健康与 COPD 来源小气道上皮的气液界面模型
慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的小气道病变涉及上皮细胞分化、黏液分泌、纤毛活动与屏障功能。2020 年发表于 Scientific Reports 的研究，采用健康人与 COPD 患者来源的原代小气道上皮细胞，建立气液界面培养（air–liquid interface，ALI）模型，观察这些过程是否能够在体外共同呈现。
研究选用 3 名健康供者和 3 名 COPD 供者，比较细胞来源的差异，再考察香烟烟雾暴露的影响。其主要问题是人源上皮模型与疾病表型的对应关系。对药物研究而言，这是一项疾病模型基础工作，尤其涉及上皮损伤和修复相关的功能终点。
作者同时使用组织染色、细胞标志、跨上皮电阻、纤毛运动及转录组。不同层次的指标分别回答细胞组成是否改变、屏障是否完整，以及出现的分子变化是否与人体小气道样本相符。
研究使用完整香烟烟雾接触上皮表面，而常见的烟雾提取液会丢失部分挥发性成分，也可能从培养液一侧接触细胞。作者希望在此模型中保留吸入暴露对上皮分化的影响。
患者模型的细胞组成与转录特征
模型形成了假复层上皮，并可检测到基底细胞、纤毛细胞和 club 细胞等小气道成分。COPD 来源培养物与健康供者相比，纤毛细胞较少、分泌细胞较多，说明部分疾病相关细胞组成差异在体外仍然存在。
转录组比较识别出 248 个显著变化的转录本。用于人体小气道样本分类时，区分健康非吸烟者与 COPD 吸烟者的曲线下面积为 1.00，去除分类贡献最高的 10 个转录本后为 0.98。区分健康吸烟者与 COPD 吸烟者的相应数值为 0.80 和 0.65，限制在吸烟者之间比较时，分类性能降低。
屏障功能下降伴随连接蛋白变化
空气对照中，健康与 COPD 来源培养物的屏障电阻相近。香烟烟雾暴露后，按观察时间标准化的跨上皮电阻曲线下面积，健康组从 535 降至 354 Ω·cm²，COPD 组从 500 降至 337 Ω·cm²，两组下降均有统计显著性。这一指标概括观察期内的屏障电学表现。
分子分析发现，JAM3、CLDN11 和 CLDN18 等与细胞黏附、通透性或紧密连接调节有关的基因表达降低，而 CLDN7 和 CLDN10 升高。CLDN10 的变化还通过蛋白染色进行核对。其他若干常见 claudin 基因没有显著变化。
分泌细胞组成与纤毛功能的变化
香烟烟雾暴露后，KRT5、KRT14 等基底细胞及鳞状分化相关标志基因表达升高，club 细胞相关标志减少。研究同时用组织染色观察了部分标志蛋白及细胞分布。
MUC5AC 的 mRNA 水平有上升趋势，组织染色也显示 MUC5AC 阳性细胞增多；但流式分析中，相关细胞比例变化未达到统计显著，部分供者呈下降方向。SCGB1A1 单阳性细胞则在 6 名供者中的 5 名减少。
纤毛功能也受到影响。COPD 来源培养物的纤毛分化较慢、活动覆盖区域较小；香烟烟雾暴露进一步减少活动区域和拍动频率。部分纤毛相关 RNA 变化未达到显著水平，但功能测量和组织染色已出现变化。
虽然分泌细胞组成改变，烟雾暴露组和空气对照都保持假复层结构，上皮厚度没有显著差异。模型的细胞组成、分子信号和整体厚度因此呈现不同层次的变化。
用人体小气道样本核对分子反应
烟雾暴露后，健康与 COPD 来源培养物分别有 2,442 个和 3,249 个基因发生变化，其中 1,945 个共同变化；除 1 个以外，方向均一致。烟雾由此成为本实验中主要的共同表达驱动因素。
作者还将健康来源培养物中的变化与人体吸烟者、非吸烟者的小气道上皮数据比较。在这 2 项比较中都发生显著变化的基因里，超过 86% 的变化方向一致。相关通路包括氧化应激、外源物代谢和芳香烃受体信号，为模型与人体上皮反应的对应关系提供了进一步依据。
体内外结果的不一致主要涉及脂质代谢，例如胆固醇合成。作者也指出，每组仅 3 名供者，强烈的烟雾效应掩盖了部分疾病来源差别，当前数据不足以辨别两类供者对烟雾的特异响应，需要更多供者验证。