神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）是突觸前運動神經(jīng)元和突觸后骨骼肌纖維之間的外周突觸連接，可實現(xiàn)肌肉收縮和自主運動。許多創(chuàng)傷性、神經(jīng)退行性和神經(jīng)免疫性疾病通常被認為主要影響NMJ的神經(jīng)元或肌肉側，并且缺乏治療選擇。新技術的最新進展有助于開發(fā)NMJ的體外生理和病理生理模型，并能夠對其功能進行精確控制和評估。

近日，來自東南大學的顧忠澤教授、中國航天員科研訓練中心的李瑩輝研究員聯(lián)合北京航空航天大學的鄭付印和樊瑜波教授團隊回顧了利用2D或3D技術培養(yǎng)的包括器官芯片、類器官以及生物混合機器人（圖1）在內(nèi)的體外NMJ模型的最新發(fā)展。作者首先介紹了用于NMJ功能分析的相關衍生技術，例如膜片鉗技術、微電極陣列、鈣成像和刺激方法，然后總結了體外NMJ模型在疾病模型或與適宜神經(jīng)肌肉疾病相關的藥物篩選中的應用，并討論了其未來的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。

圖1 神經(jīng)肌肉接頭體外模型：器官芯片、類器官和生物混合機器人

2D培養(yǎng)是指將細胞培養(yǎng)在平坦的基質上，細胞只能沿著平面延伸的傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)技術。在神經(jīng)肌肉接頭共培養(yǎng)實驗中，早期使用了動物模型，其中將雞、嚙齒動物或非洲爪蟾的胚胎脊髓和發(fā)育中的神經(jīng)節(jié)與肌肉一起培養(yǎng)。然而，由于動物和人類之間存在自然物種差異，因此動物模型無法復制人類疾病的整個過程（圖2）。

圖2 2D培養(yǎng)物的免疫染色圖像

3D培養(yǎng)是指將細胞培養(yǎng)在三維環(huán)境中，這種技術類似于生物組織中的細胞外基質（ECM），可以更好地模擬體內(nèi)的生長環(huán)境（圖3）。在3D環(huán)境中生長的細胞支持其自然的三維物理形態(tài)，使得細胞能夠以更真實的方式生長和適應其環(huán)境。3D培養(yǎng)具有很大的潛力，可用于藥物篩選和測試系統(tǒng)、研究疾病機制以及評估藥物安全性和有效性。

圖3 肌管和運動神經(jīng)元（MN）的共染色或乙酰膽堿受體簇染色證實了神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）的形成

目前，器官芯片的基本雙腔室設計已被擴展到復雜的多腔室陣列，可以在微流控系統(tǒng)中形成準確的細胞組織組合模式。這種設計允許精確控制多個物理和化學培養(yǎng)條件以及不同腔室之間的通信（圖4）。

圖4神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）器官芯片模型

神經(jīng)肌肉接頭的類器官模型是指由人多能干細胞（hiPSC）誘導的軸突神經(jīng)元和骨骼肌細胞自組裝形成的三維結構。這些模型可以促進不同類型的細胞在自組裝的三維結構中形成體系結構和相互作用，更類似于體內(nèi)原有的組織。這種技術可以用于研究與NMJ發(fā)展、維護、退化和再生有關的正常生理或病理事件，并提供了一個從幾周到幾個月甚至更長時間窗口（圖5）。

圖5 （A）神經(jīng)末梢頂端的許旺細胞表達S100β陽性，證實了功能性NMJ的形成；（B）TUJ1染色顯示存在神經(jīng)元；（C）視神經(jīng)脊髓炎影像顯示肌肉細胞和神經(jīng)元的形成

生物混合機器人模型是指將活細胞和彈性材料組裝而成的機器人。這種技術可以準確地模擬組織和器官系統(tǒng)或生物體的行為、微結構和功能。由神經(jīng)肌肉單元驅動的生物混合機器人可以通過刺激共培養(yǎng)的運動神經(jīng)元來誘導工程骨骼肌組織在柔性的自立支架上收縮，從而產(chǎn)生復雜的運動模式（圖6）。

圖6 （A）“脊柱機器人”：腰椎支配肌肉組織，使PDMS柱偏轉；（B）中心MN被周圍的脊柱機器人包圍并支配；（C）“游泳機器人”：光激活MN主導脊柱機器人運動

綜上所述，該綜述總結了神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）體外模型的研究進展，包括器官芯片模型、類器官模型、生物混合機器人模型等。這些模型可以用于研究與NMJ相關的疾病，如肌萎縮側索硬化、重癥肌無力等，并為藥物篩選提供了新的平臺。未來方向包括開發(fā)更加復雜和真實的NMJ模型，以更好地理解神經(jīng)肌肉發(fā)育和退化的機制，并為治療相關疾病提供新的治療方法。此外，還需要進一步探索這些模型在臨床前藥物篩選中的應用，并將其應用于個性化醫(yī)學。

審核編輯：劉清