マルチウェル微小電極アレイにおけるヒト in vitro 神経培養の集束超音波ニューロモジュレーション
May 3rd, 2024
ここでは、ヒト誘導多能性幹細胞(HiPSC)ニューロンに対する集束超音波の神経調節効果のモニタリングと定量化を可能にするハイスループットシステムを使用するためのプロトコルを紹介します。
集束超音波ニューロモデュレーション。この新進気鋭のエキサイティングな分野は、現在進行中の研究のトピックです 集束超音波の分野では、特定のアプリケーションに最適な刺激パラメータはしばしば不明です。この研究は、ニューロンの経験的in vitro試験を通じて、これらのパラメータを体系的に決定することを目的としています。
この手法は、研究者が遺伝子および薬学的に改変されたニューロンの応答を解析できるようにすることで、リサウンドニューロモデュレーションの根底にあるニューロンメカニズムを探ることができます。培養培地を吸引し始め、24ウェルニューロン培養プレートに1つのウェルを満たし、微小電極アレイまたはMEAを埋め込んだ。300ミリリットルの脱気および脱イオン水を準備した後、集束超音波またはFUSトランスデューサーコーンに慎重に充填します。
カスタマイズされたネジ付きロッドを使用して、3Dプリントされたホルダーをフレームに固定します。FUSトランスデューサーのヘッドが刺激されるウェルの上に来るようにフレームを配置します。輪ゴムを使用して、培地とヒト人工多能性幹細胞(HIPSC)を含む24ウェルMEAプレート上のウェル上にパラフォームを固定します。
トランスデューサの電源出力またはTPOコントロールパネルでFUSパラメータを設定します。さまざまなパラメータの値が画面に表示されます。次に、ウェル上のパラフォームの上にカップリングゲルを塗布し、FUSトランスデューサをカップリングゲルに下げて、気泡を最小限に抑えてゲルと接触させます。
TPOの右下のボタンを押してFUS超音波処理を開始し、超音波処理の各ラウンドの間に少なくとも5分間待って、ニューロンがベースライン状態に戻るようにします。接続が適切であれば、FUSシステムによって生成されたトリガーパルスは、FUS刺激シーケンスをMEA記録に自動的に合わせます。FUSに関連する発火率の変化に基づく転送データでFUS超音波処理時間を読み取ることにより、信号を分析します。
FUSの焦点スポットは、サーモクロマティックシート上での可視化と、水ハイドロフォンスキャンによる可視化の両方によって特徴付けられました。フィルタリング、閾値処理、発火率の計算などの後処理ステップにより、環境からのノイズをフィルタリングし、FUSによって引き起こされるニューロン活動の変化を明らかにしました。ラスタープロットは、各チャンネルで検出されたスパイクを示しました。
発火率プロットは、選択された刺激パラメータがニューロンの発火率を増加させることを示しました。FUS前の発火率は140ヘルツでしたが、FUS後の発火率は連続波FUSで786ヘルツでした。FUS超音波処理モードを変更すると、ニューロンがベースライン状態に戻るまでの時間も変更されました。
探触子をパラフォーム界面に配置する際には、気泡の発生を慎重に最小限に抑えることが重要です。もう1つの考慮事項は、トランスデューサに供給される電力です。出力は、効果を誘発するのに十分な高さである必要がありますが、トランスデューサやセルの損傷を引き起こさない程度に低くする必要があります。
この技術は、パーキンソン病やその他の神経疾患を治療するための最適な刺激パラメータを特定し、不可逆的な損傷、長い回復、リハビリテーション時間など、侵襲的手術に関連するリスクを排除することができます。そのメカニズムを明らかにし、前臨床最適化を制御するためのさらなる努力は、臨床試験を含む将来の研究で安全性を確保するために必要です。
概要
この研究は、ヒト由来の多能性幹細胞（HiPSC）ニューロンに対する焦点型超音波の影響を監視し定量化するために設計された高スループットシステムのプロトコルを提示します。この研究は、in vitroテストを通じて最適な刺激パラメータを体系的に決定し、作用する神経調節メカニズムへのより深い洞察を可能にすることを目的としています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 神経調節
- 幹細胞生物学
背景
- 焦点型超音波（FUS）は関心が高まっている分野です。
- FUS応用のための最適な刺激パラメータは頻繁に不明です。
- この研究はFUS神経調節に関与する神経メカニズムを調査します。
- 遺伝的および薬理学的に改変されたニューロンを経験的テストに利用します。
研究目的
- FUS刺激パラメータを決定するための体系的アプローチを確立すること。
- HiPSC由来ニューロンに対するFUSの神経応答を探索すること。
- 神経学的障害に対するこの非侵襲的技術の潜在的な治療応用を評価すること。
使用された方法
- 方法論には、マイクロ電極アレイ（MEA）を使用して24ウェルプレートでニューロンを培養することが含まれます。
- HiPSC由来ニューロンが主要な生物学的モデルです。
- FUSパラメータはトランスデューサ制御パネルで設定され、気泡形成を防ぐために注意深く監視されます。
- 主要なステップには、カップリングジェルの適用と超音波処理後の発火率の分析が含まれます。
主要な結果
- 連続波FUSの適用により、ニューロンの発火率が140 Hzから786 Hzに大幅に増加しました。
- この研究はニューロンを損傷することなく最適な刺激パラメータを特定しました。
- 超音波処理モードの変更は、ニューロンがベースライン状態に回復するタイミングに影響を与えました。
結論
- この研究は、パーキンソン病のような障害を治療するための非侵襲的神経活動調節方法を実証しています。
- 将来の研究は、方法論の改良と臨床試験における安全性の探索に焦点を当てます。
- これらのメカニズムを理解することで、効果的な神経調節療法の可能性が高まります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Focused ultrasound neuromodulation using human iPSC-derived neural cultures on multi-well microelectrode arrays enables systematic, high-throughput interrogation of neuronal response to FUS parameters. This platform addresses a critical gap in mechanistic understanding, supporting predictive confidence for non-invasive neuromodulation strategies in early discovery and translational neuroscience portfolios. The approach facilitates parameter optimization and de-risking for future therapeutic development targeting neurological and psychiatric disorders.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Empirically interrogates neuromodulatory hypotheses by quantifying neuronal firing rate changes in response to FUS.
- Enables mechanistic de-risking through pharmaceutical and genetic manipulation of human neurons.
- Supports functional target validation by isolating FUS effects on disease-relevant neural systems.
Screening & Assay Development
- Establishes a reproducible, high-throughput assay platform using MEA-equipped multi-well plates.
- Delivers quantitative electrophysiological outputs for robust comparison of FUS parameter sets.
- Facilitates assay standardization and scalability for compound or parameter screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro human neural models with disease-relevant phenotypes for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement of FUS-based neuromodulation strategies toward preclinical validation.
- Provides a foundation for biomarker discovery linked to electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling systematic parameter optimization, mechanistic de-risking, and quantitative assessment of neuromodulatory interventions in human neural systems.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification for FUS neuromodulation.
- Screening: Provides reproducible, quantitative firing rate measurements for parameter or compound evaluation.
- Analytics: Delivers electrophysiological data and statistical outputs for cross-condition comparison.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to preclinical models using human-relevant neural cultures.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for ongoing neuromodulation research and screening.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neuromodulation research.
- Operational Value: Enables standardized, high-throughput, and reproducible electrophysiological assays.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation for neuromodulation portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of FUS-based therapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in human iPSC culture, MEA operation, and FUS instrumentation.
- Demands precise control of FUS parameters and careful minimization of air bubble formation.
- Needs robust analytical infrastructure for electrophysiological data processing and statistical analysis.
- Standardization across wells and experiments is critical for reproducibility and cross-team collaboration.
- Power calibration must balance efficacy with avoidance of cellular or transducer damage.
