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PNAS:新型神经细胞培养实现人神经元突触功能

最近,美国索尔克生物研究所、Sanford再生医学财团的科学家,使用诱导多功能干细胞(iPSCs),在体外模拟人类神经系统疾病,应用电生理技术测试DMEM和Neurobasal,以确定它们对基本神经元活动的影响。


令人惊讶的是,科学家发现,即使这些是传统的培养基,它们也会强烈地改变许多重要的神经生理特性。在决定设计一种新的培养基之前,研究人员测试了各种市售的可用于神经组织培养的基本培养基;没有哪一种像aCSF一样支持电生理活动。然而,即使加入了各种添加剂,aCSF不足以维持细胞培养超过一天或两天。


因此,科学家们开始设计一种新培养基(更适合支持神经元的功能),这是一项具有挑战性的任务,从而最终产生了一种新的培养基-BrainPhys,可改善神经元的分化和电活动,支持长期的体外培养,模拟活脑的生理条件,并允许对电生理活动进行评估。


Cedric Bardy博士和他的同事们,将这一研究成果发表在最近的《美国国家科学院院刊》(PNAS)。Bardy告诉Medical Xpress:“我们认为,要真正评估神经细胞培养物的生理学,在相同培养基中进行电生理实验更有意义。当时,我们绝对没想到传统培养基会损坏神经元的活动。我们开始尝试用膜片钳技术,在传统组织培养基中测试人类神经细胞的电生理特性,同时我们可以记录这些培养基中的一些动作电位,突触活性被完全沉默。”


然而,在研究人员开始质疑培养基之前,他们认为,问题可能是由于人类神经元,或他们刚刚建成的新膜片钳设备。用aCSF代替培养基,通过在小鼠脑切片上进行膜片钳技术,他们迅速排除了这些假设,发现这些实验在记录活性方面是非常成功的。


Bardy回忆说:“接下来的一天,我们返回修补人类神经元。我们开始是在传统培养基中记录,我们再次记录到一些可怜的动作电位活动,但没有突触活动。这一次,虽然修补同样的细胞,但是我们把细胞外液切换到aCSF。这大大提高了神经元的功能,然后我们通过钙离子成像进行了验证。我几乎不敢相信它!我们惊奇地发现,几十年来我们一直在含刺激神经组织成分的培养基中培养神经细胞,这种成分会大大损害这种基本和重要的神经功能。”


此外,他补充说,至少在大多数情况下,组织培养模型要概括尽可能真实的体内条件,这是很重要的。由于突触和电活动对大脑的任何功能绝对是关键的,他们的主要目标是研制某种组织培养条件,从生理上支持这样的活动。


Bardy回忆说:“研制一种新培养基并不是一个简单的任务,但是我们不能忽视的事实是,我们正在使用的培养基,会大大损害神经元的功能。有些时候我们认为,传统培养基DMEM或Neurobasal可能有一种组分,会沉默神经元的活动,挑战在于,这些培养基包括50多种不同浓度的组分。可能的组合数量是巨大的。”


科学家们首次尝试确定哪些组分对于神经元的存活和活动至关重要,他们移除组件-例如,所有的氨基酸。Bardy说这是有益的,因为这明确表明,不仅仅是一个组分的问题。他说:“我们设法缩小可能的问题清单,在这一点上,我们试图根据关于‘刺激神经的关键组分是什么’的文献,做出可理解的猜测。我们还根据自然人脑脊液的成分,调整了一些组分的浓度;在最后得到BrainPhys之前,我们不得不尝试几种浓度和几个不同版本的培养基,BrainPhys像aCSF一样能支持神经元电活动,同时还能够支持体外神经细胞的长期生存。”


一个重要的好处是,随着时间的推移,新的神经元培养基中的神经活性增强,不利于细胞生存。相反,科学家们发现,长期暴露于BrainPhys中可显著增强人类神经元的突触功能。这些功能性改善伴随而来的是ARC蛋白的显著增加,众所周知这在突触强度和记忆巩固中发挥关键的作用。


Bardy指出,用人iPSC技术而不是动物模型,其中一个主要的优势是,实验模型虽然更接近于人,但这是以失去体内组织的维度为代价。他解释说:“作为细胞生物学家,我们必须通过推动新的组织实验模型,来弥补这一事实,这将允许我们在体外研究组织,能够更好地模拟体内相同组织的结构和功能。我们应该做出许多改进-例如,神经元生长的物理基板,或孵化器中的氧含量。


BrainPhys可帮助我们从一个更准确的生理角度研究神经元培养,应该会为新的、更严格的神经元和突触功能研究,打开新的途径。这项研究还指出,细胞生物学家们需要重新思考一下组织培养条件,虽然我们已经用了几十年都没有问题。作为研究人员,我们应不断提高试验模型的精度和相关性-不仅在神经科学研究,而且在其他医疗应用,如癌症、心脏病与自身免疫性疾病。”Bardy指出,毕竟,自出现人类iPSC技术以来,在体外模拟人类神经系统疾病的投入力度成倍增长。



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