气液界面与浸没式暴露模型的比较研究：细颗粒物有机提取物对支气管上皮细胞的毒理学效应差异分析

本研究针对空气颗粒物(PM2.5-0.3)毒理评估中暴露模型的差异性问题，通过比较气液界面(ALI)与浸没式培养条件下BEAS-2B细胞的基因表达差异，发现CYP1A1、NQO1等关键基因响应存在显著时空调控差异，为建立更精准的体外呼吸暴露模型提供重要依据。

　　

空气污染导致的细颗粒物(PM_2.5)暴露是全球范围内严峻的公共卫生问题。尽管传统浸没式细胞培养模型被广泛用于毒理学研究，但其无法模拟人体呼吸道真实的空气-液体界面(ALI)微环境。这种局限性使得实验结果与真实暴露场景存在显著差异，特别是对于需要通过气溶胶形式与细胞直接作用的颗粒物研究。更关键的是，现有研究对暴露剂量定量方法的标准化不足，不同实验室报告的沉积效率差异可达20倍以上，严重阻碍研究结果的可比性。

针对这一科学难题，由意大利米兰比可卡大学领衔的国际研究团队在《Environmental Research》发表重要成果。研究人员创新性地采用Vitrocell Cloud? Alpha 12暴露系统，结合石英晶体微天平(QCM)实时监测技术，首次系统比较了PM_2.5-0.3有机提取物(O-PM)在ALI与浸没条件下对BEAS-2B支气管上皮细胞的差异效应。研究通过精确量化沉积效率这一关键参数，揭示了两种暴露模型在基因调控网络响应中的本质区别。

关键技术方法包括：1) 使用级联撞击采样器采集工业区PM_2.5-0.3样本；2) 建立ALI培养体系并优化暴露参数；3) 采用QCM实时监测颗粒沉积质量；4) 通过qRT-PCR分析CYP1A1等10个毒性标志基因表达；5) ELISA检测IL-6/IL-8炎症因子释放。

研究结果部分：
数据暴露效率：QCM测量显示PM_2.5-0.3在ALI系统的沉积效率仅4.4%，而O-PM达22%。二次喷雾仅增加0.7%效率，证实颗粒团聚是限制因素。

细胞毒性：LDH检测发现无论ALI或浸没暴露，0.6-12 μg/cm² O-PM在6/24小时均未引起显著细胞毒性，DMSO溶剂对照也无影响。

基因表达：
6小时暴露：ALI组CYP1A1表达显著高于浸没组(p=0.0058)，NFkB1在0.6 μg/cm²剂量下差异达p=0.0081。
24小时暴露：浸没组NQO1在所有剂量均上调，而ALI组反而下降(p=0.0019)；CYP1B1在ALI条件下呈现剂量依赖性激活。

炎症反应：IL-6/IL-8在浸没组出现抑制趋势，而ALI组仅0.6 μg/cm²剂量下IL-8显著降低。

讨论与结论：
该研究突破性地证实暴露模型选择会根本改变毒理学结论。ALI条件下更早(6小时)激活CYP1A1等代谢酶基因，而浸没条件延迟至24小时才出现NQO1等抗氧化基因响应，这种时相差异可能源于ALI系统更好的氧交换效率。特别值得注意的是，NFkB1的调控模式在两种模型中完全相反，暗示炎症通路激活机制存在本质区别。

研究团队强调，沉积效率的精确量化是实验设计的首要环节。PM_2.5-0.3因团聚特性导致沉积率不足5%，直接ALI暴露可行性低；而O-PM的22%沉积率虽仍不理想，但已满足比较研究需求。这提示未来研究需针对不同颗粒物特性定制暴露方案。

该成果为新一代风险评估(NGRA)提供了关键技术支撑：一方面证实ALI模型在模拟真实暴露场景上的优势，另一方面建立了沉积效率-基因响应定量关系模型。研究者建议将QCM监测列为ALI实验的标准操作流程，并呼吁开展多实验室联合验证以建立暴露参数标准化体系。这些发现对推动体外毒理学替代方法发展和空气污染健康风险精准评估具有里程碑意义。