单一人源细胞系构建并长期培养神经类器官

美国 University of the Pacific 团队在 Receptors 报告一项神经类器官药理研究。团队使用 TERA2.cl.SP-12 人源多能细胞系,经胚样体形成、神经诱导、扩增和成熟 4 个阶段得到三维结构;第 40 天出现致密核心的类器官成功率约为 50%。

类器官在第 40 天直径约 1–1.5 mm,随后增长到约 2.5–3 mm,并持续培养至 30 周。研究检测到神经元相关 βIII-tubulin 和星形胶质细胞相关 GFAP 标志,结合形态及电活动评价模型发育。

放电活动随培养时间增加

第 40 天起,类器官放在 6 孔多电极阵列(MEA)上,每周记录一次。每分钟至少有 5 次脉冲的电极才纳入分析;研究测量活跃电极的加权平均放电率、单电极簇状放电、网络簇状放电和同步指数。

第 7 周加权平均放电率为每电极每分钟 14 ± 3 次,第 28–30 周达到 230 ± 33 次。活跃电极数由第 7 周平均 3 ± 1 个增加到第 15 周 17 ± 1 个,之后保持相对稳定。这些数值的 n 对应类器官数量,至少为 3;± 表示均值标准误。

钠通道抑制剂使自发放电减少,钾通道或 γ-氨基丁酸 A 型受体阻断条件使其增加,谷氨酸受体拮抗剂则使其减少。这些药理反应支持模型中存在参与兴奋和抑制性信号的通道与受体。

诱发异常放电后再加入抗癫痫发作药物

药理实验在培养 15–22 周开展。团队先记录至少 15 分钟基线,再加入 100 μM 4-氨基吡啶(4-AP),继续记录 60 分钟。4-AP 增加脉冲频率、簇状放电及同步活动,洗去后反应可逆。

随后加入卡马西平 10 μM、地西泮 10 μM 或乙琥胺 100 μM,记录 40–50 分钟。3 种药物均抑制 4-AP 引起的多项异常电活动,使测量指标回到接近基线的水平。这套急性对照检验了类器官对已知抗癫痫发作药物的反应。

原 Figure 6 分别比较 3 种抗癫痫发作药物对 4-AP 诱导的 4 项 MEA 指标的影响;乙琥胺为 100 μM,卡马西平和地西泮各 10 μM。

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卡马西平、地西泮与乙琥胺对 4-AP 诱发的放电率、簇状放电、网络簇状放电及同步指数的影响。(Hamed Salmanzadeh、Robert F. Halliwell / Receptors, 2025, Figure 6;CC BY 4.0)

平面电极主要记录类器官表面活动

平面 MEA 主要检测类器官表面,可能遗漏组织核心的电活动和同步性。模型没有循环系统,氧与营养交换也限制组织尺寸。约 50% 的形成成功率和长达数月的培养时间,都需要纳入后续筛选设计。

作者认为模型可用于早期抗癫痫发作药物探索,并提出采用能进入组织内部的电极扩展记录。当前比较集中于单一细胞系、诱导异常放电和 3 种已知药物的急性作用;进一步研究需要扩大模型及药物条件。

来源与延伸阅读

  1. Human Stem Cell-Derived Neural Organoids for the Discovery of Antiseizure Agents. Receptors (2025). ↗