在环境毒理学、药物研发及疾病机制研究中，如何精准模拟人体暴露于复杂环境污染物或药物的过程，是突破传统实验瓶颈的关键。德国Cultex公司研发的细胞体外暴露染毒系统，通过气液界面（Air-Liquid Interface, ALI）技术，实现了细胞在体外环境中的真实暴露模拟，成为替代动物实验、揭示污染物毒性机制的核心工具。

一、技术原理：气液界面暴露，还原真实生理环境

传统细胞染毒实验中，污染物需先溶解于培养基，再通过扩散作用到达细胞表面。这种方式存在两大缺陷：一是无法模拟肺部、肠道等器官中细胞与气体或颗粒物的直接接触；二是颗粒物易沉降于培养基底部，导致暴露效率低下。Cultex系统通过Transwell膜技术构建气液界面：细胞种植于多孔半透膜上，膜下方为持续流动的培养基，提供营养并维持细胞活力；膜上方则直接暴露于恒流的气体或气溶胶中，模拟真实生理环境中的物质交换过程。

以Cultex RFS系统为例，其采用辐射流气溶胶通道设计，气溶胶通过主通道分流至三个辐射状气道，均匀沉积于三个独立培养腔室内的细胞表面。这一设计确保了颗粒物在膜上的均匀分布，避免了传统并排式腔室因气流不均导致的沉积差异。实验数据显示，在60分钟氧化铜颗粒暴露后，三个腔室内膜的沉积量标准差仅±5%，验证了系统的高度重复性。

二、技术突破：从单一气体到复杂混合物，全场景覆盖

1.多尺度颗粒物精准控制

Cultex系统可处理从纳米级到微米级的颗粒物，包括PM2.5、PM10、碳纳米管、金属氧化物等。通过配套的Cultex Dust Generator与Aerosol Dilution设备，可生成单分散气溶胶或混合变量颗粒物，并精确调节浓度（0.1-100 mg/m³）与流量（0.5-30 L/min）。例如，在雾霾健康效应研究中，系统可实时采集环境空气，稀释后直接暴露于细胞，模拟人体呼吸道的真实暴露场景。

2.动态环境参数调控

系统集成温度（37±0.5℃）、CO₂浓度（5%）及湿度（95% RH）控制模块，支持长时间暴露实验（长达72小时）。例如，在电子烟毒性评估中，系统可模拟人体呼吸频率，通过脉冲式气流暴露细胞于尼古丁气溶胶，发现1.6%尼古丁液暴露24小时后，人支气管上皮细胞（NHBE）活性下降40%，氧化应激标志物8-OHdG水平升高3倍。

3.多组学分析兼容性

暴露后的细胞可通过非侵入式采样（如基底侧培养基）或裂解液收集，进行转录组、蛋白质组及代谢组分析。例如，在柴油废气暴露实验中，系统结合RNA测序发现，暴露组细胞中炎症相关基因（IL-6、IL-8）表达量较对照组升高5-8倍，为污染物致病机制研究提供了直接证据。

三、应用场景：从基础研究到临床转化的全链条覆盖

1.环境污染物毒性评估

系统已广泛应用于香烟烟雾、柴油尾气、纳米材料等污染物的毒性研究。例如，在香烟全烟气暴露实验中，系统揭示了主流烟气与气相成分对A549肺腺癌细胞的差异化毒性：全烟气暴露24小时后，细胞活性下降60%，而气相成分仅导致20%活性损失，凸显了颗粒物在毒性中的关键作用。

2.药物安全性评价

在吸入制剂研发中，系统可模拟药物在肺部的沉积与吸收过程。例如，在干粉吸入剂（DPI）评估中，系统通过调节气流速度（30-60 L/min），模拟不同呼吸模式下药物的肺部沉积率，为剂型优化提供数据支持。

3.疾病模型构建

结合3D类器官培养技术，系统可构建更接近人体组织的暴露模型。例如，在慢性阻塞性肺疾病（COPD）研究中，系统暴露人支气管上皮类器官于香烟烟雾6个月，成功诱导出黏液过度分泌、纤毛倒伏等病理特征，为疾病机制研究提供了可靠平台。

四、未来展望：智能化与标准化引领行业变革

随着AI算法与微流控技术的融合，下一代细胞暴露染毒系统将实现实时监测与自动反馈。例如，通过集成微流控芯片与传感器，系统可动态调整气溶胶浓度，维持细胞暴露的稳定性；结合深度学习模型，系统可预测不同暴露场景下的细胞响应，缩短药物研发周期。此外，国际标准化组织（ISO）正推动建立细胞暴露染毒技术的操作规范，未来该技术有望成为毒理学研究的“金标准”，为人类健康与环境安全保驾护航。