PNAS：新型神經細胞培養基克服傳統障礙

　　體內的神經電活動是神經系統功能的本質，控制著感官、情感、記憶、行為和基本的生存機能。因此，要在實驗室內研究神經元，很重要的一點是，在體外培養的神經元模型也支持這種電活動，才能反映基本的大腦功能，目前大多數的人類神經元培養是使用傳統培養基DMEM（Dulbecco的改良Eagle培養基）、Neurobasal或兩者的混合物。與此相反，室內試驗在腦切片或培養物使用電生理技術–如膜片鉗（允許單個或多個細胞離子通道的研究）、鈣成像，是在人工腦脊液（aCSF）培養基中進行的。

　　最近，美國索爾克生物研究所、Sanford再生醫學財團的科學家，使用誘導多功能干細胞（iPSCs），在體外模擬人類神經系統疾病，應用電生理技術測試DMEM和Neurobasal，以確定它們對基本神經元活動的影響。令人驚訝的是，科學家發現，即使這些是傳統的培養基，它們也會強烈地改變許多重要的神經生理特性。在決定設計一種新的培養基之前，研究人員測試了各種市售的可用于神經組織培養的基本培養基；沒有哪一種像aCSF一樣支持電生理活動。然而，即使加入了各種添加劑，aCSF不足以維持細胞培養超過一天或兩天。因此，科學家們開始設計一種新培養基（更適合支持神經元的功能），這是一項具有挑戰性的任務，從而最終產生了一種新的培養基——BrainPhys，可改善神經元的分化和電活動，支持長期的體外培養，模擬活腦的生理條件，并允許對電生理活動進行評估。

　　Cedric Bardy博士和他的同事們，將這一研究成果發表在最近的《美國國家科學院院刊》（PNAS）。Bardy告訴Medical Xpress：“我們認為，要真正評估神經細胞培養物的生理學，在相同培養基中進行電生理實驗更有意義。當時，我們絕對沒想到傳統培養基會損壞神經元的活動。我們開始嘗試用膜片鉗技術，在傳統組織培養基中測試人類神經細胞的電生理特性，同時我們可以記錄這些培養基中的一些動作電位，突觸活性被完全沉默。”

　　然而，在研究人員開始質疑培養基之前，他們認為，問題可能是由于人類神經元，或他們剛剛建成的新膜片鉗設備。用aCSF代替培養基，通過在小鼠腦切片上進行膜片鉗技術，他們迅速排除了這些假設，發現這些實驗在記錄活性方面是非常成功的。Bardy回憶說：“接下來的一天，我們返回修補人類神經元。我們開始是在傳統培養基中記錄，我們再次記錄到一些可憐的動作電位活動，但沒有突觸活動。這一次，雖然修補同樣的細胞，但是我們把細胞外液切換到aCSF。這大大提高了神經元的功能，然后我們通過鈣離子成像進行了驗證。我幾乎不敢相信它！我們驚奇地發現，幾十年來我們一直在含刺激神經組織成分的培養基中培養神經細胞，這種成分會大大損害這種基本和重要的神經功能。”此外，他補充說，至少在大多數情況下，組織培養模型要概括盡可能真實的體內條件，這是很重要的。由于突觸和電活動對大腦的任何功能絕對是關鍵的，他們的主要目標是研制某種組織培養條件，從生理上支持這樣的活動。

　　Bardy回憶說：“研制一種新培養基并不是一個簡單的任務，但是我們不能忽視的事實是，我們正在使用的培養基，會大大損害神經元的功能。有些時候我們認為，傳統培養基DMEM或Neurobasal可能有一種組分，會沉默神經元的活動，挑戰在于，這些培養基包括50多種不同濃度的組分。可能的組合數量是巨大的。”

　　科學家們首次嘗試確定哪些組分對于神經元的存活和活動至關重要，他們移除組件——例如，所有的氨基酸。Bardy說這是有益的，因為這明確表明，不僅僅是一個組分的問題。他說：“我們設法縮小可能的問題清單，在這一點上，我們試圖根據關于‘刺激神經的關鍵組分是什么’的文獻，做出可理解的猜測。我們還根據自然人腦脊液的成分，調整了一些組分的濃度；在最后得到BrainPhys之前，我們不得不嘗試幾種濃度和幾個不同版本的培養基，BrainPhys像aCSF一樣能支持神經元電活動，同時還能夠支持體外神經細胞的長期生存。”

　　一個重要的好處是，隨著時間的推移，新的神經元培養基中的神經活性增強，不利于細胞生存。相反，科學家們發現，長期暴露于BrainPhys中可顯著增強人類神經元的突觸功能。這些功能性改善伴隨而來的是ARC蛋白的顯著增加，眾所周知這在突觸強度和記憶鞏固中發揮關鍵的作用。

　　Bardy指出，用人iPSC技術而不是動物模型，其中一個主要的優勢是，實驗模型雖然更接近于人，但這是以失去體內組織的維度為代價。他解釋說： “作為細胞生物學家，我們必須通過推動新的組織實驗模型，來彌補這一事實，這將允許我們在體外研究組織，能夠更好地模擬體內相同組織的結構和功能。我們應該做出許多改進——例如，神經元生長的物理基板，或孵化器中的氧含量。BrainPhys可幫助我們從一個更準確的生理角度研究神經元培養，應該會為新的、更嚴格的神經元和突觸功能研究，打開新的途徑。這項研究還指出，細胞生物學家們需要重新思考一下組織培養條件，雖然我們已經用了幾十年都沒有問題。作為研究人員，我們應不斷提高試驗模型的精度和相關性——不僅在神經科學研究，而且在其他醫療應用，如癌癥、心臟病與自身免疫性疾病。”Bardy指出，畢竟，自出現人類iPSC技術以來，在體外模擬人類神經系統疾病的投入力度成倍增長。