研究概述

 间歇性缺氧（IH）以常氧与缺氧的周期性振荡为特征，会诱导细胞和组织应激反应，引发代谢能量失衡与氧化损伤。临床研究表明，IH患者普遍出现肌肉疲劳、体能下降等并发症，且肌纤维存在潜在失神经表型，提示神经肌肉系统可能是IH的重要靶器官。然而，IH对人类神经肌肉系统的直接影响及神经调控机制尚未明确，亟需建立具备人体生理特性的体外研究平台进行精准建模。传统3D类器官模型多为随机自组装，缺乏定向结构与各向异性特征，难以精准模拟骨骼肌的生理功能与神经支配特性，成为IH疾病机制研究与治疗研发的关键瓶颈。因此，构建稳定的体外神经肌肉模型平台，成为突破这一领域的迫切需求。

复旦大学开发出一种几何工程化 “人类运动组装体芯片”，实现了骨骼肌类器官与运动神经元球的定向组装及功能连接，真实重现了神经肌肉生理微环境。研究团队通过光遗传学和微电极阵列技术验证了模型的功能性，发现该系统可模拟缺氧诱导的肌肉疲劳、纤维类型转换及神经元放电异常等病理特征。在机制研究中，揭示了NAD+代谢失衡作为缺氧损伤的关键靶点，并通过NMN和CD38抑制剂等药物干预验证了NAD+补充策略的治疗潜力。该成果于 2025 年 10 月发表于《Nature Communications》（IF 15.7）。创新的芯片平台为IH相关疾病的神经肌肉病理研究提供了优质的体外模型，支持从疾病建模到药物筛选的全链条转化研究。

研究内容

为构建三维器官模型，研究团队通过对聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片区域化进行表面处理，利用Pluronic-127（Sigma-Aldrich, P2443）和Sulfo-SANPAH（Sigma-Aldrich, 803332）交联剂形成差异化粘附界面（Fig 1a）。随后研究者分别将人诱导多能干细胞（hiPSCs）诱导生成的运动神经元球体（hMNS）和人骨骼肌细胞（hSkM）接种到芯片的相应位置上，引导骨骼肌纤维沿锚点方向排列（Fig 1d,f），无需额外支架即可形成运动组装体。该组装体中 hSkM 形成有序肌纤维束，hMNS 则伸出轴突与肌纤维形成神经肌肉接头（NMJ），最终实现功能性神经支配。

Fig. 1 | 几何工程人体运动组装体在芯片上的生成。a.人类运动组装体在芯片上的几何约束、组装过程及机械各向异性机制的示意图；d. 运动组装体的锚定和几何构型；f.14 天内ECM排列与组织重塑过程的示意图。

 左图:Fig S5f运动组装体的功能验证实验示意图。右图:Fig3i 光刺激后MEA记录运动组装体的光栅图，蓝色标记为光刺激时刻。

 

 左图:Fig 3j.运动组装体光刺激过程中的代表性电活动图谱，节点大小表示为电发放平均振幅高低。k. 光刺激下神经元同步性分析代表性示意图。右图:Fig S5i.运动组装体的电活动图谱。节点大小代表单个电极在记录期间捕获的峰电位数量。左：光遗传学刺激下运动组装体的光诱发峰电位；中图：加入箭毒后阻断神经传递，光遗传学刺激下hSkM的电活动消失，但不影响hMNS；右图：箭毒洗脱后，可观察到 hSkM电活动部分恢复。

为探究 IH 引发的神经肌肉病理特征，研究团队采用 1%-21% 氧气循环周期性处理方式构建 IH 损伤模型，并通过 Maestro Pro 系统检测样本自发电活动。结果显示，IH 处理后样本光诱发电发放数量减少、发放振幅降低，且首个发放峰值出现时间显著延长（Fig 4c,g,h）。该现象与在阻塞性睡眠呼吸暂停等 IH 相关疾病患者体内所观察到的，神经元兴奋性及反应速度上受到抑制的病理特征相一致。进一步分析发现，IH 处理使样本平均放电频率、簇发放数量及同步指数均显著降低，证实其不仅抑制单个神经元活动，更破坏了神经网络的通讯与协调功能（Fig 4d-f）。MEA 检测后将样本置于 matrigel 包被的培养皿中继续培养6天，发现轴突生长—神经网络形成的关键过程未受缺氧影响（Fig 4i），揭示神经功能较结构更易受 IH 损伤，这一细微特征难以通过成像等常规检测手段发现。此外，IH 还诱发了显著的氧化应激反应，与对照组相比，IH 处理后活性氧（ROS）由细胞中心聚集区向整个球体扩散分布（Fig 4j,k），而 ROS 的异常积累反映出细胞代谢功能障碍，这也是导致样本电活性大量丧失的关键诱因。

Fig. 4 | hMNS 在IH条件下电生理活动和轴突生长的表征。a.在常氧（Ctrl）和间歇性低氧（IH）条件下 hMNS 的时间线示意图。b.MEA系统在光遗传学（473nm）刺激下的示意图。c.显示每分钟光诱发电发放的热图，每个圆代表一个孔，颜色深浅与每分钟电发放数量成正比。d-f. 电活动参数的量化，包括平均放电率(d)，每分钟的簇放电数量(e)和同步指数(f)（N=10，3 个hMNS/孔）g. 光诱发电发放幅度的活动热图，每个方块代表一个孔。h.第一个光诱发电发放潜伏期的热图，每个圆代表一个孔，颜色深浅与潜伏时间成正比。i. hMNS 神经轴生长的代表性图像（TUJ1，灰色；细胞核，蓝色）。在组装体形成28天时进行成像，其中包括 4 天的 IH 暴露，hMNS 转移到 Matrigel 包被的培养板再培养 6 天以可视化神经突的伸长(N=3)。j. Ctrl和IH条件下 hMNS 中的活性氧物质（ROS）浓度示意图。k. hMNS球体中 ROS 的径向分布情况。统计分析：d,e:two-tailed Mann-Whitney test。f:Two-tailed Student’s t test。***p < 0.001，**p < 0.01，*p < 0.05。

MEA实验方法：

1.包被与接种：采用 Matrigel 包被 MEA 板底，将组装体接种至 MEA 6孔板（64 个电极/孔）；为匹配电极阵列覆盖范围、提升有效数据获取率，将 hMNS 以紧凑排列方式接种于 hSkM 之上，见Fig1a。

2.水凝胶包埋与固化：将 Matrigel、纤维蛋白原与培养基等量混合制备水凝胶混合物，将运动组装体从芯片平台取出，翻转后接种于MEA 6孔板，使hMNS与hSkM均与MEA板中的电极充分接触。随后将水凝胶混合物涂覆于组装体周围以促进其粘附；随后将MEA板置于 37°C 环境中，使水凝胶复合物覆盖组装体并完成固化，2h后向每孔缓慢加入 1.5ml 培养基。

3.电生理检测与数据分析：在 Maestro Pro（Axion BioSystems 公司）系统上记录样本电生理活动，该系统配备环境控制模块（本文中检测环境为37°C、5% CO₂），检测参数设置为采样频率 12.5KHz，数字带通滤波器（200-3000 Hz、1-2000Hz），以 6xSTD 作为电发放(Spike)阈值最低限；光遗传学(Lumos) 刺激条件为475nm、0.5Hz。所得电生理数据统一采用 Neural Metric Tool进行分析。

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