Флуоресцентное изображение органоида мозга, демонстрирующее нейроэпителиальную структуру, где нейроны выделены зеленым (TUJ1), а ядра клеток окрашены в синий цвет (DAPI). Фото предоставлено лабораторией Мачиараки. Сотрудники Университета Джонса Хопкинса представили новые данные, указывающие на то, что миниатюрные кластеры мозговой ткани, культивированные из клеток пациентов с болезнью Альцгеймера, способны помочь прогнозировать вариативность реакции на лекарственные препараты, применяемые для терапии этого недуга.
Эксперимент проводился на выращенных в лабораторных условиях тканях мозга, известных как органоиды. Полученные результаты укрепляют растущий корпус доказательств, свидетельствующих о том, что эти уменьшенные модели мозга в перспективе могут содействовать научным изысканиям и подбору более адресных терапевтических стратегий для отдельных групп пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера — наиболее распространенной формой деменции, поражающей свыше 7 миллионов американцев.
Исследовательская группа дополнительно установила, что органоиды выявляют мельчайшие частицы, формирующие внеклеточные пузырьки, лишенные клеточного содержимого. Эти элементы, как предполагается, способны стать новыми биомаркерами для мониторинга терапии болезни Альцгеймера и отслеживания динамики ее прогрессирования. Работа, частично профинансированная учреждением института здравоохранения, была опубликована в журнале Болезнь Альцгеймера & Деменция: журнал Ассоциации Альцгеймера.
«Наше исследование предполагает, что крупномасштабные органоиды головного мозга, полученные от пациентов, и везикулы, которые, как оказалось, могут помочь нам определить стадию болезни Альцгеймера, выявить механизмы, которые ее вызывают, и оценить, как подгруппы пациентов могут реагировать на различные методы лечения», — комментирует руководитель исследования Василики Мачайраки, философ, доцент кафедры генетики, докторской медицины Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса.
Мини-модели мозга как инструмент персонализированной терапии
В настоящее время лекарства от болезни Альцгеймера не существует, однако селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (СИОЗС) нередко назначаются для купирования нервно-психических симптомов, включая тревогу, депрессию и возбуждение. «Эти симптомы наблюдаются почти у всех пациентов, но реакция на лекарства сильно различается», — подчеркивает Мачаираки.
Специалисты Университета Джонса Хопкинса сфокусировались на миниатюрных моделях заднего мозга — области, расположенной в задней части черепа и отвечающей за регуляцию таких жизненно важных функций, как дыхание, сон и частота сердечных сокращений. Целью команды было выяснить, способны ли эти модели выявить молекулярные признаки, указывающие на то, что оксалат эсциталопрама (СИОЗС) может облегчать симптомы, ассоциированные с болезнью Альцгеймера.
Трансформация клеток крови пациента в ткань мозга
Исходным материалом для работы послужили образцы крови, собранные с согласия лиц, страдающих болезнью Альцгеймера, в Исследовательском центре болезни Альцгеймера имени Джонса Хопкинса при Национальном институте здравоохранения. Ученые перепрограммировали клетки крови, возвращая их в состояние, аналогичное стволовым клеткам. Полученные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, в теории, могут давать начало клеткам любого типа.
Используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки как от пациентов с болезнью Альцгеймера, так и от здоровых добровольцев, исследовательская группа создала органоиды заднего мозга. Эти структуры содержат специализированные клетки мозга (нейроны), продуцирующие нейромедиатор серотонин. Клеткам было предложено организоваться в небольшие кластеры мозговой ткани размером с горошину, имитирующие задний мозг. В исследование вошли сотни органоидов, репрезентирующих как отдельных пациентов с болезнью Альцгеймера, так и здоровых участников. Мачайраки полагает, что это может быть одним из наиболее масштабных исследований органоидов мозга, проведенных на сегодняшний день в контексте болезни Альцгеймера.
Органоиды болезни Альцгеймера демонстрируют отчетливые молекулярные изменения
Органоиды, полученные от пациентов, воспроизводят несколько ключевых биологических характеристик болезни Альцгеймера на молекулярном уровне. В сравнении с органоидами, выращенными из клеток здоровых людей, органоиды, культивированные из клеток пациентов с болезнью Альцгеймера, проявляют различия в белках, связанных с коммуникацией между клетками головного мозга, воспалительными процессами и патологическими путями.
Затем исследователи обработали органоиды оксалатом эсциталопрама.
италопрама, широко назначаемого антидепрессанта.
В некоторых органоидах, полученных от пациентов, препарат увеличивает количество белков, участвующих в передаче сигналов серотонина и коммуникации между клетками головного мозга. Это путь, на основе которого создаются антидепрессанты. Другие органоиды проявляют слабую молекулярную реакцию или вообще не проявляют ее.
«Мы использовали эти органоиды, чтобы смоделировать, как ткани некоторых пациентов могут реагировать на обычно называемые СИОЗС», — сказал он. Говорите Мачайраки. «На крупномасштабном уровне наша модель в конечном итоге может быть использована для выделения подгрупп пациентов на основе основных молекулярных факторов, которые с большей вероятностью будут реагировать на микроволновых лекарствах и, таким образом, помогут нам создать точные, целенаправленные методы лечения в широком направлении».
Крошечные пузырьки могут быть образцами ответов на лекарства
Затем мы исследовали, могут ли внеклеточные везикулы, популярные органоиды, служить биокерамиками организма Альцгеймера, или помочь исследователям оценить, как ткани реагируют на лечение.
До и после обработки органоидов эсциталопрамом ученые исследовали белок внутри внеклеточных везикул, высвобождаемых органоидов, полученных от пациента, и здоровых контролируемых органоидов.
Везикулы представляют собой символы, участвующие в основных видах деятельности мозга, включая связь между нейронами, памятью и высвобождением нейротрансмиттеров.
Органоиды, выращенные из клеток людей с болезнью Альцгеймера, проявляют явные изменения в нескольких белках, вызванные заболеванием. Уровни RAB3A, NSF и ATCAY были ниже в органоидах болезни Альцгеймера. Они выражают свою роль в нормальной передаче сигналов между клетками мозга.
После лечения эсциталопрамом в некоторых примерах повышаются уровни некоторых белков. Изменения были особенно заметными в белках, связанных с передачей сигналов серотонина и синаптических путей, на которые ориентируются антидепрессанты.
Некоторые органоиды продемонстрировали сильные молекулярные реакции, в то время как другие незначительные изменения или вообще не изменились. По словам Мачайраки, это изменение увеличивает вероятность того, что внеклеточные везикулы из органоидов головного мозга могут в конечном итоге помочь определить, какие пациенты с наибольшей вероятностью получаются в результате тщательного рассмотрения.
Создание более реалистичных органоидов мозга
Мачаераки планируют создать более совершенные органоиды, содержащие иммунные клетки и сосудистые сети, имитирующие кровеносные сосуды. Добавление этих функций может сделать ткани более похожими на живую ткань человеческого мозга.
Она надеется, что благодаря сторонним исследованиям внеклеточных везикулы однажды смогут функционировать как своего рода жидкая биопсия. Такая защита может помочь диагностировать болезнь Альцгеймера, определить ее стадию и определить конкретный подтип заболевания у пациента.
Мачаираки подчеркнул, что нынешнее исследование представляет собой ранний шаг на пути к этой цели.
Помимо Мачайраки, в эту работу внесли вклад Рэйчел Бойд, Дайюн Донг, Рам Сагар, Вакар Ахмед, Ксения Андрони, Пол Розенберг, Константин Ликетсос и Кеннет Уитвер из Джонса Хопкинса, Антон Илюк из Тиморы Аналитические операции и Антон Порстейнссон из Школы медицины и стоматологии Рочестерского университета.
Финансирование данного исследования было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (T32 AG058527, R01AG052510, P30AG066507, 1RF1AG083801, AGR01054771, AGR01050515, AGR01046543 и AGR01071522), Фонд Пола Дж. Аллена Фронтиерс и Центр передового опыта семьи Ричмана в области точной медицины в области Бо Альцгеймера в Университете Джонса Хопкинса.
Ни один автор не соответствует соответствующим конфликтным интересам в соответствии с политикой Университета Джонса Хопкинса.