Why Use BrainPhys ?

BrainPhys™ Neuronal Mediumは神経細胞用の基礎培地で、神経の活性と成熟を促進します。

神経培養の課題を克服しようと開発された培地組成（Bardy et al. PNAS, 2015）に基づくBrainPhys™は、中枢神経系（CNS）の細胞外環境を模倣することにより、in vitro におけるニューロンの生存だけでなく、シナプス活性などの神経機能をより良くサポートします。

BrainPhys™ は、ヒト多能性幹細胞（hPSC）由来ニューロンやCNS由来プライマリーニューロンを長期間培養できます。さらに、微小電極アレイ（MEA）測定や蛍光ライブイメージングなどの機能アッセイにそのまま使用できるため、培地変更により細胞にショックを与えることもありません。

神経活動を適切に評価することの重要性

機能的な神経活動が見られる培養は、シナプス伝達、可塑性、神経ネットワーク形成などの重要なプロセスを示すことによって脳の複雑さを模倣します。これらの特徴は、薬物スクリーニング、疾患モデリング、再生医療などのアプリケーションで決定的な役割を果たします。

ニューロンが機能するためには活動している必要があります。そのような生理的条件を再現できなければ、神経機能の障害、シナプス活動の低下、発達の未熟さ、そして信頼性の低い実験結果につながりかねません。

BrainPhys™培地は、神経活動の維持に必要な生理学的関連性の高い環境を再現し、上記アプリケーションにおける、より正確かつ信頼性の高い研究成果を保証します。

BrainPhysと他の神経培地の比較

プライマリーニューロンおよびヒト多能性幹細胞（hPSC）由来ニューロンの培養に用いられた従来の培地は、神経機能を促進するよりも細胞の生存をサポートするように設計されていました。これらの培地は大抵、浸透圧が低く、非生理的な濃度の塩分およびグルコースを含み、シナプス活性を抑制する神経活性成分を含む場合もあります。このような条件は、活動電位の生成やシナプス伝達などの重要な機能に障害を引き起こします。

これらの制約を一時的に解消するため、研究者は通常、培地を人工脳脊髄液（artificial cerebrospinal fluid; ACSF）に置換してデータを記録します。しかし、頻繁な培地交換はニューロンにストレスを与え、測定前に非生理的培地に長時間にわたって曝露する点は依然として課題です。神経活動は細胞のシグナル伝達、生存、形態、遺伝子発現、そして細胞内タンパク質・小器官の局在に直接影響を与えるため、ニューロンの成熟期を通じて生理的条件を維持することは、生体内の中枢神経系をよりよく反映する安定的なモデルを創出します。

BrainPhys™は、神経活動や成熟を抑制するのではなく促進し、より生理的な環境をもたらします。以下では、プライマリーおよびhPSC由来のニューロンを含むさまざまな神経モデル培養において、BrainPhys™を他の神経培地と比較した結果をご覧ください。

BrainPhys™による生理的条件の達成と、神経機能のサポート

表1. BrainPhys™と従来の神経培地（DMEM/F12、Neurobasal®）の比較

上段：培地特性（Properties of the medium）は、各項目が生理的条件を満たす場合にチェック印を付けています。

下段：神経機能（Neuronal function）は、各項目の神経活動が生理的レベルで見られる場合にチェック印を付けています。

引用元：Bardy et al. PNAS, 2015

ラット皮質ニューロンの神経活動を長期に維持【MEAでの解析例】

図1. グルコース添加したBrainPhys™は、他の市販培養系に比べて高い神経活性を維持
Primary E18 rat cortical neurons were cultured with BrainPhys™ and SM1 or other commercially available culture systems for 8 weeks. Neuronal activity can be detected at Day 9 with BrainPhys™, whereas activity is not detected until Day 14 in cultures maintained in either of the Commercial Media with Commercial Supplements. For Commercial Medium and Supplement-cultured neurons, mean firing rate remains low throughout culture. In contrast, a "peak-drop" activity pattern is observed in the Commercial Medium Plus condition, where mean firing rate increases rapidly within 2 days, followed by a drop in activity in the next 2 - 4 days. BrainPhys™and SM1 Kit with 15 mM glucose maintains the highest level of activity throughout the 8-week culture period.

*For applications that require particularly high seeding densities, such as MEA that results in greater-than-usual energetic demand, supplementation of BrainPhys™ with additional glucose (12.5 - 17.5 mM, e.g. final concentration of 15 - 20 mM) may be beneficial. We recommend optimizing for the lowest concentration that provides you with success in your application. The timing of supplementation should also be optimized. Cultures may be supplemented as soon as a culture is transitioned into BrainPhys™, but beginning the supplementation after 1-2 weeks in BrainPhys™ may also yield acceptable results.

ラット皮質ニューロンの化合物投与による神経活動変化を検出【MEAでの解析例】

図2. BrainPhys™は、他の市販培養系に比べて神経ネットワークの特徴をより良く検出
Individual wells of RCNs cultured in one of three media types (NeuroBasal + B27, BrainPhys + SM1, or NeuroBasal Plus + B27 Plus) are plotted according to their synchrony and activity metrics (A). Baseline and dosed values (1 hour after dosing with 4-AP) are shown for each media type (B) (n=4 wells for each media condition).

ラット皮質ニューロン（RCN）の神経活動を異なる培地中で測定し比較しました。BrainPhys™ + SM1（NeuroCult™ SM1 Neuronal Supplement）を使用した場合、ベースラインの神経活動は中程度で、興奮性化合物の4-AP投与後に活性と同期が増加することを検出できました。

図2は、Axion Biosystems社のウェブサイト（Best practices for in vitro neural assays on the Maestro MEA system）より許可を得て転載。詳しくはこちらをご覧ください。

hPSC由来ニューロンの自発的シナプス活動を改善【電気生理（電圧固定法）での解析例】

図3. BrainPhys™は、DMEM/F12に比べて高い神経活性をサポート
Neural progenitor cells (NPCs) were generated from H9 cells using STEMdiff™ Neural Induction Medium in an embryoid body-based protocol. Next, NPCs were cultured for 44 days in vitro in (A,C) BrainPhys™ Neuronal Medium, supplemented with 2% NeuroCult™ SM1 Supplement, 1% N2 Supplement-A, 20 ng/mL GDNF, 20 ng/mL BDNF, 1 mM db-cAMP, and 200 nM ascorbic acid to initiate neuronal differentiation, or (B,D) in DMEM/F-12 under the same supplementation conditions. (A,C) Neurons matured in BrainPhys™ Neuronal Medium showed spontaneous excitatory (AMPA-mediated; A) and inhibitory (GABA-mediated; C) synaptic events by voltage-clamp electrophysiology. The frequency and amplitude of spontaneous synaptic events are consistently greater in neuronal cultures matured in BrainPhys™ Neuronal Medium compared to neurons plated and matured in DMEM/F-12 (B,D). Traces are representative.

BrainPhysを利用できる実験系

神経細胞を市販または自家製の培地で培養するワークフローに、BrainPhys™はスムーズに組み込めます。他の市販培地からBrainPhys™への移行は容易で、より機能的な細胞の培養を可能にします。以下では、2次元（2D）または3次元（3D）培養での使用例を紹介します。

さらに詳しく知りたい方は、冊子「神経研究のための培養ガイドブック」もご参照ください：

2D培養

BrainPhys™に適切なサプリメント^*を添加してカスタマイズした「BrainPhys™ベースの培地」は、神経細胞の分化、成熟、共培養、機能アッセイなどの幅広い用途に使用できます。あるいは、BrainPhys™を含有する「STEMdiff™成熟用キット」を用いて、ヒト多能性幹細胞（hPSC）由来の各種ニューロンを最適化された条件で成熟させることもできます。

* 長期の無血清培養下で細胞の健康を保つのに必要な血清代替サプリメント（NeuroCult™ SM1 Neuronal Supplement、N2 Supplement-A など）。BrainPhys™にサプリメント類が付属した各種キット品もございます。

3D培養

BrainPhys™は、神経オルガノイドの電気活動記録などの短期的な3D神経アプリケーションに適しています。例として、hPSC由来の脊髄オルガノイドをMEAで解析した結果を示します（図4）。BrainPhys™はまた、神経オルガノイドの長期的な成熟にも使用できます。適切なサプリメントの添加や、培養条件の最適化が必要になることがあります。

図4. 脊髄オルガノイドをBrainPhys™ベースの培地で成熟させた際の電気生理的活性の増加
BrainPhys™ was incorporated into a standardized spinal cord organoid workflow (Catalog #100-1524) by transitioning organoids from STEMdiff™ Spinal Cord Differentiation Medium to BrainPhys™ supplemented with STEMdiff™ Neural Organoid Supplement A, with medium changes every 2 - 3 days. Spinal cord organoids matured in BrainPhys™ Neuronal Medium + STEMdiff™ Neural Organoid Supplement A displayed higher electrophysiological activity as measured by MEA compared to those matured in STEMdiff™ Neural Organoid Maintenance Kit Medium (Catalog #100-0120), with increased spikes, active electrodes, weighted mean firing rate (WMFR), burst number and frequency, and synchrony index. Data were normally distributed (D’Agostino & Pearson test) and analyzed with a paired t-test (n = 3 cell lines, 1 - 3 technical replicates; * p ≤ 0.05,** p ≤ 0.01).

図4は、学会発表ポスター（Figure 5C）より転載。詳しくはこちらをご覧ください。

毒性・薬剤応答性の研究に最適なBrainPhys

BrainPhys™は、神経細胞に対する薬剤の毒性や応答性の研究にも最適です。げっ歯類のプライマリーニューロンや、ヒト多能性幹細胞由来のニューロン・神経オルガノイドなどが対象となります。以下では、国内研究者によるMEAを用いたアプリケーション例を紹介します。

概要	詳細ページ
ラット初代培養皮質神経細胞の神経活動及び薬物応答性に与える培地条件の検討 - 小島 敦子 様（エーザイ株式会社 高度バイオシグナル安全性評価部） ラット初代皮質ニューロンをMEA上で培養して電気活動を測定し、培養開始から19日目に痙攣誘発陽性薬の添加実験を行いました。測定用の培地にBrainPhys™を使用すると、従来の培地に比べて用量依存的な応答が明瞭に検出されました。	詳細を見る
96ウェル 中脳オルガノイドの電気活動を指標とした化合物応答 - 鈴木 郁郎 先生（東北工業大学 大学院工学研究科 電子工学専攻） ヒトコントロールiPS 細胞株由来の96ウェル 中脳オルガノイド（Human iPSC-Derived Midbrain Organoids, Differentiated）を維持培養した後、培地をBrainPhys™に変更してMEAで電気活動を測定しました。1細胞の発火頻度およびニューロン間コネクション強度を指標としたL-DOPAの応答を検出できました。	詳細を見る
大脳皮質オルガノイドにおける痙攣陽性化合物および抗てんかん薬の応答 - 鈴木 郁郎 先生（東北工業大学 大学院工学研究科 電子工学専攻） STEMdiff™ Cerebral Organoid Kit で作製したヒトiPS 細胞由来の大脳皮質オルガノイドをMEA上に配置し、BrainPhys™を使用して電気活動を測定しました。大脳皮質オルガノイドの電気活動は痙攣陽性化合物および抗てんかん薬の投与に対して用量依存的で、かつ通常の2次元で培養したニューロンと比べて生体脳に近い応答が検出されました。	詳細を見る

その他のBrainPhysアプリケーション

神経細胞の2次元（2D）または3次元（3D）培養で、BrainPhys™を使用したアプリケーションや論文の一部を紹介します。

さらに詳しく知りたい方は、冊子「神経研究のための培養ガイドブック」もご参照ください：

2D培養

3D培養

論文

1. Proteolytic activities of extracellular vesicles attenuate A-synuclein aggregation K. Vekrellis et al. NPJ Parkinson's Disease 2025 Sep
2. Lithium partially rescues gene expression and enhancer activity from heterozygous knockout of AKAP11 while inducing novel differential changes N. Farhangdoost et al. Scientific Reports 2025 Oct
3. Rescue of imprinted genes by epigenome editing in human cellular models of Prader-Willi syndrome A. Nemoto et al. Nature Communications 2025 Oct

その他の論文は、こちら＞＞

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