神經(jīng)肌肉接頭體外模型研究進展

神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）是突觸前運動神經(jīng)元和突觸后骨骼肌纖維之間的外周突觸連接，可實現(xiàn)肌肉收縮和自主運動。許多創(chuàng)傷性、神經(jīng)退行性和神經(jīng)免疫性疾病通常被認為主要影響NMJ的神經(jīng)元或肌肉側(cè)，并且缺乏治療選擇。新技術(shù)的最新進展有助于開發(fā)NMJ的體外生理和病理生理模型，并能夠?qū)ζ涔δ苓M行精確控制和評估。

近日，來自東南大學(xué)的顧忠澤教授、中國航天員科研訓(xùn)練中心的李瑩輝研究員聯(lián)合北京航空航天大學(xué)的鄭付印和樊瑜波教授團隊回顧了利用2D或3D技術(shù)培養(yǎng)的包括器官芯片、類器官以及生物混合機器人（圖1）在內(nèi)的體外NMJ模型的最新發(fā)展。作者首先介紹了用于NMJ功能分析的相關(guān)衍生技術(shù)，例如膜片鉗技術(shù)、微電極陣列、鈣成像和刺激方法，然后總結(jié)了體外NMJ模型在疾病模型或與適宜神經(jīng)肌肉疾病相關(guān)的藥物篩選中的應(yīng)用，并討論了其未來的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。

圖1 神經(jīng)肌肉接頭體外模型：器官芯片、類器官和生物混合機器人

2D培養(yǎng)是指將細胞培養(yǎng)在平坦的基質(zhì)上，細胞只能沿著平面延伸的傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)技術(shù)。在神經(jīng)肌肉接頭共培養(yǎng)實驗中，早期使用了動物模型，其中將雞、嚙齒動物或非洲爪蟾的胚胎脊髓和發(fā)育中的神經(jīng)節(jié)與肌肉一起培養(yǎng)。然而，由于動物和人類之間存在自然物種差異，因此動物模型無法復(fù)制人類疾病的整個過程（圖2）。

圖2 2D培養(yǎng)物的免疫染色圖像

3D培養(yǎng)是指將細胞培養(yǎng)在三維環(huán)境中，這種技術(shù)類似于生物組織中的細胞外基質(zhì)（ECM），可以更好地模擬體內(nèi)的生長環(huán)境（圖3）。在3D環(huán)境中生長的細胞支持其自然的三維物理形態(tài)，使得細胞能夠以更真實的方式生長和適應(yīng)其環(huán)境。3D培養(yǎng)具有很大的潛力，可用于藥物篩選和測試系統(tǒng)、研究疾病機制以及評估藥物安全性和有效性。

圖3 肌管和運動神經(jīng)元（MN）的共染色或乙酰膽堿受體簇染色證實了神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）的形成

目前，器官芯片的基本雙腔室設(shè)計已被擴展到復(fù)雜的多腔室陣列，可以在微流控系統(tǒng)中形成準(zhǔn)確的細胞組織組合模式。這種設(shè)計允許精確控制多個物理和化學(xué)培養(yǎng)條件以及不同腔室之間的通信（圖4）。

圖4神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）器官芯片模型

神經(jīng)肌肉接頭的類器官模型是指由人多能干細胞（hiPSC）誘導(dǎo)的軸突神經(jīng)元和骨骼肌細胞自組裝形成的三維結(jié)構(gòu)。這些模型可以促進不同類型的細胞在自組裝的三維結(jié)構(gòu)中形成體系結(jié)構(gòu)和相互作用，更類似于體內(nèi)原有的組織。這種技術(shù)可以用于研究與NMJ發(fā)展、維護、退化和再生有關(guān)的正常生理或病理事件，并提供了一個從幾周到幾個月甚至更長時間窗口（圖5）。

圖5 （A）神經(jīng)末梢頂端的許旺細胞表達S100β陽性，證實了功能性NMJ的形成；（B）TUJ1染色顯示存在神經(jīng)元；（C）視神經(jīng)脊髓炎影像顯示肌肉細胞和神經(jīng)元的形成

生物混合機器人模型是指將活細胞和彈性材料組裝而成的機器人。這種技術(shù)可以準(zhǔn)確地模擬組織和器官系統(tǒng)或生物體的行為、微結(jié)構(gòu)和功能。由神經(jīng)肌肉單元驅(qū)動的生物混合機器人可以通過刺激共培養(yǎng)的運動神經(jīng)元來誘導(dǎo)工程骨骼肌組織在柔性的自立支架上收縮，從而產(chǎn)生復(fù)雜的運動模式（圖6）。

圖6 （A）“脊柱機器人”：腰椎支配肌肉組織，使PDMS柱偏轉(zhuǎn)；（B）中心MN被周圍的脊柱機器人包圍并支配；（C）“游泳機器人”：光激活MN主導(dǎo)脊柱機器人運動

綜上所述，該綜述總結(jié)了神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）體外模型的研究進展，包括器官芯片模型、類器官模型、生物混合機器人模型等。這些模型可以用于研究與NMJ相關(guān)的疾病，如肌萎縮側(cè)索硬化、重癥肌無力等，并為藥物篩選提供了新的平臺。未來方向包括開發(fā)更加復(fù)雜和真實的NMJ模型，以更好地理解神經(jīng)肌肉發(fā)育和退化的機制，并為治療相關(guān)疾病提供新的治療方法。此外，還需要進一步探索這些模型在臨床前藥物篩選中的應(yīng)用，并將其應(yīng)用于個性化醫(yī)學(xué)。

審核編輯：劉清