培养面积扩大,首先解决样本不够的问题
气道芯片的培养面积较小时,能够获得的细胞、蛋白和培养上清也较少,一些常规检测因此受到限制。荷兰格罗宁根大学医学中心(University Medical Center Groningen,UMCG)等机构团队开发较大尺寸的气道芯片,希望保留动态培养的优势,同时让 RNA 提取、蛋白分析和分泌物检测更容易沿用已有工作流程。
装置以半透性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)膜分隔上下两个培养腔。膜上方可以通空气,下方通培养液;两侧流动相互独立。中央培养区约 5 mm 宽、18 mm 长,加上渐窄入口后的面积约为 92 mm²。上皮细胞和成纤维细胞可分别位于膜的两面,保留近距离交流的条件。
研究先用 Calu-3 肺腺癌来源上皮细胞检查装置,再转向原代人气道细胞。原代上皮取自 3 名健康肺供者的剩余气管支气管组织;成纤维细胞则来自慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者的移植肺组织。两类细胞各有来源,组合用于检查共培养可行性。
方向性流动也是装置设计的重要组成。作者讨论,气道上皮的空气流动和组织内部可溶性因子的移动,会影响机械刺激、局部浓度与细胞间交流。芯片因此同时提供空气侧和液体侧的流动环境,研究者可从出口或储液位置取得分泌物,减少直接扰动细胞层。
细胞、RNA 和分泌物都能回收检测
平台比较采用芯片、24 孔板和 Transwell 插入式培养系统。芯片和 Transwell 中的 Calu-3 细胞在气液界面培养 10 天,孔板细胞同期保持浸没培养。研究从各平台回收细胞,并检查 RNA、总蛋白及炎症相关分泌物,评价较大培养区能否提供足够的样本。
4 次独立实验中,芯片平均回收约 162,500 个细胞,RNA 产量为 1,300±300 ng;24 孔板分别约为 225,000 个细胞和 1,900±400 ng,Transwell 分别约为 62,000 个细胞和 480±100 ng。芯片总蛋白产量约为 237.5 μg,还能从 24 小时上清中检测到白细胞介素 8(interleukin-8,IL-8)。这些结果支持后续核酸和蛋白检测的样本需求。
作者比较了制备时采用不同封接条件的芯片,台盼蓝与代谢活性检测均未发现显著细胞存活差异。这个检查回答的是装置制备对细胞的影响;样本产量比较则回答能否兼容常规分析。两个问题分别检验,也为进一步接入具体干预实验提供了基础。
气液界面下出现分化特征,并支持原代共培养
Calu-3 细胞在接触空气 10 天后产生黏液,呈现更明显的分层。E-cadherin 和 ZO-1 连接相关蛋白位于细胞接触区域,说明芯片支持上皮连接结构的形成。气流培养条件下的 MUC5AC 黏蛋白分泌增加;这一反应也见于其他培养平台,平台间未发现显著差异。
原代上皮与成纤维细胞在膜两面共同培养,空气暴露延续到 21 天。共聚焦成像显示,上皮位于上侧,成纤维细胞位于下侧;上皮中可见基底细胞、黏液相关细胞和表达纤毛分化相关因子 FOXJ1 的细胞。研究用免疫染色和空间成像确认这两类细胞的分布及分化状态。
原代上皮培养的第 21 天,MUC5AC 分泌高于第 7 天。流体模拟则帮助检查培养液和空气在培养区内的流向、速度和剪切应力分布。分泌、结构和流动各自提供不同信息,共同说明较大培养面积仍能维持动态气液界面培养。

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平台可调整,但成像和机械模拟仍有条件
作者将开放设计、可更换培养膜和可连接不同流动管理系统,作为装置的可调整特点。与依赖专用配套系统的商业芯片相比,这种方式需要研究者自行制备和管理;作者也承认,批量生产的商业平台在一致性上有优势。
制造方式还影响观察质量。树脂打印模具造成的表面变形限制了成像,因此团队需要借助微铣加工获得合适模具。现有 PET 培养膜也未模拟周期性伸展;采用可伸展膜的方案属于作者提出的后续改进。
研究实际完成了培养、样本回收和分化检查。作者设想今后用它比较空气或液体中的暴露因素,并研究气道上皮功能紊乱及干预反应。较大培养区的价值,在于为多种检测提供足量材料,让同一体外模型中的结构变化和分泌变化可以分别测量。