基于共培养微阵列的神经突触功能的检测芯片及其在高通量筛选的应用

Despite the expenditure of billions of dollars on the development of new pharmaceuticals targeting the central nervous system (CNS), there are still no therapies against many devastating neurological diseases. Limitations of existing screening technologies have significantly hindered discovery of pharmaceuticals for CNS. In this proposal, we aim to develop a novel biochip for ultra-sensitive, high-throughput and quantitative screening of synaptic functions. The technology is based on a well-controlled, arrayed format of neuron-fibroblast coculture. 3D micro-structures along with microfluidic formation of guidance cue gradient will permit the creation of reproducible and physiologically relevant in vitro neuronal network for modeling critical brain functions on a chip. Large scale multiplexed cDNA microarrays are further included for generation of corresponding fibroblast expression array to accommodate parallel evaluation of multiple gene targets. The proposed biochip can be used as powerful and versatile platform to identify potential drug targets by functionally characterizing large number of gene products in primary neuronal assays; and also to evaluate the specificity of drug leads aiming signaling pathway involving different genes. If successful, such a technology can significantly increase the chances of success in pharmaceutical drug screens for neurological diseases and disorders.

尽管每年全球有多达数十亿美元花费在神经系统疾病的新药开发上 ，对很多极具破坏性的中枢神经系统疾病仍然没有有效地治疗方法。现有药物筛选技术的限制已经严重阻碍了针对这些疾病的新药开发。本课题旨在综合利用微加工制造，自动化，数字图像处理等技术手段，结合相关的神经生物实验，开发针对神经突触发育和功能的高通量，高灵敏度的自动化筛选平台。该项技术以微阵列化的神经细胞-成纤维细胞共培养为基础，运用3D微米构造结合微流控生成的诱导蛋白浓度梯度控制神经细胞的生长。通过大规模的cDNA的多路复合微阵列形成转染不同蛋白基因的成纤维细胞阵列，以提高并行实验通量，满足大规模基因和药物筛选的要求。成功开发该项目提出的突触功能检测芯片，将极大地促进基于基因筛选的药物标靶的发现，以及对已有药物前导物的特异性的确定；对开发新的神经系统疾病的治疗手段以及基础神经生物学研究都将有重大意义。

近年来，全球每年有多达数十亿美元花费在神经系统疾病新药的开发上，然对很多极具破坏性的疾病如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症等仍然没有有效的治疗方法。随着我国人口老龄化加剧，现有药物筛选技术的限制已经严重阻碍了针对中枢神经系统疾病的新药开发，因此，针对神经突触发育和再生的高通量筛选技术对于开发新的神经系统疾病的治疗手段以及基础神经生物学研究都将有重大意义。开发针对中枢神经系统（CNS）的高通量筛选技术的重大挑战之一是神经系统特殊的复杂性以及如何在体外细胞培养中构建功能性的检测模型。活体哺乳动物模型本应该是最好的选择模拟人体的中枢神经系统的选择，但是，在资源密集型的基于活体动物的实验方法不可能用于筛选大规模的基因库或者化合物库，因此，发展标准化的体外培养的细胞模型，成为实现大规模筛选基因、化合物或生物制品对神经系统功能影响的必要手段。.芯片实验室（lab on a chip），将传统的生物和化学的实验及分析工具微缩到由微米结构组成的芯片模块。与传统方法相比，芯片实验室的优势包括微型化的实验规模，极低试剂用量，高度并行的实验条件，更好地模仿体内的组织环境，精确控制的细胞的生长和功能。为了能够有效的检测神经突触的发育和功能，以便实现大规模的基因和化合物的筛选研究，本项目综合利用了微加工制造、自动化、数字图像处理等技术手段，结合相关的神经生物实验，开发了一个基于共培养的、针对神经突触发育和功能的高通量、高灵敏度的自动化筛选平台。通过运用3D微米构造结合微流控生成的诱导蛋白浓度梯度，成功控制了神经细胞的生长。大规模的cDNA的多路复合微阵列形成转染不同蛋白基因的成纤维细胞阵列，提高了实验通量并满足大规模并行筛选的要求。我们成功筛选了一系列的神经功能相关的基因以确定潜在的药物标靶，并进一步评估我们现有化合物库（组蛋白去乙酰酶抑制剂的多种变体）在刺激突触发育和再生过程中的特异性。