氣液界面細胞暴露系統選型與品牌解析

在現代毒理學、藥理學、吸入制劑開發以及環境健康研究中，氣液界面細胞暴露系統（Air-Liquid Interface, ALI System）已成為核心技術之一。它能夠在體外精確模擬人體肺部對氣體、氣溶膠（如霧霾、電子煙）、納米顆粒及藥物的暴露過程，極大提升了實驗的真實性與可重復性。
然而，ALI系統同時也是一個復雜且高度定制化的系統性工程，涉及氣溶膠物理、流體力學、生物反應控制及數據監測等多領域技術。因此，在選型時需要綜合考慮研究目的、預算、樣品通量、操作便利性以及售后服務等多重因素。

一、氣液界面暴露系統的選型要點：暴露物質的類型：是對諸如氣體/揮發性有機物（VOC）、顆粒物/納米顆粒、還是復雜混合物（如香煙/發動機廢氣/火災煙氣）或者是幾種不同物質的聯合暴露，比如使用廣泛應用的臭氧和顆粒物混合氣溶膠聯合對氣液界面細胞進行暴露？不同暴露物質可能需要不同的發生、監測以及氣溶膠輸送方式。

1. 劑量控制與監測：是否需要實時濃度/粒徑/沉積量監測？是否做電荷輔助沉積（electrostatic deposition）和沉積定量檢測？電荷輔助沉積會影響氣溶膠沉積效而沉積定量檢測能夠獲得在線實時的沉積數據（雖然該數據不能作為真實沉積量）。
2. 細胞小室（inserts）兼容性與通量：需要同時暴露多少孔（6、9、12、24孔）？是否要兼容市售品牌的小室（如Falcon®、Corning®）？選擇通量可能將直接影響實驗規模與采購成本。
3. 氣溶膠發生與輸送方式：使用噴嘴霧化還是振動霧化？干粉直接發生還是預處理發生？香煙煙氣是采用全自動香煙發生器還是半自動香煙發生器？揮發性有機物（VOC）是采用直接加熱發生揮發性發生？燃燒煙氣是采用什么物質燃燒？有無預處理（分級、去除大顆粒、稀釋）模塊？不同系統在傳輸損失與粒徑分布上有差異，價格也可能差別很大。
4. 生理條件控制：溫度、相對濕度、氣體成分（CO₂/氧）、培養基供應方式。
5. 操作與維護：不同系統操作方式上往往差別很大，同樣系統維護，諸如清洗，滅菌，更換耗材等也有很大差別。
6. 預算與擴展性：初期預算和長期擴展預算。

二、主流儀器類型：目前市場上商品化的氣液界面細胞暴露系統主要分兩類，即經典的獨立通道暴露和多孔板式系統，兩者主要區別是對每個通道的氣流是否進行獨立控制。
1. 所謂獨立通道暴露，即所有細胞小室具有獨立的進氣和排氣結構，主要是通過暴露模塊頂部加熱氣溶膠引導模塊，引導模塊上設有喇叭噴嘴，每個噴嘴可以給底部的細胞小室提供獨立的進氣和排氣。該技術的具有以下主要特點：
1.1.在細胞氣液界面的氣相層有持續流動氣流（如下圖1,三個獨立氣路模式圖，圖2，氣液界面流動氣溶膠），由于具有獨立的進氣排氣結構作為技術支撐，細胞氣相層能夠直接暴露在持續流動氣流環境內，更類似于生物體內呼吸道持續穩定的氣體流動和氣體交換。和無氣流的氣液界面暴露比較，這一技術的優勢非常明顯，如氣體交換更快，顆粒物等氣溶膠沉積更高效，細胞表面有一定機械剪切力和氣流應激等等，更適合污染物暴露、藥物遞送及呼吸道防御機制研究等。
1.2.可實現高精度暴露：通過對每個小室的進氣/排氣流量精確控制，可以實現高精度的暴露劑量，如CULTEX  RFS，CULTEX RFS compact以及Databiosci的ACP6，ACP16等型號的產品通過高精度質量流量控制器（MFC）的使用，可以實現每個通道氣流流量精度達到0.5%的高精度氣液界面細胞暴露系統。
1.3.提供360°的溫度控制：從結構上看獨立通道暴露最明顯的區別是具有精密的氣溶膠引導結構，而不是小室頂部是巨大的空曠環境，所以通過對氣溶膠引導模塊進行精密控溫既可以實現小室位置是360℃溫控。這一結構最明顯的優勢是可以對進入細胞小室內暴露的氣溶膠進行預加熱，更真實模擬呼吸道對吸入體內氣體的預加熱。
1.4. 同等條件下細胞損傷更小：獨立暴露通道內持續流動的氣流是通過從排氣口抽氣作用下持續從氣溶膠入口出抽吸進來，由于這種方式在氣液界面位置流動的氣體流是橫向的，對細胞的剪切力更小，細胞非劑量損傷更小。另外由于氣溶膠引導模塊的復雜結構可以對引入的確認進行一定的預冷凝，預團聚，最終到達細胞表面的氣溶膠更均一穩定。
2. 多孔板式暴露：所謂多孔板暴露，即所有細胞小室被放置在一個簡易的暴露艙內，頂部沒有氣溶膠引導模塊，通常具有一個振動式霧化頭（Aerogen），霧化后的氣溶膠通過自然沉降作用沉積到細胞小室內細胞表面，實現快速，短暫的簡易暴露（如下圖3，簡易氣液界面細胞暴露系統圖）。具有一下幾個特點：
2.1. 在細胞氣液界面的氣相層沒有持續流動的氣溶膠，細胞始終處于一個靜態氣溶膠環境中，無法模擬體內呼吸道持續通氣的狀態。
2.2. 由于所有細胞小室處于一個空曠暴露艙底部，暴露劑量完全取決于氣溶膠在底部沉積量，因位置不同沉積量差別較大，所以所有細胞小室暴露劑量的均一性較差，無法實現高精度的劑量暴露。
2.3. 細胞小室直接暴露在霧化氣溶膠環境中，中間沒有辦法對氣溶膠進行預加熱預處理，所以暴露在細胞表面的氣溶膠的低溫應激效應較大，且由于霧化時會有大霧滴的團聚冷凝，更多的細胞表面會被液體覆蓋，液滴覆蓋的細胞失去了氣液界面暴露真實效應。

3. 主要的三個氣液界面細胞暴露系統品牌介紹（代表：Vitrocell，Cultex，Databiosci）主要原理：細胞培養在細胞小室底膜上（如Transwell），底膜是半通透的，暴露時，小室被放置在暴露模塊中，小室底部有培養液持續通過滲透作用給底膜上細胞提供營養，受試氣溶膠從底膜上方持續流過，如此細胞底部處于液體環境中，上部處于持續通氣環境中，形成所謂氣液界面暴露。這是最經典和廣泛使用的設計。
3.1 Cultex是該技術最早進行商品化的品牌，并陸續推出非常經典并被廣泛應用的線性氣液界面暴露系統CULTEX(CC,CG,B)，徑向結構氣液界面暴露系統(RFS,RFS compact)等，其中線性氣液界面暴露系統CULTEX(CC,CG,B)由于通道間暴露劑量計粒徑分布重復性不高已經被停售，目前在售的主要是RFS,RFS compact兩個型號，其中RFS通過水域提供穩定的溫度，可支持的小室尺寸和類型非常全面，從6孔板到24孔板的各種市售品牌小室都可以兼容，最大支持3個細胞小室。RFS compact由于結構更緊湊，僅支持12孔板和24孔板的市售小室，最大支持6個細胞小室（6個小室可以分成兩組氣路，對照組和實驗組可以同時進行）。在氣溶膠發生和輸送上，Cultex還專門開發了用于氣液界面細胞暴露的細顆粒物粉塵發生器DG，該發生器通過精密的電氣控制以及對氣溶膠預分層沉降輸出的氣溶膠粒徑分布更均已，濃度更加穩定，其他類型發生器采用兼容其他品牌實現。在劑量控制上，Cultex提供可以與暴露模塊RFS/RFS compact兼容的電沉積裝置，能有效提高細顆粒物在氣液界面細胞上沉積的效率，最高可達95%。操作維護，Cultex采用獨立模塊，占地空間小，便于維護，其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格，Cultex徑向結構復雜，制造成本非常大，加之每通道獨立控制，配置頂級精度的流量控制器決定了其價格相對較高。

3.2 Vitrocell主要使用的是Cultex線性氣液界面暴露系統（多孔板系統下文有述），在Cultex棄用的線性氣液界面暴露系統基礎上，Vitrocell通過改進加工工藝，擴大通道數量，擴展配套設備等方法推出典型的Flow4，CF系列（通道數可以支持3，4，6，12，24）以及更大通量的實驗的高通量的工作站（支持48甚至是96通道）。在兼容小室上，僅Flow4與48通道可以支持6孔板小室，其他產品僅支持12孔板與24孔板。在氣溶膠發生，Vitrocell香煙煙氣發生器（全自動/手動）已被廣泛應用于細胞暴露，其他類型發生器采用兼容其他品牌實現。在劑量控制上Vitrocell提供電沉積和QCM微天平方案可以實現。另外，Vitrocell還配有諸如氣溶膠分配系統，這是由于Vitrocell采用的是Cultex的線性氣路結構，在氣溶膠進入暴露模塊后通往每個小室的氣路長短，彎曲程度等是完全不同的，暴露重復性較差，所以Vitrocell試圖通過分配系統加以解決。操作維護，Vitrocell采用獨立模塊，占地空間小，便于維護，其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格，Vitrocell采用線性結構較簡單，制造成本非常較低，加之采用多通道共用流量控制器，所以其價格相對較低（與Cultex比較，其48通道的高通量暴露系統使用的精密流量控制器與Cultex6通道系統相同）。

3.3 Databiosci采用了徑向對稱氣路和陣列氣路兩種結構，通道數上單獨徑向氣路模塊最大可以支持16通道，陣列氣路可以支持24通道。由于Cultex在通道數上最大僅支持6通道，即使是基礎科研領域也無法滿足相當部分用戶需求，所以Databisoc16通道氣液界面暴露系統（ACP16）可以滿足基礎科研領域對暴露重復性的高要求和細胞小室通道數的需求。Databiosci的陣列氣路最高可以支持24通道（HHA24），但于Cultex經典線性氣路結構相比較，陣列是結構小室分布雖然仍然是陣列式的但氣溶膠引導模塊采用了新型的同源二型獨立引導氣路結構，即氣溶膠入口仍然從頂部唯一入口進入，每個小室的氣溶膠引導氣路不共用，只是陣列不同位置采用了兩種不同長度與角度的進氣引導管，在通道間重復性上比完全徑向結構有略微差距，但相比完全陣列式公用引導氣路，Databiosci的陣列結構通道間重復性有較大的提高。與Cultex  RFS compact類似，Databiosci所有高通量的型號都支持把小室可以分成兩組甚至更多組氣路，對照組和實驗組（甚至式多濃度組）可以同時進行在兼容小室上，Databiosci的ACP3支持6，12，24三種孔板，其余僅支持12孔板和24孔板。在氣溶膠發生和輸送上，Databiosci提供氣體/揮發性有機物（VOC）氣溶膠發生器（EVG60）、顆粒物/納米顆粒(DG208系列)、香煙煙氣發生器（CSR300,AGS，SCG），液體霧化發生器（LGC）等各種常規氣溶膠發生裝置，以及生物質燃燒發生器等。在劑量控制上Databiosci提供電沉積和QCM微天平方案可以實現。操作維護，Databiosci采用獨立模塊，占地空間小，便于維護，其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格，Databiosci無論是徑向結構還是陣列復雜，制造成本非常大，加之每通道獨立控制，配置高精度的流量控制器決定了其價格相對也較高。 

綜上可見，獨立通道暴露的氣液界面細胞暴露系統在選型時，在明確幾個選型要點后，需要對暴露重復性，通道數，氣溶膠發生器和劑量控制，價格等因素進行重點了解和調研，在較低通道（小于6）要求時Cultex和Databiosci暴露重復性更好，但價格偏高，同時，在對Cultex和Databiosci相比較，Databiosci國內品牌價格相對更低且技術服務更及時。在高通量（大于6通道）時，Vitrocell和Databiosci分別采用不同的技術路線決定其價格成本差距交大，Databiosci的每通道間實驗重復性更高，但單一模塊內最多只能提供24通道系統，Vitrocell可以提供最多98通道。所以不同實驗需求可以根據實際預算選擇不同品牌和型號。