在生命科学领域，细胞培养技术的每一次突破都推动着疾病机制解析、药物筛选和再生医学的发展。传统二维（2D）培养因无法模拟体内三维微环境，导致细胞功能表达受限；而三维（3D）培养虽更接近生理状态，却面临操作复杂、成本高昂的挑战。气液界面（Air-Liquid Interface, ALI）培养系统通过独特的“半浸没式”设计，在保持3D结构优势的同时，实现了操作标准化与功能精准化，成为呼吸系统、皮肤、肠道等多器官疾病研究的核心工具。

一、技术原理：模拟体内微环境的“双相桥梁”

ALI系统的核心在于通过可渗透膜（如聚酯或聚碳酸酯膜）将细胞与培养基分隔：细胞顶端直接暴露于空气，基底侧通过膜孔吸收营养。这种设计模拟了人体空腔脏器（如呼吸道、肠道）的极化环境，使细胞在气体交换、机械刺激和营养供应的协同作用下，完成分化与功能成熟。例如，呼吸道上皮细胞在ALI条件下可形成伪分层纤毛结构，纤毛摆动频率和黏液分泌能力显著优于传统浸没式培养；肠道类器官则能构建完整的吸收-分泌屏障，更接近真实肠黏膜的生理功能。

二、应用场景：从基础研究到临床转化的全链条覆盖

1. 呼吸系统疾病研究：破解病原体入侵机制

ALI系统为研究呼吸道病毒感染（如SARS-CoV-2）、细菌感染（如金黄色葡萄球菌）和空气污染物（如PM2.5）的致病机制提供了理想模型。广东工业大学团队利用ALI模型发现，金黄色葡萄球菌气溶胶可诱导支气管上皮细胞分泌过量炎症因子（如IL-6和TNF-α），并激活氧化应激通路，导致细胞屏障功能受损；而PM2.5暴露则引发纤毛脱落和黏液过度分泌，与哮喘患者的病理特征高度吻合。这些发现为开发抗炎药物和空气净化技术提供了直接证据。

2. 药物筛选与毒性测试：替代动物实验的“黄金标准”

ALI模型在药物渗透性、代谢稳定性和毒性评估中展现出独特优势。例如，类固醇类药物在ALI皮肤模型中的渗透率更接近临床数据，显著优于传统单层细胞模型；逸芯生命科学的研究表明，ALI模型在药物响应测试中的准确率比动物模型提高约30%，且可重复性更高。此外，ALI系统还可模拟药物对肠道屏障的破坏作用，为口服药物开发提供关键安全性数据。

3. 再生医学与组织工程：构建功能性类器官

ALI技术通过促进细胞极化和分化，为构建功能性类器官提供了关键支持。在皮肤再生领域，ALI培养的原代角质形成细胞可形成分层表皮结构，包含增殖的基底层、分化的棘层和角质层，为烧伤修复和化妆品毒性测试提供了高效模型；在肠道领域，ALI培养的类器官能模拟微绒毛形成、营养吸收和分泌功能，为炎症性肠病（IBD）和结直肠癌的研究提供了新工具。

三、技术挑战与未来方向

尽管ALI系统已取得显著进展，但其标准化与长期稳定性仍需突破。不同器官类器官对渗透膜材质（如聚酯 vs. 聚碳酸酯）和培养基成分（如生长因子浓度）的需求差异较大，导致实验结果难以横向比较；部分类器官（如肠道）在ALI环境中功能维持时间通常不超过3周，限制了慢性疾病研究的开展。

未来，ALI技术将向以下方向演进：

1.多器官联用模型：通过共培养呼吸道、肠道类器官与免疫细胞，模拟全身性免疫反应（如COVID-19引发的细胞因子风暴）；

2.个性化医疗应用：利用患者来源的类器官进行个体化药物敏感性测试，为精准治疗提供依据；

3.自动化与智能化：集成全自动培养系统（如CULTEX® LTC），通过传感器实时监测培养液高度、温度和pH值，减少人为误差，提升实验可重复性。

总结

气液界面细胞培养系统以其独特的“双相设计”，在生理还原度、功能成熟度和临床转化效率上实现了质的飞跃。随着材料科学、微流控技术和人工智能的融合，ALI技术有望成为连接基础研究与临床应用的“桥梁”，为人类健康事业开辟新的篇章。