高通量微電極陣列應用案例分享第四期
神經退行性疾病是一種與年齡相關的、以神經元退行性病變導致個體行為異常為主要特徵的神經系統疾病，其中兩個典型代表是阿爾茨海默綜合症(AD) 和帕金森病 (PD)。儘管其臨床表現各有不同，這兩種疾病的發生過程中都伴有神經元功能的改變。因此，探索疾病背後神經功能異常的原因並依此制定相關治療方案就顯得尤為重要。今天，小編為您精選了利用Maestro 高通量MEA(微電極陣列)進行AD和PD研究的四個案例，幫助大家了解該領域的最新研究進展。
人自體iPSC-mDA用於PD模型的運動功能復建
來源: 哈佛醫學院, 2020, the Journal of Clinical Investigation
帕金森疾病（PD）是一種神經退行性疾病，它與黑質體的中腦多巴胺能（mDA）神經元退化所導致的紋狀體多巴胺減少相關。本文研究者使用MEA等多種技術檢測了iPSC分化的mDA神經元功能。Maestro MEA檢測熱圖顯示，在分化後的第30-44天間(如下圖)神經元發放密度和分布均有所增加。光柵圖則顯示出明顯的同步簇放電規律，說明神經網絡已成熟。
隨後，研究者將這樣的細胞移植入PD嚙齒類動物模型，動物在很大程度上恢復了運動能力和大腦的神經支配功能。植入的細胞沒有發生擴散，而且沒有任何成瘤副作用。因此，這個平臺有望用於PD病人的個性化自身細胞治療。
藥物NitroSynapsin抑制hiPSC AD模型的超同步神經網絡活動
來源：加州斯克裡普斯研究所 (The Scripps Research Institute), 2020, Molecular Psychiatry
在疾病的早期階段，患有AD的人腦就表現出超興奮性。後續產生的大量突觸丟失，可能與認知障礙有關。本文研究目的在於在人類細胞模型的基礎上獲得校正AD的治療方案。研究者們使用病人來源及等基因對照的2D培養 (h)iPSC皮層神經元和3D培養的類腦器官，開展了一系列的電生理實驗，分別為膜片鉗、鈣成像和微電極陣列(MEA)。其中Maestro MEA的檢測結果證明了：1) 病人來源的hiPSC培養2D樣本和類腦器官，可以作為神經網絡中突觸可塑性的研究模型，用於新型藥物的藥效驗證。2) 在體外，AD病人來源的異常神經網絡可以被NitroSynapsin藥物再平衡，並且比已有AD治療藥物Memantine更加有效。
被激活的骨髓來源巨噬細胞可消除AD相關Aβ42寡聚體並保護突觸功能
來源: Cedars-Sinai醫學中心，2020，Frontiers in Immunology
早期AD的致病機理涉及澱粉樣β肽(Aβ)在大腦和視網膜中的聚集，其中Aβ42被認為是最具診斷特徵的標誌物之一 。但是Aβ42的亞穩態對於突觸功能和周圍先天免疫細胞修復突觸能力的影響還不為所知。
本文中，研究者首先使用光誘導交聯的可溶性Aβ42寡聚體，比較它們和Aβ42纖維體在對於神經元及突觸功能影響上的不同。相比纖維體，Aβ42寡聚體對皮層神經元傷害作用更強。MaestroMEA檢測結果發現，Aβ42寡聚體體外處理AD小鼠原代神經元，會引起樣本發放波形改變和超興奮性。他們的結果還發現，醋酸格拉替雷(Glatiramer Acetate，GA)激活的巨噬細胞能夠有效地清除上述樣本中Aβ42寡聚體，恢復突觸功能。這些結果有助於鼓勵研究者們在未來開展更多以巨噬細胞為基礎的AD治療研究。
AD患者hiPSC衍生神經元與類腦器官超興奮性機制
來源：加州斯克裡普斯研究所 (The Scripps Research Institute), 2020, eLife
一些實驗證據表明，阿爾茨海默病(AD)患者和轉基因AD小鼠模型的神經元會表現出過度興奮，且可導致非驚厥性癲癇放電，這其中的潛在機制仍然不完全清楚。為了研究這種過度興奮的機理，本文作者使用攜帶AD相關突變的等基因樣本，對hiPSC衍生的大腦皮層神經元和類腦器官進行了電生理和免疫螢光檢測。Maestro MEA的結果顯示，培養8周的成熟離散皮層階段的3D類腦器官表現出穩定的超興奮性特徵。因此，使用AD患者hiPSC-神經元模型進行研究被證明可能是有效的。鑑於在這些體外培養系統中觀察到了與活體模型相似的放電錶型，這種還原論的方法使科學家們能夠開始闡明AD大腦中異常電活動的潛在機制。
小貼士
Spike Sorting Protocol Available
當種板密度足夠大時，就可能會有多個細胞接近單個電極。Axion公司的微電極陣列技術能夠完美捕獲這種情況下的所有獨立發放信號。在使用這種原始數據計算電生理表型參數時，用戶並不需要做繁瑣的sorting，就能對神經網絡在電活動、同步性和震蕩這三個方面的功能做出評估。對於某些特殊應用而言，單個發放的來源信息會有助於我們了解網絡中不同神經元是如何對藥物或其它刺激做出協同反應的。這時，在完成最終的參數計算前，就必需先用第三方軟體進行sorting，通過形狀計算將網絡發放波形進行分類，從而推斷出單個發放的源頭。
「在設備的操作和數據獲取方面，Maestro MEA系統做到了極致。軟體界面用戶友好、直觀，能夠實時地對每孔中樣本的神經活動進行可視化顯示。所以我實驗室的成員都能獨立操作該設備開展藥物作用和電刺激實驗。系統對溫度和二氧化碳濃度等環境因素的精準控制，使得長期連續的實驗設計成為可能。另外，MEA板（耗材）的訂購和送貨流程很順暢，其它客服工作也做得很好。"
Axion公司簡介
Axion BioSystems公司是一家創始於美國喬治亞理工學院的高新技術企業，創造了全球第一臺商品化的高通量MEA（微電極陣列）系統。作為最新一代產品，Maestro Edge & Pro的並行檢測通道多達768個。配合各種通量（6，24，48，96通量）的MEA板,可用於實時、無標記、無損地記錄並分析可興奮性細胞（如神經、心肌和肌肉細胞）的場電位和動作電位信號。適用於藥物篩選、毒理、安全評價，個性化用藥指導，以及幹細胞的開發、質控、疾病模型建立等研究方向。