基于多脑类器官电生理活性的一步式药物筛选系统开发与应用

本刊推荐：本研究开发了一种集成3D微电极阵列（3D MEA）与微流控芯片的一步式药物筛选系统，可同时对10个脑类器官进行电生理记录并实现多浓度药物递送。该系统成功应用于SCN2A突变癫痫模型类器官的功能验证与剂量依赖性药效评估（如卡马西平抑制异常放电），为神经疾病药物筛选和个性化医疗提供了高通量技术平台。

　　

引言

药物筛选是临床试验前识别潜在治疗药物的关键过程。人多能干细胞（iPSC）衍生的脑类器官因其与人类大脑在结构、转录和功能上的高度相似性，已成为神经系统疾病药物筛选的重要模型。疾病模型类器官（如阿尔茨海默病和帕金森病类器官）的发展进一步增强了脑类器官在药物筛选中的应用潜力。然而，目前仍缺乏能够在给药同时基于脑类器官功能变化评估药效的综合性平台。现有系统多局限于单个类器官的表面信号记录，且缺乏实时多浓度给药能力，难以满足高通量药物筛选的需求。

结果

2.1 一步式药物筛选系统的设计与构建

本研究开发的一步式药物筛选系统主要由三维微电极阵列（3D MEA）和嵌入微流控芯片的培养室组成。3D MEA包含10个探针，每个探针配备6个黑铂电极（8 μm × 8 μm），电极间距250 μm，可覆盖1–1.5 mm垂直深度，有效记录类器官内部神经活动。探针尺寸（40 μm宽，15 μm厚）较传统神经探针更小，仅占0.5 mm半径类器官总体积的0.114%，最大限度减少组织损伤。培养室包含10个小室，底部集成硅多孔膜，膜孔隙率从0%到5%梯度变化，实现不同浓度的药物扩散。微流控通道宽度100 μm、高度80 μm，通过氧等离子体键合与PDMS培养室、硅膜和玻璃基板组装成完整系统。

2.2 系统性能表征

电化学阻抗测试显示，60个微电极在1 kHz频率下的平均阻抗为45.417 ± 3.191 kΩ，满足神经信号记录要求。通过有限元模拟和荧光素实验验证了药物递送性能：在5 μL/min流速下，药物在5分钟内不会扩散至相邻小室；荧光强度测量证实药物浓度随孔隙率和流速增加而升高，表明浓度可控性。

2.3 多类器官同步记录与剂量依赖性给药

使用培养60天的皮质类器官验证系统功能。3D MEA成功同时记录10个类器官的神经信号，放电频率1–7 Hz，爆发频率低于1 Hz，电极间同步性超过40%。通过微流控通道以3 μL/min流速灌注400 mM氯化钾（KCl）5分钟，结果显示：孔隙率0%的小室无信号变化，而孔隙率1.25%–5%的小室放电频率随浓度增加而升高（最高达1 Hz），证实了剂量依赖性药效响应。

2.4 SCN2A癫痫类器官的构建与表征

利用SCN2A突变（c.4886 G > T）癫痫患者来源的iPSC构建皮质类器官。免疫组化显示突变类器官与正常类器官在神经前体标志物（PAX6、SOX2）和神经元标志物（MAP2、Tuj1）表达上无显著差异，但兴奋性神经元标志物VGLUT1在45天时开始表达。电生理记录发现：正常类器官放电频率1–3 Hz，而突变类器官呈现超过100 Hz的癫痫样高频放电，爆发频率提高50倍以上。进一步分析发现突变类器官中央区域出现缺氧（HIF-1α阳性）和凋亡（cCasp3阳性），与患者脑组织病理特征一致。

2.5 SCN2A癫痫类器官的药物筛选

分别灌注钠通道阻滞剂卡马西平（10 mM）和GABA增强剂氯巴占（1 mM）。卡马西平给药后，癫痫样放电随孔隙率增加（药物浓度升高）而显著抑制，孔隙率3.75%–5%的小室信号完全消失；而氯巴占无显著效果，与SCN2A癫痫临床治疗反应一致，验证了系统在疾病特异性药物筛选中的实用性。

讨论

本研究开发的系统首次整合了多类器官同步电生理记录与多浓度药物递送功能，解决了传统平台通量低、药效评估不全面的问题。通过SCN2A癫痫模型验证了其在疾病机制研究和个性化用药筛选中的价值。尽管长期给药时药物扩散问题仍需优化（如采用推挽流控结构），但该系统为神经疾病药物研发提供了高效、可靠的技术平台。

实验方法

系统构建采用SOI晶圆光刻和DRIE蚀刻工艺制作3D MEA，铂黑电沉积降低电极阻抗。类器官培养使用Matrigel基质和神经诱导培养基（含SB431542、LDN193189等因子），SCN2A突变iPSC由Yonsei大学提供。电信号通过RHD系统采集， Spike排序阈值设为75 μV，爆发检测采用ISIN算法（ISI阈值0.1 s）。免疫荧光使用抗SOX2、MAP2、VGLUT1等抗体，共聚焦显微镜成像。统计采用GraphPad Prism 8进行t检验，数据以均值±标准差表示。