横版独立示意图显示神经元与施万细胞共同聚集体及神经纤维通道,通道总长约 10 mm,底部 10 个电极标出刺激和记录位置;下方共同对数浓度轴表示第 7 天 VDI 1.23 nM、CAP 幅度 7.92 nM 和形态退变 9.81 nM。
三维神经纤维沿嵌入电极的通道生长;第 7 天功能与形态指标对应不同半数抑制浓度。(NAMs China)

感觉神经元与施万细胞沿电极通道形成三维组织

美国 28bio 等团队在 bioRxiv 发布一项周围神经模型研究。每个共同聚集体使用 50,000 个诱导多能干细胞(iPSC)来源人感觉神经元与 25,000 个原代人施万细胞,放入嵌有微电极的培养结构,再由神经纤维沿通道生长。

通道长约 10 mm、宽 200 μm,底部沿长轴布置 10 个电极。培养至第 49 天,神经突起与施万细胞已分布到通道远端;显微及电镜观察到部分轴突周围的髓鞘样层状结构。研究通过组织空间排列和神经元—胶质细胞共同培养支持传导测量。

模型采用多孔板培养和嵌入式电极,目前通过定期更换培养液维持组织。

沿神经不同位置刺激,重复测量传导反应

团队在 5 个位置施加 1–48 μA 的电流刺激,同时记录复合动作电位(CAP)。由刺激与记录距离和反应潜伏期估计神经传导速度,另测峰—峰幅度;把波形转换到速度空间后,形成速度密度指数(VDI),用于描述总体反应。

每次可平行测试 12 个培养孔,并在同一组织上重复记录。较高钾条件暂时阻断反应,洗去后恢复,支持记录来自可逆的神经传导活动。模型还能把近端和远端、不同速度区间的信号分开分析。

长春新碱暴露中,功能下降较早出现

主要纵向实验在培养 42 天后给予 0.1–1,000 nM 长春新碱,持续 7 天。1,000 nM 组在 16 小时已出现明显功能损失,0.1 nM 组到第 7 天仍未显著下降。VDI 的半数抑制浓度由第 3 天 6.68 nM 降至第 7 天 1.23 nM,结果对应每个条件 6 个样本。

另一个采用 0.01–100 nM 范围的实验,第 7 天 VDI 半数抑制浓度为 1.03 nM。其他终点有不同数值:神经传导速度为 0.73 nM,CAP 幅度为 7.92 nM。远端反应也较早受损,作者认为这种空间变化符合轴突病变特征。

形态检测显示神经纤维减少、碎片增加,其进程通常慢于功能下降。第 7 天形态退变指数的半数抑制浓度为 9.81 nM,高于主要 VDI 实验的 1.23 nM。

临床相关指标仍需更多药物和培养条件验证

作者将模型结果与既有临床暴露及二维、动物研究的文献汇总作比较。参照数值来自不同研究。给药培养基段落同时写无血清和含 10% 胎牛血清的配方,使体外名义浓度与临床游离药物浓度的对应仍有不确定性。

模型缺少血管和免疫组分,神经元的成熟程度、聚集体大小和轴突排列也会影响信号。团队计划扩大药物类别和病理模型,并改进记录密度与灌流;这些扩展有助于检验现有长春新碱示例的适用范围。

来源与延伸阅读

  1. Human Peripheral Nerve-on-a-Chip on a Multiwell Microelectrode Array as a Scalable Preclinical Neurotoxicity Assay. bioRxiv (2025). bioRxiv v1,预印本。 ↗