3大关键点！看懂类器官代谢监测为何不可或缺

上图. 脑类器官30天发育过程的时序图像。类器官最初形成小型球状结构（第1天），随后逐渐扩大体积（第10天）。至第20天，类器官呈现萌芽状复杂形态结构；到第30天时，它们显示出进一步生长和增加的结构异质性。放大倍数：4X。

3D皮质脑类器官研究的主要挑战之一是确保可重复性和批次间一致性。即使使用相同的iPSC细胞系和分化方案，由于营养消耗、氧气供应和细胞应激反应的差异仍可能产生变异。在分化过程中多个时间点整合代谢读数，能够早期发现与预期轨迹的偏差，从而通过培养基调整、氧合控制或方案修改及时干预。

建立标准化代谢指纹图谱可强化质量控制，降低变异度并提升实验结果可信度。

代谢谱分析是研究神经发育的有力工具，可提供能量利用、营养消耗和细胞应激反应的时间分辨信息——这与传统结构标记物不同，后者通常依赖于组织成像或显微分析等终点的破坏性方法。

随着皮质脑类器官分化，它们经历影响细胞命运决定、神经元成熟和突触形成的代谢转变。监测这些通路为类器官发育和分化提供了额外的动态视角。

代谢检测在疾病建模中具有重要潜力，特别是对于阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病，其代谢功能障碍往往出现在淀粉样斑块或多巴胺能神经元缺失等标志性病理之前。

检测疾病类器官模型中的代谢偏差有助于区分真正的病理表型与技术假象，提高疾病建模的可靠性。

代谢读数增强了个性化医学的可重复性。患者来源的iPSC（诱导多能干细胞）常因遗传背景或表观遗传修饰而表现出固有的代谢差异。整合代谢读数可区分观察到的疾病表型是源于真实病理还是培养条件中的代谢漂移。这对于线粒体疾病、神经退行性疾病和代谢综合征等已知代谢基础的疾病尤为重要。

代谢谱分析的作用超越了质量控制，延伸到疾病建模领域，帮助区分真实病理表型与技术假象。患者来源的iPSC常带有可能影响分化的代谢倾向，使得难以确定观察到的异常是源于疾病相关功能障碍还是培养条件中的代谢漂移。

追踪葡萄糖消耗速率可反映皮质脑类器官在生长和分化过程中的细胞能量需求。由于葡萄糖是细胞的主要能量来源，供应与消耗之间的平衡能揭示发育过程的关键信息。

作为糖酵解副产物的乳酸水平变化，其浓度变化指示代谢向无氧代谢的转变——即使在富氧环境下也会发生，此现象称为沃伯格效应（Warburg effect）。乳酸水平升高可能提示应激、缺氧或能量代谢改变，使其成为疾病状态建模的关键指标。

上图.3D脑类器官葡萄糖消耗与乳酸生成的测定：使用Glucose-Glo™和Lactate-Glo™检测试剂盒，分别在第3天（拟胚体阶段）和第30天（大脑类器官阶段）对个体3D脑类器官（A、B、C）培养液中的葡萄糖和乳酸水平进行检测。结果展示了代谢读数如何随时间推移捕捉葡萄糖消耗与乳酸生成的变化，为3D皮质脑类器官代谢监测提供了无损检测方案。

监测支链氨基酸（BCAAs）可为氨基酸利用、细胞能量动态和应激反应提供关键信息——这些过程对精确模拟代谢性和神经退行性疾病至关重要。支链氨基酸代谢失调还与阿尔茨海默病、帕金森病等神经及神经退行性疾病存在关联。

谷氨酸检测具有重要意义，因其作为关键神经递质可反映皮质脑类器官的神经元活性、突触功能和整体代谢健康状态。此外，监测谷氨酸水平尤为关键，因其过量释放会导致兴奋性毒性——这是肌萎缩侧索硬化症、癫痫和亨廷顿病等神经退行性疾病的典型病理过程。

上图.3D脑类器官谷氨酸与支链氨基酸（BCAA）水平的测定：使用Glutamate-Glo™和BCAA-Glo™检测试剂盒，分别在第3天（拟胚体阶段）和第30天（大脑类器官阶段）对个体3D脑类器官（A、B、C）培养液中的谷氨酸和支链氨基酸浓度进行检测。追踪这些代谢物在神经分化过程中的变化，有助于研究人员评估神经元成熟度、突触功能以及与大脑发育相关的代谢适应。

上图. 3D脑类器官丙酮酸与苹果酸水平的测定：使用Pyruvate-Glo™和Malate-Glo™检测试剂盒，分别在第3天（拟胚体阶段）和第30天（大脑类器官阶段）对个体3D脑类器官（A、B、C）培养液中的丙酮酸和苹果酸浓度进行检测。该结果展示此类检测技术如何随时间推移监测苹果酸和丙酮酸水平，从而评估三羧酸循环动态变化，为3D模型代谢监测提供了非破坏性方法。

Promega提供基于多孔板的生物发光法细胞代谢检测方法，通过偶联的酶反应产生反光信号，反光信号与样品中特异的待测标记物浓度成正比。操作简单、灵敏度高，适用于高通量检测，一般可以拓展到384-1536孔板。可用于糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢、核苷酸与辅因子、氧化应激和线粒体功能等检测，助力代谢研究及药物发现。