「全球最小腦電帽」可拓展微型大腦類器官的研究與測試為神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究提供新途徑

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

類器官是一種由動物或人類干細(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(xì)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)。

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。基于這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。

相關(guān)論文

“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)與生物分子工程系格拉西亞斯博士表示。

格拉西亞斯博士

1994年，格拉西亞斯在印度理工學(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(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，格拉西亞斯是約翰·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(xì)菌、細(xì)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(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。除了在國際期刊上發(fā)表了大量學(xué)術(shù)著作以外，格拉西亞斯還是一位發(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?！备窭鱽喫贡硎?。相較之下，源自人類細(xì)胞的大腦類器官具有三維多細(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。

在這項研究中，格拉西亞斯團(tuán)隊首先使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化并培育了大量微型大腦類器官。它們呈球狀，直徑從400微米～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(xì)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(xì)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(xì)胞的活動信息?！备窭鱽喫怪赋?，“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?！?/p>

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器官進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

多電極陣列帽的制造流程

通過多電極陣列帽折疊將微型大腦類器官進(jìn)行封裝

“我們驗證了從400微米～600微米大小的微型大腦類器官并進(jìn)行長達(dá)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。”格拉西亞斯說道。

“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(xì)胞，這顯然是不夠的，只有分析大腦類器官中大量細(xì)胞的情況才能有助于揭示器官功能和疾病進(jìn)展等?！备窭鱽喫怪赋?，“我們希望從大腦類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?！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(jìn)行三維記錄，比如可以在藥物測試期間監(jiān)測神經(jīng)元細(xì)胞的電信號等。

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，格拉西亞斯表示，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?！八?，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(jìn)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。”他說道。

對微型大腦類器官進(jìn)行信號監(jiān)測

“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(xì)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(jì)、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(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哈騰博士介紹，這種微型大腦類器官其實是基于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞“創(chuàng)造”的。他們使用健康成年人皮膚細(xì)胞通過基因重編程為胚胎干細(xì)胞，然后再通過刺激誘導(dǎo)定向分化為人腦細(xì)胞，最終培育出微型大腦類器官。

哈騰博士

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(xì)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(jìn)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(jìn)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(xì)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?！惫v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(xì)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。

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(jìn)行橫向?qū)Ρ仍囼炑芯俊！拔覀冮_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(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?！惫v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(jìn)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(jìn)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。”他表示。