拟呼吸道屏障复杂性。

总结:
细胞气液界面暴露系统的主要应用可以分为六大类:
1)烟草/新型烟草,2)环境空气污染,3)职业与工业暴露,4)病原体传播,5)呼吸疾病机制,6)药物与干预措施测试。

细胞气液界面(ALI)暴露系统主要应用领域的代表性文献

应用类别

具体研究方向

代表性文献

1. 烟草及新型烟草制品

- 卷烟烟雾对上皮细胞毒性、炎症、DNA损伤
  - 电子烟(E-cigarette)、加热不燃烧(HNB)产品的比较
  - 香精/调味电子烟的额外毒性

-   Phillips B. et al., Toxicol In Vitro, 2017.
  - Aufderheide M. et al., Exp Toxicol Pathol, 2017.

2. 环境空气污染

-   PM2.5、PM10、超细颗粒(UFPs)毒性研究
  - 城市大气直接暴露
  - 烟花爆竹、雾霾暴露效应

-   Hsiao T.C. et al., Aerosol Sci Technol, 2017.
  - Lenz A.G. et al., Eur J Pharm Biopharm, 2014.
  - Li N. et al., Environ Sci Technol, 2019 (Spring Festival study).

3. 职业暴露与工业有害物

- 焊接烟雾
  - 柴油尾气/汽油尾气(DEP/GEP)
  - 纳米颗粒、微塑料气溶胶

-   Holder A.L. et al., Toxicol Sci, 2008.
  - Pourchez J. et al., Part Fibre Toxicol, 2017.

4. 病原体传播

- 结核分枝杆菌气溶胶感染
  - 流感病毒、冠状病毒暴露

-   Fennelly K.P. et al., PNAS, 2012.
  - Zhu N. et al., Viruses, 2020.

5. 呼吸系统疾病机制

- COPD(香烟烟雾/PM 诱导炎症、自噬、凋亡)
  - 哮喘(过敏原气溶胶暴露)

-   Takizawa H. et al., Respir Res, 2017.
  - AIM/CD5L 在 COPD 发病机制中的研究(2023   文献)。

6. 药物与干预措施

- 吸入药物递送效率与安全性
  - 抗氧化剂/抗炎剂保护作用
  - 纳米粒子递送系统评估

-   Schmid O. & Held A., Drug Deliv, 2019.
  - Lenz A.G. et al., ALTEX, 2013.

7. 机制与模型发展

- 氧化应激、炎症信号通路(ROS, NF-κB, Nrf2)
  - DNA 损伤与修复
  - 表观遗传学变化
  - 多细胞共培养模型

-   Rothen-Rutishauser B. et al., Am J Respir Cell Mol Biol, 2008.
  - Lenz A.G. et al., Eur J Pharm Biopharm, 2014.

在以上所有主要应用领域的研究中,需要各种类型的气液界面暴露系统及气溶胶发生器,目前,德伯科技(Databiosci)是为数不多可以提供细胞气液界面暴露系统(6通道气液界面暴露系统,16通道多浓度气液界面暴露系统以及快速暴露云雾系统Mistber)及各种气溶胶发生器(诸如全自动香烟烟气发生器/半自动香烟烟气发生器,干粉细颗粒物气溶胶发生器,VOC气溶胶发生器,液体雾化气溶胶发生器,活性生物气溶胶发生器等)等完整系统的供应商。