用人源的3D類器官來做研究的優勢主要有：

1）有些疾病只發生在人類上，很難用動物模型去模擬，而人類組織器官作為研究模型需要透過嚴格的倫理審查，人源3D類器官具有人類的遺傳背景，非常適合人類疾病的研究；

2）有些疾病是在器官發育過程中逐漸產生的，或者只在組織結構中才體現出來，3D類器官具有2D培養細胞缺乏的發育過程和組織結構。

圖1. 人源的3D類器官與人體組織樣本及動物模型的比較

自2010年代初以來，培養類器官的技術得到了迅速的改進，但是另一方面，如何對3D類器官的功能進行有效的檢測依然是一個亟待解決的問題。這幾年發展起來的超高解析度MEA（HD-MEA）技術為類腦體等具有電生理活性的3D類器官提供了一種全新的檢測方法，無需標記就能對類器官的功能進行快速的檢測。

超高解析度MEA透過超高密度的電極陣列來記錄樣品的胞外電訊號，相比於傳統的中低密度的MEA，大大增加了檢測資訊量，能夠記錄樣品中全部的細胞，同時還能獲取亞細胞，單細胞以及細胞網路等多層次的資訊。可應用於類器官相關的藥物研發，疾病模型、毒理研究、再生醫學研究、神經發育等領域。

下面為大家介紹幾個超高解析度MEA應用於3D類器官的案例：

1、 Rett綜合症相關的研究

Rett綜合症病因是在X染色體上 MeCP2基因發生突變，這是一種嚴重影響兒童精神運動發育的疾病，發病率為1/10000-1/15000女孩，一般2歲左右開始發病，目前還沒有有效的治療方法。

目前在這一疾病的研究上的難點是缺乏體現疾病表徵的動物模型，在傳統的2D和3D培養細胞上也都無法體現疾病表徵。主要問題是這個疾病是和大腦組織軸向結構相關的，在最新的這項研究中，研究人員先分別培養不同區域大腦的類腦器官，然後再將這些不同腦區的類器官組合起來，然後用HD-MEA進行檢測。

圖2. 左圖對照和疾病組，不同腦區類器官融合前後。右圖對照組與疾病組透過HD-MEA得到的動作電位raster圖。

HD-MEA檢測結果顯示，Rett綜合症疾病模型類腦體的自發放電頻率更低，尤其值得注意的是正常的兩個不同腦區類器官融合後會出現神經網路群體性放電，即burst，提示神經元之間建立了豐富的網路連線，而疾病組類器官融合後burst明顯更弱，透過這個方式找到了Rett綜合症在電生理上的一個重要的biomarker。

2、類腦體上的藥理學檢測

圖3. 左圖培養於HD-MEA晶片上的人源幹細胞誘導的類腦器官，檢測得到的動作電位頻率熱圖和幅度熱圖。

在這個研究中，用不同的工具藥處理人源類腦器官。在未加藥的情況下，類腦體存在自發的burst發放，加入NMDA後自發的動作電位未被抑制，但自發同步性放電（burst）被抑制了，而加入MK801後動作電位和burst都被抑制了。透過這類實驗可快速地檢測各種化合物對神經元興奮性以及神經元之間網路連線的影響。

圖4. 各種藥物對人源類腦器官動作電位發放頻率和神經網路的burst發放的影響。

3、對類器官誘導實驗方案的最佳化

這項研究用到了人源幹細胞誘導的小腦類器官。在HD-MEA上進行檢測後發現，這一種小腦類器官有自發放電但缺乏神經網路同步性放電，這說明這一小腦類腦器官中的神經網路不成熟，缺少細胞間的連線。後續研究嘗試在類腦器官培養過程中加入血清素受體激動劑五羥色胺，促進其中浦肯野細胞的成熟。

結果發現，在培養基中加入五羥色胺後，在新的HD-MEA檢測中出現了明顯的同步化放電，這說明細胞之間的連線建立了，在這種條件下培養的小腦類器官更加成熟也更接近生理狀態。在這個案例中，HD-MEA的檢測起到了重要的作用，幫助我們看到不同培養條件下的類器官在功能上的差異，從而找到最佳的誘導方案。

圖5. 左圖小腦結構，右圖未加（上）和加入（下）五羥色胺的小腦類器官的放電raster圖，加入五羥色胺的類器官出現明顯的同步性burst放電。