為微型大腦打造的微型腦電圖電極帽

過去的十余年，干細胞研究領(lǐng)域取得的關(guān)鍵進展之一便是類器官體系的發(fā)展。

類器官是一種由動物或人類干細胞分化和培育得到的小型器官組織，可應(yīng)用于一些疾病模型的研究，以及用來測試藥物，乃至取代患者受損器官組織等。到目前為止，已經(jīng)成功培育出的類器官包括肺、腸道、肝臟、胰腺、腎臟，以及大腦等，其中，大腦類器官是模擬大腦結(jié)構(gòu)功能和研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要模型。

借助電極陣列能夠記錄大腦類器官細胞的電生理活動，是研究大腦類器官的重要工具，然而，傳統(tǒng)的電極陣列只能記錄三維類器官的有限區(qū)域，新型電極陣列亟待開發(fā)。

近日，約翰·霍普金斯大學(xué)的研究小組開發(fā)了一種“微型腦電圖電極帽”，可以用來測量僅有筆尖大小的微型大腦類器官的腦電活動信號?；谶@種微型化的電極陣列裝置和大腦類器官，接下來研究人員能夠更好地探索神經(jīng)疾病以及潛在的危險化學(xué)物質(zhì)對大腦的影響。

目前，這項研究成果已經(jīng)以“Shell microelectrode arrays （MEAs） for brain organoids”為題發(fā)表在Science Advances上。

“我們開發(fā)的微型電極陣列帽為探索人類大腦的生長發(fā)育和工作機制提供了一個新型工具。雖然為這種微型類器官打造微型儀器是一項很大的挑戰(zhàn)，但這也是我們接下來開展各項新研究的基礎(chǔ)?！边@篇論文的通訊作者、約翰·霍普金斯大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系David Gracias博士表示。

1994年，David Gracias在印度理工學(xué)院獲得了化學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位。1999年，他于加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)部獲得化學(xué)博士學(xué)位，隨后，他進入哈佛大學(xué)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)系從事博士后研究工作。

目前，David Gracias是約翰·霍普金斯大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系教授，并且已經(jīng)成立了實驗室。他基于化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)，以及微電子學(xué)等多學(xué)科交叉，在不同的領(lǐng)域之間以及基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究之間建立起聯(lián)系。目前，他實驗室專注于利用生物（如細菌、細胞等）和非生物（如光學(xué)、電子等）來創(chuàng)建仿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。比如設(shè)計、開發(fā)和表征微型設(shè)備、智能材料等，而且這些設(shè)備和系統(tǒng)非常微小，僅為毫米甚至是微米級別。

此外，他還與臨床醫(yī)生開展了廣泛地合作，將微納米技術(shù)應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，他曾開發(fā)出僅有塵埃大小的活檢鉗，可以進行體內(nèi)大規(guī)模地部署和操作，為器官取樣和癌癥等疾病的早期診斷提供了新途徑。除了在國際期刊上發(fā)表了大量學(xué)術(shù)著作以外，David Gracias還是一位發(fā)明家，截至目前，他已獲得33項發(fā)明專利，其中大多數(shù)已經(jīng)被成功商業(yè)化。

“為微型大腦打造的微型腦電圖電極帽”

“對人類大腦的直接研究在實踐和倫理上都受到限制，而動物大腦模型也存在物種差異的限制。”David Gracias表示。相較之下，源自人類細胞的大腦類器官具有三維多細胞結(jié)構(gòu)和發(fā)育特征，并且可以還原人腦組織的關(guān)鍵特征，逐漸成為探索神經(jīng)元回路、神經(jīng)毒性、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及大腦發(fā)育的替代方法。

在這項研究中，David Gracias團隊首先使用誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）分化并培育了大量微型大腦類器官。它們呈球狀，直徑從400-600微米不等，主要由神經(jīng)元細胞、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞組成。

在制造大腦類器官的同時，還需要開發(fā)用于原位刺激和記錄電信號的電極陣列裝置?！岸嚯姌O陣列能夠記錄來自大腦細胞的活動信息，是研究大腦的有效途徑。然而，最初為單層培養(yǎng)細胞設(shè)計的傳統(tǒng)多電極陣列只提供了有限的接觸區(qū)域，僅能記錄底部細胞的活動信息?！盌avid Gracias指出，“受常規(guī)腦電圖腦電帽形狀的啟發(fā)，我們開發(fā)了專門用于微型大腦類器官的小型化晶圓集成多電極陣列帽。”

▲圖｜多電極陣列帽的制造流程（來源：Science Advances）

▲圖｜通過多電極陣列帽折疊將微型大腦類器官進行封裝（來源：Science Advances）

據(jù)了解，這種多電極陣列帽的透明外殼由可以折疊的聚合物小葉和導(dǎo)電聚合物涂層金屬電極組成，借助力學(xué)模擬引導(dǎo)，聚合物小葉可以進行折疊，因此能夠貼合不同大小的微型大腦類器官進行數(shù)據(jù)記錄。

“我們驗證了從400到600微米大小的微型大腦類器官并進行長達4周的電生理信號記錄，以及對谷氨酸刺激作出反應(yīng)的可行性，同時，通過試驗表明，我們開發(fā)的這種立體電極陣列帽能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比和三維時空信號記錄?！盌avid Gracias說道。

“由于傳統(tǒng)測試大腦類器官的電極裝置是剛性、扁平的，只能檢測非常有限的少數(shù)細胞，這顯然是不夠的，只有分析大腦類器官中大量細胞的情況才能有助于揭示器官功能和疾病進展等?！盌avid Gracias指出，“我們希望從大腦類器官中盡可能多的獲取細胞信息，唯有如此，我們才能知道細胞的狀態(tài)、細胞之間的交流方式等?！彼a充說。

據(jù)了解，這種多電極陣列帽可以包裹住微型大腦類器官，能夠從外表面進行三維記錄，比如可以在藥物測試期間監(jiān)測神經(jīng)元細胞的電信號等。

▲圖｜對微型大腦類器官進行信號監(jiān)測（來源：Science Advances）

據(jù)研究人員介紹，借助這種微型電極陣列帽和大腦類器官獲取到的電信號信息，能夠擴展今后基于大腦類器官的開展更廣泛地研究和測試，比如，可以研究日常消費品中使用的化學(xué)物質(zhì)，如殺蟲劑、阻燃劑等，是否會影響（以及如何影響）大腦發(fā)育，而且還可以減少傳統(tǒng)測試化學(xué)物質(zhì)對大腦影響所需的活體動物的數(shù)量。

對于下一步的研究動向，David Gracias表示，主要是解決目前試驗中存在的一些局限性，比如，現(xiàn)階段仍然需要手動用電極陣列帽包裹住大腦類器官。“所以，接下來我們希望可以實現(xiàn)大腦類器官直接在電極陣列中的生長發(fā)育，這樣就可以形成高通量陣列，能夠獲取更多信息和數(shù)據(jù)，此外，我們還可以增加I/O的數(shù)量或使用CMOS傳感器，以及通過使用更先進的光刻工藝來獲得更高的記錄分辨率，并創(chuàng)建多孔小葉以增強氧和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，實現(xiàn)更為穩(wěn)定和長期地信號記錄?！彼f道。

“未來針對大腦的研究將會基于微型大腦類器官”

作為一種在實驗室利用干細胞分化而成的三維器官組織，類器官與真實器官的組成和結(jié)構(gòu)具有相似性。類器官的出現(xiàn)為探索各種器官組織功能提供了強大的工具，它可以很好地被應(yīng)用于研究器官生長和發(fā)育，尤其是大腦類器官在醫(yī)學(xué)研究中的地位越來越重要，為探索和理解大腦功能及神經(jīng)疾病的發(fā)生提供了新途徑，并且它還能替代需要人類或動物的試驗，所以在倫理、經(jīng)濟、安全以及操控等方面都表現(xiàn)更好。

目前類器官技術(shù)雖然處于起步階段，但它未來的應(yīng)用前景非常廣闊，包括發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、細胞生物學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)療，以及進行藥物毒性和藥效試驗等。

據(jù)約翰·霍普金斯大學(xué)彭博公共衛(wèi)生學(xué)院動物試驗替代品中心主任Thomas Hartung博士介紹，這種微型大腦類器官其實是基于誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）“創(chuàng)造”的。他們使用健康成年人皮膚細胞通過基因重編程為胚胎干細胞，然后再通過刺激誘導(dǎo)定向分化為人腦細胞，最終培育出微型大腦類器官。

這些微型大腦類器官可以在8周內(nèi)自行生長發(fā)育并形成類似大腦的三維結(jié)構(gòu)組織，更為關(guān)鍵的是微型大腦類器官的細胞是來自人類而非嚙齒動物。相較于傳統(tǒng)采用嚙齒動物大腦進行試驗研究，借助微型大腦類器官可以更好地模擬和反應(yīng)人類大腦的情況。

“在動物模型測試中很有潛力的藥物，大約有95%的藥物一旦進行人體試驗就會失效，這會耗費大量精力和資金。雖然動物模型很有用并被廣泛應(yīng)用，但我們畢竟不屬于嚙齒動物。相較之下，這些來自人類細胞的大腦類器官是更好的模型，通過其獲得的信息也更加符合人類?！盩homas Hartung指出，“而且我們也相信，未來針對人類大腦的試驗研究將越來越少地依賴動物模型，而是轉(zhuǎn)向這種大腦類器官?！彼a充說。

“來自具有某些遺傳特征或某些疾病患者的細胞也可以用來制造微型大腦類器官，以此來研究和試驗相應(yīng)疾病的藥物，比如，可用于研究阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化癥，甚至自閉癥等。目前，研究病毒感染、創(chuàng)傷和中風(fēng)的項目已經(jīng)啟動了?！彼榻B說。

▲圖｜培養(yǎng)皿中的微型大腦類器官（來源：Johns Hopkins University）

據(jù)了解，在這項研究中使用的微型大腦類器官直徑不到1毫米，肉眼可見。每批可以生產(chǎn)成百上千個幾乎一模一樣的副本，其中，在實驗室的同一個培養(yǎng)皿中，最多可容納100個微型大腦的生長發(fā)育。

此外，研究人員還可以將未經(jīng)改變的微型大腦類器官，與經(jīng)過基因改造、注射病毒和接觸化學(xué)物質(zhì)的微型大腦類器官進行橫向?qū)Ρ仍囼炑芯?。“我們開發(fā)的微型大腦類器官，雖然不一定是最完美的，但這是最標(biāo)準(zhǔn)化的。畢竟在測試藥物時，被研究的模型或細胞必須要盡可能的相似或相同，以確保獲得的結(jié)果最具可比性、最準(zhǔn)確?！盩homas Hartung說道。

“還有非常關(guān)鍵的一點，我們希望借助這種微型大腦類器官，可以減少測試化學(xué)效應(yīng)所需的活體動物數(shù)量。因為，僅僅對一種化學(xué)物質(zhì)進行測試，傳統(tǒng)的方法就需要消耗掉大約1000只小鼠，成本約為100萬美元，顯然通過微型大腦類器官進行測試可以大幅節(jié)省成本，測量的數(shù)據(jù)也更為精準(zhǔn)和貼合人類，因為，人的大腦不同于小鼠的大腦?！彼硎?。

審核編輯 ：李倩