研究野火煙霧肺毒性，細胞染毒模型和方法怎么選？

時間：2026/6/10閱讀：1169

引言

體外毒理學研究結果的可靠性和可重復性，很大程度上取決于實驗模型的選擇。不同細胞類型、暴露方式、劑量和時間，可能導致截然不同的結論。這篇綜述匯總了23項研究的方法學數據，為后續研究者提供了一個實用的“方法工具箱"。

一、細胞類型的選擇：各有何優劣？

1. 腫瘤來源細胞系：A549

使用頻次：7項研究。
特點：來源于人肺泡基底上皮癌，易于培養，可重復性好。
重要局限：A549攜帶K-Ras突變，導致Nrf2結構性高活性。由于Nrf2是抗氧化反應的核心轉錄因子，高活性Nrf2會使A549對氧化應激的敏感性低于正常上皮細胞，可能低估某些煙霧的毒性。因此，使用A549獲得的陰性結果需謹慎解讀。

2. 永生化細胞系：BEAS-2B、16-HBE

使用頻次：8項研究。
特點：分別通過SV40病毒轉化或HPV E6/E7基因轉染獲得，來源于正常人支氣管上皮。它們保留了大部分分化特征，且對氧化應激的反應與正常細胞接近，被認為是平衡可重復性與生理相關性的較好選擇。

3. 原代細胞：pHBEC、HBEC、SAEC、HLBEC、hNEC等

使用頻次：12項研究（最多的一類）。
特點：直接來自人體（通常為手術切除或支氣管刷檢），最貼近體內狀態。但存在個體差異、代數有限、培養技術要求高、成本昂貴等挑戰。
典型應用：Tassew et al. (2022) 使用來自Lovelace吸煙者隊列的鼻刷檢細胞，研究p53基因多態性對野火煙霧誘導MUC5AC表達的影響。

4. 其他特殊細胞

肺泡Ⅱ型細胞：如AALE，用于研究表面活性蛋白變化。
鼻上皮細胞（hNEC）：用于上呼吸道反應研究。

綜述建議：如果目標是機制篩選和高通量測試，永生化細胞系（BEAS-2B）是合理選擇；如果目標是評估與人類疾病的相關性，應優先考慮原代細胞；而A549適用于對Nrf2通路不敏感的研究方向，但應報告其Nrf2活性狀態。

二、暴露方式：浸沒式 vs. 氣-液界面（ALI）

浸沒式暴露

操作：將顆粒物提取或懸浮在培養基中，直接加到細胞上。
優點：簡便、快速、成本低、易于高通量。
缺點：無法模擬吸入條件下“空氣從頂端接觸細胞"的生理狀態；顆粒物可能沉降在培養基中，與細胞的相互作用受擴散和沉降動力學影響；水溶性氣體成分會損失。
使用比例：23項中約占74%（以浸沒式為主或僅用浸沒式）。

ALI暴露

操作：細胞生長在Transwell膜上，頂端面暴露于空氣或煙霧氣流，基底側面接觸培養基。
優點：更貼近體內氣道上皮的極性結構和暴露方式；可同時模擬氣態和顆粒態暴露；適用于黏液分泌、纖毛擺動等功能研究。
缺點：設備復雜、成本高、通量低。
使用比例：約26%（包括部分同時使用兩種方法的研究）。

代表性ALI研究：

Abzhanova et al. (2024) 在pHBEC-ALI中實時監測氧化還原變化。
Colvin et al. (2024) 在HBEC-ALI中暴露于PAH混合物，同時測量LDH和TEER。
Nguyen et al. (2023) 在AALE-ALI中暴露于野火煙霧，分析lncRNA表達譜。

建議：如果研究重點關注氣溶膠的直接作用（如野火煙霧），ALI是更符合生理的選擇；如果僅需初步篩選顆粒物的細胞毒性，浸沒式仍可接受，但需注意結果的生理外推性受限。

三、暴露濃度與持續時間

濃度

液體暴露中，PM濃度范圍：1–100 µg/cm2（或µg/mL）。
空氣暴露中，PM濃度：3–500 mg/m3不等。
少數研究使用“% w/v"形式的煙霧浸泡液（如5%、10%）。
綜述指出，沉積模型估算：100 µg/mL的體外濃度約相當于在100-150 µg/m3環境空氣中吸入24小時后肺部的沉積量，因此該濃度范圍具有現實意義。

時間

急性/超急性（15分鐘 – 6小時）：多用于檢測ROS、MAPK磷酸化、早期基因表達（如CYP1A1可在30分鐘內上調）。
亞急性（12 – 48小時）：最常見的是24小時，用于細胞活力、LDH、細胞因子、DNA損傷。
長期（>48小時）：極少見，僅有極少數研究延長至72小時或3個月。

劑量-反應關系

61%（14/23）的研究使用了至少3個濃度點，進行了劑量-反應分析。
多數效應（細胞因子釋放、DNA損傷、活力下降）呈濃度依賴性。

四、檢測終點與常用技術

類別	常用方法	檢測指標
細胞活力/毒性	MTT、LDH釋放、臺盼藍、GF-AFC	代謝活性、膜完整性
屏障功能	TEER、跨細胞通透性	緊密連接完整性
炎癥	ELISA、Luminex	IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1β等
氧化應激	DCFDA、MitoSOX、GSH/GSSG、Grx1-roGFP2	ROS、氧化還原狀態
DNA損傷	彗星實驗、微核試驗、γ-H2AX、DNA解旋測定	鏈斷裂、染色體畸變
基因/蛋白	qPCR、Western blot、微陣列、RNA-seq、ATAC-seq	mRNA表達、蛋白表達、轉錄組、染色質可及性

五、共培養系統及其他模型

A549 + THP-1：用于研究上皮-免疫細胞交互（Bolling et al., 2012）。
肺切片：少數研究使用精密切割肺切片，保留組織結構。
3D培養：尚未廣泛使用，但未來值得探索。

總結：沒有的單一模型。研究者應根據科學問題、預算和實驗室條件做出權衡。對于希望開展標準化煙霧暴露實驗的團隊，采用商業化的ALI暴露系統（如CULTEX®或同類產品）配合永生化或原代人支氣管上皮細胞，同時設置至少3個濃度點和多個時間點，是目前較為的“金標準"框架。

對我們的啟示

對于普通公眾：野火期間減少戶外活動、使用空氣凈化器、佩戴N95口罩，是切實可行的自我保護措施。
對于科研人員：開展木材/野火煙霧毒性研究時，應關注燃燒條件的標準化、細胞模型的選擇以及暴露方式（推薦ALI）。同時，可借助商業化的香煙煙霧，實現可重復、標準化的暴露實驗，加速機制研究與防護策略開發。

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文獻來源：Heibati, B., Renz, H., & Lacy, P. (2025). Wildlife and wood smoke effects on human airway epithelial cells: A scoping review. Journal of Hazardous Materials