神経毒性・安全性評価

Neurotoxicology
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神経毒性は、ある物質によって正常な脳機能が改変されることにより発生し、発作、認知機能の低下、運動機能の低下、異常行動などの症状で現れます。典型的な細胞毒性試験である細胞死の測定は比較的簡便ですが、細胞死に至らない脳機能の低下を評価することは困難です。

Maestro MEA は、プレート上に埋め込まれた複数の微小電極を用いて神経細胞の電気的な活動を測定します。個々の神経細胞の発火の変化や、ネットワークレベルでの活動の変化を測定することにより、化合物による神経細胞機能の変化を評価することができます。

ラベルフリー、温度・CO2濃度自動制御下の安定した試験は、化合物による急性的な変化のみならず、慢性的な評価、リスク予測にも適しています。

 

MEAによる痙攣誘発リスク予測評価

Maestro MEAは、in vitro のハイスループット環境下における神経活性化合物スクリーニングに最適です(McConnel et al 2012, Valdivia et al 2014) 。 複数電極での同時測定により、多くの解析エンドポイントが得られます。スパイク頻度などの基本的な解析項目は多くの神経活性化合物の評価に有用です。一方、ネットワークバースト(well 内の同期バースト) 、Synchrony (電極間に渡るスパイクの同期)などの解析指標は、痙攣などの誘発予測、或いは抑制の検証に有用です。本事例では、2枚の MEA プレートを用いて、16種類の化合物 (n=6)を評価しました。

Comparison of network bursts under different drug conditions.

 

ネットワークバーストの大きさ(ネットワークバースト内のスパイク数)により、痙攣誘発化合物(例: Picrotoxin) とコントロール(DMSO) の差異が得られました (上図) 。

Synchrony 指標(例: full width at half height of the cross correlogram, FWHH) においても痙攣誘発化合物と抗てんかん/痙攣化合物が分離されました。痙攣誘発化合物の投与(下図、オレンジ色)では Synchrony の上昇が得られました。一方、抗てんかん/痙攣化合物の投与(下図 : 水色)により、Synchronyは減少しました。

Neurotoxicology synchronicity data

 

Neurotox protocol

Maestro Pro/Edge による神経毒性評価は非常に簡単です。

コーティングされたMEAプレート上に神経細胞を播種し、2-3日毎に培地交換をしながら、一定期間細胞を培養します。

7-21日後にプレートを Maestro に搭載し測定を行います。データは付属のソフトで解析可能です。

 

 

multiwell microelectrode array (MEA) system in lab

 

Maestro MEA による神経毒性・安全性評価:特徴

  • ラベルフリー・リアルルタイムで細胞の電気的な活動を測定 - プレート底面の電極を用いて神経細胞の活動電位を測定します。ラベルフリー、リアルタイムな測定は、試薬など2次的要因によるゆがみがなく、細胞の変化をより正確にとらえます。

  • 神経細胞ネットワークの検出 – 複数の電極で同時に電気的活動を検出します。神経細胞の個々の活動のみならず、培養内に形成された細胞間ネットワーク活動を検出し、その変化を評価することができます。一度の実験で多くの情報が得られます。

  • 同一プレート上で培養から測定まで - MEAプレート上で直接細胞を培養し、細胞外電位を測定します。環境要因による変化を最小限にとどめながら、細胞への負担が少ない状態で、細胞の変化を検出することができます。

  • 安定した環境下での実験 – 温度・CO2濃度は、装置搭載のコントローラで自動制御されます。また、Maestro は外来ノイズ・振動に影響されにくい設計になっています。安定した環境で毎日安心して実験に望めます。

  • 簡単操作 - 電気生理未経験の方でも簡単に実験が行えます。MEAプレート上に細胞を培養し、装置に搭載するだけで、神経細胞の電気的な活動の測定が可能です。付属のソフトウエアパッケージを用いて、数クリックで複数の指標に基づいた解析結果が得られ、結果の作表まで行うことができます。

Neural MEA technology

Neural MEA

 

What is a microelectrode array (MEA)?

Microelectrode arrays (MEA), also known as multielectrode arrays, contain a grid of tightly spaced electrodes embedded in the culture surface of the well. Electrically active cells, such as neurons, are plated and cultured over the electrodes. When neurons fire action potentials, the electrodes measure the extracellular voltage on a microsecond timescale. As the neurons attach and network with one another, an MEA can simultaneously sample from many locations across the culture to detect propagation and synchronization of neural activity across the cell network.

That’s it, an electrode and your cells. Since the electrodes are extracellular, the recording is noninvasive and does not alter the electrophysiology of the cells - you can measure the activity of your culture for minutes, days, or even months!

 


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An MEA of 64 electrodes embedded in the substate at the bottom of a well.

Rendering of cells growing over the electrodes at the bottom of the well

Neurons attach to the array and form a network. The microelectrodes detect the action potentials fired as well as their propagation across the network.

 

 

 

Brain waves in a dish

Neurons communicate with other cells via electrochemical signals. Many neural cell types form cellular networks, and MEAs allow us to capture and record the electrical activity that propagates through these networks.

Neurons fire action potentials that are detected by adjacent electrodes as extracellular spikes. As the network matures, neurons often synchronize their electrical activity and may exhibit network bursts, where neurons repeatedly fire groups of spikes over a short period of time.

The MEA detects each cell's activity, as well as the propagation of the activity across the network, with spatial and temporal precision. Patterns as complex as EEG-like waveforms, or "brain waves in a dish", can be observed. Axion's MEA assay captures key features of neural network behavior as functional endpoints - activity, synchrony, and network oscillations.

Action potentials recorded from electrodes

Action potentials are the defining feature of neuron function. High values indicate frequent action potential firing and low values indicate the neurons may have impaired function.

Synchrony reflects the prevalence and strength of synaptic connections, and thus how likely neurons are to generate action potentials simultaneously

Synapses are functional connections between neurons. Synchrony reflects the prevalence and strength of synaptic connections, and thus how likely neurons are to generate action potentials simultaneously on millisecond time scales.

Network oscillations, or network bursting, are defined by alternating periods of high and low activity

Network oscillations, or network bursting, as defined by alternating periods of high and low activity, are a hallmark of functional networks with excitatory and inhibitory neurons. Oscillation is a measure of how the spikes from all of the neurons are organized in time.

 

Do more with multiwell

Axion BioSystems offers multiwell plates, ranging from 6 to 96 wells, with an MEA embedded in the bottom of each well. Multiwell MEA plates allow you to study complex neural biology in a dish, from a single cell firing to network activity, across many conditions and cell types at once.