利用人iPSC皮质神经元长时程增强构建功能性非动物中枢神经系统应激模型及治疗药物评价

　　本研究针对缺乏功能性体外应激模型的问题，开发了基于人iPSC皮质神经元器官芯片（HoaC）的中枢神经系统（CNS）应激模型。通过长期增强（LTP）技术，研究人员发现皮质醇会以浓度和时间依赖性方式损害突触功能，并证实紫锥菊（Echinacea purpurea）及其活性成分十二碳四烯酸异丁酰胺（dodeca）可显著缓解皮质醇诱导的神经元功能衰退。该研究为神经系统应激机制研究和药物筛选提供了新型人源化平台，对替代动物实验具有重要推进作用。

　　

在现代社会，压力已成为影响人类健康的重要因素，而压力激素皮质醇（cortisol）对中枢神经系统（CNS）的损害机制仍不明确。传统研究多依赖动物模型，但由于物种差异，其结果往往难以直接转化至人类。此外，目前仍缺乏功能性体外模型来模拟人类神经系统的应激反应并用于药物筛选。为此，Kaveena Autar等研究人员在《Biomedicine 》上发表了一项创新研究，他们利用人诱导多能干细胞（iPSC）来源的皮质神经元，结合器官芯片（organ-on-a-chip, HoaC）技术和长时程增强（long-term potentiation, LTP）功能检测手段，成功构建了一种非动物的中枢神经系统应激模型，并用于评估治疗药物的效果。

研究团队采用的主要技术方法包括：人iPSC定向分化为皮质神经元，并培养于经光刻图案化的微电极阵列（microelectrode array, MEA）芯片上；通过高频率刺激（high-frequency stimulation, HFS）诱导LTP以模拟学习与记忆的突触可塑性过程；利用全细胞膜片钳技术记录单细胞电生理活动；通过免疫细胞化学（ICC）分析神经元形态与应激相关受体表达；使用酶联免疫吸附测定（ELISA）检测内源性大麻素 Anandamide（AEA）水平。

研究结果部分显示：

3.1. MEA上神经元活动的验证

通过利多卡因验证了MEA上培养的皮质神经元具有生物电活动，确认该平台可用于后续LTP检测。

3.2. 皮质醇对皮质神经元功能的影响评估

研究发现，急性及慢性皮质醇处理对LTP产生浓度与时间依赖性影响：低浓度（0.1?μM）皮质醇慢性处理可增强LTP，而高浓度（1?μM与10?μM）则导致基线活动亢进及LTP维持能力下降，呈现兴奋毒性样表型。

3.3. 全细胞膜片钳评估皮质醇处理的神经元活动

进一步在单细胞层面证实，皮质醇可引起自发放电频率增强、动作电位幅度升高及电流增大，支持其在网络水平诱导亢进与突触功能紊乱的结论。

3.4. 免疫细胞化学评估及应激受体确认

神经元在皮质醇处理后出现聚集现象，且表达多种应激相关受体，包括大麻素受体1（CB1）、促肾上腺皮质激素释放激素受体2（CRHR2）、5-HT2A血清素受体与糖皮质激素受体（GCR）。

3.5. 紫锥菊改善皮质醇诱导的LTP缺陷的能力

在1?μM皮质醇慢性应激模型中，紫锥菊提取物及dodeca能在4小时显著恢复LTP，呈现剂量依赖性挽救效应，其中dodeca高浓度（100?μM）效果最为持久。阳性对照药物中，大麻二酚（CBD）表现良好，而地西泮（diazepam）反而加剧LTP缺陷。

3.6. ELISA生物标志物水平评估与细胞活性检测

皮质醇处理未引起AEA水平显著改变，而药物处理组中CBD、地西泮及高剂量dodeca可显著提升AEA水平，提示其通过内源性大麻素系统调控应激反应。所有处理组均未影响细胞存活。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次在基于人iPSC的HoaC系统中模拟出浓度与时间依赖的皮质醇神经应激表型，不仅证实低浓度皮质醇可能增强突触功能，而高浓度导致兴奋毒性与认知损伤，还成功将LTP作为功能性读outs用于药物评价。紫锥菊及dodeca表现出良好的缓解应激损伤潜力，其机制可能与调控内源性大麻素信号及AEA水平相关。值得注意的是，地西泮虽提升AEA水平，却未能恢复LTP，反加重缺陷，提示功能性评估与生物标志物之间可能存在不一致，也凸显了人源模型在药物评价中的重要性。

该研究构建的体外CNS应激模型不仅为阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）等神经退行性疾病中应激机制探索提供了新工具，也为精神健康领域药物开发提供了更贴近临床的筛选平台，显著推进动物实验替代方法的发展，具有广泛的科研与转化价值。