作者与出版信息
本文发表于 *Bosnian Journal of Basic Medical Sciences*，2022年第22卷第5期，页码651-672。第一作者暨通讯作者为Tanja Zidarič，隶属斯洛文尼亚马里博尔大学医学院生物医学科学研究所；其他作者包括同属该研究所的Lidija Gradišnik及斯洛文尼亚卢布尔雅那大学医学中心神经外科的Tomaž Velner。本文于2022年1月15日投稿，2022年3月9日被接受，2022年4月1日在线发表，文章类型为综述论文。
研究背景与核心主题
血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）是中枢神经系统（central nervous system, CNS）中由脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cells, BMECs）构成的高度选择性边界结构，能够阻止血液中的有害物质进入脑实质，维持脑内稳态，并保护中枢神经系统免受病原体和毒性物质的侵害。然而，由于动物模型无法完全模拟人脑的复杂性、传统体外模型预测能力有限以及血脑屏障本身对药物递送的阻碍，中枢神经系统疾病的药物开发面临巨大瓶颈。本文围绕星形胶质细胞（astrocytes）在血脑屏障中的作用及其在人造体外血脑屏障模型中的应用展开系统综述，旨在阐明星形胶质细胞作为神经血管单元（neurovascular unit, NVU）关键组分在屏障形成与维持中的功能，并对各类体外血脑屏障模型的技术进展、优缺点和未来方向进行深入评述。
神经血管单元与血脑屏障的结构
神经血管单元是连接脑内血管与神经组织的基本功能结构，由BMECs、周细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、神经元以及非细胞性的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）共同组成。其中，BMECs形成血脑屏障的核心解剖基础，其独特的形态学和功能特征包括：细胞间高度表达紧密连接（tight junctions, TJs）并形成极高的跨内皮电阻（transendothelial electrical resistance, TEER）、缺乏窗孔结构、缺乏胞饮活动，以及表达一系列主动转运系统。紧密连接由跨膜蛋白（claudins、occludin、连接黏附分子）和胞质蛋白（zonula occludens，即ZO-1、ZO-2、ZO-3等）构成，它们与肌动蛋白细胞骨架相连，形成“物理屏障”，使大多数分子通过BBB的途径为跨细胞转运而非细胞旁通路。
血脑屏障的屏障功能不仅依赖于BMECs本身，还依赖于整个神经血管单元中多种细胞之间的协同作用。周细胞与BMECs共享基底膜，参与血管结构稳定、新生血管形成和脑血流调节，并能诱导BMECs中特定BBB基因的表达。星形胶质细胞终足覆盖BMECs基底外侧表面的绝大部分，释放神经营养因子，促进紧密连接的成熟和转运蛋白的极化分布。此外，细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）作为细胞间通讯的重要媒介，可以调控内皮细胞功能并参与BBB性质的调节。
血脑屏障的功能
BBB的核心功能体现在多个层面：控制分子转运并排斥毒素、维持离子稳态以保障神经元的信号传导、维持脑内低蛋白环境以限制细胞增殖并保持神经连接、分离中枢与外周神经递质池以避免串扰，以及在最小炎症和细胞损伤的前提下实现免疫监视。脑毛细血管内皮细胞通过特异性离子通道和转运蛋白调控离子组成，并借助ATP结合盒（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白家族（尤其是P-糖蛋白）主动将脂溶性化合物和多种药物外排至血液循环，构成高效的“外排屏障”。此外，BMECs表达碱性磷酸酶、γ-谷氨酰转肽酶及多种细胞色素P450酶，形成“代谢屏障”，参与多种异生物质的代谢。
星形胶质细胞的角色
星形胶质细胞是哺乳动物中枢神经系统中数量最多的细胞类型之一，在BBB的形成与功能维持中占据关键地位。早期研究曾认为BBB特性并非BMECs固有，而是由含有胶质细胞的CNS环境诱导形成；尽管后续研究对这一观点进行了修正，星形胶质细胞仍被视为神经血管单元中不可或缺的组成。星形胶质细胞位于神经元与内皮细胞之间，通过胶质血管偶联调节脑血流以适应神经元代谢活动的变化。其终足高表达水通道蛋白aquaporin-4（AQP4）、内向整流钾通道Kir4.1和嘌呤能P2Y受体，调控脑内水和电解质的平衡。星形胶质细胞还分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、胶质细胞源性神经营养因子、碱性成纤维细胞生长因子及血管生成素-1等因子，调控BMECs的功能和BBB特征。
值得注意的是，星形胶质细胞呈现高度的区域异质性，不同解剖位置的星形胶质细胞表达不同的离子通道和受体组合，这可能导致不同脑区BBB分子和功能特征的差异。此外，星形胶质细胞通过细胞间缝隙连接形成功能性合胞体，协调对血管舒缩的调节；其终足内的钙信号在神经血管耦合和BBB通透性调控中发挥重要作用。
血脑屏障组织工程的关键指标
体外BBB模型的有效性通常由结构、微环境、屏障功能、细胞功能和共培养等方面的指标来评价。ECM是建模中不可忽略的因素。脑内ECM主要由透明质酸、凝集素、透明质酸-蛋白聚糖连接蛋白和腱生蛋白构成，层粘连蛋白、纤维连接蛋白和IV型胶原则主要位于基底膜。常用的BBB标志物包括紧密连接蛋白claudin-5、occludin、ZO-1，以及营养转运蛋白葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）和外排转运蛋白P-糖蛋白与乳腺癌耐药蛋白（breast cancer resistance protein, BCRP）。TEER是最常用于评估屏障完整性的方法，其数值依赖于紧密连接的完整程度；然而，由于人体脑毛细血管的TEER数据缺乏，标准值多来自麻醉大鼠且常被误用，因此TEER的解读需慎重。通透性评估则应结合不同分子量的示踪分子进行综合判断。
体外血脑屏障模型
体外BBB模型主要分为Transwell静态模型、动态二维微流控模型、微流控三维模型以及类器官/球体模型等几类。Transwell模型最为成熟和常用，通过将BMECs培养于多孔膜的上表面、支持细胞培养于膜下表面或培养皿底部来实现单层培养、共培养或三细胞培养。此类模型操作简单，适合高通量筛选和TEER快速测定，但缺乏流体剪切力和细胞间直接接触，限制了其生理相关性。常见的单培养、非接触共培养、接触共培养及三培养等构型各有优缺点，其中三培养模型因同时包含BMECs、周细胞和星形胶质细胞而被认为更接近体内BBB的细胞组成。
动态二维模型在Transwell基础上引入微流控通道和剪切力，以模拟血流对BMECs的力学刺激，研究表明生理范围的剪切力可促进紧密连接表达和转运蛋白的极化。此类模型适用于中等通量的药物渗透性研究，但平台标准化程度仍然较低，设备复杂性较高。
类器官和球体模型基于细胞自组装原理，将BMECs、星形胶质细胞和周细胞共培养于Matrigel等基质中，使细胞自发形成具有高度类似BBB空间排布的多层结构。此类模型允许各细胞类型直接接触，可高表达紧密连接、外排泵和转运蛋白，适合用于药物穿透研究，但无法直接测量TEER，且缺乏真正的管腔-组织屏障结构。
微流控三维模型通过预成型通道或细胞自组装形成可灌注的管状血管结构，在实现血流剪切力、三维ECM微环境和多种细胞共培养方面具有显著优势。此类模型能够模拟BBB微血管的空间构型，评估分子径向扩散和受体介导转胞吞，并可用于研究炎症反应和细胞间通讯。不过，其制造和操作技术难度高、通量低、标准化困难，尚处于早期发展阶段。
文章的意义与价值
本文系统地梳理了星形胶质细胞在血脑屏障形成和功能调控中的核心作用，并结合组织工程和微流控技术的发展，全面评述了现有多种人造人类BBB体外模型的技术路线和适用场景。作者指出，理想的体外BBB模型应在生理剪切力、三维细胞外基质、三维血管结构和多细胞共培养等方面综合实现生理相关性，同时兼顾可操作性和通量。未来的发展方向是将自组装类器官技术与生物工程方法相结合，以提高模型的标准化和可重复性。该综述为神经血管单元研究者、中枢神经系统药物开发人员以及体外组织工程领域学者提供了有价值的参考框架，明确了当前模型的技术局限和优化方向，具有较好的科学价值和应用指导意义。