《Materials Today Bio》：A blood-brain barrier model based on flexible tubes to tailor the biophysical and chemical environment for drug delivery testing
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摘要：开发具有生理相关性的体外血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）模型对于可靠评估药物通透性和神经治疗药物转运至关重要。现有平台往往无法重现脑微血管的三维几何形态和力学顺应性，限制了其转化相关性。本研究报道了通过海藻酸钠与ε-聚-L-赖
摘要：开发具有生理相关性的体外血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）模型对于可靠评估药物通透性和神经治疗药物转运至关重要。现有平台往往无法重现脑微血管的三维几何形态和力学顺应性，限制了其转化相关性。本研究报道了通过海藻酸钠与ε-聚-L-赖氨酸（ε-poly-L-lysine, ε-PLL）的聚电解质络合制备柔软、柔性且自支撑的管状膜（tubular membranes），获得可密切模拟小脑血管架构与柔韧性的圆柱形构建体。所得生物材料支持稳健的内皮细胞黏附及功能性屏障形成，表现出与选择性分子转运相符的受控通透性。重要的是，该顺应性管状构建体可实现外部机械压缩加载，能以与肿瘤诱导血管压迫等病理条件相关的方式可控调控血管形变与屏障完整性。该平台将生理相关的圆柱几何结构与力学顺应性及可形变微环境相结合，为内皮屏障形成及机械扰动提供了可调且可重复的基底，有助于开发更具仿生性的体外BBB模型。
基于柔性聚电解质管状膜的仿生体外血脑屏障(BBB)模型用于机械压缩下屏障功能与药物透送评价——论文解读
本研究由Maria Alexaki, Attilio Marino, Marie Celine Lefevre, Claudio Canale, Davide Odino, Jo?o F. Mano, Mariana B. Oliveira及Gianni Ciofani合作完成，发表于《Materials Today Bio》。
研究背景与立项依据
体内血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）由脑微血管内皮细胞经紧密连接（tight junctions）连接而成，呈环绕毛细血管腔的圆柱形三维排列，并处于特定基质刚度与血流动力学共同调控的力学微环境中。现有体外BBB模型如Transwell孔板及微流控器官芯片（organ-on-a-chip）多为平面刚性基底，缺乏脑微血管的圆柱几何构型与力学顺应性（mechanical compliance），无法模拟外部实体压迫（如胶质母细胞瘤扩张产生的solid stress）所致血管形变对屏障完整性的影响，亦难以量化局部机械压缩与内皮屏障功能间的因果关联。为此，研究人员利用前期开发的离子组装聚电解质复合中空管状膜，构建兼具圆柱管腔、可形变壁面及可控外加载荷能力的仿生体外BBB模型，以填补上述空白。
主要关键技术方法
研究人员采用海藻酸钠（alginate, 2% w/w）与ε-聚-L-赖氨酸（ε-PLL, 0.75% w/w）于双水相体系（PEG/葡聚糖）界面聚电解质络合自发形成自支撑闭合端管状膜，腔内包埋小鼠脑微血管内皮细胞bEnd.3或人脑微血管内皮细胞（human Brain Microvascular Endothelial Cells, hBMECs），培养7天形成汇合单层；以原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）纳米压痕测Young's模量；活/死荧光染色及免疫荧光观察紧密连接蛋白ZO-1（zonula occludens-1）与F-actin细胞骨架；以FITC-葡聚糖（4 kDa与2000 kDa）测定表观渗透系数（apparent permeability coefficient, Papp）；电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）检测跨壁阻抗；HPLC定量替莫唑胺（temozolomide）与阿霉素（doxorubicin）跨膜转运；以不同浓度海藻酸钙凝胶微球对成熟管状BBB施加约100 Pa局部静态外部压缩24小时模拟肿瘤外压，比较受压与未受压及无细胞对照组的屏障功能差异。
研究结果
2. Results
研究人员通过聚电解质络合法制备平均壁厚约8 μm、初始内径约1023 μm的柔性管状构建体，培养7天后因细胞贴附压实内径缩至约597 μm。bEnd.3与hBMECs均沿管腔形成连续单层，表达连续ZO-1紧密连接，F-actin沿管周有序排布，Young's模量约60–300 kPa接近脑微血管软组织的力学区间。结论：该管状支架可支持具有生理相关形态与力学属性的脑微血管内皮屏障形成。
活/死染色显示培养期间细胞高存活率，第7天形成致密汇合单层。FITC-葡聚糖通透性测试中，内皮化管对4 kDa与2000 kDa葡聚糖的Papp显著低于无细胞管（约10?9–10?10cm/s for 4 kDa），且呈尺寸选择性（大分子通透性更低）。EIS显示内皮化管阻抗显著高于无细胞对照。替莫唑胺（亲脂小分子）与阿霉素（亲水大分子量）跨膜量在内皮化管均较无细胞管显著降低，反映功能性限制转运。结论：该管状BBB模型具备低通透性、尺寸选择性及药物区分能力，符合体内BBB基本功能特征。
以2%海藻酸钙微球对第7天成熟bEnd.3管内皮侧施予约100 Pa局部外压24小时后，FITC-葡聚糖Papp较未受压内皮化管升高，ZO-1连续性中断、紧密连接排列紊乱，EIS跨壁阻抗下降至接近无细胞管水平。hBMECs内皮化管在受压后同样出现Papp轻度升高、ZO-1不连续及阻抗下降。结论：单纯外部机械压缩即可导致内皮紧密连接结构破坏与屏障完整性丧失，证明该平台可模拟病理外压诱导的BBB功能障碍。
hBMECs接种管状膜后同样形成连续内层，F-actin有序，对两种测试药物通透受限，4 kDa与2000 kDa葡聚糖Papp显著低于无细胞对照；受压后出现通透性上升与ZO-1不连续、EIS阻抗降低。结论：该平台可成功拓展至人源脑微血管内皮细胞，重现人BBB基本屏障属性及机械应力下的功能损伤。
讨论与结论（翻译浓缩）
本研究提出一种整合生理相关血管几何构型、功能性内皮化及可控机械刺激的仿生体外BBB模型。通过带相反电荷聚电解质——海藻酸钠与ε-聚-L-赖氨酸离子组装形成稳定柔性管状构建体，可支持连续内皮单层形成，并通过结构成像、通透性测定及电化学阻抗分析定量评估屏障完整性。管状架构促进稳健BBB功能，表现为紧密连接有序表达、低大分子通透性及高于非内皮化对照的电学阻抗。替莫唑胺与阿霉素的药物转运研究进一步佐证模型功能相关性，揭示跨工程屏障的药物转运不仅受分子量控制，还受内皮—药物相互作用影响，反映了体内BBB的关键行为。该平台核心优势在于可引入可控外部机械压缩以模拟病理外压导致的血管形变；使用标定海藻酸钙微球施加局部压缩引起管形变、通透性增加、紧密连接紊乱及电阻下降，表明单纯局部机械应力即可调节BBB完整性，支持外部血管压迫在机械驱动型病理中介导屏障失调的机制性作用。该平台成功转用人脑微血管内皮细胞，尽管人源细胞固有变异性较大，但仍再现屏障形成、尺寸选择性通透及受压致障现象，跨物种验证增强其转化相关性。综上，本工作提供的体外BBB平台将仿生管状几何与可控机械形变整合一体，弥补传统平面模型局限，可在定义条件下系统研究血管几何与机械诱导形变对屏障完整性与转运的影响，并为BBB机械生物学研究及中枢神经系统疾病药物递送评估提供结构化实验框架。
