在生命科學領域，細胞培養技術的每一次突破都推動著疾病機制解析、藥物篩選和再生醫學的發展。傳統二維（2D）培養因無法模擬體內三維微環境，導致細胞功能表達受限；而三維（3D）培養雖更接近生理狀態，卻面臨操作復雜、成本高昂的挑戰。氣液界面（Air-Liquid Interface, ALI）培養系統通過獨特的“半浸沒式”設計，在保持3D結構優勢的同時，實現了操作標準化與功能精準化，成為呼吸系統、皮膚、腸道等多器官疾病研究的核心工具。

一、技術原理：模擬體內微環境的“雙相橋梁”

ALI系統的核心在于通過可滲透膜（如聚酯或聚碳酸酯膜）將細胞與培養基分隔：細胞頂端直接暴露于空氣，基底側通過膜孔吸收營養。這種設計模擬了人體空腔臟器（如呼吸道、腸道）的極化環境，使細胞在氣體交換、機械刺激和營養供應的協同作用下，完成分化與功能成熟。例如，呼吸道上皮細胞在ALI條件下可形成偽分層纖毛結構，纖毛擺動頻率和黏液分泌能力顯著優于傳統浸沒式培養；腸道類器官則能構建完整的吸收-分泌屏障，更接近真實腸黏膜的生理功能。

二、應用場景：從基礎研究到臨床轉化的全鏈條覆蓋

1. 呼吸系統疾病研究：破解病原體入侵機制

ALI系統為研究呼吸道病毒感染（如SARS-CoV-2）、細菌感染（如金黃色葡萄球菌）和空氣污染物（如PM2.5）的致病機制提供了理想模型。廣東工業大學團隊利用ALI模型發現，金黃色葡萄球菌氣溶膠可誘導支氣管上皮細胞分泌過量炎癥因子（如IL-6和TNF-α），并激活氧化應激通路，導致細胞屏障功能受損；而PM2.5暴露則引發纖毛脫落和黏液過度分泌，與哮喘患者的病理特征高度吻合。這些發現為開發抗炎藥物和空氣凈化技術提供了直接證據。

2. 藥物篩選與毒性測試：替代動物實驗的“黃金標準”

ALI模型在藥物滲透性、代謝穩定性和毒性評估中展現出獨特優勢。例如，類固醇類藥物在ALI皮膚模型中的滲透率更接近臨床數據，顯著優于傳統單層細胞模型；逸芯生命科學的研究表明，ALI模型在藥物響應測試中的準確率比動物模型提高約30%，且可重復性更高。此外，ALI系統還可模擬藥物對腸道屏障的破壞作用，為口服藥物開發提供關鍵安全性數據。

3. 再生醫學與組織工程：構建功能性類器官

ALI技術通過促進細胞極化和分化，為構建功能性類器官提供了關鍵支持。在皮膚再生領域，ALI培養的原代角質形成細胞可形成分層表皮結構，包含增殖的基底層、分化的棘層和角質層，為燒傷修復和化妝品毒性測試提供了高效模型；在腸道領域，ALI培養的類器官能模擬微絨毛形成、營養吸收和分泌功能，為炎癥性腸病（IBD）和結直腸癌的研究提供了新工具。

三、技術挑戰與未來方向

盡管ALI系統已取得顯著進展，但其標準化與長期穩定性仍需突破。不同器官類器官對滲透膜材質（如聚酯 vs. 聚碳酸酯）和培養基成分（如生長因子濃度）的需求差異較大，導致實驗結果難以橫向比較；部分類器官（如腸道）在ALI環境中功能維持時間通常不超過3周，限制了慢性疾病研究的開展。

未來，ALI技術將向以下方向演進：

1.多器官聯用模型：通過共培養呼吸道、腸道類器官與免疫細胞，模擬全身性免疫反應（如COVID-19引發的細胞因子風暴）；

2.個性化醫療應用：利用患者來源的類器官進行個體化藥物敏感性測試，為精準治療提供依據；

3.自動化與智能化：集成全自動培養系統（如CULTEX? LTC），通過傳感器實時監測培養液高度、溫度和pH值，減少人為誤差，提升實驗可重復性。

總結

氣液界面細胞培養系統以其獨特的“雙相設計”，在生理還原度、功能成熟度和臨床轉化效率上實現了質的飛躍。隨著材料科學、微流控技術和人工智能的融合，ALI技術有望成為連接基礎研究與臨床應用的“橋梁”，為人類健康事業開辟新的篇章。