来源：Bio-technology
3D类器官是一种具有3D组织结构的细胞培养物，具有真实的微观解剖结构，同时具有器官特异性细胞类型，甚至具有器官的部分功能。3D类器官的来源是多功能干细胞或胚胎干细胞，用于疾病研究的3D类器官多是由人类细胞的诱导干细胞培养而成，可带有病人的基因背景。
用人源的3D类器官来做研究的优势主要有：
1）有些疾病只发生在人类上，很难用动物模型去模拟，而人类组织器官作为研究模型需要通过严格的伦理审查，人源3D类器官具有人类的遗传背景，非常适合人类疾病的研究；
2）有些疾病是在器官发育过程中逐渐产生的，或者只在组织结构中才体现出来，3D类器官具有2D培养细胞缺乏的发育过程和组织结构。
3D类器官技术在2013年的 Science杂志上被列为当年的十大科学进步之一, 又在2015年被《麻省理工科技评论》当年的十大技术突破之一。
图1. 人源的3D类器官与人体组织样本及动物模型的比较
自2010年代初以来，培养类器官的技术得到了迅速的改进，但是另一方面，如何对3D类器官的功能进行有效的检测依然是一个亟待解决的问题。这几年发展起来的超高分辨率MEA（HD-MEA）技术为类脑体等具有电生理活性的3D类器官提供了一种全新的检测方法，无需标记就能对类器官的功能进行快速的检测。
超高分辨率MEA通过超高密度的电极阵列来记录样品的胞外电信号，相比于传统的中低密度的MEA，大大增加了检测信息量，能够记录样品中全部的细胞，同时还能获取亚细胞，单细胞以及细胞网络等多层次的信息。可应用于类器官相关的药物研发，疾病模型、毒理研究、再生医学研究、神经发育等领域。
下面为大家介绍几个超高分辨率MEA应用于3D类器官的案例：
1、 Rett综合症相关的研究
Rett综合症病因是在X染色体上 MeCP2基因发生突变，这是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病，发病率为1/10000-1/15000女孩，一般2岁左右开始发病，目前还没有有效的治疗方法。
目前在这一疾病的研究上的难点是缺乏体现疾病表征的动物模型，在传统的2D和3D培养细胞上也都无法体现疾病表征。主要问题是这个疾病是和大脑组织轴向结构相关的，在最新的这项研究中，研究人员先分别培养不同区域大脑的类脑器官，然后再将这些不同脑区的类器官组合起来，然后用HD-MEA进行检测。
图2. 左图对照和疾病组，不同脑区类器官融合前后。右图对照组与疾病组通过HD-MEA得到的动作电位raster图。
HD-MEA检测结果显示，Rett综合症疾病模型类脑体的自发放电频率更低，尤其值得注意的是正常的两个不同脑区类器官融合后会出现神经网络群体性放电，即burst，提示神经元之间建立了丰富的网络连接，而疾病组类器官融合后burst明显更弱，通过这个方式找到了Rett综合症在电生理上的一个重要的biomarker。
2、类脑体上的药理学检测
图3. 左图培养于HD-MEA芯片上的人源干细胞诱导的类脑器官，检测得到的动作电位频率热图和幅度热图。
在这个研究中，用不同的工具药处理人源类脑器官。在未加药的情况下，类脑体存在自发的burst发放，加入NMDA后自发的动作电位未被抑制，但自发同步性放电（burst）被抑制了，而加入MK801后动作电位和burst都被抑制了。通过这类实验可快速地检测各种化合物对神经元兴奋性以及神经元之间网络连接的影响。
图4. 各种药物对人源类脑器官动作电位发放频率和神经网络的burst发放的影响。
3、对类器官诱导实验方案的优化
这项研究用到了人源干细胞诱导的小脑类器官。在HD-MEA上进行检测后发现，这一种小脑类器官有自发放电但缺乏神经网络同步性放电，这说明这一小脑类脑器官中的神经网络不成熟，缺少细胞间的连接。后续研究尝试在类脑器官培养过程中加入血清素受体激动剂五羟色胺，促进其中浦肯野细胞的成熟。
结果发现，在培养基中加入五羟色胺后，在新的HD-MEA检测中出现了明显的同步化放电，这说明细胞之间的连接建立了，在这种条件下培养的小脑类器官更加成熟也更接近生理状态。在这个案例中，HD-MEA的检测起到了重要的作用，帮助我们看到不同培养条件下的类器官在功能上的差异，从而找到最佳的诱导方案。
图5. 左图小脑结构，右图未加（上）和加入（下）五羟色胺的小脑类器官的放电raster图，加入五羟色胺的类器官出现明显的同步性burst放电。
