2025年12月15日，《自然-神经科学》发表的一项技术报告，介绍了首个完全由人诱导多能干细胞（iPS细胞）分化构建的微流控三维血脑屏障（BBB）模型。该模型整合了内皮细胞、壁细胞和星形胶质细胞，成功模拟了人脑BBB的关键结构与功能特征。更重要的是，研究者在模型中敲除了中风与小血管病风险基因FOXF2，不仅成功复现了与体内一致的病理表型，还利用脂质纳米颗粒递送Foxf2 mRNA实现了功能挽救，为研究神经血管疾病机制和开发靶向药物提供了强大的人源化平台。

血脑屏障（BBB）是大脑的“守门人”，精确调控血液与脑组织间的物质交换，其功能障碍是脑小血管病、中风乃至阿尔茨海默病等多种神经系统疾病的核心病理环节。然而，由于物种差异，基于啮齿类动物的研究结论常难以直接转化至人类。构建一个能真实反映人脑BBB生理与病理特征的体外模型，是领域内长期追求的目标。

来自德国神经退行性疾病研究中心（DZNE）和ISAR生物科学研究所的团队，利用前沿的干细胞与微流控技术，攻克了这一难题。他们首先建立了高效、标准化的分化方案，从同一株iPS细胞出发，分别获得了构成BBB的三种核心细胞：脑内皮细胞（iECs）、壁细胞（iPCs/iSMCs）和星形胶质细胞（iASs），并通过多组学分析（特别是蛋白质组学）全面验证了这些细胞的身份与纯度。

从2D到3D：构建可灌注的“芯片大脑微血管”

研究的关键创新在于，将这些同源iPS细胞来源的细胞按特定比例混合，注入微流控芯片的中央通道中，使其在三维水凝胶环境中自组织。经过约一周的培养，iECs奇迹般地自我组装成具有连续管腔的血管样网络，并表现出真实BBB的核心特征：

• 屏障结构：内皮细胞间形成了由CLDN5、TJP1等蛋白组成的致密连接，电镜可观察到典型的连接结构。
• 正确极性：细胞表现出明确的顶-底极性，顶端分泌Podocalyxin，基底侧则沉积胶原蛋白。
• 细胞互作：星形胶质细胞伸出突起包裹血管，壁细胞则贴附于内皮管道的基底侧，模拟了体内的神经血管单元结构。
• 功能完备：这些血管样管道可被10kDa/40kDa的葡聚糖乃至人全血灌注而不渗漏，证明了其功能屏障的完整性。同时，内皮细胞间能传递钙波，显示出功能性的细胞通讯。

与传统的2D Transwell模型相比，该3D模型更真实地反映了体内BBB的复杂结构和细胞间相互作用。

精准模拟疾病：FOXF2敲除重现BBB功能障碍

为验证模型的疾病研究价值，研究者利用CRISPR技术，在iPS细胞中敲除了脑小血管病和中风的风险基因FOXF2，并将其分化为iECs，再与正常的壁细胞和星形胶质细胞组装成3D BBB模型。

在3D模型中，FOXF2敲除的iECs表现出显著的BBB功能障碍：

• 囊泡运输异常：与对照组相比，敲除组内皮细胞中CAV1阳性的小窝（caveolae）密度显著增高，电镜下可见大量囊泡结构，指示转胞吞作用增强。
• 细胞连接受损：紧密连接蛋白TJP1的表达显著下调，电镜观察到内皮连接处出现拉长的突起和局灶性开口，屏障完整性遭到破坏。
• 通透性增加：功能上，敲除组iECs的跨内皮电阻（TEER）降低，且对葡聚糖的渗漏性增加。

至关重要的是，研究者在平行的内皮细胞特异性Foxf2敲除小鼠（Foxf2iECKO）体内模型中，观察到完全一致的CAV1上调和TJP1下调表型，强有力地证明了该人源化3D模型能够精准复现体内的疾病关键特征。

机制探索与治疗概念验证

利用这一模型，研究者对FOXF2敲除的iECs进行了定量蛋白质组学分析，发现差异蛋白显著富集于“囊泡介导的转运”和“细胞连接组装”等通路，从分子层面印证了观察到的细胞表型。进一步的ChIP-seq分析提示，FOXF2可能直接结合在TJP1和CAV1基因位点附近进行调控，为理解其分子机制提供了线索。

更具转化意义的是，研究者在该模型中测试了脂质纳米颗粒（LNP）递送Foxf2 mRNA的治疗策略。结果显示，将载有Foxf2 mRNA的LNP灌注到FOXF2敲除的3D血管中后，可成功将mRNA递送入iECs，使其FOXF2蛋白水平恢复，进而显著逆转了CAV1上调和TJP1下调的病理表型，并减少了内吞摄取。这一概念验证实验，充分展示了该模型在筛选和评估靶向BBB的基因治疗或药物递送策略方面的巨大潜力。

总结与展望

这项研究提供了一个高度生理相关性、可精准基因操控、且完全来源于人源细胞的3D BBB平台。它不仅在基础研究层面为解析人类BBB的发育、稳态维持及疾病机制提供了前所未有的工具，更在转化医学层面为高通量药物筛选、基因治疗载体（如AAV、LNP）的BBB穿透效率评估，以及个体化精准医疗策略的开发铺平了道路。

该模型的建立是神经血管生物学领域的一项重要里程碑。未来，通过进一步整合微流控芯片的灌流系统以模拟生理剪切力，并引入更多细胞类型（如小胶质细胞、神经元），该平台将能够更完整地模拟“神经血管单元”的复杂互作，从而推动我们对脑健康与脑疾病的理解迈向新高度。

参考文献：
A fully iPS-cell-derived 3D model of the human blood–brain barrier for exploring neurovascular disease mechanisms and therapeutic interventions. Nat Neurosci 29, 479–492 (2026).

相关阅读：

• Campisi, M. et al. 3D self-organized microvascular model of the human blood-brain barrier. Biomaterials 180, 117-129 (2018).
• Rezai, A. R. et al. Focused ultrasound-mediated liquid biopsy in a human blood-brain barrier model. Nat. Biomed. Eng. 7, 110-123 (2023).