把运动神经元和肌肉接在同一个装置中
肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）会损伤运动神经元，继而影响肌肉活动。美国研究者在 Science Advances 报道一种三维运动单位芯片，将神经元球状培养物与骨骼肌束放在不同隔室，使神经突跨过中间区域连接肌肉。装置用肌肉收缩力反映神经—肌肉连接的功能。
一个芯片含 4 个相同的培养单元，每个单元有神经、肌肉及神经突延伸区域。人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）来源骨骼肌细胞在胶原与 Matrigel 中形成肌束，两端固定在相距 1500 μm 的柔性支柱上；研究者从支柱偏转计算收缩力。
肌肉先培养分化 13 天，再加入预先分化的运动神经元球状体。共培养约 7 天后，神经突到达肌束，乙酰胆碱受体在连接位置聚集；使用受体拮抗剂阻断刺激引起的收缩，进一步检验了神经肌肉接头功能。
患者神经元与正常人源肌肉组合建模
ALS 模型的神经细胞来自 1 位 55 岁女性患者的血液重编程细胞，参照神经元来自 H9 人胚胎干细胞。两组使用相同的正常人 iPSC 来源骨骼肌细胞；额外的内皮细胞也采用正常人 iPSC 来源细胞。
患者神经元中，研究者检测到 TDP-43 G298S 杂合变异，并观察到异常 TDP-43 分布。部分神经丝、乙酰胆碱合成和突触相关标志较低，神经突延伸较慢，连接肌肉的粗大神经纤维也较少。
为直接控制神经刺激，团队向两组神经前体细胞递送光敏通道蛋白 ChR2。光激活神经元后，肌肉发生收缩；从光脉冲到收缩是否成功、收缩力多大，提供了可重复记录的功能指标。
雷帕霉素及联用改善第 14 天的功能
候选药物为雷帕霉素和 Src／c-Abl 抑制剂博舒替尼。直接给药实验从共培养第 4 天开始，论文采用雷帕霉素 200 nM、博舒替尼 100 μM，并比较各单药及联用。
第 7 天时，药物组与未处理组的收缩力差别较小。到第 14 天，雷帕霉素及联用显著减轻了收缩力下降；光刺激后未能引起收缩的情况也减少。肌束中 caspase-3／7 阳性细胞随雷帕霉素及联用减少。
收缩力比较每组报告 4 个实验样本，肌肉 caspase 检测每组为 2 个。以上重复均来自同一位 ALS 供者的模型。
研究分别收集神经球状体和肌束分析。联用后，神经元中多种自噬相关基因表达增加，TDP-43 表达和异常染色有所降低；肌束中的部分肌生成标志增加，caspase 相关基因呈下降趋势。
内皮层改变药物作用条件
团队还在神经侧储液区铺设 iPSC 来源内皮细胞，并加入维甲酸诱导相关表型。细胞层表达 ZO-1、occludin 和 P-糖蛋白，40 kDa 葡聚糖通透实验用于评估屏障。神经、肌肉和内皮共培养后，第 7 天从内皮侧给药。
加入内皮层后，单药对肌肉收缩的改善减弱，联用的功能表现优于各单药。雷帕霉素及联用还降低内皮 P-糖蛋白表达。作者据此讨论药物外排与组合处理的关系，同时指出相应运输机制仍需进一步研究。
内皮共培养也改变了培养基组成和部分神经纤维形态。研究将屏障条件作为独立比较，实际记录的是模型内功能及通透变化。
同一装置还用于观察损伤与功能阻断
这个模型将患者神经元表型、神经肌肉连接、肌肉收缩和内皮给药条件组合起来。除 ALS 药物比较外，论文还用持续高谷氨酸暴露及河豚毒素检查损伤与功能阻断，显示同一装置可以观察不同处理下的神经—肌肉反应。
作者提出继续改善神经元成熟度，增加施旺细胞或可灌流微血管，并尝试患者来源肌肉和内皮细胞。现有版本由 1 位患者神经元、胚胎干细胞参照及正常人源其他组织组成，覆盖的是这一组合下的短期体外反应。