欢迎关注类器官前言（沿）进展，第一时间了解类器官领域（生物学、癌症生物学、人工智能、材料学、仿生学）的新进展；同时跟进国际国内相关行业的发展信息导语：新生猪气道“类原位”模型 AirTECH：重建隐匿的气道腺体功能，为囊性纤维化研究打开关键窗口
在 Science Advances（2025 年 11 月）的一篇研究论文中，美国爱荷华大学（University of Iowa）的 Kaleb C. Bierstedt、Meng-Hsuan Lin 和 Yuliang Xie 团队构建了一套名为 AirTECH 的气道组织培养体系。该体系利用新生猪气道外植体，在一个控制精确的水凝胶–空气界面下持续培养 14 天以上，使气道表面上皮、纤毛、平滑肌以及最难长期维持的气道腺体（submucosal glands，SMGs）保持完整的组织结构与功能状态。借助这一系统，研究团队得以首次在体外稳定观察 CF（囊性纤维化）早期的腺体病理反应，并进一步探索气道基因治疗的组织靶向性问题，为呼吸道疾病模型带来重要突破。
2｜研究新颖性
AirTECH 的出现，为气道生物学长期面临的一个核心难题提供了解决思路。长期以来，研究者一直希望能够在体外保留结构完整的气道腺体，但各种传统系统——包括浸没培养、气道切片、类器官、球体培养甚至 lung-on-chip 技术——都无法重建腺体多细胞结构以及其与周围上皮、肌层的整合状态。AirTECH 之所以具有独特价值，正是因为它能在水凝胶–空气界面的环境中保持腺体的原生组织形态，并同时维护黏液纤毛清除、黏液分泌以及平滑肌收缩等多种整合性功能。更重要的是，该体系让“早期 CF 气道腺体变化”这一在动物模型中极难捕捉的阶段，第一次能够被稳定、可控地再现。过去的基因治疗研究受限于动物中腺体与表面上皮同时受转导的现象，使研究者始终无法区分不同细胞类型的贡献，而 AirTECH 则以其“表面上皮选择性转导”的特性，为细分基因治疗靶向性与细胞作用机制提供新工具。
3｜科学背景与研究现状
气道 submucosal glands（SMGs）是黏液系统的核心组成部分，它们分泌大量黏液、抗菌肽，并在大颗粒物清除和气道再生中发挥重要作用。尽管其功能重要，但由于它们位于上皮层之下、结构复杂，因此在体外难以维持，导致关于腺体本身的研究极为有限。囊性纤维化（CF）是一类典型的腺体相关疾病，CFTR 功能缺失所引起的离子运输障碍会使腺体分泌的黏液更黏稠、更酸性，进一步导致腺体腔隙阻塞、纤毛清除困难与细菌杀灭能力下降。在新生 CF 猪模型中，这些病变很早、甚至在出生后不久便迅速累积，使研究者难以分离“疾病早期变化”与“感染、炎症等继发因素”。因此，一个能够维持新生时期组织状态、同时排除外界病理因素干扰的体外体系，一直是 CF 发病研究的重大缺口。
与此同时，气道基因治疗的进展促使研究者必须更精确地理解不同细胞层在疾病与治疗中的作用。表面上皮与腺体均表达 CFTR，但在动物体内，病毒载体通常会同时感染两者，阻碍了对“哪层组织更关键”的判断。因此，一个能够选择性实现表面上皮而不触及腺体的转导体系，对于未来的基因治疗策略具有重要意义。AirTECH 的出现正是从这些迫切需求中生长出来的。
4｜技术路线
（1）外植体构建流程
AirTECH 的建立首先依赖新生猪气管的获取与处理。研究团队将气管沿腹侧切开后，以 6 mm 打孔工具取得若干外植体，使每个组织块都包含上皮、腺体和周围结构。这样的尺寸既保持组织完整性，又利于在培养体系中实现稳定的物理支撑与营养交换。
（2）水凝胶–空气界面的设计原理
每个外植体被安置在填充了 25% Matrigel 的 Transwell 插槽中，使基底侧完全嵌入水凝胶，而顶端则暴露于空气。这样的结构既提供类似 ECM 的三维黏附与支架信号，又让上皮暴露于空气，从而维持黏液与纤毛功能，这点是传统浸没培养无法实现的。
（3）并行化与稳定性
AirTECH 使用标准 12-well Transwell，允许多个样本并行培养，便于对照试验和时间序列实验。组织在 5% CO₂、高湿度、37°C 的孵育条件下稳定维持，其结构在两周内保持接近原位状态，成为后续刺激实验与功能测试的基础。
5｜实验方法
（1）组织学与结构完整性评估
研究团队通过 H&E、PAS 与多标记免疫荧光全面分析 AirTECH 中腺体、上皮、基底细胞、纤毛细胞及软骨层的保存情况。这些染色证明，即便经过 14 天培养，组织结构仍与新鲜组织高度一致，为 AirTECH 的稳定性提供最核心的证据。
（2）转录组分析的使用
通过 bulk RNA-seq，作者比较了 AirTECH 与新鲜组织之间的基因表达差异。该实验关注上皮细胞、腺体细胞与离子通道的特征基因是否在体外环境中保持稳定，从而验证 AirTECH 是否改变了气道系统的分子层特征。
（3）黏液纤毛清除功能的检测
黏液纤毛清除实验结合了荧光纳米粒标记、甲酰胆碱刺激与时间平均的全景成像。研究者观察黏液 strands 的形成、断裂与运输轨迹，以评估纤毛与腺体协同的清除功能，并进一步分析离子运输变化（如 bumetanide）对黏液动力学的影响。
（4）炎症刺激实验的设置
为了模拟 CF 气道对外界细菌成分的反应，研究人员将 LPS 加入 AirTECH 的上皮与基底两侧，持续刺激 7 天，在无感染与无炎症背景下直接评估 LPS 对新生 CF 气道腺体的影响。
（5）腺病毒基因转导实验
腺病毒 Ad5-CMV-eGFP 被用来观察不同细胞层的易感性。在 AirTECH 中，病毒能有效感染表面上皮，但很难进入腺体。研究者借此探讨“层级选择性”，这一特性在动物中因病毒扩散路径复杂而无法明确区分。
6｜按图表顺序的结果解析
（1）图 1：AirTECH 模型的建立与组织形态保留
图 1 显示培养体系的完整结构。14 天后组织仍保持原始的沟槽状表面，并有细胞向水凝胶基底方向延展，表明组织与水凝胶之间形成稳定的结合。这种结构稳定性是维持腺体和上皮功能的前提，也为后续实验提供了坚实基础。
（2）图 2：腺体与上皮结构的长期维持
通过 H&E 与 PAS 染色，作者展示了腺体腺泡、导管、杯状细胞与纤毛上皮在 AirTECH 中均被完整保存。免疫染色进一步确认了 MUC5B 主导的腺体黏液细胞、PLUNC 阳性的浆液细胞、KRT5 阳性的肌上皮细胞等完整存在。这些结果说明 AirTECH 不仅保留了表面上皮，连深层腺体系统也得到持续维持。
（3）图 3：基因表达谱与新鲜组织高度一致
RNA-seq 显示超过 97% 的基因表达保持稳定。少数差异与代谢、ECM 相互作用和无血管状态相关，但上皮与腺体的标志基因几乎完全保持不变。这说明在结构维持的前提下，AirTECH 同样能维持分子层的“原位特征”。
（4）图 4：黏液纤毛清除功能的再现
在甲酰胆碱刺激下，气道组织迅速分泌黏液 strands，这些 strands 在正常 HCO₃⁻/Cl⁻ 环境中逐渐断裂并被纤毛清除。而在使用 bumetanide 的条件下，黏液 strands 难以断裂并大量残留。AirTECH 因此成功模拟了 CF 风格的黏液动力学变化，为体外重现黏液物性提供了罕见的窗口。
（5）图 5：新生 CF 气道对 LPS 的特异性反应
在无感染背景下，AirTECH 能保持新生 CF 气道的健康状态，而 LPS 刺激后 CF 组织表现出明显的 MUC5AC 增强，无论在表面上皮还是腺体中都如此；相比之下，WT 组织则没有同样的反应。这直接证明 CF 气道对外界刺激更敏感，并呈现典型的黏液改变模式。
（6）图 6：基因转导的细胞层选择性
腺病毒在 AirTECH 中仅感染表面上皮，而不进入腺体。配合 WGA 扩散实验，研究者确认腺体与上皮之间存在明确的物理屏障，使病毒难以抵达腺体部位。AirTECH 因此成为分层解析基因治疗靶向性的理想平台。
7｜讨论
1）AirTECH 为气道生物学提供了前所未有的稳定窗口
AirTECH 的价值首先体现在其对气道多层结构的完整重建能力。传统体外模型只能捕捉表面上皮的状态，而腺体这一深层结构由于对 ECM、氧气、机械环境等多重条件的依赖，几乎无法维持。AirTECH 同时保持上皮、腺体、平滑肌和软骨的完整性，使研究者能够观察这些结构在统一体系下的协同功能。由于腺体在黏液分泌、纤毛清除和气道再生中扮演关键角色，AirTECH 的出现使许多长期难以回答的问题得到推进。
（2）为囊性纤维化的“早期病程”提供真实体外场景
在囊性纤维化动物模型中，出生后的感染、炎症和组织重塑过程迅速推进，使研究者难以观察最初的腺体反应，也不可能将外界刺激的影响与继发因素区分开来。AirTECH 通过维持组织的“新生状态”，成功剥离了这些干扰，让 LPS 等单一因素的作用能够直接呈现。正是由于这种环境的纯净性，研究团队得以在第 5 图中看到 CF 气道对 LPS 的异常敏感，并明确这种差异来自腺体与上皮本身，而非炎症导致的次级改变。
（3）为气道基因治疗提供细胞层级的作用路径
在动物实验中，病毒载体容易同时感染表面上皮和腺体，导致不同细胞层的贡献难以区分。AirTECH 中病毒只进入表面上皮，而腺体几乎完全不受影响，这种天然的选择性为未来“层级功能解析”提供了重要可能。例如研究者可以在 CF 气道中仅恢复上皮 CFTR，然后观察腺体功能是否因此改善，从而更精确判断不同细胞层在病理中的作用。
（4）AirTECH 兼具类原位的真实性与体外体系的可控性
研究者能够通过单一因素刺激、基因转导、离子通道抑制以及多层组织成像等方式，在一个完全可控的环境中逐步剖析复杂气道功能。相比动物模型，AirTECH 在成本、重复性、并行性和实验变量控制方面均具有优势，使其不仅适用于基础研究，也有望在药物筛选和治疗策略评估中发挥作用。
8｜研究局限性
（1）无血管体系带来的代谢与扩散限制
AirTECH 在维持组织结构的同时，也不可避免地呈现出无血管的特性。氧气和营养完全依赖扩散，而废物同样以缓慢方式排出，这使得深层组织的代谢环境与体内存在差异。转录组结果中与代谢和应激相关的通路变化，可能正是这种扩散限制导致的。因此，AirTECH 在模拟复杂代谢网络时仍存在一定偏差。
（2）Matrigel 与天然 ECM 仍存在较大差别
Matrigel 作为支撑材料虽能提供结构稳定性，但其成分复杂且带有动物来源的批次差异。对 ECM 依赖性强的细胞类型，如肌上皮细胞或浆液细胞，可能会因此呈现与体内不同的行为模式。未来若能替换为成分可定义的合成水凝胶或脱细胞基质，有望进一步提升模型生理相关性。
（3）缺乏机械刺激对黏液与离子通道调控造成限制
真实气道在呼吸过程中承受周期性牵张、剪切力和气流冲击，这些机械刺激与黏液分泌、纤毛运动甚至离子通道开放状态密切相关。AirTECH 属于静态体系，无法准确模拟呼吸过程的物理环境，因此在研究与机械力相关的气道功能时存在明显不足。
（4）未纳入人体组织，转化意义仍需进一步验证
虽然猪模型在解剖结构和腺体分布方面接近人类，但临床相关性仍受物种差异制约。未来若能从手术或移植来源的气道组织中建立人类版本的 AirTECH，将更有助于理解人类疾病的独特机制，并推动药物与基因治疗策略的转化。
（5）目前的研究主要集中在 14 天周期内，长期培养仍待探索
AirTECH 在两周内表现稳定，但更长时间的培养可能会暴露新的结构或功能变化。例如腺体分泌模式是否改变、上皮更新是否出现偏移、平滑肌是否发生反应性重塑等，都需要未来的长期研究来验证。这些问题的答案将决定 AirTECH 是否适合模拟慢性疾病模型。
参考文献：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.
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