利用視網膜類器官與微電極陣列技術探索視網膜發育

幹細胞衍生類器官與器官晶片技術的尖端進展，正在改變視網膜研究。由健康捐贈者與病人捐贈者的人類誘導多功能幹細胞所開發的視網膜類器官，提供了高度模擬人類眼睛的潛力體外模型。這些系統為動物實驗提供了符合倫理的替代方案，並開啟瞭解視網膜疾病機制與個人化治療的大門。

然而，目前的模型仍面臨挑戰，包括：有限的神經元連接性、缺乏血管結構，以及再現性不一致。令人興奮的是，材料科學與電子學的突破有助於透過促進組織成熟度以及達到神經元活性的即時監測，來填補這些差距。

低貼附六孔培養盤中的視網膜類器官

我們利用定時化學誘導與生長因子啟動早期視網膜分化，在低貼附培養盤中開發了小鼠視網膜類器官。這種方法促進了早期視網膜發育，例如：感光細胞等視網膜細胞類型。然而，視網膜神經節細胞主要存在於視網膜類器官的內部區域，使傳統的2D電極記錄無法測量到它們。這凸顯了對先進平台的急迫需求，此類平台能同時達到結構保存與功能性數據讀取。

Retinal organoids derived from mouse embryonic stem cells at different developmental stages.

保存結構，擷取功能：網狀微電極陣列

與傳統的2D電極不同，來自 Multi Channel Systems 的網狀微電極陣列可直接整合於類器官的3D結構內，達到對視網膜內層穩定且長期的紀錄。透過保存神經元結構與擷取功能性訊號，網狀微電極陣列開啟了通往更精準的光反應分析，以及深入瞭解視網膜發育與疾病的大門。

網狀微電極陣列由軟性聚醯亞胺網格製成，其中 60 個電極部位於網格交會處。當視網膜類器官被培養於網格上時，它們會在網格周圍生長與發育。這種設置使電極能夠記錄位於類器官內部的視網膜神經節細胞，並為視網膜神經節細胞提供向外延伸其突起的機會。這項創新技術提升了自發性活性、網路連接性以及對光刺激反應的測量效率。

Mesh MEA focusing on the electrodes and retinal organoids derived from mouse embryonic stem cells in Mesh MEAs. After 21 days, the 3D structure of the retinal organoid was preserved, and neuronal development continued to progress.

Electrical signals measured by Mesh MEA, capturing spontaneous activity (Top 1 and 2) as well as responses under light stimulation (Bottom). These measurements highlight the organoid’s ability to generate spontaneous neural activity and its responsiveness to external stimuli, offering insights into the functional properties of retinal ganglion cells.

結論

我們正在為開發具功能性的人類視網膜類器官奠定基礎，為疾病建立模型、客製化療法以及下一代視覺研究開啟全新可能。透過與 Multi Channel Systems 的合作，我們利用網狀微電極陣列來擷取動態視網膜活性。若沒有跨領域的方法，這項突破將無法實現，此方法匯集了幹細胞生物學、材料科學與電子學的專業知識，以克服複雜的挑戰。透過結合這些領域，我們正在推動視網膜診斷與療法的進展，突破視網膜研究的界限。