Мини-мозг в стеклянной чашке раскрывает скрытые электрические признаки шизофрении и биполярного расстройства, приближая точную психиатрию как никогда ранее.
Мозг размером с горошину, выращенный из клеток пациентов, выявляет уникальные электрические сбои, связанные с шизофренией и биполярным расстройством. Этот прорыв может изменить диагностику и помочь врачам быстрее подобрать правильное лекарство. Автор: AI/ScienceDaily.com
Исследователи вырастили в лаборатории мозг размером с горошину, что дает беспрецедентный взгляд на то, как по-разному ведут себя нейроны при шизофрении и биполярном расстройстве. Этими психическими расстройствами страдают миллионы людей по всему миру, однако их по-прежнему трудно диагностировать, поскольку ученые до конца не разобрались в их молекулярных причинах.
Полученные результаты могут в конечном итоге помочь врачам сократить количество ошибок при диагностике и лечении психических расстройств. Сегодня многие психические расстройства выявляются только с помощью клинических исследований и лечатся методом проб и ошибок.
Исследование было опубликовано в журнале APL Bioengineering.
Почему шизофрению и биполярное расстройство трудно диагностировать
«Шизофрению и биполярное расстройство очень трудно диагностировать, потому что ни одна определенная часть мозга не задействована. Никакие специфические ферменты не активируются, как при болезни Паркинсона, еще одном неврологическом заболевании, при котором врачи могут диагностировать и лечить на основе уровня дофамина, хотя до сих пор нет надлежащего лечения», — сказала Энни Катурия, биомедицинский инженер из Университета Джона Хопкинса, возглавлявшая исследование. «Мы надеемся, что в будущем мы сможем не только подтвердить, что пациент страдает шизофренией или биполярным расстройством, с помощью органоидов головного мозга, но и начать тестирование лекарств на органоидах, чтобы выяснить, какие концентрации лекарств могут помочь ему прийти в здоровое состояние».
Как ученые создавали и изучали органоиды мозга
Для проведения исследования команда Катурии создала органоиды мозга, которые являются упрощенными версиями реальных человеческих органов. Они начали с превращения клеток крови и кожи пациентов с шизофренией, биполярным расстройством и здоровых людей в стволовые клетки, способные развиваться в ткани, подобные мозгу.
Затем команда использовала инструменты машинного обучения для анализа электрической активности клеток внутри этих мини-мозгов. В человеческом мозге нейроны взаимодействуют, посылая друг другу короткие электрические сигналы, и исследователи сосредоточились на выявлении закономерностей в этой деятельности, связанных со здоровыми и нездоровыми функциями мозга.
Электрические биомаркеры определяют психические заболевания
Ученые обнаружили, что специфические особенности электрического поведения органоидов действуют как биомаркеры шизофрении и биполярного расстройства. Используя только эти сигналы, они смогли правильно определить, какие органоиды исходили от пациентов, страдающих шизофренией, в 83% случаев. Когда ткани подвергались мягкой электрической стимуляции, направленной на усиление нейронной активности, точность увеличивалась до 92%.
Обнаруженные ими закономерности были сложными и высокоспецифичными. Нейроны пациентов с шизофренией и биполярным расстройством демонстрировали необычные всплески возбуждения и временные изменения при нескольких электрических измерениях, что создавало четкую характеристику для каждого состояния.
«По крайней мере, на молекулярном уровне мы можем проверить, что идет не так, когда мы готовим эти мозги в посуде, и отличить органоиды здорового человека, больного шизофренией или биполярным расстройством, основываясь на этих электрофизиологических признаках», — сказала Катурия. «Мы отслеживаем электрические сигналы, вырабатываемые нейронами в процессе развития, сравнивая их с органоидами пациентов без этих психических расстройств».
Используя микрочипы для составления карты активности мозга
Чтобы лучше понять, как нейроны формируют сети, исследователи поместили органоиды на микрочипы, оснащенные многоэлектродными решетками, расположенными в виде сетки. Эта установка позволила им собирать данные способом, похожим на крошечную электроэнцефалограмму, или ЭЭГ, — тест, который врачи используют для измерения мозговой активности пациентов.
Когда органоиды полностью развились, они достигли примерно трех миллиметров в диаметре. Они содержали несколько типов нервных клеток, которые обычно находятся в префронтальной коре головного мозга, области, отвечающей за мышление на более высоком уровне. Мини-мозг также вырабатывал миелин — вещество, которое изолирует нервные клетки и помогает электрическим сигналам передаваться более эффективно.
На пути к персонализированному психиатрическому лечению
В исследование были включены образцы, взятые всего у 12 пациентов, но Катурия считает, что результаты указывают на перспективное клиническое применение. Органоиды в конечном итоге могут послужить платформой для тестирования психиатрических препаратов, прежде чем они будут назначены пациентам.
В настоящее время команда сотрудничает с нейрохирургами, психиатрами и нейробиологами из Медицинской школы Джона Хопкинса. Они собирают дополнительные образцы крови у пациентов психиатрических клиник, чтобы изучить, как различные концентрации лекарств влияют на активность органоидов. Даже имея ограниченное количество образцов, исследователи полагают, что они смогут предложить дозы лекарств, которые помогут восстановить здоровые нейронные структуры.
«Именно так большинство врачей назначают пациентам эти препараты, методом проб и ошибок, на поиск нужного препарата может уйти шесть или семь месяцев», — говорит Катурия. «Клозапин — самый распространенный препарат, назначаемый при шизофрении, но около 40% пациентов устойчивы к нему. С нашими органоидами, возможно, нам не придется прибегать к методу проб и ошибок. Возможно, мы сможем дать им нужное лекарство раньше».