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經過近30年的快速發展,氣液界面細胞暴露系統已經成為現代毒理學、藥理學、吸入制劑開發和環境健康研究中的核心技術。它能夠在體外模擬人體肺部對氣體、氣溶膠(如霧霾,e-cigarette)、納米顆粒或藥物的暴露過程。
但同時,氣液界面細胞暴露系統也是一個復雜的需要定制化的系統性工程,需要綜合考慮研究目的、預算、樣品通量以及操作和售后服務的便捷性。下面我將詳細介紹氣液界面細胞暴露系統選型指南的要點、主流儀器類型和代表品牌廠家。
一、 選型的要點:
我們在對氣液界面細胞暴露系統做選型調研前需要明確以下幾個核心要點:
1. 暴露物質的類型:是對諸如氣體/揮發性有機物(VOC)、顆粒物/納米顆粒、還是復雜混合物(如香煙/發動機廢氣/火災煙氣)或者是幾種不同物質的聯合暴露,比如使用廣泛應用的臭氧和顆粒物混合氣溶膠聯合對氣液界面細胞進行暴露?不同暴露物質可能需要不同的發生、監測以及氣溶膠輸送方式。
2. 劑量控制與監測:是否需要實時濃度/粒徑/沉積量監測?是否做電荷輔助沉積(electrostatic deposition)和沉積定量檢測?電荷輔助沉積會影響氣溶膠沉積效而沉積定量檢測能夠獲得在線實時的沉積數據(雖然該數據不能作為真實沉積量)。
3. 細胞小室(inserts)兼容性與通量:需要同時暴露多少孔(6、9、12、24孔)?是否要兼容市售品牌的小室(如Falcon®、Corning®)?選擇通量可能將直接影響實驗規模與采購成本。
4. 氣溶膠發生與輸送方式:使用噴嘴霧化還是振動霧化?干粉直接發生還是預處理發生?香煙煙氣是采用全自動香煙發生器還是半自動香煙發生器?揮發性有機物(VOC)是采用直接加熱發生揮發性發生?燃燒煙氣是采用什么物質燃燒?有無預處理(分級、去除大顆粒、稀釋)模塊?不同系統在傳輸損失與粒徑分布上有差異,價格也可能差別很大。
5. 生理條件控制:溫度、相對濕度、氣體成分(CO?/氧)、培養基供應方式。
6. 操作與維護:不同系統操作方式上往往差別很大,同樣系統維護,諸如清洗,滅菌,更換耗材等也有很大差別。
7. 預算與擴展性:初期預算和長期擴展預算。
二、 主流儀器類型:目前市場上商品化的氣液界面細胞暴露系統主要分兩類,即經典的獨立通道暴露和多孔板式系統,兩者主要區別是對每個通道的氣流是否進行獨立控制。
1.1 Cultex是該技術進行商品化的始祖品牌,并陸續推出非常經典并被廣泛應用的線性氣液界面暴露系統CULTEX(CC,CG,B),徑向結構氣液界面暴露系統(RFS,RFS compact)等,其中線性氣液界面暴露系統CULTEX(CC,CG,B)由于通道間暴露劑量計粒徑分布重復性不高已經被停售,目前在售的主要是RFS,RFS compact兩個型號,其中RFS通過水域提供穩定的溫度,可支持的小室尺寸和類型非常全面,從6孔板到24孔板的各種市售品牌小室都可以兼容,MAX支持3個細胞小室。RFS compact由于結構更緊湊,僅支持12孔板和24孔板的市售小室,MAX支持6個細胞小室(6個小室可以分成兩組氣路,對照組和實驗組可以同時進行)。在氣溶膠發生和輸送上,Cultex還專門開發了用于氣液界面細胞暴露的細顆粒物粉塵發生器DG,該發生器通過精密的電氣控制以及對氣溶膠預分層沉降輸出的氣溶膠粒徑分布更均已,濃度更加穩定,其他類型發生器采用兼容其他品牌實現。在劑量控制上,Cultex提供可以與暴露模塊RFS/RFS compact兼容的電沉積裝置,能有效提高細顆粒物在氣液界面細胞上沉積的效率,MAX可達95%。操作維護,Cultex采用獨立模塊,占地空間小,便于維護,其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格,Cultex徑向結構復雜,制造成本非常大,加之每通道獨立控制,配置頂級精度的流量控制器決定了其價格相對較高。

1.2 Vitrocell主要使用的是Cultex線性氣液界面暴露系統(多孔板系統下文有述),在Cultex棄用的線性氣液界面暴露系統基礎上,Vitrocell通過改進加工工藝,擴大通道數量,擴展配套設備等方法推出典型的Flow4,CF系列(通道數可以支持3,4,6,12,24)以及更大通量的實驗的高通量的工作站(支持48甚至是96通道)。在兼容小室上,僅Flow4與48通道可以支持6孔板小室,其他產品僅支持12孔板與24孔板。在氣溶膠發生,Vitrocell香煙煙氣發生器(全自動/手動)已被廣泛應用于細胞暴露,其他類型發生器采用兼容其他品牌實現。在劑量控制上Vitrocell提供電沉積和QCM微天平方案可以實現。另外,Vitrocell還配有諸如氣溶膠分配系統,這是由于Vitrocell采用的是Cultex的線性氣路結構,在氣溶膠進入暴露模塊后通往每個小室的氣路長短,彎曲程度等是不同的,暴露重復性較差,所以Vitrocell試圖通過分配系統加以解決。操作維護,Vitrocell采用獨立模塊,占地空間小,便于維護,其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格,Vitrocell采用線性結構較簡單,制造成本非常較低,加之采用多通道共用流量控制器,所以其價格相對較低(與Cultex比較,其48通道的高通量暴露系統使用的精密流量控制器與Cultex6通道系統相同)。

1.3 Databiosci采用了徑向對稱氣路和陣列氣路兩種結構,通道數上單獨徑向氣路模塊MAX可以支持16通道,陣列氣路可以支持24通道。由于Cultex在通道數上MAX僅支持6通道,即使是基礎科研領域也無法滿足相當部分用戶需求,所以Databisoc16通道氣液界面暴露系統(ACP16)可以滿足基礎科研領域對暴露重復性的高要求和細胞小室通道數的需求。Databiosci的陣列氣路MAX可以支持24通道(HHA24),但于Cultex經典線性氣路結構相比較,陣列是結構小室分布雖然仍然是陣列式的但氣溶膠引導模塊采用了新型的同源二型獨立引導氣路結構,即氣溶膠入口仍然從頂部入口進入,每個小室的氣溶膠引導氣路不共用,只是陣列不同位置采用了兩種不同長度與角度的進氣引導管,在通道間重復性上比徑向結構有略微差距,但相比陣列式公用引導氣路,Databiosci的陣列結構通道間重復性有較大的提高。與Cultex RFS compact類似,Databiosci所有高通量的型號都支持把小室可以分成兩組甚至更多組氣路,對照組和實驗組(甚至式多濃度組)可以同時進行在兼容小室上,Databiosci的ACP3支持6,12,24三種孔板,其余僅支持12孔板和24孔板。在氣溶膠發生和輸送上,Databiosci提供氣體/揮發性有機物(VOC)氣溶膠發生器(EVG60)、顆粒物/納米顆粒(DG208系列)、香煙煙氣發生器(CSR300,AGS,SCG),液體霧化發生器(LGC)等各種常規氣溶膠發生裝置,以及生物質燃燒發生器等。在劑量控制上Databiosci提供電沉積和QCM微天平方案可以實現。操作維護,Databiosci采用獨立模塊,占地空間小,便于維護,其核心結構可以高溫高壓滅菌。價格,Databiosci無論是徑向結構還是陣列復雜,制造成本非常大,加之每通道獨立控制,配置高精度的流量控制器決定了其價格相對也較高。

綜上可見,獨立通道暴露的氣液界面細胞暴露系統在選型時,在明確幾個選型要點后,需要對暴露重復性,通道數,氣溶膠發生器和劑量控制,價格等因素進行重點了解和調研,在較低通道(小于6)要求時Cultex和Databiosci暴露重復性更好,但價格偏高,同時,在對Cultex和Databiosci相比較,Databiosci國內品牌價格相對更低且技術服務更及時。在高通量(大于6通道)時,Vitrocell和Databiosci分別采用不同的技術路線決定其價格成本差距交大,Databiosci的每通道間實驗重復性更高,但單一模塊內MAX只能提供24通道系統,Vitrocell可以提供MAX98通道。所以不同實驗需求可以根據實際預算選擇不同品牌和型號。
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