PNAS：新型神经细胞培养基克服传统障碍
体内的神经电活动是神经系统功能的本质，控制着感官、情感、记忆、行为和基本的生存机能。因此，要在实验室内研究神经元，很重要的一点是，在体外培养的神经元模型也支持这种电活动，才能反映基本的大脑功能，目前大多数的人类神经元培养是使用传统培养基DMEM（Dulbecco的改良Eagle培养基）、Neurobasal或两者的混合物。与此相反，室内试验在脑切片或培养物使用电生理技术–如膜片钳（允许单个或多个细胞离子通道的研究）、钙成像，是在人工脑脊液（aCSF）培养基中进行的。
最近，美国索尔克生物研究所、Sanford再生医学财团的科学家，使用诱导多功能干细胞（iPSCs），在体外模拟人类神经系统疾病，应用电生理技术测试DMEM和Neurobasal，以确定它们对基本神经元活动的影响。令人惊讶的是，科学家发现，即使这些是传统的培养基，它们也会强烈地改变许多重要的神经生理特性。在决定设计一种新的培养基之前，研究人员测试了各种市售的可用于神经组织培养的基本培养基；没有哪一种像aCSF一样支持电生理活动。然而，即使加入了各种添加剂，aCSF不足以维持细胞培养超过一天或两天。因此，科学家们开始设计一种新培养基（更适合支持神经元的功能），这是一项具有挑战性的任务，从而最终产生了一种新的培养基——BrainPhys，可改善神经元的分化和电活动，支持长期的体外培养，模拟活脑的生理条件，并允许对电生理活动进行评估。
Cedric Bardy博士和他的同事们，将这一研究成果发表在最近的《美国国家科学院院刊》（PNAS）。Bardy告诉Medical Xpress：“我们认为，要真正评估神经细胞培养物的生理学，在相同培养基中进行电生理实验更有意义。当时，我们绝对没想到传统培养基会损坏神经元的活动。我们开始尝试用膜片钳技术，在传统组织培养基中测试人类神经细胞的电生理特性，同时我们可以记录这些培养基中的一些动作电位，突触活性被完全沉默。”
然而，在研究人员开始质疑培养基之前，他们认为，问题可能是由于人类神经元，或他们刚刚建成的新膜片钳设备。用aCSF代替培养基，通过在小鼠脑切片上进行膜片钳技术，他们迅速排除了这些假设，发现这些实验在记录活性方面是非常成功的。Bardy回忆说：“接下来的一天，我们返回修补人类神经元。我们开始是在传统培养基中记录，我们再次记录到一些可怜的动作电位活动，但没有突触活动。这一次，虽然修补同样的细胞，但是我们把细胞外液切换到aCSF。这大大提高了神经元的功能，然后我们通过钙离子成像进行了验证。我几乎不敢相信它！我们惊奇地发现，几十年来我们一直在含刺激神经组织成分的培养基中培养神经细胞，这种成分会大大损害这种基本和重要的神经功能。”此外，他补充说，至少在大多数情况下，组织培养模型要概括尽可能真实的体内条件，这是很重要的。由于突触和电活动对大脑的任何功能绝对是关键的，他们的主要目标是研制某种组织培养条件，从生理上支持这样的活动。
Bardy回忆说：“研制一种新培养基并不是一个简单的任务，但是我们不能忽视的事实是，我们正在使用的培养基，会大大损害神经元的功能。有些时候我们认为，传统培养基DMEM或Neurobasal可能有一种组分，会沉默神经元的活动，挑战在于，这些培养基包括50多种不同浓度的组分。可能的组合数量是巨大的。”
科学家们首次尝试确定哪些组分对于神经元的存活和活动至关重要，他们移除组件——例如，所有的氨基酸。Bardy说这是有益的，因为这明确表明，不仅仅是一个组分的问题。他说：“我们设法缩小可能的问题清单，在这一点上，我们试图根据关于‘刺激神经的关键组分是什么’的文献，做出可理解的猜测。我们还根据自然人脑脊液的成分，调整了一些组分的浓度；在最后得到BrainPhys之前，我们不得不尝试几种浓度和几个不同版本的培养基，BrainPhys像aCSF一样能支持神经元电活动，同时还能够支持体外神经细胞的长期生存。”
一个重要的好处是，随着时间的推移，新的神经元培养基中的神经活性增强，不利于细胞生存。相反，科学家们发现，长期暴露于BrainPhys中可显著增强人类神经元的突触功能。这些功能性改善伴随而来的是ARC蛋白的显著增加，众所周知这在突触强度和记忆巩固中发挥关键的作用。
Bardy指出，用人iPSC技术而不是动物模型，其中一个主要的优势是，实验模型虽然更接近于人，但这是以失去体内组织的维度为代价。他解释说： “作为细胞生物学家，我们必须通过推动新的组织实验模型，来弥补这一事实，这将允许我们在体外研究组织，能够更好地模拟体内相同组织的结构和功能。我们应该做出许多改进——例如，神经元生长的物理基板，或孵化器中的氧含量。BrainPhys可帮助我们从一个更准确的生理角度研究神经元培养，应该会为新的、更严格的神经元和突触功能研究，打开新的途径。这项研究还指出，细胞生物学家们需要重新思考一下组织培养条件，虽然我们已经用了几十年都没有问题。作为研究人员，我们应不断提高试验模型的精度和相关性——不仅在神经科学研究，而且在其他医疗应用，如癌症、心脏病与自身免疫性疾病。”Bardy指出，毕竟，自出现人类iPSC技术以来，在体外模拟人类神经系统疾病的投入力度成倍增长。
