全球最小脑电帽，为神经系统疾病研究提供新途径

MEMS 2022-09-03 00:00

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过去的十余年，干细胞研究领域取得的关键进展之一便是类器官体系的发展。

类器官是一种由动物或人类干细胞分化和培育得到的小型器官组织，可应用于一些疾病模型的研究，以及用来测试药物，乃至取代患者受损器官组织等。到目前为止，已经成功培育出的类器官包括肺、肠道、肝脏、胰腺、肾脏，以及大脑等，其中，大脑类器官是模拟大脑结构功能和研究神经系统疾病的重要模型。

借助电极阵列能够记录大脑类器官细胞的电生理活动，是研究大脑类器官的重要工具，然而，传统的电极阵列只能记录三维类器官的有限区域，新型电极阵列亟待开发。

近日，约翰·霍普金斯大学的研究小组开发了一种“微型脑电图电极帽”，可以用来测量仅有笔尖大小的微型大脑类器官的脑电活动信号。基于这种微型化的电极阵列装置和大脑类器官，接下来研究人员能够更好地探索神经疾病以及潜在的危险化学物质对大脑的影响。

目前，这项研究成果已经以“Shell microelectrode arrays (MEAs) for brain organoids”为题发表在Science Advances上。

“我们开发的微型电极阵列帽为探索人类大脑的生长发育和工作机制提供了一个新型工具。虽然为这种微型类器官打造微型仪器是一项很大的挑战，但这也是我们接下来开展各项新研究的基础。”这篇论文的通讯作者、约翰·霍普金斯大学化学与生物分子工程系David Gracias博士表示。

1994年，David Gracias在印度理工学院获得了化学专业硕士学位。1999年，他于加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部获得化学博士学位，随后，他进入哈佛大学化学和化学生物学系从事博士后研究工作。

目前，David Gracias是约翰·霍普金斯大学化学与生物分子工程系教授，并且已经成立了实验室。他基于化学、物理学、生物学，以及微电子学等多学科交叉，在不同的领域之间以及基础科学和应用研究之间建立起联系。目前，他实验室专注于利用生物（如细菌、细胞等）和非生物（如光学、电子等）来创建仿生系统结构。比如设计、开发和表征微型设备、智能材料等，而且这些设备和系统非常微小，仅为毫米甚至是微米级别。

此外，他还与临床医生开展了广泛地合作，将微纳米技术应用于临床医学，他曾开发出仅有尘埃大小的活检钳，可以进行体内大规模地部署和操作，为器官取样和癌症等疾病的早期诊断提供了新途径。除了在国际期刊上发表了大量学术著作以外，David Gracias还是一位发明家，截至目前，他已获得33项发明专利，其中大多数已经被成功商业化。

“为微型大脑打造的微型脑电图电极帽”

“对人类大脑的直接研究在实践和伦理上都受到限制，而动物大脑模型也存在物种差异的限制。”David Gracias表示。相较之下，源自人类细胞的大脑类器官具有三维多细胞结构和发育特征，并且可以还原人脑组织的关键特征，逐渐成为探索神经元回路、神经毒性、神经系统疾病以及大脑发育的替代方法。

在这项研究中，David Gracias团队首先使用诱导多能干细胞（iPSCs）分化并培育了大量微型大脑类器官。它们呈球状，直径从400-600微米不等，主要由神经元细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞组成。

在制造大脑类器官的同时，还需要开发用于原位刺激和记录电信号的电极阵列装置。“多电极阵列能够记录来自大脑细胞的活动信息，是研究大脑的有效途径。然而，最初为单层培养细胞设计的传统多电极阵列只提供了有限的接触区域，仅能记录底部细胞的活动信息。”David Gracias指出，“受常规脑电图脑电帽形状的启发，我们开发了专门用于微型大脑类器官的小型化晶圆集成多电极阵列帽。”

▲图｜多电极阵列帽的制造流程（来源：Science Advances）

▲图｜通过多电极阵列帽折叠将微型大脑类器官进行封装（来源：Science Advances）

据了解，这种多电极阵列帽的透明外壳由可以折叠的聚合物小叶和导电聚合物涂层金属电极组成，借助力学模拟引导，聚合物小叶可以进行折叠，因此能够贴合不同大小的微型大脑类器官进行数据记录。

“我们验证了从400到600微米大小的微型大脑类器官并进行长达4周的电生理信号记录，以及对谷氨酸刺激作出反应的可行性，同时，通过试验表明，我们开发的这种立体电极阵列帽能够实现高信噪比和三维时空信号记录。”David Gracias说道。

“由于传统测试大脑类器官的电极装置是刚性、扁平的，只能检测非常有限的少数细胞，这显然是不够的，只有分析大脑类器官中大量细胞的情况才能有助于揭示器官功能和疾病进展等。”David Gracias指出，“我们希望从大脑类器官中尽可能多的获取细胞信息，唯有如此，我们才能知道细胞的状态、细胞之间的交流方式等。”他补充说。

据了解，这种多电极阵列帽可以包裹住微型大脑类器官，能够从外表面进行三维记录，比如可以在药物测试期间监测神经元细胞的电信号等。

▲图｜对微型大脑类器官进行信号监测（来源：Science Advances）

据研究人员介绍，借助这种微型电极阵列帽和大脑类器官获取到的电信号信息，能够扩展今后基于大脑类器官的开展更广泛地研究和测试，比如，可以研究日常消费品中使用的化学物质，如杀虫剂、阻燃剂等，是否会影响（以及如何影响）大脑发育，而且还可以减少传统测试化学物质对大脑影响所需的活体动物的数量。

对于下一步的研究动向，David Gracias表示，主要是解决目前试验中存在的一些局限性，比如，现阶段仍然需要手动用电极阵列帽包裹住大脑类器官。“所以，接下来我们希望可以实现大脑类器官直接在电极阵列中的生长发育，这样就可以形成高通量阵列，能够获取更多信息和数据，此外，我们还可以增加I/O的数量或使用CMOS传感器，以及通过使用更先进的光刻工艺来获得更高的记录分辨率，并创建多孔小叶以增强氧和营养物质的输送，实现更为稳定和长期地信号记录。”他说道。

“未来针对大脑的研究将会基于微型大脑类器官”

作为一种在实验室利用干细胞分化而成的三维器官组织，类器官与真实器官的组成和结构具有相似性。类器官的出现为探索各种器官组织功能提供了强大的工具，它可以很好地被应用于研究器官生长和发育，尤其是大脑类器官在医学研究中的地位越来越重要，为探索和理解大脑功能及神经疾病的发生提供了新途径，并且它还能替代需要人类或动物的试验，所以在伦理、经济、安全以及操控等方面都表现更好。

目前类器官技术虽然处于起步阶段，但它未来的应用前景非常广阔，包括发育生物学、疾病病理学、细胞生物学、再生医学、精准医疗，以及进行药物毒性和药效试验等。

据约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院动物试验替代品中心主任Thomas Hartung博士介绍，这种微型大脑类器官其实是基于诱导多能干细胞（iPSCs）“创造”的。他们使用健康成年人皮肤细胞通过基因重编程为胚胎干细胞，然后再通过刺激诱导定向分化为人脑细胞，最终培育出微型大脑类器官。

这些微型大脑类器官可以在8周内自行生长发育并形成类似大脑的三维结构组织，更为关键的是微型大脑类器官的细胞是来自人类而非啮齿动物。相较于传统采用啮齿动物大脑进行试验研究，借助微型大脑类器官可以更好地模拟和反应人类大脑的情况。

“在动物模型测试中很有潜力的药物，大约有95%的药物一旦进行人体试验就会失效，这会耗费大量精力和资金。虽然动物模型很有用并被广泛应用，但我们毕竟不属于啮齿动物。相较之下，这些来自人类细胞的大脑类器官是更好的模型，通过其获得的信息也更加符合人类。”Thomas Hartung指出，“而且我们也相信，未来针对人类大脑的试验研究将越来越少地依赖动物模型，而是转向这种大脑类器官。”他补充说。

“来自具有某些遗传特征或某些疾病患者的细胞也可以用来制造微型大脑类器官，以此来研究和试验相应疾病的药物，比如，可用于研究阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症，甚至自闭症等。目前，研究病毒感染、创伤和中风的项目已经启动了。”他介绍说。

▲图｜培养皿中的微型大脑类器官（来源：Johns Hopkins University）

据了解，在这项研究中使用的微型大脑类器官直径不到1毫米，肉眼可见。每批可以生产成百上千个几乎一模一样的副本，其中，在实验室的同一个培养皿中，最多可容纳100个微型大脑的生长发育。

此外，研究人员还可以将未经改变的微型大脑类器官，与经过基因改造、注射病毒和接触化学物质的微型大脑类器官进行横向对比试验研究。“我们开发的微型大脑类器官，虽然不一定是最完美的，但这是最标准化的。毕竟在测试药物时，被研究的模型或细胞必须要尽可能的相似或相同，以确保获得的结果最具可比性、最准确。”Thomas Hartung说道。

“还有非常关键的一点，我们希望借助这种微型大脑类器官，可以减少测试化学效应所需的活体动物数量。因为，仅仅对一种化学物质进行测试，传统的方法就需要消耗掉大约1000只小鼠，成本约为100万美元，显然通过微型大脑类器官进行测试可以大幅节省成本，测量的数据也更为精准和贴合人类，因为，人的大脑不同于小鼠的大脑。”他表示。

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