红细胞膜仿生纳米粒BBB穿透

2.血脑屏障的结构与屏障机制演讲人2026-01-07

04/红细胞膜仿生纳米粒穿透BBB的机制03/红细胞膜仿生纳米粒的制备与表征02/红细胞膜仿生纳米粒的设计原理与优势01/血脑屏障的结构与屏障机制06/挑战与展望05/红细胞膜仿生纳米粒在CNS疾病治疗中的应用目录07/参考文献（略）

红细胞膜仿生纳米粒BBB穿透红细胞膜仿生纳米粒BBB穿透1.引言：血脑屏障——中枢神经系统药物递送的“天然守门人”中枢神经系统（CNS）的生理功能高度依赖于内环境的稳定，而血脑屏障（Blood-BrainBarrier,BBB）作为保护大脑的“天然守门人”，通过其独特的结构选择性地限制物质从血液进入脑组织，这在维持CNS稳态中至关重要。然而，这种“保护性屏障”也成为了治疗CNS疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、脑胶质瘤、脑卒中等）的最大障碍——超过98%的小分子药物和几乎100%的大分子药物（如蛋白质、抗体、基因药物）无法有效穿透BBB，导致脑内药物浓度远低于治疗需求。

在探索BBB穿透策略的历程中，纳米技术凭借其可调控的尺寸、表面性质和靶向能力，为药物递送提供了全新思路。但传统纳米粒（如脂质体、高分子纳米粒）易被单核吞噬系统（MPS）识别清除，血液循环时间短，且缺乏对BBB的特异性识别能力。近年来，以细胞膜仿生为代表的“生物杂化”纳米系统逐渐成为研究热点。其中，红细胞膜仿生纳米粒（RedBloodCellMembrane-CoatedNanoparticles,RBCM-NPs）因红细胞独特的长循环特性、免疫逃逸能力和丰富的膜蛋白功能，在BBB穿透领域展现出独特优势。本文将系统阐述红细胞膜仿生纳米粒的设计原理、BBB穿透机制、制备表征方法、应用进展及挑战，以期为CNS药物递送研究提供参考。01ONE血脑屏障的结构与屏障机制

1BBB的解剖结构BBB并非单一结构，而是由脑微血管内皮细胞（BrainMicrovascularEndothelialCells,BMECs）、紧密连接（TightJunctions,TJs）、基底膜（BasementMembrane,BM）、周细胞（Pericytes）和星形胶质细胞足突（AstrocyteEndFeet）共同构成的“神经血管单元”（NeurovascularUnit,NVU）。其中，BMECs是BBB的核心屏障，其数量占脑微血管表面积的99%以上，通过细胞间的紧密连接形成连续的封闭层，限制了物质通过细胞间隙的被动扩散；基底膜由BMECs分泌的IV型胶原、层粘连蛋白和硫酸肝素蛋白多糖构成，为BMECs提供结构支持；周细胞嵌入基底膜中，通过收缩调节血流量，并参与BMECs的屏障功能维持；星形胶质细胞足突包围在微血管外表面，通过释放细胞因子（如血管内皮生长因子、转化生长因子-β）调节BBB的通透性和功能完整性。

2BBB的屏障机制BBB的屏障功能可通过“物理屏障、生化屏障、免疫屏障”三大机制实现：

2BBB的屏障机制2.1物理屏障：紧密连接与细胞极性BMECs间通过紧密连接（包括闭锁小带蛋白occludin、闭合蛋白claudin、连接黏附分子JAM等）形成“密封带”，阻止血浆和大部分物质通过细胞旁路途径进入脑组织。同时，BMECs具有极性特征：管腔侧（血液侧）表达转运体和受体，基底侧（脑组织侧）将物质转运至脑内，形成“跨细胞转运”的定向选择性。

2BBB的屏障机制2.2生化屏障：酶系统与外排转运体BMECs表面高表达多种代谢酶（如γ-谷氨酰转移酶、碱性磷酸酶、细胞色素P450酶系），可降解血液中的生物活性物质（如神经递质、肽类）。此外，BMECs基底侧高表达外排转运体（如P-糖蛋白P-gp、多药耐药相关蛋白MRP1、乳腺癌耐药蛋白BCRP），可将进入细胞内的药物主动泵回血液，降低脑内药物浓度。

2BBB的屏障机制2.3免疫屏障：低免疫原性与免疫豁免BBB限制免疫细胞和炎症因子进入CNS，形成“免疫豁免”状态。BMECs低表达主要组织相容性复合体II类分子（MHC-II），不激活T细胞；同时，星形胶质细胞和周细胞分泌抗炎因子（如白细胞介素-10、转化生长因子-β），抑制局部免疫反应。

3BBB穿透的传统策略及局限性为克服BBB屏障，研究者开发了多种策略：-化学修饰：通过脂质化、乙酰化等修饰增加药物脂溶性，促进被动扩散（如尼古地平增加环孢素A的脑分布），但易导致全身毒性和非特异性分布。-渗透开放：使用高渗mannitol、缓激肽等暂时性开放BBB，但可能破坏屏障完整性，引发脑水肿和感染风险。-载体介导转运：利用BBB上高表达的受体（如转铁受体TfR、低密度脂蛋白受体LDLR、胰岛素受体IR）构建靶向纳米粒，通过受体介胞吞作用转运药物（如TfR靶向脂质体），但受体饱和效应和免疫原性问题限制了其应用。上述策略虽取得一定进展，但仍存在靶向性不足、血液循环时间短、安全性低等瓶颈。而红细胞膜仿生纳米粒凭借其“天然来源、生物相容性高、免疫逃逸能力强”的特点，为解决这些问题提供了新思路。02ONE红细胞膜仿生纳米粒的设计原理与优势

1红细胞膜的生物学特性成熟哺乳动物红细胞（RedBloodCell,RBC）是血液中数量最多的细胞，其寿命长达120天，这得益于红细胞独特的膜结构和表面蛋白：

1红细胞膜的生物学特性1.1红细胞膜的“脂筏”结构与流动性红细胞膜由脂双层和镶嵌蛋白构成，脂双层以磷脂（约占55%）为主，包括磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）和鞘磷脂（SM），其中SM和胆固醇（约占25%）在细胞膜外层形成“脂筏”结构，维持膜的流动性和稳定性。这种脂质组成与BBBBMECs膜的脂质组成相似，为仿生纳米粒与BBB的相互作用提供了结构基础。

1红细胞膜的生物学特性1.2红细胞膜蛋白的“自我标识”功能红细胞膜表面富含多种功能蛋白，主要包括：-带3蛋白（Band3）：阴离子转运蛋白，介导氯离子和碳酸氢根的交换，其胞内结构域连接细胞骨架，维持细胞形态；胞外结构域是补体系统识别的位点之一。-血型糖蛋白（GlycophorinA,GPA）：唾液酸糖蛋白，赋予红细胞表面负电荷，减少细胞聚集，其糖链结构参与细胞识别。-CD47（整合素相关蛋白）：一种“别吃我”（Don'tEatMe）信号分子，与巨噬细胞表面的信号调节蛋白α（SIRPα）结合，抑制吞噬作用，是红细胞避免被MPS清除的关键。-补体调控蛋白（如CD55、CD59）：分别抑制补体C3转化酶的形成和膜攻击复合物（MAC）的组装，防止红细胞被补体系统溶解。

1红细胞膜的生物学特性1.2红细胞膜蛋白的“自我标识”功能这些膜蛋白共同赋予红细胞“免疫隐身”特性，使其在血液循环中不被免疫系统识别和清除。

2红细胞膜仿生纳米粒的设计原理红细胞膜仿生纳米粒的核心设计思路是“仿生伪装”——将天然红细胞膜包裹在人工合成纳米粒（如脂质体、高分子纳米粒、无机纳米粒）表面，保留红细胞膜的膜蛋白和脂质特征，使纳米粒获得类似红细胞的生物功能。其构建过程主要包括三步：1.红细胞膜提取：通过低渗溶血、密度梯度离心等方法分离红细胞膜，去除细胞内容物和血红蛋白，得到纯净的膜囊泡（又称“红细胞膜纳米囊泡”）。2.核心纳米粒制备：采用薄膜分散法、乳化溶剂挥发法等制备载药纳米粒（如PLGA纳米粒、脂质体），其粒径通常控制在50-200nm（有利于BBB穿透和避免肾清除）。3.膜融合与包裹：通过超声处理、挤出法或静电吸附等方法，将红细胞膜与核心纳米粒融合，使膜蛋白和脂质均匀包裹在核心表面，形成“核-壳”结构（核心为载药层，壳层为红细胞膜）。

3红细胞膜仿生纳米粒的优势与传统纳米粒相比，红细胞膜仿生纳米粒具有以下显著优势：

3红细胞膜仿生纳米粒的优势3.1长循环时间与免疫逃逸红细胞膜表面的CD47-SIRPα通路可抑制巨噬细胞的吞噬活性，而CD55和CD59则防止补体系统激活，使纳米粒在血液循环中不被MPS识别，显著延长血液循环时间（可达数十小时，而传统PLGA纳米粒仅数小时）。

3红细胞膜仿生纳米粒的优势3.2生物相容性与低免疫原性红细胞膜是天然生物膜，其膜蛋白和脂质与人体内源性细胞膜高度相似，无免疫原性，可避免机体产生免疫排斥反应，降低全身毒性。

3红细胞膜仿生纳米粒的优势3.3主动靶向与屏障调节能力红细胞膜表面的带3蛋白、血型糖蛋白等可与BBB上的受体（如阴离子转运体、唾液酸受体）结合，介导纳米粒的“黏附-内吞”过程；此外，红细胞膜表面的唾液酸残基可减少纳米粒与BBB的静电排斥，促进其与内皮细胞的相互作用。更重要的是，红细胞膜可模拟红细胞的变形能力（直径约7-8μm的红细胞可通过直径3μm的毛细血管），帮助纳米粒通过BBB的紧密连接间隙。

3红细胞膜仿生纳米粒的优势3.4“多功能集成”能力通过基因工程或化学修饰方法，可在红细胞膜上额外负载靶向肽（如RGD靶向脑胶质瘤）、穿透肽（如TAT穿透肽）或治疗分子（如抗炎药物），实现“靶向-穿透-治疗”多功能一体化。03ONE红细胞膜仿生纳米粒的制备与表征

1制备方法1.1红细胞膜的提取与纯化3.低渗溶血：将红细胞悬于低渗缓冲液（如5mMTris-HCl,pH7.4），4℃静置30min，使红细胞吸水破裂，释放血红蛋白；红细胞膜的提取是构建RBCM-NPs的基础，目前主流方法为“低渗溶血-密度梯度离心法”：2.洗涤：用等渗磷酸盐缓冲液（PBS,pH7.4）洗涤红细胞3次，去除残留血浆蛋白；1.红细胞分离：取抗凝全血，通过低速离心（500×g，10min）去除血浆和白细胞，得到红细胞沉淀；4.膜囊泡分离：通过高速离心（20,000×g，30min）沉淀细胞膜，去除上清液中的血红蛋白；

1制备方法1.1红细胞膜的提取与纯化5.纯化：用密度梯度介质（如蔗糖-PBS溶液）离心（100,000×g，1h），去除细胞膜碎片和杂质，得到纯净的红细胞膜囊泡。

1制备方法1.2核心纳米粒的制备核心纳米粒的材料和结构需根据药物性质（如分子量、亲疏水性、稳定性）选择，常用材料包括：-脂质体：适合包封脂溶性药物（如紫杉醇），采用薄膜分散法或乙醇注入法制备；-高分子纳米粒：如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），适合包封水溶性药物（如阿霉素、siRNA），采用乳化溶剂挥发法或纳米沉淀法制备；-无机纳米粒：如介孔二氧化硅（MSNs）、金纳米粒，适合负载光热治疗药物或基因，采用溶胶-凝胶法或还原法制备。

1制备方法1.3膜融合与纳米粒组装将红细胞膜囊泡与核心纳米粒融合，目前常用方法包括：-挤出法：将红细胞膜悬液与核心纳米粒悬液混合，通过聚碳酸酯膜（孔径100-200nm）挤出，反复10-20次，使膜与核心融合；-超声法：将混合液探头超声（100-300W，30-60s），利用超声空化作用促进膜融合；-静电吸附法：若核心纳米粒表面带正电荷（如聚乙烯亚胺PEI修饰），可与带负电荷的红细胞膜（表面唾液酸残基带负电）通过静电作用自发组装。

2表征方法2.1形貌与粒径分析采用透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）观察纳米粒的形貌，红细胞膜包裹后的纳米粒应呈现“核-壳”结构，表面光滑（与红细胞膜流动性一致）。动态光散射（DLS）测定纳米粒的粒径分布和Zeta电位，理想粒径为50-200nm（有利于BBB穿透），Zeta电位为-10~-30mV（与红细胞膜表面负电荷一致，避免非特异性吸附）。

2表征方法2.2膜蛋白完整性分析Westernblotting检测红细胞膜特征蛋白（如带3蛋白、CD47、CD55）在纳米粒表面的表达，确认膜蛋白在融合过程中未被破坏；流式细胞术（FCM）利用荧光标记的CD47抗体检测纳米粒表面CD47的表达量，评估膜蛋白的保留率（通常要求>70%）。

2表征方法2.3稳定性评价将RBCM-NPs悬浮于PBS（pH7.4）或含10%胎牛血清（FBS）的PBS中，4℃储存，定期测定粒径、Zeta电位和包封率，评估其物理稳定性和血清稳定性（红细胞膜可减少血清蛋白吸附，提高稳定性）。

2表征方法2.4药物包封率与释放行为高效液相色谱（HPLC）或紫外-可见分光光度法测定纳米粒的药物包封率（包封率=（纳米粒中药物量/投药量）×100%），理想包封率>70%；透析法研究纳米粒在模拟生理条件（pH7.4）和模拟溶酶体条件（pH5.0）下的药物释放行为，红细胞膜可延缓药物释放，实现长效缓释。04ONE红细胞膜仿生纳米粒穿透BBB的机制

红细胞膜仿生纳米粒穿透BBB的机制红细胞膜仿生纳米粒穿透BBB是一个多步骤、多机制协同的复杂过程，目前研究认为主要包括“黏附-内吞-跨转运-释放”四个阶段，具体机制如下：

1靶向黏附：膜蛋白介导的BBB识别红细胞膜表面的带3蛋白、血型糖蛋白A等可与BBBBMECs表面的阴离子转运体、唾液酸受体等特异性结合，实现纳米粒与BBB的“靶向黏附”。例如：-带3蛋白介导的阴离子转运：带3蛋白是阴离子转运体，可与BMECs表面的阴离子转运体（如AE2）相互作用，促进纳米粒的“锚定”；-血型糖蛋白A介导的唾液酸识别：血型糖蛋白A的糖链末端为唾液酸残基，可与BMECs表面的唾液酸受体（如Siglec-1）结合，增强纳米粒与内皮细胞的亲和力。此外，若在红细胞膜上修饰靶向肽（如TfR靶向肽、Angiopep-2），可进一步提高与BBB受体的结合效率，实现“主动靶向”。

2细胞内吞：膜蛋白调控的胞吞作用纳米粒与BBB黏附后，通过细胞内吞作用进入BMECs，内吞方式包括：-受体介导胞吞（RME）：若纳米粒表面负载靶向受体（如TfR），可与BMECs表面的TfR结合，通过网格蛋白（clathrin）介导的胞吞作用进入细胞；-吸附介导胞吞（AME）：红细胞膜表面的负电荷与BMECs表面的正电荷（如细胞外基质蛋白）静电吸附，促进通过胞饮作用（pinocytosis）内吞；-脂筏介导胞吞：红细胞膜脂筏结构可与BMECs膜脂筏融合，通过小窝蛋白（caveolin）介导的胞吞作用进入细胞。值得注意的是，红细胞膜表面的CD47可抑制BMECs的炎症反应（如抑制NF-κB通路），减少细胞间连接蛋白（如occludin）的磷酸化，维持BBB的完整性，避免纳米粒引起屏障破坏。

3跨细胞转运：跨胞转运或细胞旁路转运纳米粒进入BMECs后，可通过两种途径穿越细胞到达脑组织：

3跨细胞转运：跨胞转运或细胞旁路转运3.1跨胞转运（Transcytosis）纳米粒在细胞内被包裹在内吞体中，内吞体通过微管网络向细胞基底侧移动，最终与基底侧膜融合，将纳米粒释放至脑组织。红细胞膜可调节内吞体的pH稳定性：红细胞膜的脂质双层的流动性可缓冲内吞体酸化（pH从7.0降至5.0），避免药物在内吞体中被降解；同时，红细胞膜表面的CD47可与BMECs表面的SIRPα结合，激活PI3K/Akt通路，促进内吞体与基底侧膜的融合，加速跨胞转运。5.3.2细胞旁路转运（ParacellularTransport）红细胞膜可模拟红细胞的变形能力（弹性模量约5-10μN/m），帮助纳米粒通过BMECs间的紧密连接间隙（约3-8nm）。此外，红细胞膜表面的唾液酸残基可与紧密连接蛋白（如claudin-5）相互作用，暂时性开放紧密连接，促进纳米粒的细胞旁路转运。但这种开放是“可逆性”的，不会破坏BBB的长期完整性。

4药物释放：刺激响应性释放1纳米粒到达脑组织后，需通过“刺激响应性释放”将药物递送至病变部位。红细胞膜仿生纳米粒可通过以下机制实现药物释放：2-pH响应释放：脑肿瘤或炎症部位的pH低于正常脑组织（pH6.5-7.0vspH7.4），红细胞膜表面的酸性磷脂（如PS）在低pH下发生相变，促进膜融合和药物释放；3-酶响应释放：脑胶质瘤组织高表达基质金属蛋白酶（MMP-2/9），若红细胞膜负载MMP-2/9底物肽（如PLGLAG），可被酶解触发药物释放；4-光热响应释放：若核心纳米粒负载光热转换材料（如金纳米棒），在近红外光照射下产热，使红细胞膜破裂，实现药物可控释放。05ONE红细胞膜仿生纳米粒在CNS疾病治疗中的应用

1脑胶质瘤治疗脑胶质瘤是颅内最常见的恶性肿瘤，其侵袭性生长和BBB屏障导致化疗药物难以到达肿瘤部位。红细胞膜仿生纳米粒可穿透BBB，并实现脑胶质瘤的“主动靶向”和“刺激响应性药物释放”。例如：-紫杉醇（PTX）-RBCM-NPs：将紫杉醇包裹在PLGA核心外，红细胞膜修饰TfR靶向肽，研究表明该纳米粒可穿透BBB，在脑胶质瘤部位蓄积，抑制肿瘤生长（抑瘤率>80%），且全身毒性显著低于游离紫杉醇；-阿霉素（DOX）-RBCM-NPs：红细胞膜负载MMP-2/9底物肽，可实现胶质瘤部位的酶响应释放，脑内药物浓度是游离DOX的5-8倍，延长生存期。

2阿尔茨海默病（AD）治疗AD是一种神经退行性疾病，其病理特征为β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和Tau蛋白过度磷酸化。红细胞膜仿生纳米粒可递送Aβ降解酶（如neprilysin）或Tau蛋白抑制剂，穿过BBB作用于病变部位。例如：-Neprilysin-RBCM-NPs：将neprilysin包裹在脂质体核心外，红细胞膜修饰Angiopep-2（靶向LDLR），可穿透BBB，降解脑内Aβ沉积，改善认知功能（Morris水迷宫测试中逃避潜伏期缩短40%）；-siRNA-RBCM-NPs：靶向Tau蛋白mRNA的siRNA，红细胞膜修饰胆固醇增强细胞摄取，可降低Tau蛋白表达，减少神经纤维缠结形成。

3帕金森病（PD）治疗PD的主要病理改变为中脑黑质多巴胺能神经元丢失，递送神经营养因子（如GDNF、BDNF）是潜在治疗策略。红细胞膜仿生纳米粒可保护神经营养因子免受降解，并穿透BBB靶向黑质。例如：-GDNF-RBCM-NPs：将GDNF包裹在PLGA纳米粒外，红细胞膜修饰转铁蛋白，可显著增加黑质部位GDNF浓度（较游离GDNF提高10倍），促进多巴胺能神经元存活，改善运动功能障碍（旋转行为测试旋转次数减少60%）。

4脑卒中治疗1急性缺血性脑卒中的治疗关键是恢复脑血流和减少神经炎症。红细胞膜仿生纳米粒可递送溶栓药物（如tPA）或抗炎药物（如IL-10），实现“溶栓-抗炎”协同治疗。例如：2-tPA-RBCM-NPs：红细胞膜修饰抗血小板膜糖蛋白IIb/IIIa抗体，可靶向血栓部位，同时穿透BBB减少神经炎症，溶栓效率较游离tPA提高2倍，且降低出血风险；3-IL-10-RBCM-NPs：IL-10是一种抗炎因子，红细胞膜包裹后可延长其血液循环时间，抑制卒中后炎症反应，减小脑梗死体积（较对照组减小35%）。06ONE挑战与展望

挑战与展望尽管红细胞膜仿生纳米粒在BBB穿透和CNS疾病治疗中展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临以下挑战：

1红细胞膜来源的标准化与规模化目前红细胞膜多来源于人全血或动物红细胞（如小鼠、羊），存在供体差异（如年龄、健康状况）、免疫原性风险（动物来源红细胞膜可能引起人免疫反应）和制备成本高的问题。未来可通过“基因工程改造”或“人工合成红细胞膜”解决：例如，利用CRISPR/Cas9技术构建表达人红细胞膜蛋白的CHO细胞，大规模生产“人工红细胞膜”；或通过化学合成方法模拟红细胞膜的脂质组成和膜蛋白排列，实现“标准化制备”。

2穿透效率的进一步提升虽然红细胞膜可延长纳米粒的血液循环时间并促进BBB黏附，但其穿透效率仍有限（通常<5%的给药量进入脑组织）。未来可通过“多级靶向”策略优化穿透效率：例如，第一级靶向（红细胞膜修饰Angiopep-2）促进BBB黏附，第二级靶向（核心纳米粒负载穿透肽，如TAT）促进BMECs内吞，第三级靶向（肿瘤微环境响应释放）提高药物在病灶部位的浓度。此外，可结合“聚焦超声（FUS