MEA（微电极阵列）技术——神经元信号采集方式进入新纪元
MEA（微电极阵列）技术 膜片钳技术受限于其单通道和单细胞的特性。虽然使用自动化技术来对多个神经元进行同步膜片钳检测已成为可能，但能同时研究的神经元数量还是太少。而正是这个主要的局限，这种技术无法被用于观察群体细胞的协同电活动，比如惊厥样活动这种中枢神经毒的重要组成部分。
正是由于胞内记录的这些缺陷，人们转向细胞外记录技术，试图开发出一个适合惊厥样活动检测的高通量平台。而MEA（微电极阵列）技术是其中最有希望的一种。
什么是MEA？
神经元、心肌细胞等是一类具有电活动特性的特殊细胞，电生理技术就是用各种手段检测细胞的电信号，从而反应细胞的功能和活性。离体条件下常用的电生理技术包括膜片钳记录以及细胞外记录等。
如左图所示，膜片钳技术能够记录到单个细胞内的信号，包括动作电位以及膜电位的细微变化；细胞外记录的方法能够记录到单个细胞的动作电位以及一群细胞的场电位变化。然而膜片钳一次只能记录单个或者几个细胞，并且由于侵入性对细胞的破坏，记录时间较短；MEA技术就是将多个电极以阵列的形式集成于一个芯片上，每一个电极都可进行细胞外记录（也可作为刺激电极），优势是在不需要微操等辅助设备的情况下，能够同时记录一群细胞并且支持长达数天的观察
什么是MEA？
神经元、心肌细胞等是一类具有电活动特性的特殊细胞，电生理技术就是用各种手段检测细胞的电信号，从而反应细胞的功能和活性。离体条件下常用的电生理技术包括膜片钳记录以及细胞外记录等。
如左图所示，膜片钳技术能够记录到单个细胞内的信号，包括动作电位以及膜电位的细微变化；细胞外记录的方法能够记录到单个细胞的动作电位以及一群细胞的场电位变化。然而膜片钳一次只能记录单个或者几个细胞，并且由于侵入性对细胞的破坏，记录时间较短；MEA技术就是将多个电极以阵列的形式集成于一个芯片上，每一个电极都可进行细胞外记录（也可作为刺激电极），优势是在不需要微操等辅助设备的情况下，能够同时记录一群细胞并且支持长达数天的观察
MEA：体外毒理测试的强大解决方案
做MEA实验时，体外培养的神经细胞网络覆盖在一个微电极阵列之上。后者为检测细胞外电生理活动提供了多个记录位点。这样科学家们就可以无损伤地对一群神经元的惊厥样活动作评估。
【A】：显微镜下微电极与神经元图片。
【B】：神经元放电热图。不同颜色代表不同放电频率，红色为最高。
由于可以被用作判断神经网络的电生理活动是如何受到被测试的神经活性物质的影响，人们对于MEA平台在神经毒性测试方面的应用十分期待。细胞模型能同时适用于慢性和急性的神经毒性研究。比如，将培养的神经元细胞维持数日，这样就能观察随着时间的推移药物所引起的惊厥样活动是否会有所变化。
急性神经毒性研究示例
做MEA实验时，体外培养的神经细胞网络覆盖在一个微电极阵列之上。后者为检测细胞外电生理活动提供了多个记录位点。这样科学家们就可以无损伤地对一群神经元的惊厥样活动作评估。
【A】：显微镜下微电极与神经元图片。
【B】：神经元放电热图。不同颜色代表不同放电频率，红色为最高。
由于可以被用作判断神经网络的电生理活动是如何受到被测试的神经活性物质的影响，人们对于MEA平台在神经毒性测试方面的应用十分期待。细胞模型能同时适用于慢性和急性的神经毒性研究。比如，将培养的神经元细胞维持数日，这样就能观察随着时间的推移药物所引起的惊厥样活动是否会有所变化。
急性神经毒性研究示例
19种化合物处理大鼠原代皮层神经元1小时后，使用Maestro MEA平台检测电生理参数。其中12种参数的结果归纳如上图所示。
Toxicological Sciences, 2018, 1–14
慢性神经毒性研究示例
使用两个化合物Fipronil和Acetaminophen，在七种不同浓度下处理大鼠原代皮层神经元。连续记录12天，平均放电率及簇放电率随时间变化趋势如上图所示。
Toxicological Sciences, 160(1), 2017, 121–135
MEA的另一个优势是能够适用于工业级别的常规筛选工作。实际上，随着高通量MEA技术的进展，我们已经实现了将微电极阵列置于多孔板内的每个孔底部，这样每天评估200种药物就成为可能。MEA技术还能做到惊人的一致性：在一项多方的研究中，经过100多轮的测试，人们证明了该技术平台在实验室间和实验室内都能有很好的重复性。（相关文章，复制下列链接到浏览器，即可阅读文献原文)
- https://academic.oup.com/toxsci/article/164/2/550/4990045
- https://www.researchgate.net/publication/312305913_Comprehensive_Translational_Assessment_of_Human_Induced_Pluripotent_Stem_Cell_Derived_Cardiomyocytes_for_Evaluating_Drug-Induced_Arrhythmias
所以，对于体外神经毒性测试中所面临的挑战，比如说惊厥类电活动的建模以及高通量，最新的MEA系统都能轻松克服。这使得它成为中枢神经系统安全药理评估的理想工具。而有些桌面型MEA系统已经通过评估能够用于检测促癫痫活动。比如最近的一项研究表明，网络电生理反应能被用来可靠地区分促癫痫化合物和其它品类的物质（如兴奋性化合物、抑制性化合物和逆惊厥药物）。这个实验使用了Lonza公司的大鼠皮层原代神经元和Axion BioSystems的Maestro MEA平台，并配合高阶软件来分析网络电生理信号。研究发现，仅凭神经网络整体的放电率是无法做出药物的有效判断和分类的。而电活动的同步性却能被用来做很好的评价标准。在这里，网络同步重要性就彰显了细胞外记录系统在评估神经群落方面的价值。
有了这样的高通量及可靠的系统，我们就有可能在体外获得能够代表体内情况的神经毒性数据。另外，随着细胞培养体系的不断进步，MEA系统还能有改善的空间，使得它的生理相关性进一步得到提升。
MEA方法的潜力
虽然目前基于MEA和原代细胞组合的测试方法已经能够提供可靠且强大的工业级毒理筛选方案，人们还在研究如何能继续来做一些改进。这些进展虽然并未得到广泛使用，但能够反映出这个领域诱人的未来潜力。
特别受到关注的是人多能干细胞，基于它我们能够得到更具人类神经毒理代表性的细胞模型。正是由于这些细胞所具有的更大生理相关性，人们将其称为“体外毒理学的未来”。然而，从hiPSC分化出具有足够功能活动的神经元却比较困难，而且可能要等待几个月的时间，这些细胞才能显现出人们期待的特性。所以，啮齿类动物的原代细胞模型作为目前神经毒理测试的行业标准，在iPSC研究中将可能被用来作为对照品。说到底，我们还要做不少工作来确认hiPSC来源的神经网络之功能特性。到目前为止，这些细胞的可靠性、一致性和成熟性还不足以满足工业需求。
在进展中的另一种方案是在MEA上使用更复杂的培养体系。这可能是很有价值的策略，因为标准的神经培养并不能反映出复杂的3D神经环路，也缺乏和非神经元细胞的互作。而在某些神经毒理的机制里面，这两点是至关重要的。为了应对这些问题，高通量MEA系统在器官型细胞培养、急性脑片以及三维类脑器官培养（俗称迷你大脑）方面有开发了新的应用。这些进展预示着MEA系统生理相关性将得到增强，虽然仍尚未得到工业界的广泛应用。
MEA系统优势总结
如上所述，使用啮齿类动物的原代细胞和MEA平台，我们得以对神经电生理活动开展可靠、一致且高通量的评估。对于细胞内记录而言，MEA系统的主要优势是能够对神经群体的电活动进行测量，获得的结果更能反映出体内的癫痫毒性。在将来，通过结合hiPSC和复杂3D培养，这种生理相关性将得到进一步的改善。
开展体外神经毒理测试将能够在更早期对候选药物开展有效筛选，缩短浪费在失败项目上的时间并降低药物开发的总体成本。最终，这种升级版的神经毒性测试将提高新型治疗方案的开发效率，并给病人带来实际的利益。
有了这样的高通量及可靠的系统，我们就有可能在体外获得能够代表体内情况的神经毒性数据。另外，随着细胞培养体系的不断进步，MEA系统还能有改善的空间，使得它的生理相关性进一步得到提升。
MEA方法的潜力
虽然目前基于MEA和原代细胞组合的测试方法已经能够提供可靠且强大的工业级毒理筛选方案，人们还在研究如何能继续来做一些改进。这些进展虽然并未得到广泛使用，但能够反映出这个领域诱人的未来潜力。
特别受到关注的是人多能干细胞，基于它我们能够得到更具人类神经毒理代表性的细胞模型。正是由于这些细胞所具有的更大生理相关性，人们将其称为“体外毒理学的未来”。然而，从hiPSC分化出具有足够功能活动的神经元却比较困难，而且可能要等待几个月的时间，这些细胞才能显现出人们期待的特性。所以，啮齿类动物的原代细胞模型作为目前神经毒理测试的行业标准，在iPSC研究中将可能被用来作为对照品。说到底，我们还要做不少工作来确认hiPSC来源的神经网络之功能特性。到目前为止，这些细胞的可靠性、一致性和成熟性还不足以满足工业需求。
在进展中的另一种方案是在MEA上使用更复杂的培养体系。这可能是很有价值的策略，因为标准的神经培养并不能反映出复杂的3D神经环路，也缺乏和非神经元细胞的互作。而在某些神经毒理的机制里面，这两点是至关重要的。为了应对这些问题，高通量MEA系统在器官型细胞培养、急性脑片以及三维类脑器官培养（俗称迷你大脑）方面有开发了新的应用。这些进展预示着MEA系统生理相关性将得到增强，虽然仍尚未得到工业界的广泛应用。
MEA系统优势总结
如上所述，使用啮齿类动物的原代细胞和MEA平台，我们得以对神经电生理活动开展可靠、一致且高通量的评估。对于细胞内记录而言，MEA系统的主要优势是能够对神经群体的电活动进行测量，获得的结果更能反映出体内的癫痫毒性。在将来，通过结合hiPSC和复杂3D培养，这种生理相关性将得到进一步的改善。
开展体外神经毒理测试将能够在更早期对候选药物开展有效筛选，缩短浪费在失败项目上的时间并降低药物开发的总体成本。最终，这种升级版的神经毒性测试将提高新型治疗方案的开发效率，并给病人带来实际的利益。
