Science Advances｜水凝膠–空氣界面外植體重建氣道組織

歡迎關注類器官前言（沿）進展，第一時間了解類器官領域（生物學、癌癥生物學、人工智能、材料學、仿生學）的新進展；同時跟進國際國內相關行業的發展信息導語：新生豬氣道“類原位”模型 AirTECH：重建隱匿的氣道腺體功能，為囊性纖維化研究打開關鍵窗口

在 Science Advances（2025 年 11 月）的一篇研究論文中，美國愛荷華大學（University of Iowa）的 Kaleb C. Bierstedt、Meng-Hsuan Lin 和 Yuliang Xie 團隊構建了一套名為 AirTECH 的氣道組織培養體系。該體系利用新生豬氣道外植體，在一個控制精確的水凝膠–空氣界面下持續培養 14 天以上，使氣道表面上皮、纖毛、平滑肌以及最難長期維持的氣道腺體（submucosal glands，SMGs）保持完整的組織結構與功能狀態。借助這一系統，研究團隊得以首次在體外穩定觀察 CF（囊性纖維化）早期的腺體病理反應，并進一步探索氣道基因治療的組織靶向性問題，為呼吸道疾病模型帶來重要突破。

2｜研究新穎性

AirTECH 的出現，為氣道生物學長期面臨的一個核心難題提供了解決思路。長期以來，研究者一直希望能夠在體外保留結構完整的氣道腺體，但各種傳統系統——包括浸沒培養、氣道切片、類器官、球體培養甚至 lung-on-chip 技術——都無法重建腺體多細胞結構以及其與周圍上皮、肌層的整合狀態。AirTECH 之所以具有獨特價值，正是因為它能在水凝膠–空氣界面的環境中保持腺體的原生組織形態，并同時維護黏液纖毛清除、黏液分泌以及平滑肌收縮等多種整合性功能。更重要的是，該體系讓“早期 CF 氣道腺體變化”這一在動物模型中極難捕捉的階段，第一次能夠被穩定、可控地再現。過去的基因治療研究受限于動物中腺體與表面上皮同時受轉導的現象，使研究者始終無法區分不同細胞類型的貢獻，而 AirTECH 則以其“表面上皮選擇性轉導”的特性，為細分基因治療靶向性與細胞作用機制提供新工具。

3｜科學背景與研究現狀

氣道 submucosal glands（SMGs）是黏液系統的核心組成部分，它們分泌大量黏液、抗菌肽，并在大顆粒物清除和氣道再生中發揮重要作用。盡管其功能重要，但由于它們位于上皮層之下、結構復雜，因此在體外難以維持，導致關于腺體本身的研究極為有限。囊性纖維化（CF）是一類典型的腺體相關疾病，CFTR 功能缺失所引起的離子運輸障礙會使腺體分泌的黏液更黏稠、更酸性，進一步導致腺體腔隙阻塞、纖毛清除困難與細菌殺滅能力下降。在新生 CF 豬模型中，這些病變很早、甚至在出生后不久便迅速累積，使研究者難以分離“疾病早期變化”與“感染、炎癥等繼發因素”。因此，一個能夠維持新生時期組織狀態、同時排除外界病理因素干擾的體外體系，一直是 CF 發病研究的重大缺口。

與此同時，氣道基因治療的進展促使研究者必須更精確地理解不同細胞層在疾病與治療中的作用。表面上皮與腺體均表達 CFTR，但在動物體內，病毒載體通常會同時感染兩者，阻礙了對“哪層組織更關鍵”的判斷。因此，一個能夠選擇性實現表面上皮而不觸及腺體的轉導體系，對于未來的基因治療策略具有重要意義。AirTECH 的出現正是從這些迫切需求中生長出來的。

4｜技術路線

（1）外植體構建流程
AirTECH 的建立首先依賴新生豬氣管的獲取與處理。研究團隊將氣管沿腹側切開后，以 6 mm 打孔工具取得若干外植體，使每個組織塊都包含上皮、腺體和周圍結構。這樣的尺寸既保持組織完整性，又利于在培養體系中實現穩定的物理支撐與營養交換。

（2）水凝膠–空氣界面的設計原理
每個外植體被安置在填充了 25% Matrigel 的 Transwell 插槽中，使基底側完全嵌入水凝膠，而頂端則暴露于空氣。這樣的結構既提供類似 ECM 的三維黏附與支架信號，又讓上皮暴露于空氣，從而維持黏液與纖毛功能，這點是傳統浸沒培養無法實現的。

（3）并行化與穩定性
AirTECH 使用標準 12-well Transwell，允許多個樣本并行培養，便于對照試驗和時間序列實驗。組織在 5% CO?、高濕度、37°C 的孵育條件下穩定維持，其結構在兩周內保持接近原位狀態，成為后續刺激實驗與功能測試的基礎。

5｜實驗方法

（1）組織學與結構完整性評估
研究團隊通過 H&E、PAS 與多標記免疫熒光全面分析 AirTECH 中腺體、上皮、基底細胞、纖毛細胞及軟骨層的保存情況。這些染色證明，即便經過 14 天培養，組織結構仍與新鮮組織高度一致，為 AirTECH 的穩定性提供最核心的證據。

（2）轉錄組分析的使用
通過 bulk RNA-seq，作者比較了 AirTECH 與新鮮組織之間的基因表達差異。該實驗關注上皮細胞、腺體細胞與離子通道的特征基因是否在體外環境中保持穩定，從而驗證 AirTECH 是否改變了氣道系統的分子層特征。

（3）黏液纖毛清除功能的檢測
黏液纖毛清除實驗結合了熒光納米粒標記、甲酰膽堿刺激與時間平均的全景成像。研究者觀察黏液 strands 的形成、斷裂與運輸軌跡，以評估纖毛與腺體協同的清除功能，并進一步分析離子運輸變化（如 bumetanide）對黏液動力學的影響。

（4）炎癥刺激實驗的設置
為了模擬 CF 氣道對外界細菌成分的反應，研究人員將 LPS 加入 AirTECH 的上皮與基底兩側，持續刺激 7 天，在無感染與無炎癥背景下直接評估 LPS 對新生 CF 氣道腺體的影響。

（5）腺病毒基因轉導實驗
腺病毒 Ad5-CMV-eGFP 被用來觀察不同細胞層的易感性。在 AirTECH 中，病毒能有效感染表面上皮，但很難進入腺體。研究者借此探討“層級選擇性”，這一特性在動物中因病毒擴散路徑復雜而無法明確區分。

6｜按圖表順序的結果解析

（1）圖 1：AirTECH 模型的建立與組織形態保留
圖 1 顯示培養體系的完整結構。14 天后組織仍保持原始的溝槽狀表面，并有細胞向水凝膠基底方向延展，表明組織與水凝膠之間形成穩定的結合。這種結構穩定性是維持腺體和上皮功能的前提，也為后續實驗提供了堅實基礎。

（2）圖 2：腺體與上皮結構的長期維持
通過 H&E 與 PAS 染色，作者展示了腺體腺泡、導管、杯狀細胞與纖毛上皮在 AirTECH 中均被完整保存。免疫染色進一步確認了 MUC5B 主導的腺體黏液細胞、PLUNC 陽性的漿液細胞、KRT5 陽性的肌上皮細胞等完整存在。這些結果說明 AirTECH 不僅保留了表面上皮，連深層腺體系統也得到持續維持。

（3）圖 3：基因表達譜與新鮮組織高度一致
RNA-seq 顯示超過 97% 的基因表達保持穩定。少數差異與代謝、ECM 相互作用和無血管狀態相關，但上皮與腺體的標志基因幾乎完全保持不變。這說明在結構維持的前提下，AirTECH 同樣能維持分子層的“原位特征”。

（4）圖 4：黏液纖毛清除功能的再現
在甲酰膽堿刺激下，氣道組織迅速分泌黏液 strands，這些 strands 在正常 HCO??/Cl? 環境中逐漸斷裂并被纖毛清除。而在使用 bumetanide 的條件下，黏液 strands 難以斷裂并大量殘留。AirTECH 因此成功模擬了 CF 風格的黏液動力學變化，為體外重現黏液物性提供了罕見的窗口。

（5）圖 5：新生 CF 氣道對 LPS 的特異性反應
在無感染背景下，AirTECH 能保持新生 CF 氣道的健康狀態，而 LPS 刺激后 CF 組織表現出明顯的 MUC5AC 增強，無論在表面上皮還是腺體中都如此；相比之下，WT 組織則沒有同樣的反應。這直接證明 CF 氣道對外界刺激更敏感，并呈現典型的黏液改變模式。

（6）圖 6：基因轉導的細胞層選擇性
腺病毒在 AirTECH 中僅感染表面上皮，而不進入腺體。配合 WGA 擴散實驗，研究者確認腺體與上皮之間存在明確的物理屏障，使病毒難以抵達腺體部位。AirTECH 因此成為分層解析基因治療靶向性的理想平臺。

7｜討論

1）AirTECH 為氣道生物學提供了前所未有的穩定窗口
AirTECH 的價值首先體現在其對氣道多層結構的完整重建能力。傳統體外模型只能捕捉表面上皮的狀態，而腺體這一深層結構由于對 ECM、氧氣、機械環境等多重條件的依賴，幾乎無法維持。AirTECH 同時保持上皮、腺體、平滑肌和軟骨的完整性，使研究者能夠觀察這些結構在統一體系下的協同功能。由于腺體在黏液分泌、纖毛清除和氣道再生中扮演關鍵角色，AirTECH 的出現使許多長期難以回答的問題得到推進。

（2）為囊性纖維化的“早期病程”提供真實體外場景
在囊性纖維化動物模型中，出生后的感染、炎癥和組織重塑過程迅速推進，使研究者難以觀察最初的腺體反應，也不可能將外界刺激的影響與繼發因素區分開來。AirTECH 通過維持組織的“新生狀態”，成功剝離了這些干擾，讓 LPS 等單一因素的作用能夠直接呈現。正是由于這種環境的純凈性，研究團隊得以在第 5 圖中看到 CF 氣道對 LPS 的異常敏感，并明確這種差異來自腺體與上皮本身，而非炎癥導致的次級改變。

（3）為氣道基因治療提供細胞層級的作用路徑
在動物實驗中，病毒載體容易同時感染表面上皮和腺體，導致不同細胞層的貢獻難以區分。AirTECH 中病毒只進入表面上皮，而腺體幾乎完全不受影響，這種天然的選擇性為未來“層級功能解析”提供了重要可能。例如研究者可以在 CF 氣道中僅恢復上皮 CFTR，然后觀察腺體功能是否因此改善，從而更精確判斷不同細胞層在病理中的作用。

（4）AirTECH 兼具類原位的真實性與體外體系的可控性
研究者能夠通過單一因素刺激、基因轉導、離子通道抑制以及多層組織成像等方式，在一個完全可控的環境中逐步剖析復雜氣道功能。相比動物模型，AirTECH 在成本、重復性、并行性和實驗變量控制方面均具有優勢，使其不僅適用于基礎研究，也有望在藥物篩選和治療策略評估中發揮作用。

8｜研究局限性

（1）無血管體系帶來的代謝與擴散限制
AirTECH 在維持組織結構的同時，也不可避免地呈現出無血管的特性。氧氣和營養完全依賴擴散，而廢物同樣以緩慢方式排出，這使得深層組織的代謝環境與體內存在差異。轉錄組結果中與代謝和應激相關的通路變化，可能正是這種擴散限制導致的。因此，AirTECH 在模擬復雜代謝網絡時仍存在一定偏差。

（2）Matrigel 與天然 ECM 仍存在較大差別
Matrigel 作為支撐材料雖能提供結構穩定性，但其成分復雜且帶有動物來源的批次差異。對 ECM 依賴性強的細胞類型，如肌上皮細胞或漿液細胞，可能會因此呈現與體內不同的行為模式。未來若能替換為成分可定義的合成水凝膠或脫細胞基質，有望進一步提升模型生理相關性。

（3）缺乏機械刺激對黏液與離子通道調控造成限制
真實氣道在呼吸過程中承受周期性牽張、剪切力和氣流沖擊，這些機械刺激與黏液分泌、纖毛運動甚至離子通道開放狀態密切相關。AirTECH 屬于靜態體系，無法準確模擬呼吸過程的物理環境，因此在研究與機械力相關的氣道功能時存在明顯不足。

（4）未納入人體組織，轉化意義仍需進一步驗證
雖然豬模型在解剖結構和腺體分布方面接近人類，但臨床相關性仍受物種差異制約。未來若能從手術或移植來源的氣道組織中建立人類版本的 AirTECH，將更有助于理解人類疾病的獨特機制，并推動藥物與基因治療策略的轉化。

（5）目前的研究主要集中在 14 天周期內，長期培養仍待探索
AirTECH 在兩周內表現穩定，但更長時間的培養可能會暴露新的結構或功能變化。例如腺體分泌模式是否改變、上皮更新是否出現偏移、平滑肌是否發生反應性重塑等，都需要未來的長期研究來驗證。這些問題的答案將決定 AirTECH 是否適合模擬慢性疾病模型。

參考文獻：Bierstedt K.C., Lin M.-H., Yu W., et al.Porcine airway tissue explant culture at a hydrogel-air interface to model submucosal glands in cystic fibrosis progression and therapy. Science Advances, 2025, 11: eady4866.

加入交流群 投稿 職位發布 找工作 廣告 合作 贊助 請添加群主微信

微信交流群（請掃描群主二維碼，經驗證后邀請入群，添加時請注明單位姓名等信息，申請入群群體：投資人，科研和醫療機構工作者，企業實控人，高校老師和學生等等一線研究人員）

1.

2.

3.

4

5.

6.

7.

8.

9.

10.