在模擬失重環境中進行肺 3D 類器官培養，需同時兼顧失重對細胞行為的特殊影響、肺組織的生理特性及 3D 類器官的構建規律，其關鍵可歸納為以下幾個方面：

1. 模擬失重環境的精準調控

模擬失重（如微重力）的核心是削弱重力對細胞的機械力刺激（如重力引起的沉降、壓力梯度），需通過專用裝置實現穩定、可重復的失重效應：

裝置選擇：常用旋轉細胞培養系統（RCCS）、隨機定位機器（RPM）或磁懸浮系統。RCCS 通過水平旋轉使細胞處于 “持續自由落體” 狀態，減少重力介導的沉降和剪切力；RPM 通過多軸隨機旋轉抵消重力方向性，更接近空間微重力效應。

參數優化：需調控旋轉速度（RCCS 通常 5-30 rpm）、旋轉軸方向（RPM）、培養容器幾何結構（減少流體湍流），確保細胞 / 類器官處于低剪切力、無定向重力的微環境，同時避免因旋轉過快導致的離心力干擾。

2. 肺特異性細胞來源與共培養體系設計

肺 3D 類器官需模擬肺泡、氣道等結構，依賴多種細胞的協同作用，失重環境可能改變細胞間通訊，因此需優化細胞組成：

核心細胞類型：肺泡上皮細胞（AT1/AT2 型，AT2 型負責分泌表面活性物質）、氣道基底細胞、肺成纖維細胞（調控 ECM 合成）、血管內皮細胞（模擬肺血管網絡），必要時加入免疫細胞（如巨噬細胞）模擬肺免疫微環境。

共培養策略：采用 “混合接種” 或 “分層組裝”，確保細胞間物理接觸和旁分泌信號（如 Wnt、FGF、TGF-β 等）傳遞。失重可能減弱細胞黏附能力，需通過預處理（如低濃度膠原包被）增強細胞間相互作用，維持類器官結構完整性。

3. 細胞外基質（ECM）與力學微環境適配

肺組織依賴 ECM 的支撐和力學信號（如呼吸牽張），失重下 ECM 的合成、重塑及細胞力學感知（mechanotransduction）會改變，需針對性優化：

ECM 支架選擇：常用 Matrigel（含層粘連蛋白、膠原 IV）或合成水凝膠（如 PEG 基凝膠），需調整硬度（肺組織 ECM 硬度約 1-10 kPa），并添加纖連蛋白、彈性蛋白等，增強細胞錨定能力（失重可能降低整合素介導的黏附）。

力學刺激補充：肺在生理狀態下受周期性牽張（呼吸運動），失重環境中需通過生物反應器施加動態力學刺激（如 0.5-10% 應變，0.2-1 Hz 頻率），激活 YAP/TAZ 等力學感知通路，促進 AT2 型細胞分化和表面活性物質合成，避免因失重導致的功能退化。

4. 營養與氣體交換的動態保障

3D 類器官因體積增大易出現核心缺氧或營養匱乏，失重下流體動力學改變（如對流減弱、擴散主導）會加劇這一問題，需強化物質傳遞效率：

動態培養系統：結合灌注式生物反應器，通過持續流動的培養基（流速 50-500 μL/h）攜帶氧氣和營養物質，沖刷代謝廢物（如乳酸）。失重下流體流動模式不同，需通過數值模擬優化流道設計，避免類器官因流體剪切力過高而破損。

氣體環境調控：維持 37℃、5% CO?，必要時通過氧分壓梯度（如肺泡側 10-14% O?，血管側 21% O?）模擬肺內氧環境，失重可能影響細胞氧感知（如 HIF-1α 通路），需監測類器官內氧分布（如熒光氧探針）并調整氣體供應。

5. 分化與功能表型的維持

失重可能干擾肺細胞的分化程序（如 AT2→AT1 型細胞轉化）和功能標志物表達，需通過因子調控強化肺特異性表型：

培養基優化：添加肺發育關鍵因子，如 KGF（促進 AT2 細胞增殖）、地塞米松（誘導表面活性物質合成）、視黃酸（調控氣道分化），并抑制纖維化相關因子（如 TGF-β），避免失重可能誘導的異常 ECM 沉積。

功能驗證：通過檢測表面活性物質（如 SP-A、SP-B）分泌量、肺泡上皮屏障完整性（跨上皮電阻，TEER）、炎癥因子（如 IL-6）釋放等，評估類器官功能。失重可能導致抗氧化能力下降（如谷胱甘肽水平降低），需補充抗氧化劑（如 N - 乙酰半胱氨酸）維持細胞穩態。

6. 監測與評估體系的建立

需結合多維度方法驗證類器官對失重的響應及結構功能真實性：

結構評估：通過共聚焦顯微鏡（免疫熒光標記細胞特異性標志物，如 AT2 的 SP-C、內皮的 CD31）、顯微 CT 或電鏡觀察類器官形態（如肺泡樣腔隙形成）。

分子層面：通過轉錄組學（RNA-seq）分析失重響應基因（如重力感知相關的 ANKRD、力學信號通路基因）和肺功能基因（如 SFTPC）的表達變化。

長期穩定性：失重效應可能隨培養時間累積，需確定最佳培養周期（通常 7-21 天），避免類器官過度增殖或凋亡。

總結

模擬失重下肺 3D 類器官培養的核心是 “精準模擬失重環境 + 適配肺組織的細胞 - ECM - 力學互作 + 動態功能維持”，其最終目標是構建能真實反映失重狀態下肺組織生理 / 病理變化的模型，為空間醫學或地面肺疾病研究提供工具。。