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当前评估化学物质神经毒性面临诸多难题，研究人员开展 “Application of a high?density microelectrode array assay using a 3D human iPSC?derived brain microphysiological system model for in vitro neurotoxicity screening of environmental compounds” 研究。结果显示该模型能检测化学诱导的神经活动变化，有望助力无动物毒理学测试。
在当今社会，化学物质广泛存在于人们的生活环境中，从日常接触的化妆品、食品添加剂，到空气中的污染物，它们与人类健康的关系备受关注。尤其是化学物质对神经系统的潜在影响，更是研究的重点领域。然而，目前在探索人类接触环境化学物质与潜在神经毒性之间的联系时，面临着重重挑战。一方面，通过动物实验评估神经毒性不仅耗费大量的资金、人力，还需使用众多实验动物，成本高昂；另一方面，动物实验结果与人类健康结局之间的生物学相关性存在不确定性，难以准确预测化学物质对人类神经系统的真实影响。此外，现有大量化学物质缺乏神经毒性和发育神经毒性（DNT）的毒理学危害特征描述，而现行的测试指南既昂贵又耗时，且依赖资源密集型的动物研究，这使得快速、准确地评估化学物质的神经毒性成为一个亟待解决的难题。
为了攻克这些难题，来自美国环境保护署（EPA）、MaxWell Biosystems AG、瑞士洛桑大学等机构的研究人员，开展了一项利用高密度微电极阵列（HD - MEA）技术和 3D 人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的脑微生理系统模型进行环境化合物体外神经毒性筛查的研究。该研究成果发表在《Archives of Toxicology》上，为神经毒性研究领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用 iPSC 分化获得神经祖细胞（NPC），并进一步诱导其分化为包含神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的 3D 脑球（BrainSpheres）。其次，运用 HD - MEA 技术，该技术具有高电极密度和低噪声读出的优势，能够对 BrainSpheres 的神经活动进行精确记录。此外，通过单细胞 RNA 测序技术对 BrainSpheres 的细胞组成和分子特征进行深入分析，同时使用浓度 - 响应建模等数据分析方法，评估化学物质对神经活动的影响。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- BrainSphere 基线神经活动特征：研究发现，BrainSphere 模型包含多种细胞类型，如星形胶质细胞（GFAP 阳性）、少突胶质细胞（O4 阳性），并表达突触相关蛋白（突触素和 PSD95 阳性）。单细胞 RNA 测序显示，其中神经元占大多数，还存在不同类型的神经元群体，且多数神经元处于未成熟状态。通过 HD - MEA 检测，发现 BrainSpheres 具有自发的神经元活动，包括一定的平均放电率、尖峰幅度和网络爆发活动，表明其形成了功能性的神经活动网络。
- BrainSphere MEA 检测：在 13 天的化学暴露实验中，研究人员测试了 10 种化学物质，包括 2 种阳性对照（洛哌丁胺和软骨藻酸）、1 种阴性对照（对乙酰氨基酚）和 7 种评估化学品。结果显示，洛哌丁胺和甲基汞等化学物质在较高浓度下，似乎会降低平均放电率（MFR）、平均尖峰幅度和爆发频率等神经活动指标，而对乙酰氨基酚则未观察到明显的化学依赖性效应。不过，部分化学物质的神经活动变化可能受到细胞毒性的影响，例如洛哌丁胺在 30 和 90 μM 时表现出细胞毒性。
- 浓度 - 响应建模：通过计算曲线下面积（AUC）进行浓度 - 响应建模，研究人员评估了 10 种化学物质对 10 个神经活动终点和细胞毒性指标的影响。结果发现，洛哌丁胺是唯一在细胞毒性检测中呈阳性的化学物质。除了丙戊酸钠和阿莫西林外，有 5 种评估化学品在≥8 个终点中表现出活性。化合物的最小效力（5th百分位数的 AC50值）排序为：洛哌丁胺（0.03 μM）、溴氰菊酯（1.6 μM）、软骨藻酸（1.3 μM）、甲基汞（2.41 μM）、狄氏剂（9.51 μM）和双酚 A（29.14 μM）。
- 3D 人模型与 2D 大鼠模型的 MEA 检测比较：将 BrainSphere MEA 检测结果与大鼠网络形成检测（rNFA）进行比较，发现 8/10 的化学物质在两种检测中表现出相似的生物活性谱，但 rNFA 对 4/7 的活性化学物质更为敏感，且检测到更多的细胞毒性效应。例如，甲基汞、BDE - 47 和狄氏剂在 rNFA 中显示出细胞毒性，而在 BrainSphere MEA 模型中未检测到。同时，研究还发现两种检测中部分指标的最小效力估计值存在差异，rNFA 中的一些化学物质效力更强。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发并优化了一种基于 3D BrainSphere 模型和 HD - MEA 的新型检测方法，能够检测化学物质诱导的神经活动变化。与传统的 2D 大鼠皮质细胞模型（rNFA）相比，虽然存在一些差异，但生物活性趋势相对相似。然而，该方法仍面临一些挑战，如检测结果的变异性较高，部分原因可能是 MEA 记录的某些方面以及实验板格式的限制。未来，通过增加生物学重复数量、应用更严格的基线活动过滤标准、改进 BrainSphere 与 HD - MEA 板的粘附性以及优化神经指标数据采集参数等措施，可以提高检测方法的稳健性。此外，测试更多种类的化学物质，有助于进一步评估该模型在神经毒性筛查中的价值。总体而言，这项研究为神经毒性的体外检测提供了一种新的思路和方法，有望减少动物实验的使用，推动无动物毒理学测试的发展，为保障人类神经系统健康提供更有效的手段。
