肌萎縮側索硬化症（ALS）無法治癒，這種疾病逐漸導致控制肌肉的運動神經元逐漸喪失，美國每年有近6000人被診斷出罹患這種疾病。

在一項可以幫助科學家開發和測試新藥的進展中，麻省理工學院的工程師們設計了一種微流體晶片。他們在這種晶片中製作了第一個3D人體組織模型，用於運動神經元和肌肉纖維之間的界面。研究人員使用健康受試者或ALS患者的細胞在模型中產生神經元，使他們能夠測試潛在藥物的有效性。

該研究的高級作者，麻省理工學院的生物工程學教授Roger Kamm說：「我們發現健康細胞和ALS細胞之間存在顯著差異，我們已經能夠顯示目前臨床試驗中兩種藥物的效果。」

論文發表在10月10日的「科學進展」雜誌上。麻省理工學院博士後Tatsuya Osaki是該論文的主要作者，其他作者還有麻省理工學院前研究生Sebastien Uzel。

3D交叉點

幾十年前，科學家們開始開發運動神經元和肌肉細胞之間聯繫的組織模型，也稱為神經肌肉接合處。然而，這些僅限於2D結構，不能完全複製組織的複雜生理學。

兩年前，Kamm及其團隊開發了第一版的3D神經肌肉接合處模型。該模型由佔據微流體晶片的相鄰隔室神經元和肌肉纖維組成。一旦置於隔室中，神經元就會延伸出稱為神經突的長纖維，最終附著在肌肉上，使神經元能夠控制它們的運動。

神經元被設計成使得研究人員可以使用稱為光遺傳學的技術用光控制它們的活動。肌肉纖維纏繞在兩根柔韌的支柱上，因此當神經元被光啟動時，研究人員可以透過測量支柱的位移，來測量肌纖維的收縮程度。

在2016版本的模型中，研究人員使用小鼠細胞生長神經元和肌肉，但物種之間的差異可能影響藥物篩選。在這項新研究中，他們使用人類誘導的多能幹細胞，來產生肌肉細胞和神經元。在證明該系統有效後，他們開始整合來自散發性肌萎縮側索硬化症患者的誘導多能幹細胞產生的神經元，佔所有病例的90％。

該ALS模型顯示出與健康細胞產生的神經肌肉接合處的顯著差異。 Kamm說，神經突生長得更慢，似乎無法與肌纖維形成強烈的關聯。

「健康的神經突直接進入個體肌管，然後啟動它們。然而，ALS神經元似乎無法很好地連接，」他說。

這轉化為較弱的肌肉控制：兩週後，由ALS運動神經元支配的肌肉，僅產生由健康神經元控制的肌肉的四分之一強度。這也表明ALS運動神經元攻擊健康的骨骼肌組織。

「使用來自ALS患者的人源神經細胞，結合幹細胞衍生的肌肉細胞 ，以及功能性神經肌肉接合處的形成，是組織結構建立在晶片裝置技術領域的重大進步，」伊利諾伊大學香檳分校電氣與電腦工程與生物工程教授Rashid Bashir說道，他沒有參與這項研究。

有希望的藥物

研究人員隨後使用他們的模型測試了目前正在臨床試驗中用於治療ALS的雷帕黴素和bosutinib兩種藥物。他們發現，同時給予這兩種藥物，可以恢復ALS運動單位中失去的大部分肌肉力量。該治療還降低了通常在ALS運動單元中看到的細胞死亡率。

Kamm和他的同事與當地一家生物技術公司合作，希望從1,000名ALS患者中收集誘導多能幹細胞，使他們能夠進行更大規模的藥物研究。他們還計劃擴大技術規模，以便一次測試更多樣本，並添加更多類型的細胞，如施萬細胞和小神經膠質細胞，它們在神經系統中發揮支持作用。

該組織模型還可用於研究其他肌肉疾病，例如脊髓性肌萎縮，其影響脊柱中發現的神經細胞。