多孔微电极阵列应用案例分享
第五期
类器官（Organoids）是一种在体外环境下培育而成的具备三维结构的细胞培养物，拥有类似真实器官的复杂结构，并能部分模拟来源组织或器官的生理功能。这意味着研究者可以在体外培养环境下构建人类器官疾病模型，揭示疾病内在的机理性变化。
今天，小编为您精选了利用Maestro 高通量MEA(微电极阵列)进行类器官电生理功能检测的四个案例，帮助大家了解该领域的最新研究进展。
（以下案例详细信息，可点击文章题目阅读或者扫描文末二维码获取。）
1.在皮层类脑器官中引入NOVA1基因的远古变体，将导致神经发育产生变化
作者：Alyssion Muotri, 加利福尼亚大学圣迭戈分校
已有的基因组水平研究表明，古人类携带的NOVA1基因（肿瘤神经腹侧抗原-1）有可能会影响人类的神经发育过程。来自加州大学的Alyssion Muotri教授团队使用基因组编辑技术，将现代人类iPSCs中NOVA1的等位基因替换成为古类人的，并诱导分化成皮层类脑器官。随后他们借助Axion公司提供的Maestro MEA技术，动态地记录类脑器官胞外电生理功能。检测结果显示出，那些有着远古NOVA1基因的皮层类脑器官表现出独特的兴奋性突触变化，并可能进而导致了神经网络发育方面的改变。
最后，结合突触显微观察及免疫共沉淀等实验技术，研究者们发现远古NOVA1基因的表达会引起突触蛋白互作变化、影响谷氨酸能信号通路、导致神经连接异常并且增加神经元在电生理特性上的异质性。这说明它对于我们物种的演变可能有着功能性影响。
2.在神经类脑器官上开展GABA极性转化和神经可塑性的发育学研究
作者：Wolfram-Hubertus Zimmermann, 德国乔治-奥古斯都-哥廷根大学
人的类脑器官要形成有功能的神经网络，兴奋性和抑制性神经元以及神经胶质细胞的共培养是不可或缺的。本文报道了在胶原水凝胶中通过使用人iPSC细胞进行受控自组装成的类脑器官（BENOs）在宏观尺度下具备高度互联神经网络组织的特性。
研究者将BENO切片样本固定在6孔MEA板上后，其中一个样本的明场影像如图A所示。使用Maestro Pro多孔MEA系统，他们长期并行观察多个BENO样本的网络电活动（图C），并开展了对神经网络时空构成方面的评估。在发育的早、中、后期，样本的常用电活动参数、网络簇放电的复杂度及同步性都随时间显著增加。说明BENO在两个月的发育中加速形成了由兴奋性和抑制性神经元构成的复杂神经网络。
总体而言，研究者使用Maestro MEA和其他一系列的方法验证了类脑器官样本具备神经网络成熟的三个标志：类GDP事件的发生、GABA极性转化和具备神经可塑性。BENO在结构和功能特性上显示出与胚胎大脑的类似性，所以有可能被用于神经可塑性以及相关疾病建模等研究方向。
图A: BENO样本（约300 μm厚）置于MEA孔内，并用同轴螺旋钨环固定后，显微镜下明场图像。
图C: 其中四个样本的发放振幅（μV）以及频率 (spike/s) 热图。
3.人类大脑发育模型：检测皮层类脑器官的神经网络震荡
作者：Alyssion Muotri, 加利福尼亚大学圣迭戈分校
诱导多能干细胞或iPSC来源的类脑器官作为小型化的人类大脑3D模型，在细胞和分子层面已经开始被用来对各种脑部发育特性作模拟。但目前还缺乏证据来证实它们会真正形成复杂且具功能的神经网络，从而接近人类大脑的早期形成阶段。
Alyssion Muotri教授团队开展了一系列利用类脑器官作为神经生物学疾病模型的相关工作。该研究团队使用Maestro MEA技术，每周一次并连续10个月对人类iPSC来源的类脑器官自发电活动进行记录。MEA记录到的发放频率、簇放电频率及间隔以及网络同步性数据结果显示，他们培养的类脑器官能够自发生成神经网络。其电生理特征与受孕后25周后的早产儿大脑EEG信号特征有相似之处。这项开创性的工作将有助于加深对人类大脑早期发育过程的理解，促进自闭症和精神分裂症等疾病的研究进展。
4.使用人类ESC衍生的3D微组织构建心脏纤维化疾病模型
作者：Mi-Young Son, 韩国生命工学研究院
心脏纤维化主要由机械应力增加或心肌损伤引起，其后果是引起收缩和舒张功能障碍甚至猝死。长期以来，由于缺乏人源的心脏纤维化实验模型，严重阻碍了对其发病机理和治疗方法的探索。
在本文中，来自韩国的科学家将人类胚胎干细胞（hESC）分别诱导分化出的心肌细胞（CM）与间充质干细胞（MSC）按照一定比例混合培养成3D心脏微组织模型。与只包含CM的对照组相比，混合20%MSC的微组织样本形成的球体结构更加紧密，与胞外基质和细胞粘附相关基因簇的表达也存在明显的上调。
Maestro MEA平台检测电生理功能结果显示，混合20%MSC的微组织跳动频率波动性更小，场电位振幅和FPD更大，并且呈现出更加清晰的T wave波形。说明这种3D培养的配方能够显著改善样本的功能。
A：光用形态学观察不同条件培养的3D样本。
B-D: 各个3D样本的直径、搏动连续波形图及有代表性的单个波形图。
随后，研究者使用转化生长因子-β1（TGF-β1）和其他促纤维化介质处理3D微组织，刺激其中的MSC发生纤维化反应。分子及细胞学分析结果显示刺激后细胞呈现出明显的纤维化特征，例如胶原蛋白的沉积、大量凋亡CM的存在以及线粒体网络的溶解。上述结果说明该3D心脏微组织作为人心脏纤维化体外模型是合适的，有助于相关病理机理的探索和新的治疗方案的开发。
小贴士
“出数据、发文章的神器!”
Axion公司的Maestro Pro及Edge是即插即用的小型台式系统。它的内部整合了细胞培养箱，能够以无标记且实时记录的方式，帮助您定义神经及心肌细胞等样本的兴奋性和网络活动。只需在专用微电极阵列板上培养好细胞，转身将板子放入Maestro主机中，就能开始检测电活动了。是不是超简便？
借助配套的AxIS系列软件，接下来的工作例如数据记录、参数的导出以及对加药前后同一样本的电活动做比较并生成报告，也同样易如反掌。大牛们到底是怎样搞定传说中遥不可及的电生理实验，终于发表了那么多神作的？其实诀窍就在下面的三分钟视频里。嘘！一般人我不告诉的;-D
用户点评
“ ‘墙 裂’ 推 荐！ ”
姓名：Hyunwoong Kim
单位：韩国西江大学
应用领域：iPSC衍生类脑器官功能实验
出处：SelectScience网站
“首先，要赞一下系统设计所带来的使用简便性。无需特别培训，每个实验室人员都能用好它。另外，Maestro提供了各种数据分析工具，对提高我的工作效率很有帮助。Axion公司的售后服务也很给力，有问必答。"
Axion公司简介
Axion Biosystems公司是一家创始于美国佐治亚理工学院的高新技术企业，创造了全球第一台商品化的高通量MEA系统。作为最新一代产品，Maestro Edge & Pro的并行检测通道多达768个。配合各种通量（6，24，48，96通量）的MEA板,可用于实时、无标记、无损地记录并分析可兴奋性细胞（如神经、心肌、肌肉和胰岛β细胞）的场电位和动作电位信号。适用于药物筛选、毒理、安全评价，个性化用药指导，以及干细胞的开发、质控、疾病模型建立等研究方向。
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