💡 專欄導讀：本文將 Air–Liquid Interface（ALI）culture 整理成一篇兼顧臨床醫師、醫療研究者與生醫愛好者的深度研究導讀。重點不只是「把細胞放在空氣中培養」，而是剖析這個模型為什麼能比傳統浸沒式培養更忠實重現氣道上皮的方向性與分化特徵；同時嚴謹釐清其在氣喘、COPD 與 IL-33 警報素研究中的證據邊界與臨床外推限制。

🩺 作者：周醫師（胸腔重症專科醫師・人工智慧醫療碩士）
🤖 整理策劃：小愛（Hermes Agent）
🏷️ 分類：胸腔重症 / 轉譯醫學 / 體外模型

📅 發表日期：2026 年 9 月

📌 一、先用一句話理解 ALI

Air–Liquid Interface（ALI），中文常譯為「氣液界面（介面）培養」。它把氣道上皮細胞種在具有微孔的半透膜上：細胞的 basolateral side（基底外側） 接觸培養液，提供養分；apical side（頂端面） 則暴露於空氣中。

這個設計不是單純把培養液倒少一點，而是重新建立氣道上皮的方向性。人體氣道的內側面向吸入的空氣、污染物與病原體，外側則由組織液與血液供應營養。ALI 以兩個分隔的腔室（compartment），在體外重現這種「一面接觸空氣、一面接受液體供養」的基本微環境條件。

🏢 可以把它想成一棟有內外兩面的建築：

  • 頂端面（Apical）：模擬氣道腔面，可接受病毒、氣膠、香菸煙霧、過敏原或藥物暴露。
  • 基底外側（Basolateral）：模擬組織液側，可供給培養液，並觀察細胞向外側釋放的訊號與細胞激素。
  • 中間的多孔膜（Porous Membrane）：讓營養與小分子順利通過，但嚴格維持兩側的空間分隔。

因此，ALI 特別適合研究「吸入性刺激如何先接觸上皮，再引發下游細胞與免疫發炎反應」的核心課題。

🧪 二、為什麼傳統浸沒式培養（Submerged Culture）不夠？

早期的氣道上皮細胞培養，多半把細胞完全浸泡在培養液中。這種方式有利於細胞存活與快速擴增，但細胞在體外浸泡環境下會逐漸失去原本的極性與終末分化特徵，難以完整呈現纖毛運動、黏液分泌及黏液纖毛清除（Mucociliary Clearance）等生理功能。

需嚴謹釐清的是：submerged culture 並不是「錯誤方法」，它仍廣泛適用於細胞擴增、基因轉染、短時間急性刺激或基礎分子訊息傳遞實驗；但當研究課題涉及成熟氣道上皮的物理屏障、纖毛擺動波形、黏液運輸動力學或腔面氣體暴露時，完全浸沒的單層細胞便難以反映真實人體生理情境。

ALI 的關鍵價值在於：細胞在達到 confluence（融合成完整細胞單層） 後，吸除頂端培養液，讓 apical side 直接接觸空氣（Air-lift）。經過數週的分化誘導，原代人類氣道上皮細胞（Primary Airway Epithelial Cells）能自發分化為具有高度極性的 pseudostratified mucociliary epithelium（假複層黏液纖毛上皮），完整涵蓋基底細胞（basal cells）、纖毛細胞（ciliated cells）與杯狀細胞（goblet／secretory cells）等關鍵功能族群。

📜 三、ALI 發展簡史：重要演化脈絡

ALI 氣道模型的奠基主要集中於 1980 年代後半；在科學史上，這並非單一論文一蹴可幾，而是經歷了數個扎實的實驗演進階段：

ALI 氣道上皮培養的發展時間軸

▲ 圖 1｜ALI 氣道上皮培養的發展時間軸：從 1980 年代初期無血清細胞培養與分化基礎，歷經 1987–1988 年 Biphasic Chamber 的確立，至 1994 年證實氣相暴露驅動人類支氣管纖毛分化，逐步躍升為今日呼吸醫學的核心轉譯研究平台。

  1. 1980 年代初期（原代培養基礎奠定）：1986 年 Wu、Sato 與 Whitcutt 證實，在特定無血清與荷爾蒙補充條件下，可在體外建立維持極性特徵的分化氣管上皮，成為 ALI 的基石。
  2. 1987 年（雙相腔室系統萌芽）：Adler、Schwarz、Whitcutt 與 Wu 提出 chamber system，使豚鼠氣道上皮細胞穩定維持在氣相（Air phase）與液相（Liquid phase）之間，開創「空間獨立兩側」概念。
  3. 1988 年（Biphasic Chamber 里程碑）：Whitcutt、Adler 與 Wu 在《In Vitro Cell Dev Biol》正式發表雙相腔室系統，確立基底給液、頂端露空的幾何架構，成為現代 Transwell ALI 的直接始祖。
  4. 1994 年（人類支氣管上皮纖毛分化成熟）：de Jong 等人發表於《Am J Respir Cell Mol Biol》，證實人類支氣管上皮在 ALI 條件下才會自發啟動纖毛生成（Ciliogenesis），而浸沒培養則無法重現，奠定了 ALI 在人類疾病研究的無可取代地位。

🔬 四、現代 Primary Airway ALI 建立全流程

現代原代氣道上皮 ALI 的標準建構可拆解為六個環環相扣的連續階段：

ALI 建立階段示意圖

▲ 圖 2｜ALI 建立階段示意圖：從氣道組織分離、單層擴增、多孔膜接種、細胞匯合，到關鍵的 Air-lift（暴露於空氣）以及持續 3–4 週的氣液界面極性分化全景。

  1. 細胞分離（Isolation）：自鼻黏膜刷取、支氣管鏡切片或肺切除組織取得人類氣道上皮細胞。若源自病人樣本，須嚴格記錄捐贈者年齡、抽菸史、疾病嚴重度與解剖取樣部位。
  2. 單層擴增（Expansion）：在浸沒培養（Submerged）環境中增殖細胞總數，此階段旨在累積實驗規模，細胞尚未啟動分化。
  3. 接種於多孔膜（Seeding on permeable membrane）：將定量細胞接種至 Transwell 或多孔支架（Porous insert）上，初始由雙側培養液維持生長。
  4. 細胞匯合（Confluence）：細胞互相密合形成連續單層。須藉由顯微鏡相位反差及經上皮電阻（TEER）客觀驗證緊密度，不可僅憑天數推估。
  5. 氣相提升（Air-lift）：完全吸除頂端培養基，使 Apical side 裸露於無菌空氣；Basolateral side 則持續給予專用分化培養基，此為促成極性重塑的決定性步驟。
  6. 終末分化（Differentiation）：在氣液界面下維持培養 3–4 週，形成假複層結構。最後以 TEER 數值、纖毛擺動頻率（CBF）、MUC5AC 分泌量及細胞特異性標記完成模型品質認證。

⚖️ 五、ALI 能重現什麼？不能重現什麼？（證據邊界）

✅ 可以優異重現的面相

  • 氣道上皮頂端—基底方向性（Apical–Basal Polarity）
  • 多元分化（Basal、Ciliated、Goblet 細胞等）
  • 黏液分泌與主動黏液纖毛清除運動
  • 緊密連接結構（Tight Junctions）與物理阻抗屏障
  • 吸入性刺激接觸腔面後的即時上皮反應
  • 頂端面沖洗液與基底層培養液之分室精準採樣

⚠️ 不能直接等同人體之處

  • 純上皮 ALI 缺少微血管內皮灌流與血液循環
  • 缺乏自主神經支配與間質成纖維細胞基質
  • 缺少常駐型與循環型免疫細胞網路（需共培養）
  • 缺乏呼吸運動時之週期性動態機械拉伸力學
  • 存在捐贈者個別差異（Donor Heterogeneity）
  • 體外暴露劑量與時間難以完全複製人體長期吸入累積

🫁 六、為什麼 ALI 適合氣喘與 COPD 研究？

在當代呼吸病理學中，氣道上皮不再被視為被動的物理「內襯」，而是主動調節免疫的感測器（Sensors）與警報哨站。

1. 氣喘（Asthma）研究

ALI 可用於評估吸入型過敏原（如塵蟎 HDM、真菌 Alternaria）或第二型細胞激素（IL-13）如何觸發杯狀細胞化生（Goblet Cell Metaplasia）、MUC5AC 黏液過度分泌、上皮屏障滲漏，以及關鍵警報素（IL-33、TSLP、IL-25）釋放後與 ILC2、肥大細胞或嗜酸性球的交互作用。

2. 慢性阻塞性肺病（COPD）研究

ALI 提供真實氣體暴露艙，可直接將香菸煙霧提取物（CSE）或生物質煙霧噴灑於頂端面，研究氧化壓力對纖毛微管結構的破壞、纖毛擺動障礙、細胞衰老（Senescence）及促發炎介質（IL-6、IL-8/CXCL8）釋放。

⚡ 七、ALI 與 IL-33 警報素：分清訊號來源與反應者

介白素-33（IL-33）平時儲存於氣道上皮細胞核內。當受到病毒感染、香菸煙霧或微粒物理損傷壞死時，IL-33 被釋放至細胞外作為警報素（Alarmin）。

🔬 關鍵分子實驗邏輯：

上皮細胞釋放 IL-33，不等於上皮本身能自主完成整個病理發炎鏈。 氣道上皮主要是 IL-33 的「產生來源（Source）」，而非下游主要的「受體反應者（Responder）」。

最新研究（Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2024）證實：人類原代支氣管上皮細胞（無論來自氣喘病人或健康對照者）對外加重組 IL-33 幾乎缺乏直接轉錄反應，因其表面 ST2（IL-1RL1）受體表現極低。因此，在 ALI 體外研究中，若欲解析 IL-33/ST2 訊號軸，必須在 Basolateral 腔室引入 ILC2、肥大細胞或嗜酸性球等共培養體系，方能忠實還原完整的免疫發炎連鎖。

💡 八、結語：轉譯研究的堅實基石

Air–Liquid Interface（ALI）的卓越價值，在於它巧妙地架起了一座「介於平面細胞培養與人體臨床試驗之間的堅固實驗橋樑」。它為慢性呼吸道疾病提供了高保真度（High-fidelity）的體外探索平台，使研究者能在進入高成本人體臨床試驗前，在具備方向性的微環境中精準剖析上皮損傷、警報素釋放與標靶阻斷藥理。

「ALI 能大幅增加生理真實度，但不能直接等同人體全器官；它能驗證機轉假說，但最終臨床療效仍需依賴扎實的隨機對照試驗。」 唯有嚴守科學證據的邊界，體外轉譯研究才能真正賦能現代精準胸腔醫學。

📚 權威參考文獻與出處

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