提要
Miami大学的科研人员将患者和健康人来源的诱导多能干细胞( iPSC )体外分化为皮层神经元,并在分化过程中分析转录组的差异，发现在患者来源细胞中，与突触功能和细胞迁移有关的基因转录出现了明显异常,随后利用Axion Maestro,以及划痕实验等进行了细胞功能验证。这项工作在线发表在2018年5月的Scientific Reports杂志。
UCSD和Salk的研究人员将病人和正常人来源的iPSC分化为特定脑区的皮层神经元，对威廉姆斯综合症(WS)患者的大脑发育进行了研究,该疾病患者以极其喜爱社交而著名。研究发现，患者来源的神经元分支更多，可以与更多的神经细胞发生连接，这一发现为研究孤独症及其它影响社交行为的疾病奠定了基础。文章发表于2016年8月的Nature杂志。
利用Maestro研究孤独症谱系障碍( ASD )
研究人员先将来自六个临床诊断为ASD的患者和两个健康人的外周血单核细胞( PBMC )诱导为多能干细胞(hiPSCs) ;随后,将这些iPSCS在体外分化成大脑皮层神经元，从开始分化到最后成熟历时135天。通过对体外分化第35天(DIV35 )和第135天( DIV135)的细胞转录组的分析,研究人员发现,在神经细胞发育的早期( DIV35) , ASD患者来源细胞中有关神经迁移和突触功能的一些基因转录水平显著下降。（1）
随后，研究人员对上述发现进行了功能上的验证。利用Axion Maestro 将体外分化30天的ASD组和正常对照组的神经前体细胞在12孔MEA板中继续培养分化，在第35天检细胞放电。发现来自ASD患者的细胞网络放电活性平均下降了至少50% ,此外的划痕实验也显示了ASD患者细胞迁移能力明显下降(图一)。
在大脑皮层发育的早期,神经元自发放电活性的显著下降可以为研究ASD的病理机制提供重要线索,因为神经的自发放电在大脑神经环路的发育和建立中起着重要作用。
图一: ASD患者iPSC来源的神经细胞自发放电活动明显降低
a.显微镜下底部透明的MEA多孔板中的一个孔示意:可见微电极阵列和荧光成像的细胞(三种不同染色的marker ,结合放电信号可进行多重分析) .
b.一个电极记录的放电信号示意。
c.整体网络放电活性, ASD组平均较对照组下降了至少50%。
利用Maestro研究威廉姆斯综合症(WS )
几乎所有诊断为WS的患者，在第七号染色体7q11.23区中，都缺失了同样的一组相邻的基因（约25个）。
研究人员从四个儿童WS患者(三个典型患者，一个基因部分缺失的非典型患者)和一个健康对照的牙齿中分离出牙髓细胞,对这些细胞重新编程使其成为诱导多能干细胞,再分化成大脑皮层V/V1区神经元并建立起功能性的网络，在培养皿中模拟了人类大脑皮层的发育。
研究人员发现，体外培养分化的WS神经祖细胞凋亡率高,导致一段时间后的增殖明显少于正常对照,随后用核磁共振( MRI )扫描相应患者的大脑,证实了WS患者大脑皮层的表面积确实明显减少。此外,WS大脑细胞就算发育成功，也与正常脑细胞有明显区别。培养的WS神经元形态特殊，与正常人神经元相比，它们有更多的分支(更长的树突总长度，更多的树突和树突棘数目)，研究人员在尸检来源的WS脑组织细胞中证实了这种形态特征。这种形态特征提示在功能上，“它们与其它神经元会形成多得超出想象的突触或者连接,”文章共同通讯作者Aysson R. Moutri说，“那些连接可能是Ws极度社交型大脑的基础,为孤独症和其它影响社交大脑的疾病提供了思路”。
利用Axion Maestro研究人员对上面的发现进行了功能验证:在神经细胞分化的过程中,WS患者来源的的神经细胞的放电活性显著增加。研究人员认为,由于突触数量的增加，产生了更多的神经网络活动,这些可能导致了WS患者行为上的特性(图二，图三). (2)
图二：WS组在分化过程中神经自发放电活性明显高于对照组TD。
图三:尽管总网络放电簇数( total network burst)两者相当,但簇中放电数( spikes ineach burst ) WS组明显高于对照TD对照组。
相比起大脑总共约有三万个基因,之前曾长期从事孤独症研究的Alysson R. Moutri说，“让我着迷的是,为什么染色体上一丁点儿的缺失就让我们变得更加友好,更富有同情心,而且更能够包容彼此间的差异”; “正是我们的社交能力使我们成为一个可以相互协作的物种。这个物种能够通过创作诗歌、音乐和发明新技术来戏剧性地改变所处的环境。”
Maestro MEA的用途和优势
◆可高通量地在微量体积内,定量检测和比较神经细胞的活性和连接性，多种形式MEA多孔板可选。
◆非破坏性的胞外记录,能够从同一培养物中长期收集数据。
◆可在培养细胞中多个位置记录数据,用以研究神经网络的连接性和成熟性。