《Nat Neurosci》全iPS细胞造人脑屏障：一支Foxf2 mRNA-LNP，修复被敲坏的血脑屏障【详读】

来源于：纳米医学网 | 作者：小 N | 发布时间：2026-10-28 | 浏览：4

《Nat Neurosci》全iPS细胞造"人脑屏障"：一支Foxf2 mRNA-LNP，修复被敲坏的血脑屏障

《Nat Neurosci》全iPS细胞造

◆ 一、文献简介

血脑屏障（BBB）是大脑与血液之间的"选择性门卫"，由脑微血管内皮细胞、壁细胞（周细胞与平滑肌细胞）和星形胶质细胞共同构成：内皮细胞之间靠紧密连接"封口"、胞吞转运率极低，是物理屏障的主体；壁细胞贴附血管外壁提供结构与信号支持；星形胶质细胞的足突则包绕血管调节屏障功能。这套系统一旦失灵，与脑血管病和神经退行性疾病都脱不了干系——脑小血管病、卒中、阿尔茨海默病中都能观察到屏障渗漏。然而机制研究长期依赖啮齿类动物与体外培养模型：物种间遗传与分子差异让动物发现难以外推到人类，基于小鼠筛选出的神经科药物在临床试验中屡屡折戟。体外一侧，主流模型是把内皮细胞与星形胶质细胞分置半透膜上下两侧的transwell共培养——本质是二维"平地"，而体内内皮细胞生活在持续灌注的管状血管里，维度改变本身就会改写基因表达与信号通路。人源、全细胞类型、三维可灌注——三个需求摆在一起，此前没有一个成熟答案。为此，德国卒中与痴呆研究所（Institut für Schlaganfall- und Demenzforschung）Judit González-Gallego团队建立了一种完全由人iPS细胞来源的三维微流控BBB模型，并用它复刻了脑血管病风险基因FOXF2缺失的病理特征、进而以脂质纳米颗粒（LNP）递送Foxf2 mRNA完成 rescue，成果发表于 Nature Neuroscience（DOI: 10.1038/s41593-025-02123-w）。

◆ 二、细胞铸造：从iPS细胞分化出四种"屏障工人"

iPS细胞即诱导多能干细胞——把成人体细胞"倒带"回可分化为各类细胞的状态，理论上能让同一个人的一株细胞系分化出构建屏障所需的全部细胞。团队先建立了简化的四套分化流程：内皮细胞（iECs）走中胚层诱导+血管特化路线，培养第5天用CDH5（CD144）抗体标记做磁珠分选（MACS）纯化，之后可在内皮培养基中传代至多5次；周细胞（iPCs）取自同一流程中CDH5阴性的"边角料"部分继续诱导；平滑肌细胞（iSMCs）由中胚层细胞在SMC培养基中直接特化；星形胶质细胞（iASs）则先经神经前体细胞阶段，全程无血清培养——作者特别强调，无血清是避免星形胶质细胞被"激活"、保住其支持屏障功能的关键。四套流程都表现出高纯度与高产量：iECs下调多能性标记OCT4/NANOG，上调PECAM1、CDH5、紧密连接蛋白CLDN5与TJP1；iPCs与iSMCs表达壁细胞标志SM22（TAGLN）、CNN1；iASs高表达GFAP、AQP4、S100B等胶质标志。团队还把这些细胞与商业原代细胞、hCMEC/hBMEC等常用细胞系做了组学对表（蛋白组PCA+公开转录组数据），确认iECs的表达谱更接近"脑血管内皮"而非其他内皮或上皮——顺带澄清了一个领域内常见的坑：不少研究误把上皮细胞当作脑内皮细胞来建模。

◆ 三、三维组装：能灌人血、七日成管的微血管

模型把完全分化好的iECs、iASs与壁细胞（iPCs或iSMCs）按比例混进纤维蛋白水凝胶（EC每毫升120万个、星形胶质细胞50万、壁细胞10万），注入微流控芯片中央通道；两侧培养基通道铺上内皮单层，每天靠重力驱动进料（右口70 µL、左口50 µL制造压差）。第3天iECs自组织出原始血管网络，一周后形成分支管状结构并能再维持一周以上。超微结构与免疫荧光给出了"是血管的样子"：内皮表达TJP1、CLDN5，电镜下相邻细胞间见电子致密连接区；第7天已沉积富含IV型胶原（COL4）与层粘连蛋白的细胞外基质；顶-底极性正确——足细胞糖蛋白PODXL朝管腔面、COL4朝外侧；壁细胞按位置就位（iPCs沿管外壁贴附，iSMCs落在分叉点之间），星形胶质细胞保持星形并伸出突起靠近内皮，与脑内"血管-胶质单元"的空间关系一致。功能性验证更有说服力：管腔可灌注10 kDa与40 kDa荧光右聚糖乃至人全血而无渗漏——翻译成白话：这根人造微血管不仅"管子是通的"，而且"膜是不漏的"，血还能在里面跑。共培养定量比较显示，加星形胶质细胞（尤其再配上壁细胞）能同时提高紧密连接（TJP1）与基质（COL4）信号、增加分支复杂度，且与iPCs相伴的血管管径更小、与iSMCs相伴的更粗——重现了体内毛细血管与小动脉的尺度分层。灌注TNF还能诱导E-选择素与ICAM-1上调，复现血管炎症表型，说明模型可做炎症机制研究。

◆ 四、锁定风险基因：FOXF2缺失让"门卫"松锁

FOXF2是转录因子，也是卒中与脑小血管病的重要风险基因，已知参与调控内皮-周细胞互作、细胞外基质生成和BBB形成；小鼠全身敲除会出现屏障渗漏与脑出血，但FOXF2在人内皮细胞里缺了会怎样，此前从未在人体模型上研究过。团队用CRISPR-Cas9核糖核蛋白（RNP）电转体系在iPS细胞FOXF2外显子1的DNA结合区制造移码突变（克隆1为一等位基因+1 bp、另一-5 bp，克隆2为+1/-2，均暴露提前终止密码子），并做了脱靶扫描、SNP杂合性保留与全基因组分子核型验证；由此分化出的FOXF2 KO iECs中FOXF2 RNA几乎清零（P=0.0079、P=0.0033）。三维模型里的表型立竿见影：小窝蛋白CAV1（caveolae结构的标志蛋白——caveolae是内皮细胞上负责跨胞转运的"瓶状小凹"）显著上调（P=0.001），电镜可见caveolae大量增多；紧密连接蛋白TJP1显著下降（P<0.0001），TEM显示连接处"开口"；CLDN5、TJP1、OCLN三种连接相关基因mRNA同步下调（P<0.001、P<0.0001、P=0.0034）；TEER（跨内皮细胞电阻，数值越高屏障越"严实"）在10 h与30 h时点低于野生型（P=0.006、P=0.01）。功能层面，KO内皮对FM1-43FX（膜示踪染料）与CTB（霍乱毒素B亚基，结合神经节苷脂GM1、经caveolae内吞的经典探针）的摄取均显著升高（P<0.0001、P<0.001）；3D管腔灌注40/70 kDa右聚糖渗漏加大（P=0.0049、P=0.0015）。内皮"门闩松了、后门（胞吞小窝）开了"——正是屏障功能的两条泄漏通道同时失守。

◆ 五、人鼠对表：蛋白组学与体内表型互相印证

为了排除体外模型"自说自话"，团队做了两件事。其一，平行构建成年小鼠内皮特异性Foxf2敲除品系（Cdh5-CreERT2; Foxf2^fl/fl，他莫昔芬0.25 mg/kg隔日腹腔注射三次、6月龄取材），分离脑血管与切片染色显示：CAV1上调（P=0.0108）、TJP1下调（P<0.0001），电镜见内皮增厚与caveolae富集——与人源3D模型的核心表型逐条对得上。其二，对KO与野生型iECs做TimsTOF蛋白组学（DIA-PASEF模式）：共鉴定9,134个蛋白（≥2条唯一肽段），其中7,656个在≥3个样本中定量，2,839个显著变化——1,100个上调、1,739个下调（P<0.05）。GO富集显示"囊泡介导转运""黏着斑组装""血管通透性调控"是最受害的生物学过程；上调端以caveolae装配主控CAV1、PACSIN2及网格蛋白小泡成员（ACKR3、AP3M2、CLINT1等）为主，下调端集中于细胞连接与黏附蛋白。ChIP-seq进一步补上机制一环：FOXF2与活性增强子标记H3K27ac共同富集在CAV1与TJP1两个基因的顺式调控区——一个转录因子同时"按住转运小窝、撑起紧密连接"，屏障失衡的因果链就此闭合。

◆ 六、mRNA救援：LNP把Foxf2送回内皮

模型好不好，还要看它能不能当药效评价平台。团队用NanoAssemblr微流控混合工艺制备LNP：可电离脂质ALC-0315、DOPE、胆固醇、PEG脂ALC-0159按50:10:38.5:1.5摩尔比溶于乙醇，与174 µg/mL mRNA的70 mM乙酸盐缓冲液（pH 4.0）以3:1流速比、总流量12 mL/min混合成粒——正是mRNA疫苗同款脂质配方。装载膜定位mRFP报告mRNA的荧光标记LNP经管腔灌注后，mRFP在绝大多数iECs中表达并与CDH5共定位；耐人寻味的是，只有内皮细胞吃到信号，星形胶质细胞与壁细胞没有——说明LNP并没有穿过屏障，递送发生在"面向血流"一侧，与体内静脉给药的处境一致。装载小鼠Foxf2 mRNA的治疗性LNP处理24 h后，KO细胞的CAV1被压回、TJP1被拉起，基本恢复到野生型水平（ANOVA组间P=0.001、P<0.0001），FM1-43FX的过度摄取也回归正常（P<0.001）——分子表型与功能表型双双被 rescued。这项"以mRNA补转录因子"的 Proof of Concept，把模型顺手变成了药物开发工具。

本研究开发了迄今系统表征最完整的完全人源iPS细胞三维BBB芯片模型：四种屏障细胞全部自体来源、可灌注人血、屏障与转运功能可读，并在等基因背景下复刻了FOXF2缺失性脑小血管病的关键特征，还示范了LNP-mRNA的体内化救援。它的可迁移性同样清晰——把FOXF2换成任何已知的血管风险基因，这套"分化-组装-敲除-组学-救援"流水线都能平移；对一个长期被动物模型外推失败困扰的领域来说，"用人细胞测人的药"这块拼图，终于有了趁手的底座。

◆ 关于纳米医学网（舜纳纳米）

本文的两项核心技术——微流控混合制备LNP-mRNA（ALC-0315/DOPE/胆固醇/PEG脂四组分）与纳米颗粒的粒径/PDI表征，正是纳米医学网（Sunlipo Biotech，www.med-nanotech.com）服务目录上的常规项目：脂质体与LNP递送系统构建、mRNA/小核酸药物原料与递送设计、核酸药物递送方案设计，以及粒径电位/TEM表征检测与体外递送效率评价，一站式覆盖"设计→制备→表征→细胞/动物验证"全链条。想把您的候选分子装进纳米颗粒并测出"进得去、穿不穿得过屏障"，不必从零搭平台。

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参考资料：https://doi.org/10.1038/s41593-025-02123-w
全文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12880921/
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