Дослідники виростили в лабораторії мозки розміром з горошину, які дають безпрецедентне уявлення про те, як нейрони поводяться по-різному при шизофренії та біполярному розладі. Ці психічні захворювання вражають мільйони людей у всьому світі, проте їх все ще важко діагностувати, оскільки вчені до кінця не зрозуміли їх молекулярні причини.
Ці відкриття можуть зрештою допомогти лікарям зменшити кількість помилок у діагностуванні та лікуванні психічних розладів. Сьогодні багато психічних захворювань діагностуються виключно на основі клінічного судження, а лікуються методом проб і помилок.
Результати дослідження опубліковано в журналі APL Bioengineering.
Чому шизофренію та біполярний розлад важко діагностувати
«Шизофренію та біполярний розлад дуже важко діагностувати, оскільки жодна конкретна частина мозку не виходить з ладу. Не виходять з ладу жодні конкретні ферменти, як у випадку з хворобою Паркінсона, іншим неврологічним захворюванням, яке лікарі можуть діагностувати та лікувати на основі рівня дофаміну, хоча воно все ще не має належного лікування», — сказала Енні Катурія, біомедичний інженер з Університету Джона Хопкінса, яка очолювала дослідження. «Ми сподіваємося, що в майбутньому ми зможемо не тільки підтвердити, що пацієнт страждає на шизофренію або біполярний розлад за допомогою органоїдів мозку, але й почати тестувати ліки на органоїдах, щоб з’ясувати, які концентрації ліків можуть допомогти їм досягти здорового стану».
Як вчені створили та досліджували органоїди мозку
Для проведення дослідження команда Катурії створила органоїди мозку, які є спрощеними версіями справжніх людських органів. Вони почали з перетворення клітин крові та шкіри пацієнтів зі шизофренією, біполярним розладом та здорових осіб на стовбурові клітини, здатні розвиватися в тканину, схожу на мозок.
Потім команда використовувала інструменти машинного навчання для аналізу електричної активності клітин всередині цих міні-мозків. У людському мозку нейрони спілкуються, надсилаючи один одному короткі електричні сигнали, і дослідники зосередилися на виявленні закономірностей у цій активності, пов’язаних зі здоровою та нездоровою функцією мозку.
Електричні біомаркери ідентифікують психічні захворювання
Вчені виявили, що специфічні особливості електричної поведінки органоїдів виступають біомаркерами шизофренії та біполярного розладу. Використовуючи лише ці сигнали, вони змогли правильно ідентифікувати органоїди, що походили від хворих пацієнтів, у 83% випадків. Коли тканина отримувала м’яку електричну стимуляцію, призначену для підвищення нейронної активності, точність зростала до 92%.
Виявлені ними закономірності були складними і дуже специфічними. Нейрони пацієнтів зі шизофренією та біполярним розладом демонстрували незвичайні спалахи активності та зміни в часі під час численних електричних вимірювань, створюючи чітку ознаку для кожного захворювання.
«Принаймні на молекулярному рівні ми можемо перевірити, що саме йде не так, коли ми створюємо ці мозки в чашці Петрі, і розрізнити органоїди здорової людини, пацієнта зі шизофренією або біполярним розладом на основі цих електрофізіологічних сигнатур», — сказав Катурія. «Ми відстежуємо електричні сигнали, що генеруються нейронами під час розвитку, порівнюючи їх з органоїдами пацієнтів без цих психічних розладів».
Використання мікрочіпів для відображення активності мозку
Щоб краще зрозуміти, як нейрони утворюють мережі, дослідники розмістили органоїди на мікрочіпах, оснащених мультиелектродними матрицями, розташованими у вигляді сітки. Така конфігурація дозволила їм збирати дані подібно до крихітного електроенцефалографа, або ЕЕГ, тесту, який лікарі використовують для вимірювання активності мозку у пацієнтів.
Після повного розвитку органоїди досягли діаметра близько трьох міліметрів. Вони містили кілька типів нервових клітин, які зазвичай знаходяться в префронтальній корі головного мозку, області, що бере участь у вищому рівні мислення. Міні-мозки також виробляли мієлін, речовину, яка ізолює нервові клітини і допомагає електричним сигналам передаватися більш ефективно.
На шляху до персоналізованого психіатричного лікування
Дослідження включало зразки лише від 12 пацієнтів, але Катурія вважає, що результати вказують на значущі клінічні застосування. Органоїди можуть з часом слугувати платформою для тестування психіатричних ліків перед тим, як ці ліки будуть призначені пацієнтам.
Зараз команда співпрацює з нейрохірургами, психіатрами та нейробіологами з Медичної школи Джона Гопкінса. Вони збирають додаткові зразки крові від психіатричних пацієнтів, щоб вивчити, як різні концентрації ліків впливають на активність органоїдів. Навіть маючи обмежену кількість зразків, дослідники вважають, що вони можуть запропонувати дози ліків, які допоможуть відновити здоровіші нейронні патерни.
«Саме так більшість лікарів призначають пацієнтам ці ліки, методом проб і помилок, який може зайняти шість або сім місяців, щоб знайти правильний препарат», — сказав Катурія. «Клозапін — найпоширеніший препарат, що призначається при шизофренії, але близько 40 % пацієнтів мають до нього резистентність. З нашими органоїдами, можливо, нам не доведеться проходити цей період проб і помилок. Можливо, ми зможемо призначити їм правильний препарат раніше».
