解析iPSC誘導(dǎo)神經(jīng)肌肉接頭中神經(jīng)元與肌細(xì)胞的特異性電活動(dòng)

1. 樣品制備： 將hiPSC定向分化的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元與骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行三維共培養(yǎng)，形成功能性的神經(jīng)肌肉接頭。

2. 記錄流程： 將成熟的神經(jīng)肌肉接頭置于Maxwell HD-MEA芯片（26,400電極/8.1 mm²，電極間距17.5 µm）上就可以直接進(jìn)行檢測(cè)。如下圖。

買 MEA設(shè)備，找禮智生物！
本研究中使用的高密度微電極陣列（HD-MEA）設(shè)備由瑞士MaxWell Biosystems公司研發(fā)生產(chǎn)。HD-MEA技術(shù)在8.1 mm²芯片表面集成26,400個(gè)電極（密度3,259 electrodes/mm²，間距17.5 μm），將電信號(hào)采集的空間分辨率提升至亞細(xì)胞層級(jí)，可捕獲樣本的每一個(gè)神經(jīng)元電信號(hào)。不僅支持急性腦切片、視網(wǎng)膜組織等生物樣本的急性實(shí)驗(yàn)記錄，更支持體外培養(yǎng)神經(jīng)元、類器官、心肌細(xì)胞的長(zhǎng)時(shí)程檢測(cè)。

禮智生物是MaxWell中國(guó)區(qū)獨(dú)家授權(quán)代理商，積累了豐富的高密度MEA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)。歡迎聯(lián)系我們，了解這一技術(shù)的更多細(xì)節(jié)和資料�。�聯(lián)系方式見文末）

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• Electrodes圖是整個(gè)電極的圖示，鋪在電極上的神經(jīng)肌肉接頭照片可以與電極陣列進(jìn)行merge，展示正在記錄和放電的電極視圖，紅色三角代表記錄到動(dòng)作電位,可以看到放電位置與神經(jīng)肌肉接頭位置完整重合。
• Electrodes hot圖，上面的顏色代表檢測(cè)到的峰電位的不同幅值。
• Traces圖，可以看到不同電極上記錄到的動(dòng)作電位，也以紅色三角標(biāo)識(shí)。
• Raster plot圖，上面每一排是代表一個(gè)電極，每一個(gè)點(diǎn)是記錄到的峰電位。

視頻2.神經(jīng)肌肉接頭兩端檢測(cè)到的電信號(hào)。來源：禮智生物科技

這個(gè)視頻中，中間上方的視頻中在顯示神經(jīng)肌肉接頭上不同位置存在有spike的發(fā)放。

• 黃色方框部位檢測(cè)出來的trace圖在左側(cè)顯示，其鋒電位的波形幅值通常更高，時(shí)程略寬，常伴隨收縮相關(guān)的后電位，更接近于肌肉細(xì)胞的波形特征。
• 綠色方框部位檢測(cè)出來的trace圖在右側(cè)顯示，其鋒電位的波形幅值較低，峰電位尖銳，時(shí)程短，更接近于神經(jīng)元的波形特征。

結(jié)果3- NMJ上肌細(xì)胞和神經(jīng)元的Footprint展示
除此之外，由于Maxwell擁有超高分辨率的電極，單個(gè)細(xì)胞會(huì)跨越多個(gè)電極，因此Maxwell可以檢測(cè)到動(dòng)作電位在同一個(gè)細(xì)胞不同部位傳播的過程，如視頻3所示：

視頻3. 細(xì)胞內(nèi)的傳導(dǎo)。來源：禮智生物科技

Footprint：當(dāng)細(xì)胞產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位時(shí)，其電場(chǎng)會(huì)擴(kuò)散到周圍空間。HD-MEA 的密集電極陣列能瞬間捕捉到這個(gè)電場(chǎng)在二維平面上的完整空間電壓分布圖，該圖像即為該放電單元的Footprint。不同細(xì)胞的footprint不同。

視頻4. 上肌細(xì)胞和神經(jīng)元的Footprint。來源：禮智生物科技

在視頻4中，我們可以看到：

• 上方黃色框中標(biāo)記的肌肉細(xì)胞的footprint：肌肉細(xì)胞的Footprint通常表現(xiàn)為長(zhǎng)條帶，其上的典型波形是幅值很大、相對(duì)寬的雙向波。因?yàn)閯?dòng)作電位沿肌纖維長(zhǎng)軸傳導(dǎo)，被沿途數(shù)多個(gè)電極依次記錄。
• 綠色方框標(biāo)記的是神經(jīng)元的footprint：可以看到神經(jīng)元的放電區(qū)域在空間上會(huì)高度集中，呈現(xiàn)出中間幅值大，對(duì)應(yīng)其胞體的局部放電，邊緣幅值小，對(duì)應(yīng)軸突附近的動(dòng)作電位。

通過這種方式，在未經(jīng)物理分離的神經(jīng)肌肉的共培養(yǎng)體系中，實(shí)時(shí)區(qū)分來自于肌肉和神經(jīng)元不同放電類型的動(dòng)作電位。

視頻5. 肌肉電信號(hào)在空間上擴(kuò)布的過程。來源：禮智生物科技

此外，如視頻5所示，在這樣的高分辨率下，我們可以清楚地看到肌肉電信號(hào)在空間上擴(kuò)布的過程。

技術(shù)價(jià)值：為神經(jīng)肌肉研究開啟新維度
Maxwell HD-MEA的超高分辨率的設(shè)計(jì)，使其超越了傳統(tǒng)電生理記錄工具的范疇，成為一個(gè)強(qiáng)大的細(xì)胞類型特異性功能解析平臺(tái)：

1. 實(shí)現(xiàn)真正意義上的共培養(yǎng)系統(tǒng)分析：無需遺傳標(biāo)記或物理分割，即可無創(chuàng)區(qū)分并監(jiān)測(cè)共培養(yǎng)體系中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與肌肉網(wǎng)絡(luò)各自的活動(dòng)動(dòng)態(tài)。
2. 揭示神經(jīng)肌肉傳遞的微觀細(xì)節(jié)：可精確測(cè)量從神經(jīng)元到肌肉響應(yīng)的延遲，分析傳遞效率與可塑性。
3. 賦能精準(zhǔn)疾病建模與藥物篩選：為ALS、SMA等神經(jīng)肌肉疾病的iPSC模型提供了直接、定量且信息量巨大的功能表型讀取窗口，極大地促進(jìn)了機(jī)理研究與治療方案的開發(fā)。

綜上所述，Maxwell HD-MEA系統(tǒng)憑借超高空間分辨率，可在體外無損、同步解析iPSC神經(jīng)肌肉接頭中不同的細(xì)胞電活動(dòng)，標(biāo)志著神經(jīng)肌肉研究進(jìn)入了一個(gè)能夠同時(shí)監(jiān)聽“神經(jīng)對(duì)話”與“肌肉回響”的高清時(shí)代。