· 3D組織模型重現遭受肌萎縮側索硬化症影響的運動神經元連接
肌萎縮側索硬化症（ALS）是一種目前無法治癒的疾病，會導致患者體內支配肌肉的運動神經元數量逐漸減少。美國每年有近6000人被診斷出患有該病。
在最近一項可以幫助科學家開發和測試新藥的先進研究中，麻省理工學院（MIT）的工程師們設計出一種微流體芯片，並在上面產生了運動神經元和肌肉纖維接口的首個3D人體組織模型。研究人員使用健康受試者或ALS患者的細胞在該模型中生成神經元，使其能夠測試潛在藥物的有效性。
該研究資深作者Roger Kamm是MIT機械與生物工程系塞西爾和艾達·格林特聘教授。他說：“我們發現健康細胞和ALS細胞之間存在顯著差異，同時還能展示兩種正在進行臨床試驗的藥物的效果。”
MIT博士後Tatsuya Osaki是研究論文第一作者。該論文10月10日發表於《科學·進展》（Science Advances）雜誌，前MIT研究生Sebastien Uzel也是作者之一。
| 3D接頭
幾十年前，科學家就開始建立運動神經元和肌肉細胞之間連接即神經肌肉接頭的組織模型。但這些僅限於二維結構，而二維結構並不能完全再現該組織的複雜生理機能。
兩年前，Kamm和他的同事們建立了首個神經肌肉接頭的3D模型。該模型由分別位於微流體芯片相鄰區室的神經元和肌肉纖維組成。一旦神經元被置於區室中，它們就會延伸出名為神經突起的長纖維，最終附著在肌肉上，使得神經元能夠控制肌肉運動。
這些神經元經過了改造，以便研究人員可以利用光來控制它們的活性，這種技術被稱為光遺傳學。研究人員將肌肉纖維纏繞在兩根可彎曲的柱狀物上，當神經元被光激活時，可通過測量柱狀物的位移來測量肌肉纖維收縮的程度。
在2016年版本的模型中，研究人員使用小鼠細胞來培育神經元和肌肉細胞，但物種間的差異可能對藥物篩選造成影響。在新的研究中，他們改用人類誘導多能幹細胞來生成肌肉細胞和神經元。在證明該系統有效後，他們開始結合生成自散發性ALS患者誘導多能幹細胞的神經元。散發性ALS佔所有ALS病例的90%。
這種ALS模型表現出了與健康細胞產生的神經肌肉接頭的顯著差異。Kamm說，神經突起生長較慢，而且似乎無法與肌肉纖維形成牢固的連接。
“如你所見，健康的神經突起可以直接進入單個肌管並繼而激活它們。但ALS神經元似乎不能很好地與之連接。”
這意味著對肌肉的控制能力較弱：兩週後，受ALS運動神經元支配的肌肉所產生的力量僅為受健康神經元支配的肌肉力量的四分之一左右。這也提示ALS運動神經元會侵害健康的骨骼肌組織。
伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校電氣、計算機工程與生物工程教授Rashid Bashir雖然並未參與此項研究，但他發表了評論。他說：“使用來自ALS患者的人源神經細胞，並將其與幹細胞衍生的肌肉細胞相結合，從而形成功能性神經肌肉接頭，這是芯片上組織模型領域的重大進步。”
| 潛在藥物
研究人員們隨後使用他們的模型來測試兩種正在進行ALS臨床試驗的藥物：雷帕黴素和伯舒替尼。他們發現同時給予這兩種藥物可以恢復ALS運動單位中喪失的大部分肌肉力量。該治療還降低了ALS運動單位中的細胞死亡率。
通過與當地一家生物技術公司合作，Kamm和他的同事們希望能收集到1000名ALS患者的誘導多能幹細胞，從而進行更大規模的藥物研究。他們還計劃擴大該技術規模，以便可以一次性測試更多樣本，並增加更多細胞類型，例如在神經系統中發揮支持作用的施萬細胞和小膠質細胞等。
該組織模型還可用於研究其他肌肉疾病，比如影響脊髓中神經細胞的脊髓性肌萎縮。
原文標題：
Testing new drugs with “ALS-on-a-chip”
譯：王嶽鑫、劉潤青、劉檀馨
校：陳啟睿、胡佳琦、吳瑕
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