​成果汇编| 利用高通量微电极阵列研究神经退行性疾病

高通量微电极阵列应用案例分享第四期

神经退行性疾病是一种与年龄相关的、以神经元退行性病变导致个体行为异常为主要特征的神经系统疾病，其中两个典型代表是阿尔茨海默综合症(AD) 和帕金森病 (PD)。尽管其临床表现各有不同，这两种疾病的发生过程中都伴有神经元功能的改变。因此，探索疾病背后神经功能异常的原因并依此制定相关治疗方案就显得尤为重要。今天，小编为您精选了利用Maestro 高通量MEA(微电极阵列)进行AD和PD研究的四个案例，帮助大家了解该领域的最新研究进展。

人自体iPSC-mDA用于PD模型的运动功能复建

来源: 哈佛医学院, 2020, the Journal of Clinical Investigation

帕金森疾病（PD）是一种神经退行性疾病，它与黑质体的中脑多巴胺能（mDA）神经元退化所导致的纹状体多巴胺减少相关。本文研究者使用MEA等多种技术检测了iPSC分化的mDA神经元功能。Maestro MEA检测热图显示，在分化后的第30-44天间(如下图)神经元发放密度和分布均有所增加。光栅图则显示出明显的同步簇放电规律，说明神经网络已成熟。

随后，研究者将这样的细胞移植入PD啮齿类动物模型，动物在很大程度上恢复了运动能力和大脑的神经支配功能。植入的细胞没有发生扩散，而且没有任何成瘤副作用。因此，这个平台有望用于PD病人的个性化自身细胞治疗。

药物NitroSynapsin抑制hiPSC AD模型的超同步神经网络活动

来源：加州斯克里普斯研究所 (The Scripps Research Institute), 2020, Molecular Psychiatry

在疾病的早期阶段，患有AD的人脑就表现出超兴奋性。后续产生的大量突触丢失，可能与认知障碍有关。本文研究目的在于在人类细胞模型的基础上获得校正AD的治疗方案。研究者们使用病人来源及等基因对照的2D培养 (h)iPSC皮层神经元和3D培养的类脑器官，开展了一系列的电生理实验，分别为膜片钳、钙成像和微电极阵列(MEA)。其中Maestro MEA的检测结果证明了：1) 病人来源的hiPSC培养2D样本和类脑器官，可以作为神经网络中突触可塑性的研究模型，用于新型药物的药效验证。2) 在体外，AD病人来源的异常神经网络可以被NitroSynapsin药物再平衡，并且比已有AD治疗药物Memantine更加有效。

被激活的骨髓来源巨噬细胞可消除AD相关Aβ42寡聚体并保护突触功能

来源: Cedars-Sinai医学中心，2020，Frontiers in Immunology

早期AD的致病机理涉及淀粉样β肽(Aβ)在大脑和视网膜中的聚集，其中Aβ42被认为是最具诊断特征的标志物之一 。但是Aβ42的亚稳态对于突触功能和周围先天免疫细胞修复突触能力的影响还不为所知。

本文中，研究者首先使用光诱导交联的可溶性Aβ42寡聚体，比较它们和Aβ42纤维体在对于神经元及突触功能影响上的不同。相比纤维体，Aβ42寡聚体对皮层神经元伤害作用更强。MaestroMEA检测结果发现，Aβ42寡聚体体外处理AD小鼠原代神经元，会引起样本发放波形改变和超兴奋性。他们的结果还发现，醋酸格拉替雷(Glatiramer Acetate，GA)激活的巨噬细胞能够有效地清除上述样本中Aβ42寡聚体，恢复突触功能。这些结果有助于鼓励研究者们在未来开展更多以巨噬细胞为基础的AD治疗研究。

AD患者hiPSC衍生神经元与类脑器官超兴奋性机制

来源：加州斯克里普斯研究所 (The Scripps Research Institute), 2020, eLife

一些实验证据表明，阿尔茨海默病(AD)患者和转基因AD小鼠模型的神经元会表现出过度兴奋，且可导致非惊厥性癫痫放电，这其中的潜在机制仍然不完全清楚。为了研究这种过度兴奋的机理，本文作者使用携带AD相关突变的等基因样本，对hiPSC衍生的大脑皮层神经元和类脑器官进行了电生理和免疫荧光检测。Maestro MEA的结果显示，培养8周的成熟离散皮层阶段的3D类脑器官表现出稳定的超兴奋性特征。因此，使用AD患者hiPSC-神经元模型进行研究被证明可能是有效的。鉴于在这些体外培养系统中观察到了与活体模型相似的放电表型，这种还原论的方法使科学家们能够开始阐明AD大脑中异常电活动的潜在机制。

小贴士

Spike Sorting Protocol Available

当种板密度足够大时，就可能会有多个细胞接近单个电极。Axion公司的微电极阵列技术能够完美捕获这种情况下的所有独立发放信号。在使用这种原始数据计算电生理表型参数时，用户并不需要做繁琐的sorting，就能对神经网络在电活动、同步性和震荡这三个方面的功能做出评估。对于某些特殊应用而言，单个发放的来源信息会有助于我们了解网络中不同神经元是如何对药物或其它刺激做出协同反应的。这时，在完成最终的参数计算前，就必需先用第三方软件进行sorting，通过形状计算将网络发放波形进行分类，从而推断出单个发放的源头。

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（微电极阵列）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、心肌和肌肉细胞）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。