血脑屏障（BBB）是维持中枢神经系统稳态的关键结构，其功能障碍与多种神经血管疾病及脑部疾病密切相关。近年来，基于诱导多能干细胞（iPS）的三维BBB模型在疾病机制研究和药物开发中展现出重要潜力。一项发表于《自然·神经科学》的研究，系统性地构建了全人类iPS细胞来源的三维BBB模型，并首次揭示了FoxF2转录因子在血脑屏障内皮细胞中的关键作用，同时验证了脂质纳米颗粒（LNP）在靶向治疗中的可行性。
### 一、三维BBB模型的构建与验证
研究团队通过优化iPS细胞分化 protocols，成功实现了四种BBB关键细胞类型的同步诱导：内皮细胞（iECs）、 mural细胞（包括iPCs和iSMCs）、以及星形胶质细胞（iASs）。这些细胞在功能与形态上均表现出与原代细胞高度相似的特征：
1. **内皮细胞（iECs）**：分化后显著上调PECAM1、CDH5、CLDN5等BBB特异性标志物，其紧密连接蛋白（TJP1、CLDN5）的表达水平与hCMECs（人脑微血管内皮细胞系）相当，并形成具有极性的管状结构。
2. **mural细胞**：iPCs和iSMCs分别表达ANPEP、TAGLN和SMA等标志物，并通过共培养增强细胞间相互作用，例如iPCs与iECs共培养时，管腔直径显著小于iSMCs（图2k），模拟了体内血管分型的特征。
3. **星形胶质细胞（iASs）**：在血清饥饿条件下分化，成功表达GFAP、S100B等标志物，并形成星形突触网络，促进iECs的极性分化。
模型验证方面，通过蛋白质组学分析发现，iPS衍生细胞与原代细胞的蛋白质表达谱高度相似（图1c）。尤其是iECs的ABC转运蛋白（如ABCG2、ABCB1）活性与hCMECs相当，且在共培养条件下（iECs+iPCs或iECs+iSMCs），紧密连接（TJP1）和血管通透性（Dextran-40通过率）显著提升，表明三维共培养更接近体内微环境。
### 二、FoxF2基因在BBB中的功能解析
研究选择FOXF2作为靶点，因其突变与脑小血管疾病高度相关。通过CRISPR-Cas9技术，团队构建了FoxF2基因敲除的iPS细胞系（FOXF2-KO iPS cells），并验证了其细胞自主性效应：
1. **表型改变**：FOXF2缺失导致iECs形成异常 caveolae富集（CAV1蛋白上调3倍），紧密连接蛋白（TJP1、CLDN5）表达下降，管腔直径增大（图3e-g）。该特征与小鼠FoxF2-iECKO模型（内皮细胞特异性敲除）的病理表现一致，包括脑微血管管壁增厚、血脑屏障通透性升高。
2. **分子机制**：蛋白质组学揭示FOXF2缺失后，细胞内吞途径相关蛋白（如CAV1、PACSIN2）显著上调，而细胞黏附通路（如CDH5、ITGA5）蛋白表达下调。值得注意的是，FOXF2直接调控TJP1和CAV1的启动子区域（ChIP-seq分析，图4j-k），说明其在维持内皮细胞屏障功能中的双重作用：既通过促进TJP1表达维持紧密连接，又通过调控CAV1平衡 caveolae介导的运输与信号转导。
### 三、LNP递送系统的临床转化潜力
研究创新性地采用脂质纳米颗粒（LNP）进行基因治疗：
1. **递送效率**：LNP包裹的FoxF2 mRNA在iECs中高效递送（荧光标记显示98%内皮细胞摄取），且未显著影响其他细胞类型。
2. **功能 rescue**：FOXF2-KO iECs经LNP治疗3天后，CAV1和TJP1蛋白表达恢复至野生型水平，细胞间连接完整性重建，管腔直径缩小至对照组的80%。值得注意的是，LNP载体未改变细胞极性，且未引发免疫原性反应。
3. **机制验证**：荧光标记显示，LNP递送的FoxF2 mRNA特异性定位于内皮细胞核区，且治疗24小时后即可观察到钙信号同步性增强（提示细胞间通讯恢复）。
### 四、模型的应用与局限性
1. **应用场景**：
- **疾病机制研究**：可模拟脑小血管疾病（如 cerebral small vessel disease, CSVD）的病理特征，包括内皮细胞 caveolae异常、紧密连接破坏等。
- **药物筛选**：已成功用于评估贝那普利（血管紧张素转化酶抑制剂）对BBB通透性的影响，其效果与临床前小鼠模型高度一致。
- **个性化治疗**：结合患者来源iPS细胞，可预测个体对基因治疗的响应差异。
2. **局限性**：
- **力学微环境缺失**：模型未模拟血管内剪切力（shear stress），可能影响内皮细胞代谢重编程。
- **细胞异质性**：mural细胞类型分化仍不明确（如iPCs与iSMCs在标记表达上存在重叠）。
- **规模化挑战**：微流体芯片的通量限制（单次仅支持5-10个样本）制约大规模药物筛选。
### 五、研究意义与未来方向
该模型首次实现了从FoxF2基因敲除到LNP治疗的完整闭环验证，其核心突破在于：
1. **细胞异质性建模**：通过共培养实现内皮细胞-平滑肌细胞-星形胶质细胞的动态交互，比传统单层培养更接近体内三维架构。
2. **功能可评估性**：整合了电生理（钙成像）、分子（蛋白质组学）、形态（电子显微镜）等多维度分析，建立了BBB功能评价的黄金标准。
3. **转化医学衔接**：LNP系统已通过FDA批准用于其他疾病（如新冠疫苗），其与iPS细胞模型的结合为神经血管疾病治疗提供了新路径。
未来研究可聚焦于：
- **动态微环境构建**：引入机械搅拌模块模拟血流剪切效应。
- **多细胞协同机制**：解析星形胶质细胞在炎症反应中如何调控内皮细胞基因表达。
- **临床前转化**：建立类器官模型与动物模型的跨尺度验证体系。
该研究不仅为BBB相关疾病（如阿尔茨海默病、中风）的机制探索提供了新工具，更为靶向内皮细胞的治疗策略（如通过LNP递送mRNA、miRNA或siRNA）奠定了实验基础，标志着人类细胞模型在神经血管疾病研究中的里程碑式进展。
