人支气管上皮
人呼吸道的支气管上皮层分为假复层（pseudostratified），纤毛（ciliated） 以及柱状（columnar）上皮。该区域主要有三种细胞类型：纤毛细胞 （ciliated cells），分泌细胞（secretory cells）（主要是分泌粘液的杯状细 胞）和基底细胞（basal cells）1。 支气管上皮作为保护屏障，防御各种吸入性伤害，例如毒素，污染物和病 原体。
屏障功能的维持主要基于于上皮的三个关键特征：
1. 紧密连接蛋白（tight junction proteins）维持着上皮的完整性，并且 对于其作为物理屏障的功能至关重要。
2. 分泌细胞分泌的粘液会捕获颗粒物质和病原体，然后通过纤毛细胞 的协同将这些颗粒物质和病原体通运出气道2,3。
3. 粘液中含有抗菌肽（antimicrobial peptides）和炎症因子 （inflammatory mediators）等保护性介质，形成了对病原体和有毒 物质的化学和免疫屏障4。 呼吸道上皮的生理相关模型的需求正在日益增长，但其挑战仍在于如何 在体外重现体内组织的复杂结构和功能。
体外呼吸道上皮建模
多种细胞类型可用于人类呼吸系统的建模，包括永生化的呼吸细胞系（ 例如BEAS-2B细胞和16HBE14o-细胞）以及来自动物或人类供体的原代 细胞。尽管使用永生化细胞系和动物原代细胞很普遍，但使用这些模型 产生的数据并不直接适配于人类系统5。传统培养人原代支气管上皮细胞 的方法是将细胞浸没于培养基之下进行培养；但是，在该培养系统中的 细胞无法进行粘膜纤毛分化。为了重现在体内观察到的伪分层粘膜纤毛 表型（pseudostratified mucociliary phenotype），必须在气-液界面（AirLiquid Interface，ALI）上培养原代人支气管上皮细胞（primary human bronchial epithelial cells，HBEC）（图1）6。气-液界面培养的主要特征是细胞的基底表面与液体培养基接触，而其顶 端表面则暴露于空气中。常见的细胞接种方法是将细胞接种到细胞培养插 件（cell culture insert）的可渗透膜上。在细胞培养初期，顶端和基底的腔 室都需要添加培养基（图1A）。当细胞数量接近满板时，需要对细胞“airlift”，即吹干顶端腔室的培养基，并保留基底腔室的培养基（图1B）。该培 养系统模拟了人气道中的情况，诱导细胞向粘膜纤毛表型分化。
气-液界面培养视频
气-液界面培养的生理相关性
原代HBEC的气-液培养近年来越来越被认为是与呼吸系统生理学高度 相关的重要培养系统5 。在气-液上培养的HBEC经历了高度的粘膜纤毛 分化，从而形成了代表体内气道的体外模型。H&E（hematoxylin and eosin）和PAS（periodic acid-Schiff）染色显示气-液界面培养物（图2A和 2C），如同体内支气管上皮一样（图2B和2D），表现出伪分层的形态，以及 异种细胞群的组成，包括纤毛和粘液分泌（PAS阳性）细胞。该模型的特征还在于体现出上皮的屏障功能，例如表达紧密连接蛋白和 高细胞跨膜电阻（high transepithelial electrical resistance）6。通过转录 组分析7与细胞对毒素、病原体等外源物质的生理反应实验，进一步证实 了气-液界面培养物对气道建模的高度适用性8-10。此外，对来自患有呼吸 系统疾病（例如哮喘，囊性纤维化，慢性阻塞性肺病）供体的原代细胞进 行气-液界面培养，可以重现体内疾病特征，从而建立可靠的体外研究模 型11,12。
气-液界面培养的应用
气-液界面培养在呼吸系统研究中具有巨大的潜力，拥有广泛的实验用途。 其中诸多专业的实验，往往无法通过传统浸没培养模型进行。使用气道上 皮细胞的气-液界面培养物可以：
– 研究呼吸道上皮的细胞生物学 气-液界面培养物是体外研究呼吸道上皮的生理学相关度最高的 模型6。 • 建立呼吸系统疾病模型 使用气-液界面培养来培养患有慢性呼吸系统疾病（如哮喘，囊性纤 维化，慢性阻塞性肺病）的患者的气道上皮细胞，从而可以在体外研 究疾病的机制11,12。
– 研究呼吸道上皮的感染 一些呼吸道病毒只会有选择性地感染完全分化的气道上皮细胞13,14。
– 测试吸入式药物的有效性 气溶胶颗粒可以直接添加在半干的细胞顶端表面上，从而模拟粉末 在体内沉积到肺的表面15,16。
– 测试吸入物质的毒性 气-液界面分化的原代上皮细胞对于吸入成分（例如烟草烟雾成分之 类）的伤害反应与人体内气道的真实伤害反应极为相似17,18。
参考文献
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