人类多能干细胞衍生脑模型的功能表征：微电极阵列技术应用综述
本文由芬兰东部大学（University of Eastern Finland）A.I. Virtanen分子科学研究所的Anssi Pelkonen等学者联合完成，发表于2022年1月的期刊《Cells》（DOI: 10.3390/cells11010106），是一篇系统性综述，聚焦微电极阵列（Microelectrode Array, MEA）技术在人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs）衍生脑模型功能研究中的应用。
研究背景与主题
hPSCs（包括胚胎干细胞hESCs和诱导多能干细胞hiPSCs）可分化为人脑各类细胞，为研究人类神经发育、疾病机制及药物筛选提供了独特模型。然而，传统动物模型存在显著的物种差异，例如人类神经元树突兴奋性、星形胶质细胞复杂度均与啮齿类不同，导致神经药物研发成功率仅6%。MEA技术通过记录细胞外电位变化，能够非侵入式监测神经元网络活动，成为连接体外模型与人类大脑功能的关键工具。本文旨在综述hPSCs衍生的二维（2D）和三维（3D）脑模型的MEA研究进展，并对比其在生理与病理背景下与人类大脑活动的相似性。
核心观点与论据
1. MEA技术的分类与特性
- 技术原理：MEA通过电极网格记录神经元动作电位（EAPs）和局部场电位（LFPs），高频滤波（300–3000 Hz）捕捉单神经元放电，低频滤波（1–200 Hz）分析突触电流总和。其优势在于长期监测、多电极同步记录及网络连接分析。
- 应用场景：
- 体内MEA：如犹他阵列（Utah Array）和密歇根阵列（Michigan Array）用于人类癫痫手术或脑机接口研究，可检测皮层神经元放电（0.1–7 Hz）及振荡活动（如δ/γ波）。
- 体外MEA：商用多孔板系统（如Axion Maestro）支持高通量筛选，而定制化3D-MEA可模拟脑器官体的立体结构。
- 技术挑战：电极阻抗与噪声平衡、信号空间分辨率（50 μm检测半径内可能覆盖数百神经元）及长期稳定性（临床需数十年功能保持）。
2. hPSCs衍生2D模型的网络功能
- 分化方法：
- 双SMAD抑制法：生成混合神经元（谷氨酸能/GABA能）与星形胶质细胞，46–56天后出现同步爆发（33次/分钟），功能连接性接近人类皮层。
- 转录因子过表达：如Neurogenin-2（NGN2）快速诱导谷氨酸能神经元（23天成熟，爆发率4次/分钟），DLX2/ASCL1诱导GABA能神经元（爆发率3–4次/分钟）。
- 局限性：随机网络取向、成熟缓慢（需300天达到电生理成熟）、缺乏3D微环境。
- 改进策略：微流控芯片定向引导轴突生长，或光刻图案化基底控制细胞排列，可增强信号检测与同步性。
3. 3D脑器官体的进展与挑战
- 自组织特性：
- 类器官（如SFEBq或Lancaster协议）包含多层样结构、功能性突触及振荡耦合（δ-γ波），其放电频率（17 Hz）与爆发率（15次/分钟）高于2D模型。
- Trujillo等发现类器官活动与早产儿脑电图（EEG）发育轨迹相似（相关系数0.6），提示模拟人类胎儿神经网络的潜力。
- 病理建模：
- 阿尔茨海默病（AD）类器官显示放电频率升高（PSEN1突变），而癫痫模型可记录到发作间期高频事件。
- 血管化与微胶质移植进一步模拟血脑屏障和突触修剪功能。
- 技术瓶颈：皮层皱褶缺失、坏死核心（氧扩散限制）、跨区域环路构建困难。解决方案包括PTEN基因编辑诱导脑回、周期性切片培养或生物工程血管网络。
4. 人类大脑与模型的电活动对比
- 放电模式：
- 人类皮层锥体细胞平均放电率0.3 Hz（体内SUA），而hiPSC神经元为4.4 Hz（体外MUA），差异源于检测方法（单单元vs多单元分析）。
- 爆发活动在麻醉状态下减少（如异丙酚降低80%），而类器官移植后对麻醉撤除的反应与人类一致。
- 振荡与连接性：
- 人类θ/γ波与特定脑区放电相关（如海马区SUA耦合δ/γ波），类器官可重现此特性。
- 皮层功能连接依赖距离（≤3 mm最强），而抑制性神经元连接不受限，2D模型通过微流控隧道可部分模拟此层级。
研究意义与价值
- 科学价值：
- 系统比较了hPSC模型与人类大脑的电生理差异，为优化体外神经模型提供基准。
- 提出3D-MEA、血管化类器官等创新方向，推动脑发育与疾病机制研究。
- 应用前景：
- 个性化药物筛选（如抗癫痫药响应测试）。
- 神经退行性疾病（AD、ALS）的病理建模与靶点发现。
亮点总结
- 技术整合：首次综述体内外MEA数据与hPSC模型的关联性，强调跨物种校准的必要性。
- 方法学创新：提出3D-MEA记录器官体多层活动的解决方案（如Soscia等的柔性电极阵列）。
- 临床相关性：揭示类器官在模拟人类神经网络发育时序（如Trujillo的EEG-类器官相关性）和病理特征（如癫痫样放电）中的独特优势。
本文为构建更接近人类大脑的体外模型提供了方法论框架，同时指出需改进分化协议、生物工程技术和MEA设备以实现全潜力应用。