研究背景

人体功能需不同组织协同串联，神经-肌肉-骨骼（NMS）轴是其中重要的一环。它依托神经、肌肉与骨骼组织的相互作用，对人体运动和功能至关重要。然而，完整 NMS 轴的发育及组织间相互影响，尚未通过人体细胞的组装与开发实现建模，导致对其发育机制和疾病治疗的研究工作无法深入展开。

上海科技大学向阳飞团队通过巧妙的信号通路设计和培养策略，成功创造了功能化的人类神经-肌肉-骨骼三组织器官（hNMSOs）。不仅再现了各组织的特性，更重要的是揭示了它们之间深刻的发育与功能联系。这项成果是类器官技术向更高复杂性迈进的重要里程碑，为研究人体NMS系统的发育、功能和疾病提供了强大的工具模型，为生物医学研究开辟了新的道路。其研究成果于2025年1月发表在Cell Stem Cell上（IF 19.8）。

研究成果

      该团队设计了一种“静态-旋转联合培养策略”，通过添加关键的信号因子和不同的激动剂，精确调控信号通路，诱导hPSCs自发形成三个区域、且互相间保持连接的三组织复合类器官，无需分阶段培养单一组织后组装。其分化、培养过程如图Fig 1 A-C所示。

Figure 1. hPSCs分化、自组装成hNMSO

        随后，研究团队通过单核 RNA 测序（snRNA-seq）、空间转录组及免疫染色对R1（神经域），R2（肌肉域），R3（骨骼域）3个区域在分子层面进行了身份确证；同时借助钙成像、电生理和光遗传等功能检测手段，对hNMSOs进行了功能层面的身份确证。

       研究团队将培养了110-123天的hNMSOs粘附在MEA电极板上，使用Axion BioSystems公司的Maestro Pro多孔微电极阵列系统，对其自发放电活动进行记录。发现谷氨酸（L-GA）或 5-HT/NMDA的处理，会增强其自发放电活动；而谷氨酸受体阻断剂（NBQX/APV）的加入，则会抑制其放电活动。结果见图Fig 4L。

Figure 4L 使用Axion MEA记录和分析hMNSOs自发放电及经过谷氨酸、5-HT/NMDA、NBQX/APV处理后的自发放电活动。(每个条件分别使用5,5,3,5个类器官作为重复；使用未配对T检验对数据进行分析，*p = 0.0259 for L-GA, *p = 0.0126 for 5-HT/NMDA, ***p < 0.001 for NBQX/APV).

     同时，该团队还借助Maestro Pro的心肌模块，对hNMSOs进行了药物处理前后的神经-肌肉同步性检测，结果见图Fig S5F-G。可以看到，5-HT/NMDA处理hMNSOs后，神经元自发放电更活跃，肌肉收缩也同步增强，表明神经区域的运动神经元可以通过神经肌肉接头控制肌肉区域的骨骼肌收缩。

Figure S5F 肌肉收缩的MEA记录图（底部）及其与神经元放电活动的关联图（顶部）。红点表示与电极区域接触的是神经元。底部（绿色）则展示了肌肉收缩的波形。G 在hMNSOs状态下神经和肌肉区域的MEA记录。

1) 将DMEM/F12稀释的Matrigel加入6孔电极板(Axion BioSystems，M384-tMEA-6W)中，随后将电极板放置在细胞培养箱中（5%CO2，37℃）孵育1h，以完成对电极板的包被。

2) 包被后将Matrigel移除，并将分化好的类器官种入MEA板中（1个类器官/孔），随后在hNMSOs表面滴加培养基，使其包裹着样本下沉，以便其与电极充分接触。

3) 将种有hNMSOs的MEA板放置在细胞培养箱中孵育3-4h，待其粘附在电极上后，轻柔地将培养基按照1ml/孔加入MEA板中。

4) 将MEA板放置在细胞培养箱中静态培养一段时间后，将电极板转移到摇床上进一步旋转培养。

5) 培养到一定阶段后，研究者使用Maestro Pro（Axion BioSystems）的神经模块记录类器官的自发放电活动，并使用其配套的分析软件（如Neural Metric Tool等）对hNMSOs的自发放电、簇放电等参数进行自动分析和统计。并且还使用Maestro Pro的心肌收缩模块，检测和分析了肌肉的收缩频率。

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