人神经细胞球体需要适合三维结构的活动测量

人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)形成的 BrainSpheres 包含神经元和胶质细胞,可提供三维神经模型。美国与瑞士团队将它们与高密度微电极阵列(high-density microelectrode array,HD-MEA)结合,研究怎样稳定测量球体的神经活动。

实验确认星形胶质、少突胶质及突触相关标志,单细胞 RNA 资料显示多类神经元。虽然可见兴奋性、抑制性等相关表达,多数神经元仍带有未成熟状态的标志,表明模型仍处于较早的发育阶段。

传统二维培养较均匀地覆盖电极,球体则只接触阵列的局部区域。普通稀疏电极可能仅接触一个球体的少数位置,使读数受到铺放位置影响;高密度电极增加了每个球体下的可用记录点。

按球体区域分开提取活动

团队先扫描电极活动,依据放电分布划定每个球体的关注区域,再将区域内电极分组,分别计算该球体的指标。这样可以区分同一孔中不同球体,避免只得到全孔的平均信号。

通常一个球体下有 50–150 个记录电极。研究在多个孔内同时测量多个球体,但同一孔中的球体属于技术重复,实验板和对照孔的数量仍影响整体重复性。

初步未处理样本中的 12 个球体可记录自发放电及网络爆发。平均放电频率约为 0.17 Hz,标准差约为 0.18 Hz,说明已有功能活动,同时个体球体的活动程度存在明显差别。

按球体区域记录自发神经活动,并分别提取放电频率和幅度。

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按球体区域记录自发神经活动,并分别提取放电频率和幅度。(来源:Kelly E. Carstens et al.,Archives of Toxicology,2025,Figure 2,CC BY 4.0)(Kelly E. Carstens et al. / Archives of Toxicology, 2025, Figure 2;CC BY 4.0)

药物对照区分活动反应与细胞存活

研究测试 10 种化合物,其中包含药物和环境评价物。洛哌丁胺用于阳性活动对照,对乙酰氨基酚为预期阴性对照;测量包括放电频率、信号幅度和网络活动等 10 项指标。

对乙酰氨基酚在各项活动指标中没有出现阳性反应;洛哌丁胺则在多项活动指标中产生变化。较强暴露还可能伴随存活降低,因此作者将电活动与单独的细胞存活读数共同检查。

阿莫西林同样未产生活动指标的阳性反应。丙戊酸钠在本模型中未检出,而大鼠模型中可见反应,作者指出两项研究的最高测试水平不同,将这一差别保留在比较解释中。

结果将神经功能变化与明显细胞损伤分开观察。活动可以先于显著损伤改变,而终点存活测试也可能低估紧密球体内部的损伤,作者提出进一步检查这一检测的适用程度。

平均基线稳定,重复间差异仍较大

连续观察期间,溶剂对照的平均神经活动相对稳定,但不同重复间差异较大。对照变异系数按指标约为 0.12–0.85,其中放电频率的变异较高,信号幅度相对较低。

功能实验从约 7 周龄模型开始,持续观察 13 天,在多个日期记录相同区域。团队用时间曲线的面积汇总活动变化,再分析反应,既观察短时波动,也把持续影响纳入测量。

阳性与基线分离的 Z′ 指标和严格标准化均值差(strictly standardized mean difference,SSMD)未超过 0,显示在当前变异下,两组分布的分离较弱。虽然可以检测到药物反应,重复间变异仍降低了逐板筛选的可靠性。

研究先按电极活动筛选记录点,却没有按整个球体的基线设统一筛选标准。作者提出今后检查球体级活动条件,并增加对照孔;本实验每板仅 1 个溶剂对照孔,孔内多个球体无法代替更多独立对照。

贴附质量、活动记录和分析参数也被列为后续改进方向。作者建议增加重复、扩大测试物范围,并进一步检查细胞线和实验室之间的重复性。

人三维与大鼠二维比较需要保留条件差异

研究与既有二维大鼠皮层微电极资料比较。两项方法分别采用 10 和 17 项活动指标,其中 4 项可对应。7 种在两者都产生反应的化合物中,4 种在大鼠模型中在较低浓度即出现效应。

设备、电极密度、指标参数、细胞成熟阶段和二维、三维结构都不相同。作者讨论多种可能原因,仍需要设计更可比的实验,才能进一步区分生物与技术因素。

两套平台的对应指标中,网络爆发持续时间的活性判定相关性较高,爆发间隔较低,显示跨模型一致程度随指标而变。作者建议进一步比较人二维和三维模型,以及不同结构的动物模型,以检查这些因素各自的影响。

当前研究显示,高密度电极可以分别记录三维人神经球体的活动,同时发现对照孔少和重复间变异较大。用于药物神经安全研究时,模型身份、功能基线、独立对照与存活检测需共同检查。

来源与延伸阅读

  1. Application of a high-density microelectrode array assay using a 3D human iPSC-derived brain microphysiological system model for in vitro neurotoxicity screening of environmental compounds. Archives of Toxicology. 2025. doi:10.1007/s00204-025-04043-x ↗