用于分析环境气溶胶颗粒对细胞影响的自动化小型设备和机器人系统

《iScience》：Automated small-scale devices and robotic systems for analyzing the cellular impact of ambient aerosol particles

　　亮点
• 我们开发了一个用于气溶胶毒性测试的移动系统概念框架
• 提供了一个工作流程，以自动化细胞水平上的气溶胶生物分析
• 强调了机器人平台和人工智能的应用
• 基于最新进展和当前限制，讨论了未来的发展方向

摘要
为应对与自然灾害、环境污染和传染病相关的新兴威胁，人们已在细胞水平上研究了空气气溶胶对人类的有害影响。特别是，人们投入了大量努力来实现系统自动化，以提高气溶胶细胞毒性分析的效率、精确度和机器智能。在这方面，我们将用于监测气溶胶有害影响的小型自动化和机器人平台的概念结合起来。我们提供了一个概念框架，重点关注能够在现场自动运行的移动和野外部署平台。特别关注仿生设备设计的原则以及潜在的物理和工程机制，以提供从“源头到效应”的完整工作流程的系统级估算。考虑到工作流程的整合，还特别强调了数据采集和处理，以及将这些技术扩展到自主支持的环境健康应用中。

图形摘要

引言
气溶胶颗粒是悬浮在空气中的固态和/或液态颗粒，来源于多种自然和人为来源，其大小可以从几纳米到数百微米不等。它们包括各种类型的颗粒，如空气颗粒物（PM）、灰尘、烟雾、烟尘、喷雾和生物气溶胶。一旦释放到空气中，气溶胶会通过与人类和动物的持续相互作用而经历生长、蒸发、化学反应和去除过程。自然产生的气溶胶可能作为（微量）营养物质的来源，尤其是对植物和海洋微生物而言。然而，气溶胶颗粒通常会对人类和动物健康产生不利影响，尤其是在与人为空气污染和自然灾害（如野火和火山爆发）相关的情况下。有害气溶胶颗粒的例子还包括含有有毒蓝细菌的沿海喷雾气溶胶和携带SARS-CoV-2的呼吸道气溶胶。

气溶胶暴露引发的细胞反应可能因气溶胶颗粒的来源、浓度以及暴露时间的不同而异。气溶胶与环境生物体（尤其是包括人类在内的陆地脊椎动物）之间的主要接触界面是呼吸道上皮。当气溶胶颗粒通过吸入进入肺部气道时，会迅速经历环境条件的变化，包括温度和湿度的升高，这可能会影响它们的性质和传输机制。维持在上皮表面的黏膜层是气溶胶与细胞初步接触的部位。颗粒沉积随后可能引发炎症和其他免疫反应。皮肤和眼睛也是气溶胶沉积的额外途径，其中沉积和吸附通过扩散和对流传输介导。表皮暴露于有害气溶胶可能导致局部过敏性皮肤反应和/或通过皮肤吸收产生全身毒性。

自动化和机器人技术已成为环境技术领域的主要课题。尽管两者有显著的重叠，但它们之间存在细微差别：自动化强调在结构化环境中的长期效率，而机器人技术则侧重于在非结构化环境中的机器智能。然而，它们共享广泛的自主系统工程原理，并且在工业领域经常可以互换使用。在许多情况下，这两种特性在开发应用于气溶胶科学和技术的（半）自主（生物）机电设备中高度融合。

需要使用紧凑格式实现的自动化（或部分自动化）系统来高效估计环境气溶胶对细胞水平的影响。采用了两种不同的体外方法，即无细胞和细胞测定法，来识别和分析气溶胶颗粒对细胞生理和代谢的影响。无细胞测定法再现了气溶胶-细胞相互作用中的关键生化事件。相比之下，细胞测定法依赖于开发体外细胞暴露方法，以模拟体内微环境。在前一种方法中，电化学和光学技术对于设备操作至关重要。在这种情况下，可编程性或自动化是设备设计的核心因素，以实现体外结果的快速读取，以便进行高级数据分析和预测。在后一种方法中，仿生设备设计在模拟类似体内的暴露条件方面起着关键作用。体外设备中的气流类型实施直接关系到暴露系统的生理相关性。本文将更多地关注基于细胞测定的方法，因为它们与生物系统的相关性更高。

特别是，随着环境毒性监测重要性的增加，对自动化或机器人化生物测定平台的需求也在增加。考虑到细胞反应根据气溶胶来源特征的变化，设备的微型化和固有便携性代表额外的重要方面，因为它们有助于在现场分析气溶胶对细胞的影响。此外，将气溶胶表征模块集成到体外平台中，可以将颗粒的理化特性与生物学结果相关联。目前的体外毒性测试系统通常体积庞大，不适合现场测量，从而在便携性和移动性方面存在显著限制。此外，某些环境毒素的寿命较短，需要在靠近排放源的地方进行快速的细胞暴露测试。

在本文中，我们简要概述了基于自动化和机器人平台的气溶胶分析系统的最新进展。我们重点介绍了用于在细胞水平上评估气溶胶毒性的新兴技术，包括气溶胶采样方法、微流控设备、肺芯片系统和机器人平台。与现有文献单独处理这些学科的方式不同，本文为移动生物监测提供了一个概念性路线图，解决了将物理采样与生物影响评估联系起来的关键需求。描述了对未来自主系统的定性展望，以实现空气颗粒对细胞和组织的不良影响的持续评估和预测（图1和图2）。特别强调了具有现场部署潜力的小型设备和系统的开发。讨论了当前的限制和未来前景，重点在于对大气气溶胶对细胞影响的无监督和智能高通量分析。

图1 本文涵盖的技术要素示意图

图1 （A）在气溶胶生成源附近采样/收集环境气溶胶。[来源：欧洲航天局（?ESA）]
（B）使用结合生物芯片和气液界面（ALI）细胞培养设备的（部分）自动化/机器人系统在体外分析气溶胶。[图片由BioRender.com制作]
（C）这些元素可以集成到一个自主（或半自主）系统中，例如安装在移动实验室中用于现场应用。[来源：ENVIRA]

图2 系统级流程图展示了从“源头到效应”的概念工作流程和时间线

该工作流程结合了所有技术要素，涵盖了从气溶胶收集到生物读出的所有步骤。根据系统设计要求，建议的工作流程中的一两个步骤可以省略。（此处所示的采样程序不包括基于过滤器的采样技术，因为它们在（半）自动化系统中的集成存在限制。器官芯片和机器人辅助分析可能需要超过24小时，具体取决于环境暴露的仿真场景。）

本文的结构如下：
（1）为了综合总体技术趋势，我们首先介绍自主系统基础气溶胶研究的背景知识和框架。
（2）作为适用于自动化系统的第一部分，将简要回顾用于气溶胶采样和分析的小型平台。
（3）作为整个系统的第二部分，将回顾用于细胞毒性测试的仿生微设备和自主机器人——重点关注两种体外模型：气液界面（ALI）细胞培养和肺芯片系统。
（4）我们将讨论结合前两部分所探讨的两个方面的最新技术的机会和限制。
（5）最后，将提供结论性意见，总结讨论内容。还将探讨未来发展的方向，特别是朝着使用移动平台实现完全自动化的方向，特别是在集成了机器人采样/处理、肺芯片系统和人工智能（AI）的统一“源头到效应”框架的背景下。

结果
气溶胶的产生、监测和采样技术
研究气溶胶引起的生物反应需要提供稳定气溶胶源和表征信息的气溶胶产生、检测和/或采样技术，以用于细胞或无细胞生物测定。表1总结了常用的气溶胶采样方法及其关键操作参数的常规替代方案。

| 采样方法 | 采样时间 | 样本完整性保持 | 自动化便捷性 | 与下游生物测定的兼容性 | 主要限制 | 典型应用 |
|-----------------|-------------|--------------|------------|-----------------|---------------------------|
| 过滤 | 小时（通常8–24小时） | 低至中等（挥发性及半挥发性化合物损失，颗粒聚集） | 低至中等（过滤器切割，提取，浓缩，溶剂交换） | 中等到高（样本制备后，适用于多种生物测定） | 环境PM监测，化学和毒理学分析 |
| 液体冲击 | 分钟（通常10–30分钟） | 高（液体收集可减少脱水和保持活性） | 中等（液体处理需要更换培养基和控制蒸发） | 高（直接液体样本适合培养，PCR和基于细胞的测定） | 超细颗粒效率有限，样本稀释，长时间采样时蒸发 |
| 冷凝采样 | 分钟（通常5–30分钟） | 中等到高（处理最少；通常保持活性） | 高（直接液体收集，样本制备最少） | 中等到高（直接液体转移，适合PCR/培养，处理最少） | 可减少超细颗粒的收集效率，性能取决于流速和颗粒大小 |
| 便携式生物气溶胶监测 | | | | | 路径监测，病原体监测，自动环境采样 |
| 基于冷凝的收集 | 分钟（通常5–15分钟） | 高（温和的冷凝生长可保持病毒传染性，减少采样压力） | 中等（需要冷凝装置和温度控制） | 高（直接液体收集，样本处理最少） |
| 组织模拟设备 | | | | | 可收集活病毒，监测传染性生物气溶胶，呼吸道病毒监测 |

表1 各种空气颗粒采样方法的总结表，对比了典型气溶胶采样器及其关键操作参数
表中的项目按照采样时间较长方法排在顶部。

大气气溶胶通常浓度低且不稳定，在收集过程中往往会失去其固有的物理和化学性质，尤其是由于干燥、聚集和（半）挥发性化合物的损失。因此，收集到的颗粒可能表现出与连续监测仪器测量的性质不同的物理和化学性质。此外，大气气溶胶是由多种化学化合物组成的复杂混合物，这使得颗粒特性与细胞毒性结果之间的直接关联变得复杂。因此，稳定和可控的气溶胶产生以及高分辨率的表征技术对于模拟自然和人为气溶胶至关重要。柴油尾气和香烟烟雾是最常见的可控室外/室内空气污染源，可以使用实验室机械装置轻松生成。常见的气溶胶生成方法总结在表S1中。

典型的气溶胶测量方法基于重量法（过滤器和撞击器）、光学法（光学颗粒计数器和空气动力学颗粒分类器）和电学法（扩散尺寸分类器和纳米颗粒表面积监测器）。此外，还可以应用各种光谱技术，包括荧光光谱、拉曼光谱和分解光谱，用于实时气溶胶检测，其中微流控技术在提高灵敏度和生物测定动力学方面可能起着关键作用。

气溶胶采样方法需要根据目标气溶胶的类型进行适当调整。例如，用于PM和生物气溶胶的采样器设计概念可能有很大不同。一般来说，收集气溶胶颗粒的方法包括过滤、冷凝、静电沉淀、液体冲击、声学收集和离心。生物气溶胶采样方法分为被动采样和主动采样，前者采用沉降板和表面采样技术，后者包括琼脂板撞击器、撞击器和湿式旋风分离器。在生物气溶胶收集过程中，保持气溶胶中微生物的活性至关重要。

一方面，个人气溶胶采样器长期以来一直被研究用于污染空气中的应用，与环境健康和职业健康相关。另一方面，已经开发了便携式气溶胶撞击器用于生物气溶胶采样，特别是作为小型设备用于空气传播病原体监测。此外，基于纳米结构的光学微设备，其中纳米材料通过金属有机和共价有机框架进行工程化，可以提高生物气溶胶的检测和采样能力，并具备高效的信号传导模式。这些发展的重要动机在于空气中的微生物沉积及其在呼吸道传染病研究中的后续量化。已经开发出了用于气溶胶收集和物理化学分析的机器人系统，以及用于收集和去除室内空气颗粒的小型自主平台，这些平台采用了移动机器人的概念。例如，Sagona等人报告了一种名为pretoddler吸入性颗粒环境机器人采样器（PIPER）的自主PM收集系统。该系统在机械设计上模仿了幼儿在地板上的姿势和动作，用于估计儿童在家环境中接触到的PM量。这种方法可以进一步与设计为可安装在移动平台上的无细胞检测模块结合使用。

机器人系统已被应用于室内、室外和职业环境中的气溶胶颗粒的高通量采样和分析。L’Orange等人报告了一种名为AIRLIFT的自动化空气分析设施，用于过滤后的气溶胶样品，该设施采用了基于可编程机器人臂的控制系统的重量和光学分析方法。Li等人开发了一种能够实现高效微生物收集的机器人辅助便携式生物气溶胶采样器。此外，Feld-Cook等人证明了可编程的人形平台可以在模仿人类工作的机器人运动过程中监测挥发性有机化合物（VOC），从而在模拟的工作场所环境中实现自动化和真实的暴露数据采集。

在另一种方法中，开发了一种移动机器人-传感器系统，通过计算机编程的自动识别PM热点来检测室内PM并在线收集数据。这对于环境技术中智能移动系统的未来发展是一个有趣的方法，因为自主机器智能可以直接与现场可部署的小型暴露模块关联起来。

微流控设备用于气溶胶研究，指的是集成有微型传感器和执行器的微加工流体通道系统。微流控系统中的流体流动行为可以精细控制，并通常与物理化学检测模块和/或光学显微镜单元结合使用。通过物理连接液体微流控架构和集成软材料组件，可以精确调节微流控设备中的气流。此外，这些设备支持气泡/液滴的操作和微流控并行化，从而实现颗粒到液体的采样和高通量化学筛选。微流控平台已被广泛用于现场生物气溶胶的检测、收集和分析。Metcalf等人简要总结了微流控工具在气溶胶科学中的应用。最近，Sznitman回顾了模拟肺部的微流控装置中的气溶胶传输机制。

将用于2D和3D细胞培养模型的微室和软隔间集成到微流控设备和传感器嵌入系统中，是生物医学和环境技术中的一个活跃研究领域。空气中的颗粒与气道上皮之间的相互作用通常通过实现气溶胶负载的气流与单层或多层上皮细胞之间的接口来建模（方法S1的第一部分）：体外肺上皮通常暴露于在小尺度几何形状中形成的含气溶胶的气流中。这种基于气-液界面的微设备能够通过集成到平台中的机电系统重现类似体内的现象和生物信号传导。

在这里，核心思想是（1）ALI模型用于体外细胞暴露于气溶胶；（2）基于ALI的微流控设备支持自动化或半自动化的气溶胶输送、生物传感和细胞学分析。例如，在单个设备层面，已经开发了一种便携式ALI微流控系统，允许PM沉积在人类支气管上皮细胞上，从而实现基因分析和细胞凋亡途径研究。值得注意的是，由于这些系统具有连续化学测试和准自主操作的能力，微流控体外系统已经被制药行业用于自动化化合物筛选平台。

用于气溶胶研究的微流控装置已经得到了广泛应用，特别是在现场生物气溶胶的检测、收集和分析方面。Metcalf等人对微流控工具在气溶胶科学中的应用进行了简要总结。最近，Sznitman回顾了模拟肺部的微流控装置中的气溶胶传输机制。

将微室和软隔间用于2D和3D细胞培养模型集成到微流控设备和传感器嵌入系统中是生物医学和环境技术中的一个活跃研究领域。空气中的颗粒与气道上皮之间的相互作用通常通过实现气溶胶负载的气流与单层或多层上皮细胞之间的接口来建模（方法S1的第一部分）：体外肺上皮通常暴露于在小尺度几何形状中形成的含气溶胶的气流中。这种基于气-液界面的微设备能够通过集成到平台中的机电系统重现类似体内的现象和生物信号传导。

肺部芯片系统用于研究气溶胶的不良反应。芯片实验室系统是多功能集成且功能先进的微流控设备，包含复杂的微通道和微室几何形状、物理和化学微传感器以及微型阀门和执行器。芯片实验室平台在小型化和数字化方面具有优势，特别是在将小尺寸器官模拟集成到平台中作为微生理系统（即“器官芯片”系统）时。在气溶胶研究领域，已经广泛开发了（半）自动化的肺部芯片设备，以研究空气中的颗粒和烟雾对细胞和组织层面的影响。在这些系统中，通过芯片上的微流控气道，现场收集的气溶胶可以轻松转移到微型ALI模块中（用于体外暴露），而不会受到污染。

细胞体外检测提供了将气溶胶特性与基于细胞信号传导和损伤机制的细胞终点联系起来的重要信息。已经使用了各种嵌入芯片的传感器来测量暴露于空气中的PM所产生的代谢和生化分析物，无细胞和细胞毒性检测都可以与微流控平台结合使用。肺部芯片系统是专门的仿生微流控设备，通过模拟人类肺部的关键功能（包括肺纤毛和定向黏液纤毛清除）来重现肺微生理学。因为ALI结合培养基流动（称为动态ALI）可以在肺部芯片中实现，这些基于细胞生物学的、微型化和可编程的微设备能够在接近生理条件下维持3D肺组织。特别是，芯片上对肺泡气流动力学的模拟已经得到了优化，以模拟气溶胶颗粒的传输和沉积及其对肺组织的影响。表2中呈现了选定相关研究的总结。

| 暴露因子 | 暴露方式 | 细胞/组织模型 | 设备架构 | 生理特征 | 生物终点/读数 | 操作/读数时间尺度 | 自动化和系统集成特性 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| PM2.5 | PM2.5在肺泡通道中的暴露 | 肺泡上皮细胞、内皮细胞、单核细胞相互作用 | 3D肺泡-毛细血管肺部芯片 | 肺泡-血液屏障模拟、免疫细胞相互作用 | 渗透性、ROS、细胞凋亡、IL-6、TNF-α、单核细胞黏附 | 72小时暴露（每天更换培养基）和分析 | microfluidic PM2.5暴露与灌注屏障模型 | Xu等人 |
| PM2.5 | 直接气溶胶化的ALI暴露 | HBE细胞和HFL-1成纤维细胞 | 便携式一体式肺模拟ALI暴露平台 | 集成气溶胶发生器、ALI培养、灌注 | DNA甲基化、RNA测序、ErbB信号传导、药物反应测试 | 210秒暴露及暴露后24小时 | 便携式一体式PM2.5发生器-ALI暴露平台 | Zheng等人 |
| 城市颗粒物 | 基于悬浮液的城市PM在芯片上的处理 | 鼻上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞 | 3D呼吸道黏膜芯片 | 多细胞黏膜屏障模拟 | RNA测序、细胞因子、ZO-1、VE-钙黏蛋白、炎症标志物 | 24小时暴露及分析 | 微型多细胞芯片，带有离线终点分析 | Byun等人 |
| 室内空气中的纳米颗粒 | 基于灌注的血管暴露 | HUVEC基3D微血管网络 | 人类微血管芯片 | 血管对空气中的纳米颗粒的反应 | ROS、炎症信号传导、凝血相关标志物 | 24小时暴露及分析 | 流动灌注血管芯片；无集成气溶胶发生器 | Li等人 |
| PM2.5 | 直接ALI PM2.5暴露 | BEAS-2B细胞和HPMECs | 细胞水平的肺部微流控平台 | ALI、灌注、上皮-内皮相互作用 | RNA测序、iTRAQ蛋白质组学、TEM、IL-6、AKT1相关途径 | 24小时暴露及分析 | 集成ALI气溶胶暴露与灌注肺芯片 | Zheng等人 |
| 环境中的细颗粒物 | 基于灌注的血管暴露 | 3D HUVEC微血管网络 | 微流控血管芯片 | 可灌注的人类微血管 | ROS、NO失调、IL-6、促凝反应 | 24小时暴露及分析 | 流动灌注血管芯片；无集成气溶胶发生器 | Li等人 |
| 干空气、LPS、颗粒物、碘甲烷 | 直接气体/气溶胶在ALI中的暴露 | 初级小气道上皮细胞和肺微血管内皮细胞 | 多层小气道芯片 | ALI、上皮-内皮界面、纤毛功能 | LDH、渗透性、纤毛摆动、黏蛋白 | 5小时暴露及次日分析 | 受控气体/气溶胶ALI暴露与灌注通道 | Sakolish等人 |
| 细胞毒性空气替代颗粒 | 气流介导的气溶胶沉积 | 分化NHBE气道上皮 | 支气管树芯片暴露平台 | 气道分支几何形状、生理相关气流 | 颗粒沉积映射、活力、细胞毒性分析 | 30分钟暴露用于颗粒沉积分析 | 平行气道芯片暴露在受控呼吸器气流下 | Elias-Kirma等人 |
| 吸入的有毒物质/与气溶胶相关的化合物 | ALI暴露结合循环微流控流动 | NHBE气道组织和HepaRG肝球体 | 肺/肝芯片与共享循环 | 多器官交互、长期共培养 | TEER、ATP、LDH、白蛋白、CYP活性、组织活力 | N/A | 泵驱动共享循环；无直接气溶胶模块 | Bovard等人 |
| 100纳米纳米颗粒和1000纳米微粒 | 在循环拉伸下的ALI暴露 | A549和16HBE14o细胞 | 带有弹性膜的呼吸生物反应器 | ALI、循环机械拉伸、基础灌注 | 颗粒摄取、跨上皮运输、屏障相关读数 | N/A | 可编程循环拉伸与实时膜监测 | Doryab等人 |
| 香烟烟雾；SARS-CoV-2伪病毒 | ALI烟雾暴露和病毒挑战 | 初级人类肺泡上皮细胞 | 3D肺泡肺部芯片 | 具有反向蛋白石结构的肺泡芯片 | 肺泡囊状几何形状、循环呼吸运动 | 生存力、ZO-1、4-HNE、细胞因子、ACE2、感染测试 | N/A | 循环应变驱动的吸烟/病毒挑战 | Huang等人 |
| 病毒气溶胶/多聚I:C气溶胶替代物 | 区域气道气溶胶传输 | 鼻子到腺泡的呼吸道连接 | 细胞因子、屏障响应 | N/A（终点病毒传输和细胞因子分析） | 带有连接气流路由的模块化区域气道芯片 | Nof等人 |

表格2按设备操作/读数时间跨度从长到短排序。4-HNE：4-羟基壬烯醛；16HBE14o-：人类支气管上皮细胞系16HBE14o-；A549：人类肺泡基底上皮腺癌细胞系A549；ACE2：血管紧张素转换酶2；AKT1：AKT丝氨酸/苏氨酸激酶1；ALI：气-液界面；ATP：三磷酸腺苷；COPD：慢性阻塞性肺疾病；BEAS-2B：人类支气管上皮细胞系BEAS-2B；CYP：细胞色素P450；DNA：脱氧核糖核酸；e-cigarette：电子香烟；ErbB：红细胞生成素B受体家族；HBE：人类支气管上皮细胞；HFL-1：人类胎儿肺成纤维细胞系HFL-1；HPMEC：人类肺微血管内皮细胞；HUVEC：人类脐静脉内皮细胞；IL-6：白细胞介素-6；IL-8：白细胞介素-8；IL-13：白细胞介素-13；iTRAQ：用于相对和绝对定量的等压标签；LDH：乳酸脱氢酶；LPS：脂多糖；MUC5AC：黏蛋白5AC；NHBE：正常人类支气管上皮细胞；NO：一氧化氮；PM：颗粒物；poly I:C：polyinosinic:polycytidylic酸；RNA：核糖核酸；ROS：活性氧物种；SARS-CoV-2：严重急性呼吸综合征冠状病毒2；TEER：跨上皮电阻；TEM：透射电子显微镜；TNF-α：肿瘤坏死因子α；VE-cadherin：血管内皮钙黏蛋白；ZO-1：闭合带-1。吸入气溶胶的沉积机制以及人类气道结构和细胞类型在方法S1的第二部和第三部分中有详细描述。

例如，肺部芯片可以重现气道树和空气中的颗粒物受重力驱动的沉积行为。包含3D分支气道结构的肺部芯片可用于研究PM引起的肺泡-毛细血管屏障功能障碍，这可能有助于基于机制理解人类大脑中的神经炎症和神经退行性病变。在芯片上重建的气溶胶暴露系统复杂性的进一步改进可能有助于研究颗粒通过上皮黏液层的传输以及颗粒和白细胞跨空气-血液屏障的迁移。

通过将多通道生物传感器集成到肺部芯片中，可以实现快速读数和连续的芯片上分析。这些设备旨在在人造微系统中再现肺的形态特征和机械特性，包括循环呼吸运动。肺部芯片支持对吸入气溶胶（包括PM、有害气体和细菌或病毒）的生物效应的多方面监测和评估。细胞和组织级别的终点可能包括细胞活力、细胞因子分泌、基因表达和上皮屏障特性，这些最终可能影响全身反应。已经开发了多种类型的设备来研究芯片上的PM暴露的生物效应。Xu等人开发的3D肺部芯片模型展示了微流控集成的细胞组件。微尺度细胞外微环境可以有效地模拟肺泡-毛细血管屏障，并重现PM暴露引起的免疫细胞和组织损伤部位之间的相互作用。Sakolish等人设计了一种芯片上的暴露系统，在肺部芯片中重建了实质-血管界面，从而实现生理相关的流动条件和机械刺激。这种气道芯片基于ALI细胞培养平台，可以直接暴露于物理、化学和生物应力下，以产生定量和高内涵量数据。

最近，将机器人系统应用于与气溶胶相关的环境健康成为控制工程的一个焦点（图3）。表3展示了相关发展的总结。特别是，与ALI模块结合的商用吸烟机器人已广泛用于在各种暴露剂量和化学混合物条件下使用肺上皮培养进行的烟草烟雾毒性研究。这些研究主要集中在电子尼古丁输送系统的生物学影响上，其中由尼古丁、丙二醇、甘油和其他化合物组成的电子液体产生的蒸汽通过控制的气流输送到上皮培养物中。图3 展示了用于大气和职业性气溶胶监测、（半）自动化分析以及吸入毒性评估的机器人系统。全文见图例说明。

这些研究通常关注电子尼古丁输送系统的生物学影响，这些系统通过控制气流将含有尼古丁、丙二醇、甘油等成分的电子液体产生的蒸汽输送到上皮培养物中。图3还展示了用于大气和职业性气溶胶监测、（半）自动化分析以及吸入毒性评估的机器人系统。全文见图例说明。

为了研究电子液体化学成分对肺细胞的毒性效应，Sassano等人开发了一种高通量筛选方法，可以同时评估多种细胞培养物中的电子液体气溶胶。该系统基于VC10吸烟机器人，用于对原代人类支气管上皮细胞进行自动化蒸汽暴露。Cultex Radial Flow System（CULTEX RFS；CULTEX实验室，汉诺威，德国）是一种高效的体外模拟吸烟烟雾和颗粒物环境中吸入毒性的装置，采用模块化设计，包括生成气溶胶的机器人、带有自动培养基供应泵和温度控制器的CULTEX RFS模块以及用于气溶胶稀释的混合室。Vitrocell VC10吸烟机器人还被用于使用标准细菌突变 tester 菌株（TA98 和 TA100）在Ames试验中评估电子香烟和香烟烟雾气溶胶的遗传毒性。Vitrocell吸烟机器人与Vitrocell暴露系统（VITROCELL Systems GmbH）结合使用，用于评估基于原代人类气管支气管上皮的EpiAirway组织中的电子香烟气溶胶毒性。这些商用设备可以进一步集成到机器人辅助的台式暴露系统中。

最近，将机器人技术与肺-on-a-chip系统相结合用于气溶胶暴露已成为体外呼吸毒性测试的一个发展领域，通过结合机器人产生的气溶胶和传感器与模拟肺功能的微生理系统。Ingber团队在这一领域做出了重要贡献，他们将类似体内的肺气道微生理学关键方面整合到了微型平台上，包括（1）生物工程化的肺模拟芯片，（2）微呼吸器驱动的呼吸功能，（3）模拟吸烟行为，以及（4）基于编程的呼吸控制界面。该设备在肺-on-a-chip系统中实现了双向气流和可编程的动态气溶胶暴露，在暴露于烟草烟雾和电子香烟气溶胶的情况下，能够识别细胞氧化应激的临床生物标志物及相关纤毛微观病理结果。在同一研究方向上，Benam团队随后开发了一种生物启发的机器人系统，作为自动控制的吸入暴露腔室使用。

自动化和/或微型化的细胞毒性评估对于体外评估气溶胶毒性至关重要（图4）。表S2总结了用于细胞培养的代表性气溶胶暴露方法。为此目的开发了多种小型或便携式设备。例如，Secondo等人报告了一种便携式盒子格式的暴露装置，支持使用A549细胞系进行基于ALI的体外纳米毒性测试。

自动化系统用于评估环境气溶胶的细胞毒性因其适用于现场测量以及系统操作的简便性和便捷性而需求很高。编程仪器操作通常在软件控制下进行，可以实现快速的毒性分析和生物终点的高通量测量。已开发的设备部分或完全自动化，其中一些采用了微型平台。例如，21世纪初基于人类支气管上皮细胞系HFBE21开发了一种半自动气溶胶分配器和细胞暴露系统。分配器的摇晃和激活通过计算机程序控制，设计可容纳六个泵喷单元，实现真实的气溶胶沉积到细胞上。最近，还开发了其他类型的自动化系统用于无细胞气溶胶的细胞毒性检测。

这些自动化系统用于评估环境气溶胶的细胞毒性，因其适用于现场测量以及系统操作的简便性和便捷性而需求很高。开发的设备已作为部分或完全自动化系统实施，其中一些采用了微型平台。例如，2000年代初基于人类气道上皮细胞系HFBE21开发了一种半自动气溶胶分配器和细胞暴露系统。细胞色素P450（CYP）的诱导是内源性活性氧（ROS）的典型酶相关来源，而NF-κB和p53是调节分子氧化还原状态的红敏转录因子。在线粒体生物能量学中，ATP/ADP生成的增加可能与病理代谢状态下抗氧化防御的降低有关。这些机制和终点与临床医学中已经确立的人类生物标志物密切相关。炎症反应是机体对空气颗粒物和生物气溶胶的主要防御机制。细胞因子通过并与膜受体相互作用来调节细胞信号传导，在人类和动物的组织水平炎症反应中发挥核心作用。白细胞（如肺上皮细胞中的巨噬细胞和中性粒细胞）分泌的主要细胞因子类别包括白细胞介素（ILs）和肿瘤坏死因子α（TNF-α）。氧化应激可能介导组织暴露于环境颗粒物后的细胞因子生成。评估生物气溶胶中的内毒素与促炎生物标志物之间联系的暴露-反应关系可能为体内病理机制提供关键信息。乳酸脱氢酶（LDH）和谷胱甘肽氧化还原状态分别被广泛用于检测细胞毒性和氧化代谢结果，尤其是在体外气溶胶毒性测试中（例如，Pariselli等人）。跨上皮电阻（TEER）是一个生物物理指标，代表体外上皮层的完整性。这些基于体外模型的结果被认为与空气颗粒物引起的肺功能障碍间接相关。为了缩小体外-体内数据差距，发现新的生物标志物将有助于促进转化研究。

自动化（或部分自动化）的环境气溶胶分析流程，包括自主机器人系统，已成为环境技术的发展方向。同时，气溶胶分析系统的微型化提高了移动性、现场适应性和野外部署的适用性。从环境健康的角度来看，使用细胞和无细胞测定方法快速高通量筛选气溶胶毒性变得越来越重要，特别是在开发替代动物实验的方法方面。移动式和无监督平台可以通过集成板载细胞暴露模块来实现长期气溶胶监测和收集，最终支持现场空气污染物暴露系统的实现。尽管上述技术取得了进展，但仍存在一些需要解决的局限性。首先，气溶胶采样系统在收集颗粒物的数量和精确测量这些微小质量的能力方面通常表现有限，这可能是连续颗粒物分析系统中缩短时间间隔的障碍。监测设备可以量化从纳米到微米大小的空气颗粒物，并能检测每立方厘米几百到数千个颗粒物。然而，根据颗粒大小信息估计颗粒质量通常需要对颗粒形状和密度做出若干假设。除了采样过程之外，采样、表征和生物暴露模块之间的可靠气溶胶传输是集成系统中的另一个重要挑战。通过采样探头、管材、连接器和其他接口传输的气溶胶颗粒可能会因颗粒特性、气流条件和传输几何形状而丢失，这不仅会影响颗粒浓度，还会影响下游输送气溶胶的生理代表性。这一点对于生物暴露研究尤为重要，因为颗粒大小会影响呼吸道上皮的沉积和相互作用。在动物肺暴露（ALI）系统中也观察到了颗粒损失现象。例如，Tilly等人将理论和实验沉积效率之间的差异部分归因于暴露装置内的颗粒损失。因此，传递给细胞的气溶胶剂量可能与上游表征点测量的剂量不同，可能会复杂化源-效应关系的解释。在耦合各模块时应对传输效率进行表征，并尽可能减少传输距离、弯曲和不必要的接口。其次，肺芯片在环境毒理学中的应用大多仍处于概念验证阶段，部分原因是其对肺结构的模拟程度有限。通过使用诱导多能干细胞（iPSCs）可以增强芯片上肺结构和功能的生物学复杂性再现。然而，基于iPSC的毒理学筛查的体外方法在其应用于环境和实验室生成的气溶胶暴露系统方面仍处于早期阶段。除了这些生物学和生理学挑战外，还需要进一步改进肺芯片和ALI系统的自动化和分析通量。当前包含（半）自动化功能的系统可能仍需要手动操作进行细胞制备、培养基处理、系统操作和/或终点分析。此外，生物读数可能需要几小时到几天的时间，具体取决于暴露模型和终点，这可能会限制集成工作流程的整体通量。最后，大多数现有的体外方法用于评估气溶胶引起的不良影响仅限于肺毒性，而没有充分研究皮肤和眼睛的毒性。直到最近，人类皮肤和角膜上皮的生物工程构造才被用于研究空气颗粒物的细胞不良影响。结合计算机模拟毒性预测方法可以进一步加强它们的转化能力，特别是在日益关注空气污染和需要替代动物实验的背景下。

不同的现场环境场景需要不同的气溶胶收集和检测技术组合。长期环境颗粒物监测通常受益于连续的颗粒大小测量和化学表征，以及高容量采样（表S3），而传染性生物气溶胶监测则需要保持颗粒存活能力的采样方法和快速的生物检测技术（表1）。因此，自动化源-效应平台的最优配置应根据目标气溶胶特性、采样持续时间和时间分辨率、工作流程自动化以及下游（生物）读数来整合互补的采样和检测策略。重要的是，采样策略的选择应确保采样时间（通常为几分钟，基于过滤的方法除外；表1）与所需分析通量和读出时间尺度（通常从0.5小时到几天；表2、3和4）相匹配。除了选择合适的采样策略外，保持收集气溶胶的物理化学完整性也是另一个关键要求，特别是对于可靠的下游生物分析。尽管基于过滤的采样方法已被广泛使用，但它们耗时较长（8-24小时；表1），并且过滤收集的颗粒通常需要洗脱或提取，这可能在收集后引入颗粒损失、不完全回收或提取偏差。特别是对于生物气溶胶，收集过程中的脱水已知会降低微生物的存活率或病毒传染性。最近的气溶胶收集技术进步主要集中在提高时间效率和保持空气颗粒物的内在特性，同时改善与下游生物测定的兼容性。比较可以集成到单一工作流程中的各个模块的性能至关重要：图5显示了表1、2、3和4中列出的设备的操作时间尺度。一方面，气溶胶采样时间一般介于5-30分钟之间，过滤方法除外。基于过滤的收集技术由于主要依赖于手动操作，因此与工作流程不兼容。另一方面，基于细胞暴露的系统（包括肺芯片和机器人/自动化平台）需要更长的操作时间，通常为数小时到数天。图5表明，随着体外细胞暴露于气溶胶颗粒时间的缩短，操作时间也会减少。如表2、3和4所总结的，培养细胞暴露于颗粒的时间通常从24小时到72小时不等，具体取决于使用特定毒性评估方法所期望获得的细胞毒性结果。无论系统是否自动化/机器人化，暴露时间都是进行体外细胞毒性测试的基本生物因素。尽管通常采用24小时的颗粒暴露时间作为细胞毒性测试条件，但根据仪器不同，暴露时间可以缩短至1小时或更短。图5表明从技术上可以将每个模块的操作时间缩短至<5小时。

开发了自动化暴露平台，以最小化气溶胶生成/暴露和细胞评估之间的样品处理（及其所需时间）。在这些方法中，气溶胶直接输送到培养细胞中，通常在动物肺暴露（ALI）条件下，从而消除可能改变颗粒特性的中间收集和准备步骤。总体而言，如果我们排除基于过滤的气溶胶采样器，那么用于体外暴露和细胞毒性测试的分析微设备仍然是阻碍未来自主分析系统提高周转时间的主要瓶颈。为了实现自动化框架，整个系统级别的优化对于匹配采样率和暴露模块通量是不可或缺的。

标准化是开发空气污染物暴露系统中的一个主要挑战，包括气溶胶采样器、传感器校准和操作、器官芯片设计和制造以及自动化数据分析算法。关于气溶胶采样器，建立设备性能标准和标准化测试程序被认为是重要的里程碑。在颗粒物采样器标准化中，空气流速是一个关键参数，因为不同设备的流速校准方法各不相同。对于生物气溶胶收集器，需要标准化空气内毒素和微生物核酸的分析方法，以减少国际层面的实验室间数据差异。由于体积小和功耗低，各种研究级和低成本的气溶胶传感器已被用于监测空气颗粒物和相关气体（表S3和S4）。尽管缺乏标准化的校准和操作协议和程序，但市场上可获得的传感器便携且非常适合与移动暴露系统结合使用。随着设备测试和校准协议的迅速发展，传感器与优化控制的系统集成（例如，Frijns等人）可以提高基于细胞培养的暴露系统的标准化水平。肺芯片、皮肤芯片和角膜芯片设备的标准化一直是阻碍其向工业和临床领域转化的关键瓶颈。这些设备旨在模拟与环境气溶胶暴露密切相关的人类器官的核心生理过程，因此迫切需要制定仪器和评估程序的标准化和国际指南，特别是与芯片集成到暴露系统相关的部分。需要实验室间就通用数据处理算法达成共识，以促进气溶胶检测、采样、暴露和生物读出整个工作流程的自动化和标准化数据分析。轻量级计算工具包用于管理大数据和大规模数据库将是未来移动暴露系统的基本组成部分。

人工智能技术的应用，包括机器学习和深度学习技术，为处理来自气溶胶传感、采样和表征系统的大规模复杂数据集提供了有效方法。例如，在尘土气溶胶研究中，AI算法在智能监测、多尺度特征的自动提取和健康效应的快速评估方面显示出潜力。此外，在生物气溶胶检测中，配备AI辅助信号处理的空气采样器-传感器设备已成为下一代生物传感工具。基于AI的预测毒理学在公共卫生和环境健康领域的应用也引起了兴趣。实现用于现场部署的健康风险预测的机载AI软件仍然是未来的发展方向。最近开发了用于空气质量分析和控制的全系统级AI技术。机器学习建模正在提高系统在基于来源的分类、化学表征和气溶胶氧化剂预测方面的能力。需要将基于AI的毒性评估模型嵌入系统中。将数据驱动的建模模块集成到移动分析系统中可以显著提高人类和生态系统的气溶胶毒性的定量预测能力。此外，数学和计算方法（与人工智能相关）可以提高对各种气溶胶相关物理、化学和生物现象的机制理解，包括气溶胶生成、传输、沉积和毒性。最后，将人工智能与软体机器人技术相结合，可以使肺芯片系统表现出更接近体内环境的行为。然而，这些最近的方法仅实现了现有环境生物分析平台的部分自动化。未来的研究方向应包括：(1) 开发用于评估颗粒物对皮肤和眼睛毒性的基于人工智能的生物芯片；(2) 与生物物理机制相关的机器学习方法，以有效连接气溶胶特征数据和深入的细胞生物学方法；(3) 自动化微型装置，用于筛选天然和人为气溶胶颗粒对生态物种的细胞影响。最终，这些由人工智能支持的设备和系统应该得到适当的评估，并应用于监管领域。

关于气候变化，由于人类活动导致的近期加速现象明显促进了有害气溶胶（例如野火烟雾）的产生。同时，人为产生的空气中的颗粒物不断威胁公共卫生。在这种情况下，我们回顾了基于气溶胶收集器、微流控装置、肺芯片和机器人平台等核心技术的发展现状和未来方向。通过结合从空气颗粒采样到体外生物读数的技术元素，提供了系统级别的“从源头到效应”的工作流程的前景。然而，在我们看来，实现这一愿景仍然存在几个限制：(1) 当前的设备上细胞毒性终点与体内毒理学结果的相关性较弱，需要新的方法来填补体外与体内数据之间的差距；(2) 气溶胶采样设备的性能通常有限，并且在传输到连接的分析模块过程中可能会丢失颗粒物，因此系统级设计应仔细考虑通过最小化设备与仪器之间的接口来提高气溶胶传输效率；(3) 对于环境健康领域的应用，目前的肺芯片只能在有限的程度上模拟体内肺的功能。此外，还需要开发完全自动化的肺芯片以实现快速的生物读数能力。除了肺之外，还需要考虑将生物工程化的人类皮肤和角膜上皮纳入建议的工作流程中。

为了优化工作流程的整合，应调整气溶胶采样时间，以使其与下游设备的操作时间尺度相匹配。保持收集颗粒物的物理化学完整性和活力是另一个重要要求。基于这些原因，不建议使用基于过滤器的采样方法。单个设备和整个系统的标准化仍然是阻止其应用于实际领域的主要障碍。由人工智能驱动的控制系统、数据分析和毒性预测将是支持移动式“从源头到效应”框架自动化和/或机器人化的重要技术。

尽管我们提出了一种统一的“从源头到效应”的框架，用于气溶胶的移动化和自动化分析，但并没有详细提供系统级实施的实用策略。此外，我们也没有提出任何潜在的解决方案来解决在将概念化的工作流程发展成实际系统时可能遇到的技术问题。数学分析或计算建模可能是验证所提出框架可行性的有效方法，而这在本研究中基本上是缺失的。

主要联系人：如需更多信息，请联系主要联系人Baeckkyoung Sung博士（[e-mail]）。

本研究中没有生成新的材料。

**数据和代码的可用性：**
- 本文分析了先前发表的研究，没有新的数据生成。
- 本文没有报告原始代码。
- 如需重新分析本文中报告的数据，可以从主要联系人处获取任何额外信息。

**致谢：**
本工作得到了KIST-Europe基础研究计划（项目编号12603）的支持。我们感谢KIST Europe的Jihoon Park博士提出的宝贵意见和讨论。

**作者贡献：**
- 构思：B.S.和L.A.
- 方法论：S.J.和K.E.K.
- 调查：B.S., S.J.和C.-H.H.
- 编写初稿：B.S., S.J., K.E.K.和C.-H.H.
- 审查和编辑：B.S., S.J., C.-H.H.和L.A.
- 资金筹集：B.S.
- 监督：B.S.

**利益声明：**
作者声明没有竞争利益。

**STAR★ 方法**
**关键资源表**
**试剂或资源**
**来源标识符**
**Software and algorithms**
OriginPro? 2019b
OriginLab Corporation
版本2019b
https://www.originlab.com
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**方法细节**
筛选已发表的研究，以选择与气溶胶生成、监测和采样、微流控和器官芯片系统、气溶胶暴露平台、机器人系统以及人工智能辅助的气溶胶分析相关的代表性技术发展示例。收集研究文章以描述和比较各个设备和实验平台，而评论文章则用于提供更广泛的技术和方法论背景。文献选择旨在支持对本文讨论的技术组件的定性和比较评估，并非系统回顾或元分析。

**信息提取**
从原始出版物中提取操作和分析特征，并汇总在表1、2、3和4中。对于气溶胶采样方法，提取的特征包括采样时间、样本完整性保持、自动化程度、与下游生物检测的兼容性、主要限制以及典型应用。对于肺芯片、机器人、可编程和微型暴露系统，提取的信息包括暴露剂和方式、生物模型、设备或平台架构、生物终点、操作/读数时间尺度以及自动化或系统集成特性。

**操作时间尺度分析**
表1、2、3和4中总结了操作时间尺度值，用于图5中呈现的系统性能比较。排除了没有相关时间尺度信息的研究。报告的值在必要时转换为小时单位，并根据图5中显示的设备类别进行分组。

**量化和统计分析**
未进行推断统计分析或元分析。使用描述性统计来总结图5中呈现的操作时间尺度。对于每个设备类别，使用中位数作为中心趋势的度量，使用最小值到最大值范围来表示分散程度。计算和可视化使用OriginPro 2019b（OriginLab Corp., Northampton, MA）软件进行。

**补充信息（1）**
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文档S1. 表S1–S4和方法S1