為微型大腦打造的微型腦電圖電極帽

過(guò)去的十余年，干細(xì)胞研究領(lǐng)域取得的關(guān)鍵進(jìn)展之一便是類(lèi)器官體系的發(fā)展。

類(lèi)器官是一種由動(dòng)物或人類(lèi)干細(xì)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(lái)測(cè)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(lèi)器官包括肺、腸道、肝臟、胰腺、腎臟，以及大腦等，其中，大腦類(lèi)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(lèi)器官細(xì)胞的電生理活動(dòng)，是研究大腦類(lèi)器官的重要工具，然而，傳統(tǒng)的電極陣列只能記錄三維類(lèi)器官的有限區(qū)域，新型電極陣列亟待開(kāi)發(fā)。

近日，約翰·霍普金斯大學(xué)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種“微型腦電圖電極帽”，可以用來(lái)測(cè)量?jī)H有筆尖大小的微型大腦類(lèi)器官的腦電活動(dòng)信號(hào)?；谶@種微型化的電極陣列裝置和大腦類(lèi)器官，接下來(lái)研究人員能夠更好地探索神經(jīng)疾病以及潛在的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)對(duì)大腦的影響。

目前，這項(xiàng)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(kāi)發(fā)的微型電極陣列帽為探索人類(lèi)大腦的生長(zhǎng)發(fā)育和工作機(jī)制提供了一個(gè)新型工具。雖然為這種微型類(lèi)器官打造微型儀器是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，但這也是我們接下來(lái)開(kāi)展各項(xiàng)新研究的基礎(chǔ)。”這篇論文的通訊作者、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(zhuān)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部獲得化學(xué)博士學(xué)位，隨后，他進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室專(zhuān)注于利用生物（如細(xì)菌、細(xì)胞等）和非生物（如光學(xué)、電子等）來(lái)創(chuàng)建仿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。比如設(shè)計(jì)、開(kāi)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(jí)別。

此外，他還與臨床醫(yī)生開(kāi)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(kāi)發(fā)出僅有塵埃大小的活檢鉗，可以進(jìn)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(guó)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(xiàng)發(fā)明專(zhuān)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(duì)人類(lèi)大腦的直接研究在實(shí)踐和倫理上都受到限制，而動(dòng)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(lèi)細(xì)胞的大腦類(lèi)器官具有三維多細(xì)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(xiàng)研究中，David Gracias團(tuán)隊(duì)首先使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）分化并培育了大量微型大腦類(lèi)器官。它們呈球狀，直徑從400-600微米不等，主要由神經(jīng)元細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞組成。

在制造大腦類(lèi)器官的同時(shí)，還需要開(kāi)發(fā)用于原位刺激和記錄電信號(hào)的電極陣列裝置?！岸嚯姌O陣列能夠記錄來(lái)自大腦細(xì)胞的活動(dòng)信息，是研究大腦的有效途徑。然而，最初為單層培養(yǎng)細(xì)胞設(shè)計(jì)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(xì)胞的活動(dòng)信息。”David Gracias指出，“受常規(guī)腦電圖腦電帽形狀的啟發(fā)，我們開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于微型大腦類(lèi)器官的小型化晶圓集成多電極陣列帽?！?/p>

▲圖｜多電極陣列帽的制造流程（來(lái)源：Science Advances）

▲圖｜通過(guò)多電極陣列帽折疊將微型大腦類(lèi)器官進(jìn)行封裝（來(lái)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(jìn)行折疊，因此能夠貼合不同大小的微型大腦類(lèi)器官進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

“我們驗(yàn)證了從400到600微米大小的微型大腦類(lèi)器官并進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)4周的電生理信號(hào)記錄，以及對(duì)谷氨酸刺激作出反應(yīng)的可行性，同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)表明，我們開(kāi)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(shí)空信號(hào)記錄?！盌avid Gracias說(shuō)道。

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

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

▲圖｜對(duì)微型大腦類(lèi)器官進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)（來(lái)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(lèi)器官獲取到的電信號(hào)信息，能夠擴(kuò)展今后基于大腦類(lèi)器官的開(kāi)展更廣泛地研究和測(cè)試，比如，可以研究日常消費(fèi)品中使用的化學(xué)物質(zhì)，如殺蟲(chóng)劑、阻燃劑等，是否會(huì)影響（以及如何影響）大腦發(fā)育，而且還可以減少傳統(tǒng)測(cè)試化學(xué)物質(zhì)對(duì)大腦影響所需的活體動(dòng)物的數(shù)量。

對(duì)于下一步的研究動(dòng)向，David Gracias表示，主要是解決目前試驗(yàn)中存在的一些局限性，比如，現(xiàn)階段仍然需要手動(dòng)用電極陣列帽包裹住大腦類(lèi)器官?！八?，接下來(lái)我們希望可以實(shí)現(xiàn)大腦類(lèi)器官直接在電極陣列中的生長(zhǎng)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(guò)使用更先進(jìn)的光刻工藝來(lái)獲得更高的記錄分辨率，并創(chuàng)建多孔小葉以增強(qiáng)氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送，實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定和長(zhǎng)期地信號(hào)記錄。”他說(shuō)道。

“未來(lái)針對(duì)大腦的研究將會(huì)基于微型大腦類(lèi)器官”

作為一種在實(shí)驗(yàn)室利用干細(xì)胞分化而成的三維器官組織，類(lèi)器官與真實(shí)器官的組成和結(jié)構(gòu)具有相似性。類(lèi)器官的出現(xiàn)為探索各種器官組織功能提供了強(qiáng)大的工具，它可以很好地被應(yīng)用于研究器官生長(zhǎng)和發(fā)育，尤其是大腦類(lèi)器官在醫(yī)學(xué)研究中的地位越來(lái)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(lèi)或動(dòng)物的試驗(yàn)，所以在倫理、經(jīng)濟(jì)、安全以及操控等方面都表現(xiàn)更好。

目前類(lèi)器官技術(shù)雖然處于起步階段，但它未來(lái)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(xì)胞生物學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)療，以及進(jìn)行藥物毒性和藥效試驗(yàn)等。

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

這些微型大腦類(lèi)器官可以在8周內(nèi)自行生長(zhǎng)發(fā)育并形成類(lèi)似大腦的三維結(jié)構(gòu)組織，更為關(guān)鍵的是微型大腦類(lèi)器官的細(xì)胞是來(lái)自人類(lèi)而非嚙齒動(dòng)物。相較于傳統(tǒng)采用嚙齒動(dòng)物大腦進(jìn)行試驗(yàn)研究，借助微型大腦類(lèi)器官可以更好地模擬和反應(yīng)人類(lèi)大腦的情況。

“在動(dòng)物模型測(cè)試中很有潛力的藥物，大約有95%的藥物一旦進(jìn)行人體試驗(yàn)就會(huì)失效，這會(huì)耗費(fèi)大量精力和資金。雖然動(dòng)物模型很有用并被廣泛應(yīng)用，但我們畢竟不屬于嚙齒動(dòng)物。相較之下，這些來(lái)自人類(lèi)細(xì)胞的大腦類(lèi)器官是更好的模型，通過(guò)其獲得的信息也更加符合人類(lèi)?！盩homas Hartung指出，“而且我們也相信，未來(lái)針對(duì)人類(lèi)大腦的試驗(yàn)研究將越來(lái)越少地依賴(lài)動(dòng)物模型，而是轉(zhuǎn)向這種大腦類(lèi)器官?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

“來(lái)自具有某些遺傳特征或某些疾病患者的細(xì)胞也可以用來(lái)制造微型大腦類(lèi)器官，以此來(lái)研究和試驗(yàn)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(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)了?！彼榻B說(shuō)。

▲圖｜培養(yǎng)皿中的微型大腦類(lèi)器官（來(lái)源：Johns Hopkins University）

據(jù)了解，在這項(xiàng)研究中使用的微型大腦類(lèi)器官直徑不到1毫米，肉眼可見(jiàn)。每批可以生產(chǎn)成百上千個(gè)幾乎一模一樣的副本，其中，在實(shí)驗(yàn)室的同一個(gè)培養(yǎng)皿中，最多可容納100個(gè)微型大腦的生長(zhǎng)發(fā)育。

此外，研究人員還可以將未經(jīng)改變的微型大腦類(lèi)器官，與經(jīng)過(guò)基因改造、注射病毒和接觸化學(xué)物質(zhì)的微型大腦類(lèi)器官進(jìn)行橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)研究?！拔覀冮_(kāi)發(fā)的微型大腦類(lèi)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(cè)試藥物時(shí)，被研究的模型或細(xì)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(shuō)道。

“還有非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，我們希望借助這種微型大腦類(lèi)器官，可以減少測(cè)試化學(xué)效應(yīng)所需的活體動(dòng)物數(shù)量。因?yàn)椋瑑H僅對(duì)一種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)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(wàn)美元，顯然通過(guò)微型大腦類(lèi)器官進(jìn)行測(cè)試可以大幅節(jié)省成本，測(cè)量的數(shù)據(jù)也更為精準(zhǔn)和貼合人類(lèi)，因?yàn)?，人的大腦不同于小鼠的大腦?！彼硎?。

審核編輯 ：李倩