综述：3D体外血脑屏障模型：最新进展及其在脑疾病研究与治疗中的作用

《Frontiers in Pharmacology》：3D in vitro blood–brain barrier models: recent advances and their role in brain disease research and therapy

本综述系统回顾了3D体外血脑屏障（BBB）模型的最新进展，重点探讨了其相较于传统2D模型在模拟生理结构（如紧密连接TJ、转运蛋白P-gp）和功能（如跨内皮电阻TEER）方面的优势。文章详细分析了水凝胶、微流控器官芯片（OOAC）及类器官等模型在脑肿瘤（如胶质母细胞瘤GBM）和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病AD）研究中的应用，强调了这些模型在提升药物筛选效率和推动个体化医疗方面的潜力。

　　

1 引言

血脑屏障（BBB）是中枢神经系统（CNS）的关键结构，通过调节分子从血液到脑组织的跨细胞和旁细胞运输，维持CNS稳态并保护大脑免受神经毒性损害。BBB的选择性渗透性由神经血管单元（NVU）细胞网络维持，主要包括紧密连接的内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞。然而，这种选择性也阻碍了药物递送，尤其是在治疗脑肿瘤和神经退行性疾病时。传统2D体外模型和动物模型往往无法复制人BBB的结构复杂性和生理功能，因此3D体外模型通过整合细胞结构、细胞外基质（ECM）成分和动态流体流动，提供了更高的生理相关性。

2 血脑屏障（BBB）

BBB最初在19世纪通过Paul Ehrlich的实验被识别，其结构包括脑微血管内皮细胞（BMECs）、周细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞。BMECs通过紧密连接（TJ）蛋白（如occludin、claudins和连接粘附分子JAMs）形成物理屏障，限制旁细胞运输。BBB还表达溶质载体（SLC）转运蛋白和受体介导的转胞作用（RMT）途径，如转铁蛋白受体（TfR）和低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP-1），以促进营养物质的摄取。此外，药物外排转运蛋白如P-糖蛋白（P-gp）和乳腺癌耐药蛋白（BCRP）主动将底物泵出脑组织，保护CNS免受异生物质侵害。

3 研究BBB的理由

神经系统疾病是全球主要健康问题，与BBB功能障碍相关的疾病包括多发性硬化症（MS）、阿尔茨海默病（AD）、胶质母细胞瘤（GBM）和脑转移瘤。CNS靶向治疗的批准率较低，部分原因是缺乏有效的临床前模型。动物模型昂贵、耗时且常与人类表型存在差异，因此开发准确的体外BBB模型对于药物筛选和治疗创新至关重要。

4 体外研究BBB的挑战

BBB的结构和功能特性受其细胞成分和周围微环境影响，但在一个体外模型中捕捉所有特征极具挑战性。BBB的通透性在炎症和疾病状态下会发生变化，难以模拟。在癌症环境中，BBB重塑为血肿瘤屏障（BTB），导致通透性增加，但这种增加是异质性的。神经退行性疾病中的慢性炎症也会影响BBB完整性，形成促炎正反馈循环。此外，用于模拟BMECs的细胞系的准确性、BBB模型有效性和完整性的评估方法（如TEER和示踪剂渗透性测定）也存在标准化难题。

5 2D体外BBB模型

Transwell系统广泛用于BBB体外建模，包括单培养和共培养配置。单培养Transwell模型简单、成本低，适合初步药物筛选，但生理相关性有限。共培养模型纳入星形胶质细胞、周细胞等NVU细胞，提高了屏障完整性，显示了更高的TEER值和更低的旁细胞渗透性。然而，2D模型无法模拟体内的3D动态环境，限制了其翻译相关性。

6 3D体外BBB模型的最新进展

6.1 水凝胶BBB模型

水凝胶提供3D支架，支持细胞生长和相互作用，模拟大脑ECM的机械特性（刚度1–2 kPa）。常用水凝胶包括胶原蛋白、Matrigel、聚乙二醇（PEG）和明胶甲基丙烯酰（GelMA）。这些模型通过功能化肽（如RGD和IKVAV）增强细胞粘附，提高生理相关性。研究表明，水凝胶模型显示更高的TJ蛋白表达和更低的渗透性，优于2D模型。

6.2 微流控和器官芯片（OOAC）设备

微流控设备通过模拟血流剪切应力，增强BBB模型的动态性。配置包括三明治设计、平行通道设计、3D管状设计和自组装设计。OOAC平台复制器官的生理复杂性，允许实时监测细胞相互作用。这些模型显示改进的屏障功能和细胞取向，但面临材料生物相容性和标准化挑战。

6.3 BBB的球体和类器官模型

球体和类器官模型通过细胞自发聚集形成3D结构，模拟BBB的细胞复杂性。球体通常使用永生化细胞系，而类器官源自诱导多能干细胞（iPSCs）或原代组织，提供患者特异性建模。这些模型支持多种NVU细胞类型，显示功能性屏障属性，但评估屏障完整性需要复杂技术如共聚焦显微镜。

7 3D BBB模型在癌症研究中的应用

3D BBB模型用于研究肿瘤-BBB相互作用、癌症转移和药物递送。它们模拟BTB的形成，显示血管降解和免疫细胞粘附增加。模型还用于筛选纳米颗粒等新型疗法，并研究耐药机制，如替莫唑胺在3D模型中的效果降低。这些模型提供了对脑肿瘤生物学和治疗的深入理解。

8 3D BBB模型在非癌症研究中的应用

在神经退行性疾病中，3D模型用于研究神经炎症、帕金森病（PD）和AD的病理。模型显示炎症触发BBB通透性增加，Aβ积累和屏障功能受损。它们还用于测试靶向药物递送系统，如功能化金纳米棒。这些模型帮助理解疾病机制和评估治疗干预。

9 BBB体外模型的再现性、监管相关性和标准化

3D体外模型符合“3Rs”原则，减少动物使用。FDA计划逐步淘汰动物测试，支持体外和计算机模型。然而，模型间的变异性和缺乏标准化协议阻碍了监管接受。国际组织如ASTM和CEN/CENELEC正在制定标准，以促进模型在药物开发中的广泛应用。

10 讨论

3D BBB模型在模拟生理条件和推进药物发现方面具有变革潜力。不同模型类型各有优势，选择取决于研究问题。尽管存在再现性和可扩展性挑战，这些模型通过提供更准确的人类相关平台，有望加速CNS治疗开发。

11 结论

没有单一3D BBB模型是普遍最优的；模型选择需基于应用需求。未来方向指向集成平台，结合OOAC的生理准确性和类器官的复杂性。通过解决标准化和验证问题，3D BBB模型可实现其在脑病理研究和治疗开发中的全部潜力。