综述：利用气液界面系统研究空气污染物对人呼吸道细胞模型的毒理学效应：系统综述

这篇综述系统评估了空气污染物通过气液界面(ALI)培养系统对人呼吸道细胞的毒性机制，重点阐明了PM2.5、NO2、O3等污染物通过氧化应激(ROS)、炎症反应(NF-κB通路)和基因毒性(DNA损伤)的三重作用机制，为环境健康研究提供了创新的体外评估模型。

　　

空气污染与呼吸系统的博弈：从分子机制到创新模型

工业化和人口增长导致全球空气污染加剧，主要污染物包括颗粒物(PM)、氮氧化物(NO₂)、臭氧(O₃)等。这些污染物通过多种途径危害人体健康，尤其是呼吸系统。气液界面(ALI)培养系统的出现，为研究空气污染物的毒理机制提供了更接近体内环境的新型模型。

气液界面系统的革新价值

传统浸没式细胞培养存在明显局限：细胞增殖率低、易衰老、分化困难，且培养液可能掩盖污染物的真实效应。相比之下，ALI系统通过模拟肺上皮细胞的生理特性——包括紧密连接形成和细胞分化——成为呼吸毒理学研究的突破性工具。这种系统维持着高度类似体内的细胞外环境，是动物实验的重要替代方案。

氧化应激：毒性效应的核心枢纽

空气污染物引发的氧化应激是毒性反应的核心机制。颗粒物中的过渡金属通过Fenton反应产生活性氧(ROS)，多环芳烃(PAHs)则通过芳香烃受体(AhR)激活细胞色素P450酶(CYP1A1)。研究显示，柴油尾气颗粒(DEP)暴露会导致细胞内谷胱甘肽(GSH)氧化，而过滤后的尾气由于金属和有机化合物减少，其氧化潜能和IL-8释放均显著降低。

在分子层面，污染物破坏氧化-抗氧化平衡，激活Nrf2通路作为代偿机制。但随着氧化攻击持续，细胞最终进入氧化应激状态。这一过程呈现典型的三阶段特征：初期抗氧化基因表达增强；中期氧化损伤超越防御能力；后期抗氧化剂耗竭，细胞损伤达到峰值。

炎症反应的级联放大

氧化应激通过多重途径触发炎症反应：ROS激活IKK复合物和MAPKs级联反应，促使NF-κB核转位。在DEP暴露的支气管上皮细胞中，NF-κB表达显著增加，进而上调IL-8和TNFα等炎症因子。有趣的是，巨噬细胞共培养模型显示，肺泡巨噬细胞可能通过下调TLR表达来降低上皮细胞的敏感性，但DEP的强烈效应可能掩盖这种保护作用。

特别值得注意的是，NO₂与尘螨过敏原Der p1的协同作用。这种协同效应可能与急性肺部炎症早期中性粒细胞(PMNs)的浸润调控有关，为过敏性疾病的治疗提供了新靶点。

从基因毒性到细胞命运

污染物导致的基因损伤呈现多样化特征：NO₂通过活性氮物种引起DNA断裂；苯及其衍生物则诱发明显的浓度依赖性DNA损伤。在汽油尾气暴露实验中，组蛋白H2AX磷酸化程度随时间变化呈现复杂波动，提示不同暴露阶段可能存在差异性的DNA损伤修复动态。

脂质过氧化产物MDA和氧化DNA损伤标志物8-OHdG的水平升高，标志着污染物对生物大分子的全面攻击。这些分子事件通过表观遗传改变和突变积累，最终可能触发细胞凋亡或坏死。

疾病易感性的差异

病理模型显示，慢性阻塞性肺病(COPD)和哮喘患者的呼吸道上皮细胞对污染物更为敏感。例如，城市颗粒物(UPM)在哮喘细胞中诱导的MUC5AC表达增幅是健康细胞的2.4倍。这种差异敏感性可能与基础炎症状态和抗氧化能力受损有关。

技术前沿与未来方向

当前ALI技术仍面临挑战：缺乏功能性免疫系统、器官间相互作用等体内关键特征。未来研究应聚焦于：

1. 开发能模拟光化学老化过程的动态暴露系统
2. 建立包含免疫细胞的共培养模型
3. 优化长期重复暴露的实验方案
4. 探索脂质生化通路在甲醛毒性中的作用
5. 评估柴油颗粒过滤器对DEP毒性的缓解效果

从传统浸没培养到ALI系统，再到新兴的器官芯片技术，呼吸道毒理学研究正逐步逼近人体真实反应。这种技术进步不仅深化了对空气污染致病机制的认识，也为环境健康风险评估提供了更可靠的预测工具。随着研究的深入，针对不同污染物特征的精准防护策略将成为可能，为呼吸系统健康筑起更坚实的科学防线。