人源神经元和脑类器官已经彻底改变了我们在培养皿中模拟大脑发育的能力。在这篇综述中，作者讨论了人类大脑模型在推进复杂精神疾病药物研发的潜力。
首先，我们讨论了人脑模型在筛选能够改变CNS活性的新药的优势。接下来，我们提出了一个实验流程，用于使用人源性神经元和类脑器官快速评估药物对大脑发育中关键事件的影响，包括轴突延伸，突触形成和神经活动。实验流程从自动化高内涵成像开始，用于分析轴突，突触和神经元活力。然后形态学检测，多孔微电极阵列技术检测药物治疗后的神经活动。
这些技术可与高通量测序和质谱联用以评估相关的转录和蛋白质组学变化。这些技术的组合为精神药物研发和未来患者特异性药物反应的临床评估提供了基础。
图源：futureoflife.org
随着慢性神经疾病的发病率不断增加，需要新的方法来更有效地筛选治疗的药物。目前对于神经系统疾病所造成的经济负担的估计高得惊人。2014年共计近8000亿美元，其中阿尔茨海默病（AD）至少占2430亿美元【1】。这一成本预计只会增加，因为老年人口到2050年将会增加将近两倍，从4310万增加到8370万【2】。为了减少疾病和经济负担，需要更好的药物，而一种新药的研发成本高达8亿美元【3】。
影响新的精神药物和治疗方法开发的主要障碍包括缺乏合适的疾病动物模型、病因不明、患者特异性，尤其是自闭症等谱系障碍，以及未预料到的药物毒性【4,5】。由于脑生理学或遗传疾病模型的差异，在动物模型中观察到的阳性临床前结果可能无法在人类中重现【6】。所有这些因素都可能导致未可预估的失败，药物进入临床的失败率约为90％【7】。
因此，我们提出了一种模型，它是原位脑组织（模型）的理想替代品 ，可以作为临床前研究和（新药物治疗方法）开发的重要工具：从人类诱导的多能干细胞（hIPSCs）发展而来的神经元和类脑器官。
图1。使用 hIPSC 来源的脑模型进行药物研发。该图重点展示了高内涵成像平台和 MEA 技术如何组合以分析神经生理学，包括神经元形态学和神经活动。虽然本综述侧重于药物开发中的高内涵成像和 MEA 技术，但它们可与其他高通量技术相结合，包括 RNA 测序和质谱。
*目前可从多家公司获得96孔MEA板，包括Axion Biosystems，Multichannel Systems和 ALA Scientific Instruments。＃有关多重 RNA测序快速条形码的更多信息，请参阅文献 113
**有关使用 MALDI 进行质谱分析的更多信息，请参阅参考文献 114-116
hIPSC，人类诱导的多能干细胞；MEA，微电极阵列。
该文详述了在治疗性药物开发中使用hIPSC神经元作为模型时，所推荐的操作流程。首先我们将介绍hIPSC神经元模型目前是如何用于模拟复杂的精神疾病和治疗反应。然后，我们将讨论如何将hIPSC与最新技术相结合，以便快速有效地筛选药物（图1）。
hIPSC 精神疾病模型
自hIPSC的发现以来，已经模拟了多种神经疾病，包括神经退行性疾病，例如AD，以及神经发育障碍，例如自闭症谱系障碍（ASDs）【8】。hIPSC还提供了一种独特的工具，可以探索罕见神经系统疾病，如Kleefstra综合征【9】、Dravet综合征【10】和Smith Lemli Opitz综合征【11】。这些hIPSC模型比人类癌细胞系和原代动物细胞培养更能模仿大脑发育和病理学；这可能会更准确地预测患者的反应【12】。
除应用于药物发现外，hIPSC还可用于临床评估患者特异性药物反应，例如药物诱导的神经活动变化。这些hIPSC衍生模型可以与高通量RNA测序技术相结合，以明确与特定患者群体相关的转录组，最终提供个性化的治疗干预【13,14】。
此外，蛋白质组学、代谢组学和脂质组学可用于患者分类和药效分析【15-18】。在神经退行性疾病中，生物标志物可在疾病恶化前进行诊断，并有助于开发预防神经元缺失病变的疗法，而不仅仅是抑制疾病发作后的进一步恶化。
以下部分描述了hIPSC如何被用于模拟AD和ASD中的病理学和治疗反应，分别代表神经变性和神经发育障碍。然后，我们将使用这两个例子来说明我们提出的实验策略如何推进复杂神经精神疾病的药物发现。
阿尔茨海默氏病
AD是痴呆症的最常见原因，占所有痴呆病例的80％【19】。在人类中，AD导致细胞外淀粉样斑块，细胞内神经原纤维过度磷酸化的tau缠结，以及神经变性之前的突触丢失【20】。
在小鼠模型中复现这些关键病理特征有困难，这需要人淀粉样前体蛋白（APP）【21,22】和人源tau蛋白【23】基因表达，以形成与疾病相关的淀粉样蛋白斑和神经纤维缠结。因此，人源模型有可能极大推进AD的治疗药物开发。
已经开发了几种hIPSC模型来模拟散发性和家族性AD（sAD和fAD）【24,25】。从2011年开始，hIPSC的神经元被用于模拟早老素突变患者的早发性fAD【26】。早老素-1和-2是γ-分泌酶的主要成分，它将APP切割成淀粉样蛋白-β（Aβ）肽【27】。fAD相关的早老素突变增加淀粉样蛋白Aβ-42肽与较短Aβ-40肽的比例【28,29】。
该研究表明，来自fAD患者的hIPSC产生的神经元分泌更多的Aβ-42，并且γ-分泌酶抑制剂（GSI）降低了分泌的Aβ-42的水平【26】。
2011年，另一项研究同样证明了γ-和β-分泌酶抑制剂降低对照组中hIPSC神经元产生Aβ的能力【30】。β-分泌酶在APP加工的第一步骤起作用，先于γ分泌酶，以产生淀粉样Aβ肽【31】。这些发现可拓展并适用于hIPC产生的神经元，源于一个sAD患者和具有APP重复的fAD患者 ，这些神经元在与疾病相关的指标都增加，如Aβ肽、活性GSK-3β和磷酸化tau【32】。尽管两种分泌酶，β-和γ分泌酶抑制剂可降低分泌Aβ，但只有β分泌酶抑制剂降低GSK-3β和磷酸化tau。
值得注意的是，来自另一个sAD的患者【32】的hIPSC所产生的神经元并没有表现出与疾病相关的表型，这凸显了hIPSC可反映病人的个体差异，并可预测患者从计划的治疗中可获的成效【32】。
除了证实分泌酶抑制剂逆转AD表型的能力之外，还利用hIPSC产生的神经元克服细胞系对分泌酶抑制剂优化的限制，例如，GSI降低APP过表达细胞系中的 Aβ肽的产生，但在人体临床试验中失败【33】。这类失败促使研究者追求生理表型上更相符的AD模型，成纤维细胞和hIPSC来源的神经前体细胞，以及携带早老素-1基因突变的fAD患者的神经元【4】。
该研究揭示了特定细胞类型的药效差异，在hIPSC产生的神经元中观察到的Aβ含量降低得最大【4】。重要的是，这项研究还显示，在hIPSC来源的神经元中GSI的IC50，semagacestat（γ-secretase抑制剂），是比APP高表达细胞株高出五倍，这或许就是导致它的临床失败【4】。
另外，源于hIPSC的神经元已被用于药物库筛选，通过化学发光测量法来测定Aβ的含量，以筛选鉴定化学分子库中使Aβ含量降低的新的化合物【34】。
该研究发展出一套降低Aβ的鸡尾酒疗法，可显著地降低来源于早老基因突变的fAD患者的hIPSC神经元中的Aβ含量，并在较小程度上降低含有APP突变的fAD患者和sAD患者的Aβ水平【34】。
该研究使用了快速神经元诱导流程以筛选药物，神经元分化时间在10天内，这加速了药物筛选并发现有前景的疗法新方法【34】。他们还确保了减少Aβ水平并不增加神经细胞死的亡【34】。
但是，作者指出，这种鸡尾酒疗法还是不能推进到临床试验阶段，因为IPSC来源的神经元本身并不能解决药品是否穿越血脑屏障（BBB）的问题【34】。因此需要培养物更紧密以模拟大脑环境中，例如，通过可加入血管内皮细胞【35-37】。可解决从药物发现到临床试验的衔接问题。
hIPSC来源的神经元也已被用于验证AD替代疗法的效果，例如川陈皮素和芹菜素。
Nobiletin是一种在柑橘皮中发现的化合物，在小鼠中具有抗痴呆作用【38,39】。Nobiletin可减少hIPSC神经元细胞内和分泌的Aβ含量，这些神经元含有与fAD相关的早老素-1突变【40】。所观察到的积极效果是由于Aβ降解酶，脑啡肽酶的表达增加【40】。类似地，在芹黄素，是在芹菜，欧芹，和朝鲜蓟中发现的一种多酚化合物，对于hIPSC来源的sAD和fAD神经元有保护作用【41】。
Apigenin的抗炎特性可减少一氧化氮的产生，增加轴突长度，并增强细胞活力【41】。
总之，这些研究凸显使用hIPSC来源的神经元可验证和优化人类的AD疗法。
AD研究中的脑类器官
虽然hIPSC来源的神经元应有于药物开发有广阔的前景，但大脑类器官可捕获特定的关键病理特征，那些只在可模仿复杂组织微环境的三维（3D）基质中观察到的特征。
例如，AD神经元的不溶性Aβ分泌量增加，但不能形成淀粉样蛋白斑【42,43】。淀粉样斑块位于细胞外基质中，因此需要3D模型进行保留。另外，Aβ斑块被认为可引起tau神经原纤维缠结，最终导致细胞死亡【44】。这与在AD神经元中所观察的一致，其不可产生Aβ斑块的。这些AD神经元tau磷酸化增加的，但不形成细胞内tau神经原纤维缠结【42】。此外，细胞死亡（增加）尚未在平面培养的AD神经元中有记录。
为了验证Aβ是AD致病源的假设，需要3D脑模型来捕获Aβ斑块。第一个人类三维AD模型使用了水凝胶，其促进Aβ的积累和细胞内tau神经原纤维缠结形成，尽管没有报道细胞死亡【42】。使用该模型，γ-和β分泌酶抑制剂二者均可减少Aβ斑块形成和tau磷酸化【42】。然而，GSK-3β抑制剂，1- Azakenpaullone，特异性降低tau蛋白磷酸化，但不影响Aβ的产生【42】。
这些结果可制作一个疾病模型，其中 GSK-3β磷酸化tau，但不磷酸化APP以提高Aβ产生【45】。相反，有AD淀粉样蛋白斑的类脑模型，细胞内的tau神经原纤维缠结，可增加细胞死亡【46】。
通过捕获Aβ斑块形成，tau神经原纤维缠结和神经变性等特征，3D脑类器官模型为神经退行性疾病研究和药物发现提供了独特的机会。例如，最近的数据表明tau突变体表现出朊病毒样特性，导致tau神经原纤维缠结与疾病恶化扩散【47】。类似地，在小鼠中，突变的APP导致淀粉样蛋白斑扩散到远端的大脑区域【47】。脑类器官具有监测不溶性斑块和缠结扩散的独特能力，并试验防止扩散的药物。
为了监测脑类器官中的蛋白质聚集，可以注射有毒性的Aβ或tau突变体。或者，可以制作未受影响和含有AD来源神经元的脑类器官的嵌合体。例如，最近的一项研究利用脑球状体彼此融合的倾向，来监测脑球体之间的中间神经元迁移【8】。通过类似的允许AD和未受影响的脑类器官的融合，可以监测病理特征的传播和由此产生的细胞死亡。
该方法还可用于脑区特异性类器官融合的研究【48】并测试阻断大脑区域之间蛋白质聚集体扩散的药物。因此，脑类器官可弥补了hIPSC来源神经元模型中缺失的关键病理特征。通过更准确地模拟疾病状态，脑类器官有可能进一步推进药物发现。
自闭症谱系障碍
ASD是一种异质的神经发育疾病，其特征是复杂的行为表型。这种疾病的主要特征包括社交沟通中的缺陷，以及存在严重的持续的限制性、重复性行为模式【49】。ASD是美国最常见的发育障碍之一，每59名儿童中就有1名患有此病，男女比例为4：1【50】。
由于疾病的致残性，儿童往往需要特殊的看护。据估计，支撑患有智力残疾的自闭症儿童的终生费用超过每名儿童200万美元，其中包括教育服务、父母的生产力损失以及更频繁的医疗就诊【51,52】。
与AD不同，ASD没有明确定义的细胞病理学特征。目前的研究重点是发现控制ASD中突触变化的趋同机制。在先天性ASD病例的脑样本中发现突触改变，包括树突棘密度的变化，这是兴奋性突触发生的主要部位【53,54】。许多研究关注的是综合征，单基因致病的ASD疾病，例如脆性X综合征（FXS）和Rett综合征（RTT）【55】。FXS导致兴奋性突触增加【56】， 而RTT中的兴奋性突触形成依赖于MeCP2（甲基-CpG结合蛋白2）基因剂量，MECP2缺失会减少兴奋性突触形成而MECP2重复增加兴奋性突触形成【57】。
由于这种异质性，ASD的药物开发极具挑战性，未来的研究须聚焦于确定导致不同突触改变的分子通路上【58】。hIPSC脑模型的一个特殊优势是能够根据表型对患者进行分类，并为特定患者群体开发个性化治疗方案。
研究人员使用ASD的hIPSC-FXS模型筛选了5,000多种药物，可增加FMR1基因表达【59】。在FXS患者中，认知障碍是由于FMR1基因沉默，导致脆性x综合征蛋白（FMRP）丢失【59,60】。在该研究中，开发了一种检测方法，可以检测来自4名具有完全沉默的FMR1等位基因的患者hIPSC中的FMRP蛋白。这个因素至关重要，因为检测结果为阳性（FMRP增加）表明FMR1基因再激活，而不是基因的翻译增加【59】。该研究中使用时间分辨荧光能量共振转移技术测定1536孔板裂解细胞的FMRP水平【59】。在多于5000种化合物中，只有4种化合物（原卟啉Ⅸ、SB216763、Geliomycin和Tibrofan）可产生了 FMRP 剂量依赖性的增加【59】。
未来的研究需要确定这些化合物重新激活FMR1基因表达的机制，尽管SB216763是一种GSK3β抑制剂，已知可改善FMR1敲除小鼠的海马依赖性学习和神经再生，但不可能重新激活FMR1表达【59,61】。
另一种GSK3β抑制剂氯化锂没有重新激活FMR1表达，这表明SB216763不依赖于GSK3β抑制而重新激活FMR1【59】。此外另两种药物Geliomycin和Tibrofan，分别是FDA批准的作为抗生素和消毒剂使用，这些实验展示了如何使用人hIPSCs研发新药物以及旧药新用以治疗精神障碍【59】。
一项类似的研究评估了50,000种化合物对来自FXS患者的hIPSC神经元的影响，以评估FMR1基因再激活【60】。测试中的阳性结果定义为增加FMRP细胞质蛋白水平，高于阴性对照三个或更高标准偏差；该流程通过高通量成像和分析技术完成【60】。
由于DNA甲基化沉默FMR1基因表达，本研究中使用5-氮杂-2'-脱氧胞苷，一种已知的DNA甲基转移酶DNMT1抑制剂，作为用于评价FRMP增加水平的阳性对照【60】。初筛后，选择790种化合物进行剂量反应曲线的实验；只有少数化合物在观测到细胞毒性之前可表现出使FMRP表达增加，并且所有测试的化合物都比阳性对照毒性更大【60】。
虽然这项研究并没有成功地找到先导化合物，但它建立了一套基于高涵量图像分析的药物筛选流程，面向还没有在FDA批准的治疗方案中找到适合药物的患者群体。
在概念验证型药物基因组研究中，Darville等人他们展示了如何使用SHANK3单倍体剂量不足模型将hIPSC来源的神经元用于寻找ASD患者的新治疗方案【62】。
SHANK3基因丧失功能型的突变会引起到中度到重度的智力障碍，在ASD患者中约占2％【63】。SHANK3蛋白是定位于兴奋性突触的突触后致密处的支架蛋白；它介导各种谷氨酸受体和肌动蛋白细胞骨架之间的相互作用，表明其在疾病发病机制里调节突触可塑性中起着重要的作用【64】。
由于ASD患者中的SHANK3突变仅影响一个等位基因，因此可以上调第二等位基因的转录以增加SHANK3的mRNA水平【62】。研究者通过自动化高通量mRNA定量法，使用4个患者来源的hIPSC神经元系对202个化合物进行筛选，然后对16种候选的化合物进行高涵量图像分析以得出剂量反应曲线【62】。
两种FDA批准的化合物锂和丙戊酸在SHANK3单倍体不足的hIPSC神经元中促进了SHANK3的mRNA和蛋白水平增加【62】。此外，作者还证实了锂在其中一名捐献hIPSC的ASD患者中的临床疗效【62】，证明了使用hIPSC模型进行个性化治疗的可行性。
Rett综合征的hIPSC神经元还可用作ASD的遗传模型。这种神经系统疾病是由编码表观遗传调节蛋白MeCP2的X连锁基因中的功能丧失突变引起的【65】。含有MeCP2缺失的RTT患者来源的神经元有较少的兴奋性突触且电生理学状态改变，包括包括降低兴奋性突触后电流的频率和幅度【66】。
胰岛素样生长因子1（IGF1）是目前正在研究作为RTT患者的潜在治疗的药物，已有实验显示，在RTT-hIPSC来源的神经元中，谷氨酸能使突触的数量增加，并且神经轴突长度增加恢复到基线【66,67】。
临床研究结果支持重组人IFG1治疗RTT患者的安全性和有效性；治疗可显着缓解疾病严重程度，包括社交行为和认知的改善【68】。IGF1还在临床试验中用于治疗其他单基因神经发育障碍，有希望在FXS和Phelan-McDermid综合征患者中进行2期临床试验【69】。因此，ASD的hIPSC细胞模型正准备应用于为特定亚组的患者制定个性化治疗。
自闭症研究中的类脑器官
与AD类似，类脑器官为进一步探索自闭症病理学的发展和药物发现提供了独特的机会。类脑器官具有与子宫内胎儿大脑相似的时间尺度，突触也是发生在胎儿妊娠中期【8】。
同样，与围产期大脑发育类似，在培养约8个月后兴奋性突触转变为特殊的树突棘【8】。经过相似的发育时期后，类脑器官与人胎脑转录水平相似，使得类脑器官成为研究与特定大脑发育时期相关转录组和细胞变化的理想系统【8】。
例如，在脑尺寸增加的ASD患者的IPSC产生的类器官中，其转录因子FOXG1的RNA水平升高，导致抑制性神经元和突触增加【70】。GABA能细胞与症状严重程度的相关性增加，这表明FOXG1可能是改变自闭症相关神经回路的早期驱动因素【70】。
GABAergic中间神经元的失调也出现在其他ASD脑类器官模型中，特别是在一种常见于ASD患者突变的基因——染色体解旋酶DNA结合蛋白8（CHD8）的杂合子敲除中【71】。携带CHD8杂合敲除的类脑器官中调节GABA能中间神经元发育的两个基因的表达增加【71】。有趣的是，CHD8突变患者表现出大头畸形，这表明增加GABA能神经元可能是ASD患者具有较大的头部尺寸的共同特征。
此外，RTT脑类器官已经能够研究MECP2的产前作用，即改变神经祖细胞增殖和神经发生，而先前的研究主要集中在MECP2的出生后作用【72】。
具体地说，脑组织学允许研究人员观察脑室面积的增加，脑室是在类脑器官中形成的，而不是单层培养物中【72】。这些新发现的转录本和细胞变化可应用于在药物筛选中，例如确定调节中间神经元分化或神经祖细胞增殖的药物。
以下部分探讨了高内涵成像和多孔微电极阵列（MEA）如何用于评估药物诱导的hIPSC神经元和类脑器官神经元形态和功能的变化。这些药物筛选试验将进一步探索治疗神经精神疾病方法，如AD和ASD。
神经保护作用的药物筛选
自动化高内涵成像和分析
轴突长度减小是ASD【9,14,73-75】和AD【41,76】神经元的常见表型 。因此，筛选出促进神经突增长的药物，可以探索出治疗神经发育和神经退行性疾病的潜在方案。
高内涵成像系统可用于快速扫描分析药物处理后的神经轴长度【77】。在该平台上，固定的神经元用早期轴突标记物（例如β-III tubulin/TUJ1）与细胞核标记物（例如Hoechst或DAPI）一起进行免疫荧光染色【78-80】。
基于核检测定位，系统对神经突图像分割，分析输出轴突长度，神经突数量和神经突分支等数据【80,81】。自动分析可与高内涵成像系统【78-81】结合使用，或由单独的收费软件/免费软件（如 CellProfiler）执行【82,83】。
利用高内涵成像和分析，Sherman和Bang筛选了几种具生物活性化合物库，以确定神经突生长的正负调节因子【80】。促进神经突向外生长的化合物包括激酶抑制剂，如肌球蛋白激酶抑制剂，ROCK和MLCK，以及GSK3β抑制剂【80】。
虽然ROCK抑制作用可促进神经突生长，但它并不影响hIPSC来源的神经元的电生理成熟【81】，表明需要通过诸如MEA等技术进行包括形态和神经元功能特征的综合治疗筛选。其他促进神经突生长的化合物还包括类固醇激素受体和神经递质受体的调节剂【80】。
该研究还发现了促进神经突生长的新型调节剂，包括一些脂肪酸【80】。重要的是，一些化合物对轴突生长的影响与报道的使用永生化啮齿动物细胞系（包括小鼠神经母细胞瘤Neuro-2A细胞系和大鼠嗜铬细胞瘤PC12细胞系）的作用相反【80,84】，进一步说明与人体生理状态更相关的模型在精神药物筛查中的需求性。
这些化合物对神经突的促进作用需要在疾病模型中得到验证。例如，GSK3β抑制剂可能对AD模型中的神经突生长具有促进的作用，其中GSK3β活化增加【19】。
相应地，特定的化合物可能仅在疾病模型中才具有治疗效果，例如 NC009-1可介导的从含有APP突变的fAD患者中获取的hIPSC神经元的神经突增长，而在对照组hIPSC来源的神经元中并无促进效果【76】。
同样，不同患者可能表现出不同的反应。在ASD患者中，通过快速扫描筛选轴突长度以识别有轴突生长缺陷的患者，可能有助于挑选出会受益于轴突促进疗法的患者。
除了神经突缺陷外，AD和ASD患者还存在突触异常，可以使用高内涵成像平台快速分析，通过突触前和突触后标志物共定位来识别突触【82】。例如，突触前囊泡的共定位标记物synapsin-1，突触后支架蛋白PSD-95识别兴奋性突触，而突触蛋白-1和gephyrin之间的共定位识别抑制性突触【82】。
在AD中神经变性之前观察到突触丢失，因此促进突触形成和/或预防突触丢失的药物可能是有吸引力前景的疗法【85】。与在神经退行性疾病中突触丢失相比，与神经发育相关的突触改变是更加多样化。先天性ASD患者的大脑皮质的兴奋性突触增加【53,54】。然而，其他ASD相关的基因突变，如RTT综合征的MeCP2的缺失，减少兴奋性突触的形成【57】。
兴奋性突触的减少和抑制性突触的增加也已经在ASD患者来源的hIPSC神经元和类脑器官中观测到，尺寸高于均值的较大的大脑【66,86】。这种突触异常的异质性证明了hIPSC来源的神经元可用于评估患者特异性表型并开发个性化疗法。
最后，可以结合高内涵成像系统快速分析各种基于荧光的图像，甚至是明场图像。例如，一项旨在寻找降低tau的化合物以作为AD疗法的研究，通过高内涵成像分析检测tau相对于β-III微管蛋白的水平【78】。筛选1280种源于药物活性化合物库（LOPAC）的分子后，它们被确认为肾上腺素能受体激动剂，是降低tau的重要化合物【78】。
高内涵成像与分析可以迎合评估疾病特异性表型的需求，如分析AD的tau水平【78】、FXS的FMRP水平【60】和SHANK3单倍不足的ASD患者中SHANK3水平【62】。
当使用高内涵成像分析药物诱导的神经元变化时，有几个重要的因素需要考虑。
一个主要考虑因素是首先确定药物是否会对细胞状态和生存能力产生负面影响，因为在这种情况下，对神经元的影响可能是由细胞应激反应引起的，而不是由特定药物诱导引起的。已经有多种方法可对细胞健康状态进行自动分析，包括异常细胞核【80】、活性染料，例如钙黄绿素-AM【79,87】和用于细胞凋亡的半胱天冬酶测定【87】。
此外，由于培养基蒸发损失，384孔细胞培养板可以对孔中的细胞活力和一致性产生负面影响【88】。为了克服这种限制，研究人员开发了一种铁磁micro-raft阵列，将1600个microrafts阵列一起培养，然后利用磁性转移至384孔板中【88】。
这种技术提高神经元存活力，从而使系统更稳定并可再现药物筛选结果【88】。此外，细胞和类器官培养物正针对1536孔的玻璃底板做优化，从而进一步增加高内涵成像系统的通量【89,90】。
多孔MEA分析神经活动
除了高内涵成像技术外，MEA技术目前已成为一种分析基础或诱发性神经活动的有力工具，可多达96个样本。MEA测量与动作电位形成相对应的细胞外场电位【91】。
值得注意的是，该技术需要神经突更长的成熟时间，与基于神经突长度评估的时间相比，自发动作电位发生在单层hIPSC神经元需要培养约1-2个月后，而hIPSC来源的脑类器官需要培养约3个月或更长时间后【8,92,93】。
然而，快速诱导生理成熟的技术可用于加速药物筛选。例如，在2D中，神经元转录因子NeuroD2或neuroligin-2的强势表达可用于加速神经元成熟，神经活动在神经元诱导约1周后发生【94,95】。
此外，光遗传学可用于增加神经活动并可能加速hIPSC神经元和类脑器官的成熟【96,97】，从而可以更快速地评估药物诱导的神经活动变化。
使用MEA分析已经观察到几种先天性ASD病例的自发放电率降低【14,98,99】。然而，ASD也与过度活动和癫痫增加有关【100,101】。
这些差异与ASD患者特异性突触差异一致，这凸显了特定患者群体需要相应的合适的药物治疗。MEA提供了一种强大的工具，以捕获癫痫样神经活动并筛选抗癫痫药物【102】。对照组hIPSC神经元的MEA记录显示促惊厥药物引起癫痫样活动增加，而抗惊厥药物则使反应降低【103】。因此，利用MEA技术，hIPSC脑模型可以被用于监测与癫痫和其它精神障碍相关的活动特征【103】。
在神经退行性疾病中，使用基因编辑技术构建的模拟AD中的三重tau突变hIPSC神经元表现出活性增加，与AD相关的神经元过度活跃一致【104,105】。
在淀粉样蛋白斑形成和神经元沉默之前，过度激活是AD的早期指标【105】，并且令人惊讶地发现在小鼠中可以用GABA受体拮抗剂进行治疗【106】。有必要确认GABA受体拮抗剂是否同样适用于恢复人脑模型中的神经元功能。
虽然目前尚未发表关于hIPSC神经元功能的大规模MEA药物筛选的研究，这需要优化对照组hIPSC神经元以加速成熟并减少神经元之间功能的变异性【95,107】。
由于MEA技术具有可记录神经活动随时间变化的能力，可用于评估药物诱导的神经发育和疾病进展的特定阶段的神经活动变化。这对于发现在突触丢失之前起作用的疗法，以及在突触丢失和随后的神经变性之后恢复正常活动的疗法特别有用。
总结hIPSC药物筛选中重要考虑因素
虽然这篇综述着重于神经元的形态和功能，但其他脑细胞，包括神经胶质细胞，小胶质细胞和少突胶质细胞，也有助于精神疾病的病理学研究。最近在使用hIPSC来源的AD相关星形胶质细胞和小胶质细胞的研究中，发现了Aβ清除缺陷【108】。另外，小胶质细胞活化和神经炎症促进神经退行性和神经发育疾病发生【109,110】。
hIPSC模型的一个特定的优点是可以从特定的脑细胞类型中产生，从对照组或受影响个体（神经元、星形胶质细胞或小胶质细胞）获取，以研究特定细胞对对疾病病理学影响。这些不同的hIPSC细胞也可用于解决特定药物如何差异地影响特定细胞类型。
此外，类脑器官还可用于研究复杂组织环境中的药物影响。例如，最近的一项研究发现针对人脑类器官和成年小鼠脑的寨卡病毒感染的潜在抑制剂【111】。
虽然hIPSC模型提供了一个筛选靶向药物效应的理想机会，但目前它们在测量药物分布和BBB透过率方面的能力有限。然而，诸如3D生物打印之类的技术允许将血管引入类器官模型【37】，这表明我们很快就能够在hIPSC脑模型中解决BBB药物透过率的问题。此外，hIPSC-动物嵌合体可用于评估复杂脑环境中的药物作用，包括疾病相关的神经炎症，以及BBB对于药物可用性的限制【36】。
这些越来越精确的人类大脑发育模型使药物筛选技术不断发展，从快速和高通量筛选开始，以确定感兴趣的治疗候选物，并继续评估它们在工程化人体组织【112】或hIPSC-动物嵌合体【36】中的作用。
参考资料：
作者信息
作者：Alexis Papariello
编译：Ben（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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