从神经活动延伸到肌肉运动

发表于 Advanced Science 的原始研究尝试在体外连通人源中脑类器官、运动神经元和肌肉束。神经模型产生的活动经运动神经元传向肌肉,研究者以肌肉束收缩位移评价系统输出。这与仅测量单个类器官的电活动不同:下游肌肉反应成为模型的一项可见终点。

药物实验使用携带 LRRK2 G2019S 变异的帕金森病患者诱导多能干细胞,制备中脑类器官,再将其接入运动神经元球体和肌肉束。研究另用健康来源模型进行谷氨酸刺激实验;左旋多巴实验则使用患者来源的中脑类器官系统。

论文分别检查了类器官神经电活动、运动神经元连接以及肌肉束运动,并用连续记录的位移曲线显示肌肉端对上游刺激的响应。这些表征把神经端活动与下游肌肉读数放在同一测量链条中。

橙灰色概念图:类器官经运动神经元与肌肉束连接。
人源中脑类器官、运动神经元和肌肉束连接的概念示意。(J&E Bio)

左旋多巴处理后的位移变化

研究给患者来源中脑类器官系统加入左旋多巴后,肌肉束位移由处理前的 4.5 ± 0.99 微米增加至 18.67 ± 2.25 微米。论文还报告收缩力由 15.25 ± 1.02 微牛增至 29.05 ± 1.83 微牛。这两项分别反映模型中的运动幅度和力学输出。

这项设计把药物作用于神经组织之后的下游运动表现纳入比较,为神经退行性疾病药物的体外评价提供了不同于单一细胞存活率的读数。作者将其定位为模型和测量方式的可行性验证,尚未展示多个患者来源样本上的预测能力。

读数解释需要分清实验对象

同一研究还用谷氨酸刺激健康来源的脑类器官—肌肉系统,并通过电活动和肌肉位移检查连接是否能够传递信号。图 6 分别呈现谷氨酸与左旋多巴的结果:前者检验连接系统的响应,后者观察患者来源模型的药物处理效果。

左旋多巴实验把处理前后的运动位移和收缩力放在同一模型中测量,体现了组合模型的特点:神经组织的药物反应可沿连接结构传递,并在肌肉端形成可量化的输出。研究所展示的是一次患者来源模型中的药物评价;若要比较不同遗传背景或不同药物,还需要分别建立并验证对应模型。

来源与延伸阅读

  1. Human Motor System-Based Biohybrid Robot-On-a-Chip for Drug Evaluation of Neurodegenerative Disease. Advanced Science. First online 2023-11-30. ↗