《Current Research in Toxicology》：An automated platform for simultaneous, longitudinal analysis of engineered neuromuscular tissues for applications in neurotoxin potency testing
編輯推薦：
為解決動物模型研究神經肌肉接頭（NMJ）的局限，研究人員開展 iPSC 構建 NMJ 模型的研究。結果顯示，該模型能模擬 NMJ 功能，對神經毒素有響應。其意義在于可用于神經毒素效價檢測和疾病建模，推動相關研究發展。
在生命科學領域，神經肌肉接頭（NMJ）是神經系統與肌肉系統溝通的關鍵橋梁。它負責將運動神經元的信號傳遞給骨骼肌，從而引發肌肉收縮，維持人體正常的運動功能。然而，以往研究 NMJ 功能和相關疾病、毒素作用時，動物模型雖被廣泛應用，但卻存在諸多問題。一方面，動物的 NMJ 在形態、對毒素的反應等方面與人類存在顯著差異，例如在對肉毒桿菌神經毒素（BoT）的反應上，不同物種的敏感度和作用機制就有所不同。這使得基于動物模型的研究結果難以準確外推到人類，限制了其在藥物研發和疾病建模中的應用。另一方面，動物實驗還面臨著資源稀缺、實驗規模難以擴大、實驗通量低以及倫理道德等問題。這些問題猶如一道道障礙，阻礙著對 NMJ 相關領域的深入探索。
為了突破這些困境，來自國外研究機構的研究人員開展了一項極具意義的研究。他們致力于構建一個基于人類誘導多能干細胞（iPSC）的 NMJ 模型，期望通過這個模型更準確地模擬人類 NMJ 的功能，為神經毒素效價檢測和疾病建模提供有力支持。研究取得了一系列重要成果，該模型不僅能夠模擬 NMJ 的關鍵生物學特征，如神經元驅動的肌肉收縮，還對多種神經毒素表現出預期的反應，這表明其在研究 NMJ 功能和評估神經毒素方面具有潛在的應用價值。這項研究成果發表在《Current Research in Toxicology》上，為該領域的研究開辟了新的方向。
研究人員為開展此項研究，運用了多種關鍵技術方法。在細胞培養與分化方面，通過特定的培養體系和誘導分化方法，將 iPSC 分別分化為運動神經元和骨骼肌細胞，并進行共培養。在檢測分析方面，采用電生理學技術，如全細胞膜片鉗記錄和多電極陣列（MEA）檢測，來評估運動神經元的活性；利用免疫組化和共聚焦熒光顯微鏡技術，觀察 NMJ 相關蛋白的表達和定位；借助 Mantarray 系統的磁傳感技術，測量肌肉組織的收縮力。
下面來看具體的研究結果：
- 共培養 MN-SkM EMT 形成：研究人員開發了一種新的鑄造工藝，能夠高效地將神經球與成熟的工程化骨骼肌組織（EMT）進行共培養，成功率超 95%。同時，設計了激光二極管陣列，實現對共培養組織的藍光刺激，為后續研究奠定了基礎。
- iPSCs 分化為功能性運動神經元：成功創建了具有可誘導 ChR2 表達的 iPSC 細胞系，并將其分化為對藍光敏感的功能性運動神經元。通過免疫染色和電生理學技術驗證了這些運動神經元的功能和成熟度。
- MN-SkM EMT 的功能特性：比較了單獨的 SkM-EMT 和 MN-SkM EMT 的功能，發現共培養后 MN-SkM EMT 的收縮力和松弛時間發生變化，且部分 MN-SkM EMT 有自發活動。此外，MN-SkM EMT 對藍光刺激有明顯的收縮反應，平均抽搐力為 34.7 ± 22.7 μN，捕獲率達 92.5 ± 16.7%。
- 組織學分析：對 MN-SkM EMT 進行組織學檢查，發現關鍵的突觸前和突觸后標記物存在共定位現象，但共定位并不完全，表明形成的 NMJ 尚不成熟。
- 神經毒素對 MN-SkM EMT 的影響：用 BoT/A 處理 MN-SkM EMT，其功能呈劑量和時間依賴性降低，EC50值為 0.11 ± 0.015 μg。用乙酰膽堿芥子氣（AChM）和筒箭毒堿（Tubocurarine）處理，能快速阻斷神經元誘發的功能，且在藥物洗脫后功能有所恢復。
研究結論和討論部分表明，該研究構建的 iPSC - 基于的 NMJ 模型具有重要意義。在模型構建方面，開發的原位球狀體生成方法簡化了共培養流程，提高了實驗的可操作性和重復性；激光二極管陣列實現了對大量組織的同時刺激，提高了實驗通量。在功能驗證方面，模型對多種神經毒素的反應表明，其能夠模擬體內 NMJ 對毒素的響應機制，為神經毒素的研究提供了可靠的平臺。此外，該模型在肉毒桿菌毒素效價檢測方面展現出良好的應用前景，其檢測結果的重復性高，有望替代傳統的小鼠致死生物測定法。不過，該模型也存在一定的局限性，如依賴表達光敏感視蛋白的細胞，限制了其在模擬復雜遺傳疾病中的應用。未來，研究人員可通過探索病毒轉導等方法，進一步優化模型，拓寬其應用范圍�？傮w而言，這項研究為神經肌肉接頭相關的研究提供了新的工具和思路，推動了該領域的發展，對神經毒素研究、藥物研發和疾病建模等方面都具有重要的參考價值。
