《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Microfluidic lung-on-a-chip for evaluating inflammation and toxicity from environmental pollutants
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环境污染物对公众健康构成日益严重的威胁，然而传统毒性模型在重现复杂人体生理功能方面存在固有局限。作为一种新兴的器官芯片（organ-on-a-chip）技术，微流控肺芯片（lung-on-a-chip）利用微工程方法精确模拟人体肺的关键结构特征和动态生理微环境
环境污染物对公众健康构成日益严重的威胁，然而传统毒性模型在重现复杂人体生理功能方面存在固有局限。作为一种新兴的器官芯片（organ-on-a-chip）技术，微流控肺芯片（lung-on-a-chip）利用微工程方法精确模拟人体肺的关键结构特征和动态生理微环境，从而为环境污染物毒性评价提供高仿生研究平台。本综述旨在总结该技术的核心原理及其在模拟污染物暴露和毒性反应方面的应用现状，并分析其相对于传统体外模型的优势（包括仿生建模和实时监测）以及当前面临的挑战（涉及芯片标准化、操作复杂性和子系统集成）。本文重点综述了微流控肺芯片在评估大气颗粒物及病原体、挥发性有机化合物（VOCs）与芳香烃、以及新兴微/纳米材料所致炎症和毒性方面的最新研究进展，并进一步展望了其在推进环境毒理学、精准风险评估和个体化健康预测研究中的广阔应用前景。
1 引言
环境污染物对公众健康构成全球性威胁，呼吸系统是主要暴露靶器官。传统毒性评估模型，包括动物实验和静态二维（2D）细胞培养，存在显著局限性：动物模型存在物种差异，难以准确预测人体生理反应；静态2D培养无法重现体内复杂的三维（3D）组织架构、细胞间相互作用以及关键生理微环境（如流体条件、气液界面和呼吸相关机械应变）。为克服这些挑战，微流控肺芯片技术应运而生。该技术整合微流控、细胞生物学和组织工程，能够在微尺度芯片上精确控制流体动力学、机械力以及多细胞类型共培养，从而构建具有高生理相关性的3D肺组织模型。近年来，微流控肺芯片已被广泛用于模拟多种环境污染物吸入暴露并研究其毒性通路，展现出显著的应用潜力。
2 肺芯片的技术原理与模型构建
2.1 关键组件与芯片设计
肺芯片的核心设计旨在精确重现人体肺的复杂生理微环境。芯片结构一般包括相互连通的微通道/腔室和多孔膜，多孔膜分隔空气腔与液体腔，从而重建肺泡-毛细血管屏障这一关键生理结构。芯片通常采用具有良好生物相容性和光学透明性的材料制造，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），并通过软光刻技术加工。PDMS因其生物相容性、透气性、光学透明性、化学惰性、易成型性和低成本而被广泛使用。多孔膜材料包括聚碳酸酯、聚己内酯、胶原纳米纤维和Matrigel。为进一步模拟肺泡的囊状形态，有研究开发了肥皂泡启发的囊泡水凝胶膜，可稳定承受呼吸样循环机械拉伸和流体流动。在机械和流体控制方面，微泵和精密压力控制系统用于模拟呼吸样循环机械应变（人体肺泡通常为10%应变、0.2Hz）和毛细血管血流（如1mm/s）。这些物理刺激对维持肺泡上皮细胞和内皮细胞的正常表型和功能至关重要。细胞共培养系统是模型功能化的基础，通常将人源肺泡上皮细胞（如A549细胞、原代细胞和诱导多能干细胞衍生细胞）与人血管内皮细胞在气液界面共培养。为构建更复杂的微生理系统，研究人员还引入免疫细胞（如巨噬细胞）和成纤维细胞，模拟肺微环境中的关键细胞间相互作用和免疫反应。采用气溶胶输送系统实现芯片上污染物暴露，该系统主要包括污染物储存容器和真空驱动吸入模拟器或步进电机驱动微型呼吸器。
2.2 模型功能化与验证
肺芯片模型的功能化需通过一系列定量指标进行验证。屏障功能评估是核心环节，通常通过测量跨上皮电阻和荧光示踪剂渗透性测定来实现，可定量评估环境污染物暴露后屏障通透性的变化，反映污染物诱导的肺组织早期结构损伤。代谢和清除功能模拟方面，先进肺芯片模型引入细胞色素P450酶等代谢活性，以评估污染物在肺内的生物转化；同时通过模拟黏液纤毛清除，研究空气颗粒物的沉积和清除动力学。为实现多参数动态监测，肺芯片常与在线或离线高灵敏检测系统耦合，如集成实时荧光显微镜、酶联免疫吸附测定和质谱，可连续监测细胞活力、炎症细胞因子（如IL-6、IL-8）分泌、氧化应激标志物以及基因组/蛋白质组变化。另有研究将柔性喷墨打印pH传感器集成到肺芯片中，实时监测模拟肺泡微环境中的pH波动，为研究污染物诱导的局部化学环境变化提供新工具。这些综合验证确保了肺芯片模型在环境毒理学研究中的高生理相关性和预测价值。
3 肺芯片在环境评估中的应用
3.1 大气颗粒物和病原体的毒性机制
微流控肺芯片为研究大气颗粒物（PM）和病原体的毒理学机制提供了高精度平台。通过精细设计的气流通道，研究人员可精确控制含有PM
2.5或病原体（如细菌和病毒）的气溶胶流动，模拟其在肺泡区域的沉积模式。该动态暴露模型克服了传统静态培养的局限，可定量评估不同粒径和化学组成颗粒物在肺泡上皮细胞和驻留巨噬细胞上的沉积效率。芯片内模拟的生理呼吸模式（如运动时的高流量状态或吸烟者的“吸入-屏息-呼出”模式）显著增加颗粒物沉积。在阐明早期分子事件方面，肺芯片表现出色。例如，人肺芯片模型重现了H1N1严重感染的免疫应答，包括细胞因子风暴和上皮损伤，并揭示IL-1β和TNF-α在启动和调节细胞因子风暴中的相反作用，以及基质-免疫CXCL12-CXCR4轴在感染中调节免疫激活的关键作用。针对PM相关评估，有研究模拟肺泡-毛细血管界面微环境，发现100μg/mL PM
2.5暴露诱导严重氧化应激并最终导致细胞死亡。另一项基于肺泡-毛细血管界面的微流控共培养系统动态监测了PM
10暴露后上皮和内皮细胞促炎细胞因子（如IL-6和TNF-α）释放的时间变化，同时捕获活性氧（ROS）产生等氧化应激反应，阐明PM诱导急性肺损伤和慢性疾病的早期通路。肺芯片模型还可有效评估PM暴露导致的肺泡-毛细血管屏障功能破坏，表现为紧密连接蛋白异常表达和分布、跨上皮电阻下降及屏障通透性增加。机制上，PM暴露增加ROS产生，激活内质网应激，上调PERK-eIF2α信号通路，进而促进下游促凋亡蛋白表达，与活化的Caspase-3协同诱导肺细胞凋亡，导致肺组织损伤和功能障碍。此外，近期肺芯片研究表明，循环拉伸通过增强巨噬细胞吞噬和迁移以及破坏上皮紧密连接，促进PM
2.5跨血气屏障转运。
3.2 VOCs和芳香烃的毒性评估
微流控肺芯片通过集成气体或液体灌注系统，可构建针对VOCs和芳香烃的高仿生动态暴露模型。该系统能够模拟人体呼吸周期性的吸入暴露（如苯、甲醛），克服传统静态培养皿暴露浓度不准确、无法反映实际吸入动态的缺点。利用芯片上培养的具有代谢酶活性（如CYP2E1）的肺细胞模型，可深入研究VOCs肺代谢产生的活性中间体诱导的DNA加合损伤和细胞凋亡。基于微流控的肺肺泡系统便于比较不同细胞类型（如上皮细胞与内皮细胞）对芳香烃毒性的敏感性差异，揭示细胞特异性损伤机制。研究发现，超过20μM的苯并芘刺激2天即可破坏肺泡-毛细血管界面结构完整性，并产生多种炎症细胞因子（如IL-6、IL-8和MCP-1）。界面中的内皮细胞比上皮细胞更具化学敏感性，且ROS生成活性更强。为反映实际环境多种污染物共存场景，研究人员设计了多通道微流控芯片，可同时或顺序暴露于PM和VOCs等组合污染物，研究协同或拮抗毒性效应。机制上，在肺芯片模型中暴露这些化学污染物通过ROS诱导的氧化应激和激活AhR/NF-κB信号直接损伤肺泡上皮，导致屏障破坏和促炎细胞因子释放，进而触发内质网应激、凋亡和免疫细胞浸润，同时干扰基质-上皮相互作用，最终可能导致慢性炎症、纤维化重塑或持续性肺功能障碍。
3.3 微/纳米材料的安全评价
微流控肺芯片在评价微/纳米材料肺毒性方面展现出巨大潜力。在模拟生理流体条件下，该平台可研究碳纳米管、氧化锌纳米颗粒等纳米材料的团聚、沉降及与生物分子形成“蛋白冠”的行为。更重要的是，芯片技术可将这些理化行为直接与纳米材料的炎症和细胞毒性效应相关联。例如，研究者可观察纳米材料被细胞摄取后的胞内定位及其引发的亚细胞事件，包括ROS产生、线粒体损伤或凋亡。有研究开发了集成纳米颗粒浓度梯度发生器的微流控肺芯片系统，用于动态、剂量依赖地评估聚苯乙烯纳米颗粒在重建人肺泡屏障上诱导的炎症和损伤反应。结果表明，肺泡上皮细胞对纳米塑料的内化与施加剂量呈正相关，并随时间增加，从而促进肺泡-毛细血管界面解体、细胞氧化应激、促炎蛋白分泌和凋亡。低剂量纳米塑料引发肺泡防御反应，而高剂量（≥50μg/mL）则诱导严重的炎症和细胞毒性效应，涉及氧化应激失衡、肺泡-毛细血管屏障破坏、促炎细胞因子释放和凋亡。另一项研究比较了传统培养与微流控肺芯片条件下L-半胱氨酸包被的氧化锌纳米颗粒对A549肺泡上皮细胞的毒性，发现芯片环境中细胞死亡减少，表明流体动力学等微环境因素显著影响纳米毒性。机制上，微/纳米材料可被肺泡上皮细胞和巨噬细胞内化，触发过量ROS产生和氧化应激，随后激活促炎NF-κB和MAPK信号通路，导致细胞因子释放和炎症细胞浸润。这些材料还可能破坏线粒体功能、诱导内质网应激并激活未折叠蛋白反应，最终促进凋亡、焦亡或自噬依赖性细胞死亡，同时损伤肺泡-毛细血管屏障并促进纤维化重塑。肺芯片实验还证明，循环拉伸主要通过小窝蛋白介导的内吞显著增强细胞对纳米塑料的摄取，从而加剧炎症（如ROS产生）和细胞毒性。
4 技术优势、挑战与未来应用前景
4.1 优势与挑战
微流控肺芯片相对于传统2D培养和动物模型具有显著优势。其首要优势是高生理相关性：可在3D水平重现上皮和内皮层排列、机械力（如循环拉伸）和动态流体学，同时支持上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞共培养，从而忠实模拟肺微环境。此外，芯片可通过集成成像实现实时、非侵入式监测，捕获早期瞬时事件（如ROS爆发）。其微小尺寸允许微尺度操作，减少试剂和细胞用量，符合3R原则，为动物实验提供人类相关替代方案。然而，多项限制和挑战阻碍了该技术的广泛应用。首先是缺乏标准化：不同实验室在芯片设计、细胞来源、培养条件和暴露参数上的差异影响数据可比性和交叉验证。其次是复杂性和高成本，需要跨学科专业知识和昂贵设备。此外，长期培养仍是瓶颈，大多数模型只能维持数天至数周的稳定功能，不足以研究慢性低剂量效应（如镉诱导的纤维化或致癌）。重要的是，肺芯片的子系统集成对于大规模多功能操作和分析至关重要，目前仍有待发展。克服这些障碍需要跨学科合作和技术创新。
4.2 未来应用前景与发展
肺芯片技术在毒理学领域前景广阔，但存在若干关键差距。在个性化精准毒理学方面，干细胞来源的肺细胞常表现出不成熟表型和代谢能力不足，削弱其预测准确性，亟需标准化分化方案和质量控制测定。长期培养受蒸发和材料吸附阻碍，需要主动加湿和低吸附涂层等工程解决。在多器官集成方面，主要挑战不仅是简单连接，还需保持器官特异性微环境和正确的尺寸比例；现有设计多采用单一共享培养基，无法重现生理代谢物梯度，而模块化、独立灌注单元配合半透界面更具优势，但仍缺乏标准化连接器和操作协议。在人工智能驱动
