人源性皮质神经球偶联高密度与 3D MEA：一种有效的功能测试平台
Luca Muzzi, Daniele Di Lisa, Martina Falappa, Sergio Pepe, Alessandro Maccione, Laura Pastorino, Sergio Martinoia & Michela Frega | Bioengineering 2023 | DOI: 10.3390/bioengineering10040449
标签: #皮质神经球 #高密度MEA #3DMEA #3Brain #类器官 #药物筛选 #功能验证
一、做什么 🔬
随着类器官技术的发展，如何准确、高通量地评估 3D 神经模型（如神经球）的功能活性成为了瓶颈。传统 2D 培养无法模拟体内微环境，而现有的 3D 记录手段往往分辨率不足或通量太低。
本研究由 3Brain 核心团队成员 (Alessandro Maccione 等) 与意大利热那亚大学合作完成，旨在验证 3Brain 被动式 3D 微电极阵列 (3D-MEA) 以及 高密度平面 MEA (HD-MEA) 在记录人源性皮质神经球（hCortical Neurospheroids）电生理活动方面的有效性。
| 核心技术 | 说明 | 用途 |
|---|---|---|
| 3D-MEA (Passive) | 电极呈三维结构（突起），可直接“刺入”或紧密接触 3D 组织 | 实现对深部或球状组织的细胞内/近细胞外记录 |
| HD-MEA (Biochip 4096E) | 64×64 平面电极阵列，间距 42 μm | 高分辨率监测神经球与基质之间的网络互动及网络爆发传播 |
| 人皮质神经球 | iPSC 或原代细胞衍生的 3D 神经模型 | 模拟大脑皮层发育和网络形成 |
二、发现什么 📊
3D-MEA 记录神经球内部活性
图1：实验设计概览。展示了神经球的培养分化过程，以及如何将其转移并接种到不同类型的 MEA 芯片上（包括 3D-MEA 和 HD-MEA）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将人源皮质神经球接种到 3Brain 的 3D-MEA 芯片上。3D-MEA 的电极具有特殊的三维几何形状，旨在穿透或紧密贴附在球体表面，从而获取比传统平面 MEA 更深层次的信号。 |
| 发现什么 | 3D-MEA 能够成功记录到来自神经球的清晰动作电位（Spikes），且信号质量（信噪比）优于传统平面 MEA 对同类 3D 组织的记录。这证明了 3D-MEA 在捕捉 3D 组织内部电活动方面的独特优势。 |
| 说明什么 | 对于致密的 3D 组织（如神经球、类器官），常规平面 MEA 往往只能记录到表面的活动。3D 结构的电极能有效解决这一痛点，为类器官研究提供了更深层的生理学读数。 |
HD-MEA 揭示神经球网络的网络爆发特征
图2：利用 HD-MEA 记录到的神经球自发网络活动。左侧展示了神经球在芯片上的显微图像，右侧展示了多通道记录的 Spike Raster plot，显示神经球内部高度同步的网络爆发（Network Bursts）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将成熟后的神经球放置在 3Brain 4096 电极 HD-MEA 上进行长时程记录。分析其自发放电模式，包括放电率（MFR）、爆发频率（MBR）以及网络爆发的时空同步性。 |
| 发现什么 | 神经球在 HD-MEA 上表现出典型的网络同步爆发行为（Network Bursts），类似于体外发育的神经元网络；HD-MEA 的 4096 个电极使得能够同时记录神经球内部及其周围基质上的数百个活性位点；通过相关性分析，验证了神经球内部的功能性连接高度紧密。 |
| 说明什么 | HD-MEA 不仅是记录单个细胞活动的工具，更是研究**微型网络（Micro-networks）**同步性的理想平台。对于评估类器官模型的成熟度和功能性，网络爆发特征是关键的量化指标。 |
药物干预与功能性验证
图3：施加神经活性药物（如阻断剂或激动剂）后，神经球网络活动的变化。热图展示了药物处理前后网络连通性或放电频率的显著差异。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在记录稳定后，向体系中施加标准的神经药理学试剂（如 CNQX/AP5 阻断谷氨酸受体，或 Bicuculline 阻断 GABA 受体），观察神经球网络电活动的变化（如爆发停止、频率改变等）。 |
| 发现什么 | 施加阻断剂后，神经球的网络爆发活动被显著抑制甚至完全消除，证明记录到的活动确实是由突触传递驱动的，而非非特异性的细胞漏电或伪影；药物洗脱后，活动部分或完全恢复，证明了该模型的稳定性和可逆性。 |
| 说明什么 | 该体系（神经球+MEA）具有极高的药物筛选灵敏度。能够精准响应药理学干预，是验证神经毒性或药效的可靠“体外临床试验”平台。 |
三、说明什么 💡
科学意义
| 发现 | 意义 |
|---|---|
| 3D-MEA 优于平面 MEA | 解决了 3D 类器官记录难的痛点，提供了从“表面”到“内部”的跨越 |
| HD-MEA 揭示网络特性 | 证明了类器官不仅仅是细胞团，而是具有功能同步性的“微型大脑” |
| 药理学响应可靠 | 建立了类器官作为高通量、无标记药物筛选平台的金标准 |
与我们产品的关联
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain HD-MEA (4096) | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文直接使用了 3Brain Biochip 4096E。证明了 HD-MEA 是研究神经球/类器官网络功能、同步性及药物响应的必备工具。 |
| 3Brain 3D-MEA | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文重点展示了 3D-MEA 的优势。对于专门做厚组织切片、类器官球体的客户，3D-MEA 是独门绝技，能记录到平面 MEA 记录不到的深部信号。 |
| Celvivo 3D 培养 | ⭐⭐⭐ | 类器官的高质量生成是 MEA 测试的前提，3D 培养系统可与 MEA 联用构建“培养-测试”闭环。 |
技术优势与局限
| 优势 | 局限 |
|---|---|
| 无标记、实时功能读数 | 3D-MEA 需要特定的操作技巧将组织放置在电极上 |
| 高通量、适合药筛 | 仅记录电生理，需结合其他技术（如钙成像）验证机制 |
| 兼容人源细胞 | 类器官批次间的异质性可能影响数据一致性 |
原文下载
📄 Muzzi_2023_Bioengineering_Neurospheroids_HD_MEA.pdf
参考文献
- Muzzi L, Di Lisa D, Falappa M, Pepe S, Maccione A, et al. Human-Derived Cortical Neurospheroids Coupled to Passive, High-Density and 3D MEAs: A Valid Platform for Functional Tests. Bioengineering. 2023;10(4):449.
- Frega M, et al. Cortical network activity in 3D MEA. Sci Rep. 2019.
- Maccione A, et al. High-resolution MEA for organoid recording. J Neural Eng. 2021.
转发语：3Brain 团队最新力作！人源皮质神经球偶联 3Brain 高密度 MEA 与 3D 微电极，实现了从微观 3D 结构到宏观网络爆发的全方位功能验证。证明 MEA 是评估类器官成熟度、药物响应及神经毒性的黄金标准平台。
联系人：李东伟
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