在呼吸系统疾病研究领域，传统二维细胞培养因无法模拟体内复杂的组织结构和功能，逐渐被更具生理相关性的三维培养体系所取代。其中，气液界面（Air-Liquid Interface, ALI）细胞培养系统凭借其独特的结构设计，成为模拟呼吸道上皮生理环境的核心工具，为疾病建模、药物筛选和毒理学研究提供了突破性平台。

一、技术原理：重构细胞微环境的关键突破

ALI培养系统的核心在于通过物理界面分离气体与液体环境，使细胞基底面接触营养丰富的培养基，而顶端面直接暴露于空气。这种设计模拟了呼吸道上皮在体内的真实状态：纤毛细胞通过顶端空气接触实现定向摆动，杯状细胞分泌的黏液层捕获病原体，基底细胞维持上皮再生能力。例如，原代人支气管上皮细胞（HBEC）在ALI条件下可形成假复层柱状上皮，其跨上皮电阻（TEER）值稳定在500Ω·cm²以上，黏液分泌量较传统浸没培养提升3倍，纤毛覆盖率达80%，完美复现了体内气道的屏障功能与分泌特性。

二、系统组成：精密设计保障实验可靠性

1.可渗透支持膜

采用聚酯（PET）或聚碳酸酯（PC）材质的微孔膜（孔径0.4μm），既允许营养物质双向扩散，又通过物理屏障防止细胞迁移。康宁Transwell小室与Lonza的B-ALI系统均采用预涂I型胶原的PET膜，显著提升细胞黏附效率与分化质量。

2.动态培养基优化

无血清培养基通过添加氢化可的松、胰岛素、维甲酸等关键成分，精准调控细胞分化进程。例如，PneumaCult™-ALI培养基可维持人大支气管上皮细胞分化状态长达5年，而B-ALI系统通过三碘甲状腺原氨酸（T3）补充，促进杯状细胞成熟与黏液分泌。

3.环境控制模块

德伯科技ACP16系统集成高精度质量流量控制器，可实现气溶胶浓度误差＜±5%，并支持16通道独立稀释控制，满足多浓度梯度暴露实验需求。其超微量取样口（100μL）设计，允许实时监测培养液中炎症因子水平，为毒理学研究提供动态数据支持。

三、应用场景：从基础研究到临床转化的全链条覆盖

1.疾病机制解析

通过构建COPD、哮喘患者来源的ALI模型，研究者发现患病细胞虽保持分化能力，但基因表达谱存在显著差异。例如，COPD患者的HBEC中MUC5AC基因过表达导致黏液黏稠度增加，而哮喘模型则表现为IL-13驱动的纤毛细胞减少，这些发现为靶向治疗提供了新方向。

2.药物疗效评估

ALI系统可精准模拟吸入药物递送过程。实验显示，布地奈德气雾剂在ALI模型中的局部浓度是传统浸没培养的120倍，更真实反映药物在气道黏膜的沉积效率。此外，系统支持超微量取样技术，可动态监测药物诱导的TEER值变化，评估屏障功能损伤与修复。

3.毒理学安全评价

在电子烟烟气暴露实验中，ALI模型揭示丙二醇/甘油基质可诱导上皮细胞产生氧化应激反应，而尼古丁则通过α7烟碱受体抑制纤毛摆动频率。这类发现推动了《电子烟管理办法》中成分限值的制定，凸显了ALI系统在政策制定中的支撑作用。

四、技术挑战与未来展望

尽管ALI系统已实现标准化操作流程，但跨实验室重复性仍受细胞来源、培养基配方等因素影响。未来发展方向包括：开发通用型诱导多能干细胞（iPSC）来源的气道上皮细胞，降低供体差异；集成微流控芯片技术，实现黏液流动与机械拉伸的动态模拟；结合单细胞测序与空间转录组学，解析ALI模型中细胞亚群的空间异质性。

气液界面细胞培养系统正从单一模型工具进化为呼吸系统疾病研究的综合平台。随着自动化暴露系统与多组学分析技术的融合，这一技术将推动个性化医疗与精准用药进入新阶段，为全球2.1亿慢性呼吸疾病患者带来希望。