MIT用“芯片器官”替“渐冻人”试新药

一场风靡全球的“冰桶挑战”曾将“渐冻症”（肌萎缩侧索硬化，ALS）带入众人的视线。当神经细胞逐渐失去对肌肉的控制，患者全身肌肉会逐渐萎缩，吞咽困难，最后呼吸衰竭。

“渐冻人”发病后平均寿命仅有 2 到 4 年，像霍金那样长期与病魔搏斗的患者可谓奇迹。不幸的是，人类迄今未找到 ALS 的病因，遑论给出对症之药。

美国麻省理工学院（MIT）的一个团队 10 月 11 日在《科学进展》上报告了一种在微流控芯片上制作神经和肌肉组织的 3D 模型的方法。借助这种“芯片器官”，他们观察到健康神经元与“渐冻”神经元的惊人差异，并试验了两款仍在临床测试阶段的新药。

仅有少部分“渐冻症”与遗传缺陷相关，而 90% 的散发性案例发病原因仍是未解之谜。正因如此，极少数获美国食品药品监督管理局（FDA）批准上市的“抗冻”药品都并非完全对症。科学家们继续突破动物模型的限制，找到分析病理和临床试验的更优方法。

其中，运动神经元和肌肉细胞之间的连接处，即肌肉神经接头，是模拟“渐冻症”的关键。数十年来，科学家们受限于 2D 模型结构。

2016 年，MIT 机械和生物工程教授罗杰·卡姆（Roger Kamm）团队用微流控芯片技术首次做出了鼠类肌肉神经接头的 3D 模型。这是一种在微米尺度的芯片中模拟人体环境，集成基本操作单元，自动完成分析全过程的技术。

他们将神经元和肌肉纤维分置于芯片上相邻的两个隔室内。神经元会逐渐延展出常常的神经突，最终与绕在两个柔性柱子上的肌肉纤维连接。

这些神经元用光遗传技术编辑过，能在光照控制下刺激肌肉收缩。通过观察两个柔性柱子的位移情况，研究人员就能测量肌肉收缩的力度。

在此次发表的成果中，卡姆团队用人类神经元与肌肉细胞进行代替。这些神经元一部分由健康人群的诱导性多能干细胞（iPSCs）分化而来，一部分由散发性 ALS 患者的诱导性多能干细胞分化而来。

实验结果显示，“渐冻症”组的神经元生长神经突的速度更慢，也无法与肌肉纤维建立强有力的连接。此外，神经元退化和肌肉细胞死亡的数量也更多。

“我们可以看到，健康的神经元直扑肌小管而去，并激活了它们。然而，ALS 神经元似乎无法很好地建立连接。”卡姆说道。

“芯片器官”：绿色部分为渐冻症患者诱导性多能干细胞分化而成的运动神经元，紫色部分为肌肉组织。

两周之后，ALS 运动神经元对肌肉建立起的控制力，仅有健康神经元的四分之一。

展示“芯片器官”能有效模拟“渐冻症”之后，卡姆团队开始探索这个模型的试药能力。

他们选择了两款仍处于临床测试阶段的新药雷帕霉素（Rapaycin）和伯舒替尼（Bosutinib）。在“芯片器官”上模拟的结果显示，两款药物都能帮助肌肉在运动神经元的刺激下收缩，并提高神经元的存活率。更重要的是，两款药物各自穿透血-脑屏障（毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障）的能力有限，但同时施用时均能有效地穿透屏障。

目前，卡姆团队正在与当地的生物技术企业合作，计划收集 1000 名“渐冻人”的诱导性多能干细胞，在“芯片器官”上进行大规模药物试验。

他们也打算对模型本身进行升级，使其一方面能同时容纳更多的测样，另一方面能支持在神经系统中的其他细胞类型，比如雪旺细胞和小胶质细胞。