《Research》：Unveiling Particulate Matter–Lung Interactions from Static Models to Dynamic Lung-on-Chips
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环境中普遍存在的可吸入颗粒物(particulate matter, PM)对肺部健康构成显著威胁。然而，其潜在的致病机制仍知之甚少，这主要是由于现有体外(in vitro)模型在精确模拟复杂生物过程方面存在局限性。本综述批判性地审视了PM研究中使用的各类体外
环境中普遍存在的可吸入颗粒物(particulate matter, PM)对肺部健康构成显著威胁。然而，其潜在的致病机制仍知之甚少，这主要是由于现有体外(in vitro)模型在精确模拟复杂生物过程方面存在局限性。本综述批判性地审视了PM研究中使用的各类体外模型，范围从传统的二维模型到先进的三维(3D)构建体，包括3D生物打印模型和类器官，以及新兴的肺芯片(lung-on-chips, LOCs)领域。研究人员对每种模型类型的独特优势和挑战进行了细致的评估。特别强调了LOCs技术在复制呼吸运动动态特性方面的创新应用。本综述深入探讨了整合模拟呼吸的刺激如何调节PM与细胞/组织界面之间的复杂相互作用。最终，揭示了一个创新性、高度集成且智能化的LOCs平台，并对其演变提出了前瞻性见解。
PM诱导的肺毒性作用（PM-Induced Pulmonary Toxicology）
PM分类（PM classification）
PM是空气中固体颗粒和液滴组成的复杂悬浮物。在环境健康研究中，PM根据空气动力学当量直径(AED)分类，包括PM10、PM2.5和PM0.1，并进一步分为粗颗粒（PM2.5–10）、细颗粒（PM0.1–2.5）和超细颗粒（PM0.1）。不同粒径的PM在呼吸道中的沉积部位及健康效应各不相同。直径大于10 μm的PM主要沉积在鼻咽部，可通过打喷嚏和咳嗽排出。PM2.5–10沉积于气管和支气管，长期暴露会抑制纤毛摆动，导致黏液分泌过多和气道炎症。PM0.1–2.5可深入细支气管和肺泡，激活巨噬细胞和上皮细胞，引发氧化应激和炎症，导致肺泡上皮损伤和屏障功能障碍。PM0.1几乎全部沉积在肺泡区，并可穿过肺泡-毛细血管屏障进入体循环，迁移至心脏、大脑等其他器官。
PM诱导的肺毒理学机制（PM-induced pulmonary toxicological mechanisms）
PM沉积在肺部后与多种细胞相互作用，其核心毒理机制涉及氧化应激、炎症反应、细胞毒性和遗传损伤。PM作为“载体”富集金属和有机化学物，被细胞摄取后使活性氧(ROS)水平显著升高，破坏氧化还原平衡，直接损伤脂质、蛋白质和DNA。同时，ROS作为关键信使激活核因子κB(NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路，驱动多种促炎细胞因子和趋化因子表达。PM还可触发NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)炎症小体激活，促进白细胞介素-1β(IL-1β)分泌，形成“氧化应激-炎症”恶性循环。PM诱导的肺损伤很大程度上通过上皮-免疫串扰实现，上皮细胞释放警报素和细胞因子，激活巨噬细胞极化、中性粒细胞募集，并放大NF-κB和NLRP3炎症通路。持续的氧化应激和炎症可导致线粒体损伤和细胞焦亡。此外，PM暴露还通过DNA甲基化和RNA m6A修饰等表观遗传机制引发持续性分子改变。气道黏液和肺表面活性物质作为细胞外屏障，可与PM直接作用，影响其聚集、扩散、沉积和细胞摄取，并参与固有免疫调节。最终，这些机制共同导致肺泡-毛细血管屏障破坏，通透性增加，引发肺水肿、气体交换受损和进行性呼吸功能障碍。
使用体外模型研究PM的肺部效应（Pulmonary Effects of PM Using In Vitro Models）
二维模型（2D models）
传统的2D模型包括常规浸没培养系统和空气-液体界面(ALI)培养结构。常用细胞类型包括癌细胞系（A549、Calu-3）、永生化细胞系（BEAS-2B、huAEC）以及原代细胞（AT1、AT2）。研究发现，硅纳米颗粒(SiNPs)可通过ROS/细胞外信号调节激酶(ERK)通路和蛋白质降解途径降低BEAS-2B细胞中紧密连接蛋白ZO-1、ZO-2和occludin的表达。利用Transwell系统建立单细胞、双细胞和三细胞共培养模型（包括A549上皮细胞、THP-1巨噬细胞和EA.hy926内皮细胞）的研究表明，与双细胞共培养相比，三细胞共培养系统中PM2.5诱导的不良反应更为显著，证实了细胞间通讯对屏障特性和免疫炎症反应的调节作用。2D模型具有简单、成本低、高重复性的优点，但其缺乏细胞-基质相互作用、3D结构组织以及动态生物力学环境，且常规浸没培养缺少黏液和肺表面活性物质层，限制了对组织水平反应的预测能力。
三维生物打印（3D bioprinting）
3D生物打印能够根据预设计的3D数字模型精确分层细胞负载生物墨水，构建具有复杂解剖结构和细胞活性的体外组织模型。已有研究通过优化生物墨水构建3D打印肺模型，该平台虽主要用于流感病毒感染研究，但展示了生物打印肺构建体支持长期培养并重现上皮炎症反应的能力，相关特征对PM毒理学研究具有高度相关性。Park等人利用3D细胞打印开发了功能性气道芯片模型，通过ALI培养诱导气道上皮成熟，并重构了3D天然血管网络。Kang等人使用喷墨3D打印构建肺泡屏障模型，模拟了肺泡屏障的3D结构，并评估了不同浓度PM对细胞毒性、屏障硬度和肺表面活性物质分泌的影响。3D生物打印模型能够实现对细胞分布和细胞外基质(ECM)成分的空间控制，有助于研究组织结构对PM沉积、穿透和局部细胞反应的影响，但当前仍面临打印分辨率、生物墨水相容性、长期活力以及重建功能性血管和免疫组分等方面的挑战。
肺类器官（Lung organoids）
类器官是通过诱导干细胞体外分化形成的3D微器官结构，具有自组织能力和部分器官功能。Kim等人利用人 pluripotent stem cell (hPSC) 衍生的肺泡类器官(AOs)评估柴油颗粒物(dPM2.5)的影响，发现dPM2.5处理破坏了肺泡上皮细胞的分化过程，上调氧化应激和炎症相关基因，促进上皮-间质转化，并激活ERK信号通路。Wang等人使用人胚胎干细胞(hESCs)衍生的肺芽尖类器官(LPOs)研究发现，PM2.5显著损害细胞增殖，并破坏肺早期发育中关键转录因子NKX2.1、SOX2和SOX9的表达。Winkler等人利用成人干细胞来源的气道类器官研究发现，非降解性微塑料纤维(MPFs)在损伤修复期可能被修复组织包裹，且SCGB1A1基因表达显著降低。与3D生物打印模型相比，类器官能更好地反映组织复杂性和器官层级的功能网络，适用于研究PM暴露后的上皮分化、干细胞反应、组织再生和慢性重塑。然而，大多数类器官系统缺乏生理性气流、血管灌注、免疫监视和机械刺激，其封闭的3D结构还可能产生扩散梯度并影响颗粒暴露分布。
动物模型作为评估先进体外平台的参考系统（Animal models as reference systems for evaluating advanced in vitro platforms）
动物模型保留了完整的免疫系统、血液循环和复杂的肺组织微环境，适合研究PM暴露的多层次效应。通过建立小鼠呼吸道暴露或气管内给药模型，Cheng等人发现吸入的PM分布于气道平滑肌束内，伴随平滑肌束增加和胶原沉积增强，并证实PM2.5诱导气道平滑肌细胞衰老相关分泌表型是促进气道重塑的关键因素。另一研究团队发现PM10和PM2.5暴露可加重复合小鼠肺部炎症、纤维化、氧化应激和细胞凋亡，且PM2.5诱导的不良效应较PM10更为显著。然而，动物模型存在物种差异、伦理争议、通量低、成本高和周期长等固有局限，使其不能完全替代人体反应，但可作为有价值的参考系统用于验证体外发现。
肺芯片（Lung-on-chips）
器官芯片(OOCs)在微流控芯片上整合天然器官微环境的关键功能单元，其中肺芯片(LOCs)能够模拟呼吸运动产生的循环机械拉伸、ALI条件及血管灌注。Huh等人首次构建的LOC模型包含ECM包被的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜和两个中空侧腔，通过循环真空施加机械应变模拟呼吸运动，发现循环机械应变增强了肺泡上皮和内皮细胞对纳米颗粒(NPs)的摄取，加剧了NPs的肺部毒性和炎症反应。Stucki等人设计的模拟肺实质环境的LOC包含流体部分和气动部分，可重现呼吸运动引起的3D循环应变，研究显示循环拉伸显著影响上皮细胞层的通透性，且动态模式下原代人肺泡上皮细胞的代谢活性显著高于静态模式。2024年的一项研究开发了集成离子液体基聚甲基丙烯酸羟乙酯凝胶膜(PH-GM)的肺上皮芯片，施加10%应变和0.2 Hz频率的机械拉伸，结果显示动态机械应力(DMS)条件下PM0.5暴露的效应最强。此外，整合免疫细胞的LOCs研究显示，聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)浓度增加导致细胞活力和跨上皮电阻(TEER)显著下降，PS-NPs可穿过肺泡-毛细血管屏障进入血液，诱导氧化应激和炎症反应，并显著降低α1-抗胰蛋白酶表达。LOCs还可用于模拟生理呼吸气流条件下的气道内PM沉积，通过荧光成像和颜色编码热图量化不同气道分支的异质性沉积模式。LOCs可通过集成TEER传感器实现空气-血屏障完整性的实时原位监测，并可与其他器官芯片连接构建多器官芯片(MOC)以研究全身性相互作用。在现有体外模型中，LOCs提供了最高的生理复杂性，可用于研究呼吸运动对颗粒沉积、屏障功能障碍、颗粒跨空气-血界面转运以及动态炎症反应的影响。
肺芯片的展望（A perspective of LOCs）
尽管LOCs显示出巨大潜力，仍面临多项挑战。首先是材料瓶颈，PDMS的固有疏水性和对疏水性小分子的亲和力可能影响PM的实际暴露浓度和毒性效应。其次是3D曲面模拟难题，平面膜拉伸产生的均匀应变场无法完全模拟体内肺泡在高曲率囊状结构中的异质性应变分布。现有微曲面培养膜和真空驱动设计虽能部分改善仿生性，但存在制造工艺复杂、可扩展性有限和再现性差等问题。此外，LOCs的设计、制造和操作流程缺乏标准化，限制了跨团队数据的可比性。未来发展方向包括多技术整合，如将类器官的可控定向分化与微流控芯片技术结合，已有研究构建了单
