临床前模型在癫痫药物研发中的重要性
癫痫是一种慢性神经系统疾病，影响着全球超过5000万人，也是神经科学领域研究最为深入的治疗领域之一。尽管市面上已有多种抗癫痫药物，但目前尚无有效治愈癫痫的方法，因为所有药物的作用机制都只是缓解癫痫症状。由于目前的药物治疗常常伴有副作用，30%的患者会发展为耐药性癫痫。因此，人们迫切需要开发出超越症状抑制的新型、更安全、更有效的抗癫痫药物，这就要求在临床前药物发现和开发中建立可靠的实验模型。早期验证药物疗效和安全性的筛选试验对于评估和转化新型疗法的潜力至关重要，这些疗法应更安全、具有更高的特异性和疾病改善潜力。虽然目前已有多种药物筛选试验，但大多数试验通量较低，更适用于机制研究而非有效的药物筛选。
多孔多电极阵列 (mwMEA) 平台能够进行高通量体外功能检测，用于模拟癫痫等神经系统疾病。
连接体外和体内模型以进行转化癫痫研究
临床前模型对于早期药物研发至关重要，它提供可控的环境来评估药物的疗效、安全性和药代动力学特征。目前的模型可以模拟从急性到慢性的癫痫，并模拟诱发性和遗传性癫痫。体外和体内模型的结合能够从细胞和神经元网络层面，乃至可转化的啮齿动物模型层面，深入了解疾病机制，这些模型能够复制各种癫痫发作类型和癫痫综合征。采用体外和体内模型的综合方法可以显著提高抗癫痫药物筛选的稳健性和转化性。首先，体外系统的高通量筛选可以加速发现有前景的先导化合物并研究其作用机制。然后，动物实验可以在活体生物体内评估药物的疗效、毒性和药代动力学。
体外模型具有诸多优势，包括成本更低、可重复性更高以及减少动物实验的使用。大多数体外模型基于神经元培养和脑片建立，极大地增进了我们对癫痫发作的认识，并被认为是神经科学研究的金标准。诱导癫痫环境的方法之一是破坏细胞外液的离子平衡，因为离子梯度控制着神经元的兴奋性。例如，增加细胞外钾离子含量会提高神经元的兴奋性，并在细胞培养中诱发类似癫痫发作的活动。类似地，可以使用离子通道抑制剂建立癫痫模型。例如，4-氨基吡啶（4-AP）作为电压门控钾离子通道的阻滞剂，可以延长动作电位，导致神经递质释放增加。这反过来又会增强突触传递强度，并导致神经元培养中出现惊厥效应。
除了调控细胞外离子浓度或调节电压门控钾通道外，还可以通过靶向兴奋性或抑制性通路来诱导癫痫发作。例如，戊四唑（PTZ）可作为GABA拮抗剂，阻断抑制性回路，从而在啮齿动物神经元原代培养中诱发癫痫样放电，以此模拟急性癫痫发作。该模型对于增强GABA能抑制的药物尤为有用。一些模型利用苦味素抑制GABA-A受体来诱导以过度兴奋为特征的癫痫发作，这有助于深入了解抑制性神经传递，并可用于机制研究。
癫痫候选药物也可在遗传性致痫模型上进行测试，例如Scn1a基因敲除小鼠模型，该模型可作为Dravet综合征（DS）的模型。Dravet综合征在人类中以早期发作的严重癫痫、认知缺陷和猝死为特征。小鼠来源的体外系统常用于通过电生理记录研究DS的病理生理学，并用于体内验证。然而，获得合适的DS小鼠群体是开展研究的瓶颈。开发一个稳健的高通量筛选平台可以显著克服这一障碍。[1][2]
ChemPartner 为癫痫病带来可靠的高通量筛选
我们开发了一种多孔多电极阵列（mwMEA）平台，该平台能够进行高通量体外功能分析，用于模拟神经系统疾病并加速药物筛选。我们通过将具有不同作用机制的传统致癫痫化合物——苦味素（PTX）、4-氨基吡啶（4-AP）和戊四唑（PTZ）——以及升高的细胞外钾离子（K⁺）浓度，应用于培养在mwMEA板上的大鼠海马神经元，建立了化学诱导癫痫模型。
使用多种致癫痫化合物治疗后，同步爆发性放电增加。
实验装置采用多孔微电极阵列（mwMEA）平台记录细胞外神经元活动，主要读数包括平均放电率、爆发持续时间和网络爆发间期（IBI）变异系数（CV，用于评估爆发规律性和同步性）。采用膜片钳电生理技术测量电流刺激诱发的动作电位和尖峰数量。在遗传性Dravet综合征模型中进行长期监测时，测量指标包括平均尖峰频率和每次爆发的尖峰数量。为了验证我们的模型，我们使用了丙戊酸钠（VPA）和瑞替加滨（RTG）。VPA是一种GABA能传递增强剂和电压门控钠通道阻滞剂。它通过提高脑内GABA水平、抑制GABA转氨酶和减弱兴奋性神经传递发挥抗癫痫作用，因此对多种类型的癫痫发作均有效。 RTG是KCNQ通道的激活剂和GABA-A受体的调节剂。在癫痫治疗中，它通过将KCNQ（Kv7）钾通道的激活电位转移到更负的电位来降低神经元的过度兴奋性，从而增加静息状态下的开放通道数量并抑制癫痫发作的传播。
我们的 mwMEA 模型验证表明，用各种致癫痫化合物处理细胞后，同步爆发放电增加，并且丙戊酸盐浓度增加会产生影响。
针对遗传性癫痫模型，我们构建了一种以反复发作和持续时间较长的癫痫为特征的严重癫痫性脑病唐氏综合征（DS）模型。从DS小鼠幼年时期提取原代神经元，并在mwMEA记录板上进行长期培养。
我们评估了丙戊酸在Scn1a基因突变细胞模型中的疗效。对从野生型（WT）和SCN1A突变型Dravet综合征（DS）小鼠幼崽中提取的皮层神经元进行长期兴奋性发育监测（A）。比较WT神经元和DS神经元在依次暴露于促惊厥药物和抗惊厥药物后，尖峰放电和爆发放电的敏感性（B，C）。
通过高通量创新推进转化性癫痫研究
ChemPartner 的集成式高通量 mwMEA 平台弥合了机制研究与转化药物发现之间的鸿沟，加速了新型抗癫痫疗法的鉴定和优化。我们的方法能够对下一代抗癫痫药物进行稳健、可重复且高内涵的筛选。
这篇博文只是个引子——想要深入了解我们的实验设计、数据洞察和案例研究，欢迎莅临神经科学学会 (SfN) 年会，观看我们题为“用于基因和化学诱导癫痫模型中抗癫痫药物筛选的高通量体外功能平台”的海报展示。千万不要错过与我们的科学家交流的机会，探索 ChemPartner 如何革新临床前神经科学研究。
参考书目
[1] Heydari, Y., Bozzi, Y. & Pavesi, L. 解码癫痫发作：探索体外方法以揭示病理生理学并推动未来治疗突破。生物医学材料与设备 2, 905–917 (2024). https://doi.org/10.1007/s44174-024-00158-4
[2] Shafieq, S., Ali, SS, Sharma, N., & Sethi, VA (2025). 抗惊厥药物研究的实验模型：体内和体外方法的综合综述。《国际新一代药学与医疗保健研究杂志》，3(1)，138–157。https://doi.org/10.61554/ijnrph.v3i1.2025.148