气液界面细胞暴露系统是现代毒理学、药理学、吸入制剂开发和环境健康研究中的核心技术。它能够在体外模拟人体肺部对气体、气溶胶(如雾霾、电子烟)、纳米颗粒或药物的暴露过程。
但同时,气液界面细胞暴露系统也是一个复杂的需要定制化的系统性工程,需要综合考虑研究目的、预算、样品通量以及操作和售后服务的便捷性。下面我将详细介绍气液界面暴露系统的选型要点、主流仪器类型和代表品牌厂家。
一、 选型的要点:
我们在对气液界面细胞暴露系统做选型调研前需要明确以下几个核心要点:
1. 暴露物质的类型:是对诸如气体/挥发性有机物(VOC)、颗粒物/纳米颗粒、还是复杂混合物(如香烟/发动机废气/火灾烟气)或者是几种不同物质的联合暴露,比如使用广泛应用的臭氧和颗粒物混合气溶胶联合对气液界面细胞进行暴露?不同暴露物质可能需要不同的发生、监测以及气溶胶输送方式。
2. 剂量控制与监测:是否需要实时浓度/粒径/沉积量监测?是否做电荷辅助沉积(electrostatic deposition)和沉积定量检测?电荷辅助沉积会影响气溶胶沉积效而沉积定量检测能够获得在线实时的沉积数据(虽然该数据不能作为真实沉积量)。
3. 细胞小室(inserts)兼容性与通量:需要同时暴露多少孔(6、9、12、24孔)?是否要兼容市售品牌的小室(如Falcon®、Corning®)?选择通量可能将直接影响实验规模与采购成本。
4. 气溶胶发生与输送方式:使用喷嘴雾化还是振动雾化?干粉直接发生还是预处理发生?香烟烟气是采用全自动香烟发生器还是半自动香烟发生器?挥发性有机物(VOC)是采用直接加热发生挥发性发生?燃烧烟气是采用什么物质燃烧?有无预处理(分级、去除大颗粒、稀释)模块?不同系统在传输损失与粒径分布上有差异,价格也可能差别很大。
5. 生理条件控制:温度、相对湿度、气体成分(CO₂/氧)、培养基供应方式。
6. 操作与维护:不同系统操作方式上往往差别很大,同样系统维护,诸如清洗,灭菌,更换耗材等也有很大差别。
7. 预算与扩展性:初期预算和长期扩展预算。
二、 主流仪器类型:目前市场上商品化的气液界面细胞暴露系统主要分两类,即经典的独立通道暴露和多孔板式系统,两者主要区别是对每个通道的气流是否进行独立控制。
1.1 Cultex是该技术最早进行商品化的品牌,并陆续推出非常经典并被广泛应用的线性气液界面暴露系统CULTEX(CC,CG,B),径向结构气液界面暴露系统(RFS,RFS compact)等,其中线性气液界面暴露系统CULTEX(CC,CG,B)由于通道间暴露剂量计粒径分布重复性不高已经被停售,目前在售的主要是RFS,RFS compact两个型号,其中RFS通过水域提供稳定的温度,可支持的小室尺寸和类型非常全面,从6孔板到24孔板的各种市售品牌小室都可以兼容,最大支持3个细胞小室。RFS compact由于结构更紧凑,仅支持12孔板和24孔板的市售小室,最大支持6个细胞小室(6个小室可以分成两组气路,对照组和实验组可以同时进行)。在气溶胶发生和输送上,Cultex还专门开发了用于气液界面细胞暴露的细颗粒物粉尘发生器DG,该发生器通过精密的电气控制以及对气溶胶预分层沉降输出的气溶胶粒径分布更均已,浓度更加稳定,其他类型发生器采用兼容其他品牌实现。在剂量控制上,Cultex提供可以与暴露模块RFS/RFS compact兼容的电沉积装置,能有效提高细颗粒物在气液界面细胞上沉积的效率,最高可达95%。操作维护,Cultex采用独立模块,占地空间小,便于维护,其核心结构可以高温高压灭菌。价格,Cultex径向结构复杂,制造成本非常大,加之每通道独立控制,配置顶级精度的流量控制器决定了其价格相对较高。

1.2 Vitrocell主要使用的是Cultex线性气液界面暴露系统(多孔板系统下文有述),在Cultex弃用的线性气液界面暴露系统基础上,Vitrocell通过改进加工工艺,扩大通道数量,扩展配套设备等方法推出典型的Flow4,CF系列(通道数可以支持3,4,6,12,24)以及更大通量的实验的高通量的工作站(支持48甚至是96通道)。在兼容小室上,仅Flow4与48通道可以支持6孔板小室,其他产品仅支持12孔板与24孔板。在气溶胶发生,Vitrocell香烟烟气发生器(全自动/手动)已被广泛应用于细胞暴露,其他类型发生器采用兼容其他品牌实现。在剂量控制上Vitrocell提供电沉积和QCM微天平方案可以实现。另外,Vitrocell还配有诸如气溶胶分配系统,这是由于Vitrocell采用的是Cultex的线性气路结构,在气溶胶进入暴露模块后通往每个小室的气路长短,弯曲程度等是完全不同的,暴露重复性较差,所以Vitrocell试图通过分配系统加以解决。操作维护,Vitrocell采用独立模块,占地空间小,便于维护,其核心结构可以高温高压灭菌。价格,Vitrocell采用线性结构较简单,制造成本非常较低,加之采用多通道共用流量控制器,所以其价格相对较低(与Cultex比较,其48通道的高通量暴露系统使用的精密流量控制器与Cultex6通道系统相同)。

1.3 Databiosci采用了径向对称气路和阵列气路两种结构,通道数上单独径向气路模块最大可以支持16通道,阵列气路可以支持24通道。由于Cultex在通道数上最大仅支持6通道,即使是基础科研领域也无法满足相当部分用户需求,所以Databisoc16通道气液界面暴露系统(ACP16)可以满足基础科研领域对暴露重复性的高要求和细胞小室通道数的需求。Databiosci的阵列气路最高可以支持24通道(HHA24),但于Cultex经典线性气路结构相比较,阵列是结构小室分布虽然仍然是阵列式的但气溶胶引导模块采用了新型的同源二型独立引导气路结构,即气溶胶入口仍然从顶部唯一入口进入,每个小室的气溶胶引导气路不共用,只是阵列不同位置采用了两种不同长度与角度的进气引导管,在通道间重复性上比完全径向结构有略微差距,但相比完全阵列式公用引导气路,Databiosci的阵列结构通道间重复性有较大的提高。与Cultex RFS compact类似,Databiosci所有高通量的型号都支持把小室可以分成两组甚至更多组气路,对照组和实验组(甚至式多浓度组)可以同时进行在兼容小室上,Databiosci的ACP3支持6,12,24三种孔板,其余仅支持12孔板和24孔板。在气溶胶发生和输送上,Databiosci提供气体/挥发性有机物(VOC)气溶胶发生器(EVG60)、颗粒物/纳米颗粒(DG208系列)、香烟烟气发生器(CSR300,AGS,SCG),液体雾化发生器(LGC)等各种常规气溶胶发生装置,以及生物质燃烧发生器等。在剂量控制上Databiosci提供电沉积和QCM微天平方案可以实现。操作维护,Databiosci采用独立模块,占地空间小,便于维护,其核心结构可以高温高压灭菌。价格,Databiosci无论是径向结构还是阵列复杂,制造成本非常大,加之每通道独立控制,配置高精度的流量控制器决定了其价格相对也较高。

综上可见,独立通道暴露的气液界面细胞暴露系统在选型时,在明确几个选型要点后,需要对暴露重复性,通道数,气溶胶发生器和剂量控制,价格等因素进行重点了解和调研,在较低通道(小于6)要求时Cultex和Databiosci暴露重复性更好,但价格偏高,同时,在对Cultex和Databiosci相比较,Databiosci国内品牌价格相对更低且技术服务更及时。在高通量(大于6通道)时,Vitrocell和Databiosci分别采用不同的技术路线决定其价格成本差距交大,Databiosci的每通道间实验重复性更高,但单一模块内最多只能提供24通道系统,Vitrocell可以提供最多98通道。所以不同实验需求可以根据实际预算选择不同品牌和型号。