使用HD-MEA技術(shù)實現(xiàn)高通量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩查以及神經(jīng)元功能性結(jié)構(gòu)解析

高密度微電極陣列（HD-MEA）相比傳統(tǒng)電生理（如膜片鉗）或低密度微電極陣列，具備三大核心優(yōu)勢：
高時空分辨率與大規(guī)模并行記錄： HD-MEA芯片擁有數(shù)千個緊密排列的電極，能同時從數(shù)百個神經(jīng)元記錄毫秒級的電活動。
非侵入性長期功能追蹤： 該技術(shù)無需穿透細胞，可對同一批神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)周至數(shù)月的長期觀察。
功能性結(jié)構(gòu)成像： HD-MEA獨有的軸突追蹤功能，可以通過分析動作電位在電極陣列上的傳播路徑和時間，反向推算出神經(jīng)元的形態(tài)特征，如軸突長度和傳導(dǎo)速度。
這三大核心優(yōu)勢使得HD-MEA能夠同時實現(xiàn)高通量網(wǎng)絡(luò)篩查與單神經(jīng)元功能性結(jié)構(gòu)解析，本次論文解讀介紹一個充分利用其 “高通量網(wǎng)絡(luò)篩查與單神經(jīng)元解析” 優(yōu)勢的典型案例，供大家參考。

論文的標題為“Human iPSC-derived glutamatergic neurons with pathogenic KCNQ2 variants display hyperactive bursting phenotypes”，由美國波士頓兒童醫(yī)院Mustafa Sahin教授團隊與加拿大多倫多病童醫(yī)院Stephen W. Scherer教授團隊于2025年9月25日在《Neurobiology of Disease》（IF2024=5.1）期刊上聯(lián)合發(fā)表。研究揭示了攜帶不同致病性KCNQ2變異的人源誘導(dǎo)多能干細胞衍生的谷氨酸能神經(jīng)元均表現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)高興奮性表型。通過CRISPR-Cas9構(gòu)建等基因?qū)φ詹⒔Y(jié)合HD-MEA分析，發(fā)現(xiàn)特定變異（如G256W）可導(dǎo)致神經(jīng)突生長異常與傳導(dǎo)速度加快，且其電刺激誘導(dǎo)的高興奮性可被鉀通道開放劑瑞替加濱（retigabine）逆轉(zhuǎn)。該研究為理解KCNQ2相關(guān)腦病的細胞機制及開發(fā)精準療法提供了重要的人源神經(jīng)元模型與表型依據(jù)。

研究主要結(jié)果
本研究從三名攜帶不同KCNQ2致病性變異（L292_L293delinsPF、G256W、T274M）的患者獲取成纖維細胞（Fig. 1），重編程為iPSC，利用CRISPR-Cas9構(gòu)建等基因?qū)φ�。將iPSC分化為谷氨酸能神經(jīng)元，通過神經(jīng)突生長分析、RNA-seq、免疫熒光、微電極陣列（MEA）等功能測試，系統(tǒng)評估變異對神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能的影響。

Fig. 1:
A: KCNQ2通道結(jié)構(gòu)及三個變異位點示意圖。
B: 細胞系信息表，包括變異類型與CRISPR校正后命名。
C: iPSC分化為iNGN2神經(jīng)元的時間線與實驗設(shè)計。

1、神經(jīng)元形態(tài)學改變：KCNQ2變異導(dǎo)致神經(jīng)突增長
在iPSC分化的谷氨酸能神經(jīng)元中，兩個KCNQ2變異系（T274M/+ 和 G256W/+）在接種后24小時和72小時表現(xiàn)出顯著更長的神經(jīng)突長度（Fig. 2）。至第7天，僅G256W/+仍保持顯著增長，而L292_L293delinsPF/+未顯示差異。

Fig. 2:
神經(jīng)突生長分析：G256W/+ 和 T274M/+ 在24h、72h和7天時神經(jīng)突長度顯著增加，L292_L293delinsPF/+ 無差異。

2、轉(zhuǎn)錄組分析：鉀通道及相關(guān)基因表達異常
RNA-seq顯示，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 中KCNN1表達上調(diào)，T274M/+ 中KCNQ5下調(diào)，G256W/+ 中HCN1下調(diào)（Fig. 3）。共鑒定出9個在三系中共同差異表達的基因，如CHCHD2、DNAH9等。

Fig. 3:
A: 神經(jīng)元與突觸標記物表達熱圖。
B: 鉀通道基因表達差異。
C: 三組變異系與對照的差異表達基因火山圖。
D-E: WGCNA與GO分析顯示突觸傳遞、細胞粘附等通路富集。

3、突觸標記物表達增加
在分化第30天，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 的MAP2陽性神經(jīng)突上SYN1/PSD95雙陽性突觸點數(shù)顯著增加（Fig. 4），而G256W/+無顯著差異。

Fig. 4:
SYN1/PSD95免疫熒光顯示L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 突觸點數(shù)增加。

4、MEA揭示神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能亢進
在微電極陣列（MEA）記錄中，所有三個KCNQ2變異系的爆發(fā)持續(xù)時間均顯著增加（Fig. 5）。L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 還表現(xiàn)出更高的網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)頻率、同步性指數(shù)和每個爆發(fā)中的尖峰數(shù)。

Fig. 5:
MEA記錄顯示所有變異系爆發(fā)持續(xù)時間增加，L292_L293delinsPF/+ 和 T274M/+ 網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)頻率、同步性等指標上升。

5、MEA揭示單神經(jīng)元功能異常
接下來利用Maxwell MEA特有的axon tracking功能來檢測神經(jīng)元的軸突功能（Fig. 6），結(jié)果顯示，G256W/+ 神經(jīng)元的傳導(dǎo)速度顯著增加，T274M/+ 的傳導(dǎo)速度下降，且其起始點振幅降低。G256W/+ 的總神經(jīng)突長度也顯著增加。

Fig. 6:
MEA分析顯示G256W/+ 傳導(dǎo)速度與神經(jīng)突長度增加，T274M/+ 傳導(dǎo)速度與振幅下降。

Movie 1：
分化第30天，在MEA上對等基因?qū)φ読soG256W神經(jīng)元進行的功能性神經(jīng)突追蹤。紅線顯示信號在單個神經(jīng)元中從軸突起始段向神經(jīng)突末端的傳播過程。

Movie 2：
分化第30天，在MEA上對患者來源的G256W/+神經(jīng)元進行的功能性神經(jīng)突追蹤。

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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個電極（密度3,259 electrodes/mm²，間距17.5 μm），將電信號采集的空間分辨率提升至亞細胞層級，可捕獲樣本的每一個神經(jīng)元電信號。不僅支持急性腦切片、視網(wǎng)膜組織等生物樣本的急性實驗記錄，更支持體外培養(yǎng)神經(jīng)元、類器官、心肌細胞的長時程檢測。

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

6、藥物干預(yù)：Retigabine逆轉(zhuǎn)G256W/+的高興奮性
在900 mV電刺激下，G256W/+ 網(wǎng)絡(luò)的總尖峰數(shù)顯著增加，瑞替加濱（Retigabine，10 μM）可逆轉(zhuǎn)此現(xiàn)象（Supplemental Fig. 7），并在洗脫后恢復(fù)，表明KCNQ2通道增強劑具有治療潛力。

Supplemental Fig. 7：
MEA電刺激實驗證實G256W/+神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的高興奮性及Retigabine的藥理挽救。

研究總結(jié)
本研究利用HD-MEA的高時空分辨率與單神經(jīng)元追蹤能力，首次在人類iPSC源性神經(jīng)元中實現(xiàn)了功能性軸突傳導(dǎo)速度與振幅的量化，并揭示了KCNQ2變異導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)高興奮性。G256W/+神經(jīng)元的傳導(dǎo)速度增加與總神經(jīng)突長度增長，均在HD-MEA中通過“軸突追蹤工具”精確量化，體現(xiàn)了HD-MEA技術(shù)在解析神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系中的獨特優(yōu)勢。

參考文獻
Sundberg M, Shum C, Norabuena EM, et al. Human iPSC-derived glutamatergic neurons with pathogenic KCNQ2 variants display hyperactive bursting phenotypes. Neurobiol Dis. 2025 Nov;216:107126. doi: 10.1016/j.nbd.2025.107126.