Нейронну основу шизофренії та біполярного розладу вдалося виявити у вирощених в лабораторії мозкових органоїдах — утвореннях з нервових клітин розміром з горошину. Виявилося, що клітини можуть синхронно пульсувати у характерний спосіб і за цією активністю можна відрізнити здорові клітини від патологічних. Це відкриття може допомогти зменшити помилки в діагностиці й лікуванні психічних розладів, які досі визначають лише за допомогою клінічної оцінки симптомів. Дослідження опублікували в журналі APL Bioengineering.
Як лабораторні мінімізки допомагають розпізнати психічні розлади?
Шизофренію та біполярний розлад досі було важко діагностувати, адже, на відміну від інших неврологічних хвороб, вони не мають чітких біомаркерів чи вимірюваних показників. Попередні пошуки генетичних чи нейрохімічних відмінностей пацієнтів із цими розладами давали суперечливі результати, тому увагу почали зміщувати на моделі, що відтворюють розвиток і роботу мозку в лабораторних умовах.
Одним із таких підходів стало створення мозкових органоїдів — спрощених копій мозку, вирощених зі стовбурових клітин, отриманих із крові чи шкіри пацієнтів. У них можна відстежувати електричні імпульси, за допомогою яких нейрони взаємодіють між собою. Це дозволяє порівнювати клітинну активність здорових і хворих людей та шукати характерні відмінності. Тому команда з Університету Джонса Гопкінса застосувала нові алгоритми машинного навчання, щоб виявити у мінімізках відмінності, які б чітко розділяли здорові й патологічні стани.
Як за електричною активністю органоїдів визначали психічні розлади?
Щоб простежити, як нейрони органоїдів формують мережі між собою, дослідники розмістили мінімізки на мікрочіпі з багатоелектродними масивами, що працюють подібно до електроенцефалографії (ЕЕГ). Клітини генерували електричні сигнали, які можна було аналізувати алгоритмами машинного навчання, щоб виявити характерні патерни активності. Органоїди, повністю вирощені до діаметра близько трьох міліметрів, містили різні типи нейронів префронтальної кори. Містили також мієлін — клітинний матеріал, який огортає та ізолює нерви, щоб покращити мережу сигналів, необхідних мозку для зв'язку з рештою тіла.
У дослідженні взяли участь 12 пацієнтів з шизофренією та біполярним розладом, у яких взяли ряд клітин для створення органоїдів, як і в здорових учасників. Аналіз показав, що відмінності у нейронній активності дозволяють з точністю до 83 відсотків визначати патологічні стани, а після слабких стимулюючих електричних імпульсів точність діагностики зросла до 92 відсотків. Науковці виявили характерні для різних психічних розладів складні сплески нейронної активності з різними інтервалами. Це демонструє, що навіть невелика вибірка може стати основою для тестування впливу психіатричних препаратів та визначення їх ефективних концентрацій на органоїдах.
Як це допоможе покращити лікування психічних розладів?
Нове дослідження відкриває можливість тестувати вплив психіатричних препаратів безпосередньо на мозкових органоїдах пацієнтів, що може значно скоротити час підбору ефективного лікування. Зараз лікарі часто використовують метод спроб і помилок, який може займати шість-сім місяців, тоді як близько 40 відсотків пацієнтів із шизофренією не реагують на найпоширеніший препарат клозапін. Використання органоїдів дозволяє оцінити, які концентрації ліків можуть нормалізувати активність нейронів, і потенційно підібрати ефективний препарат ще до початку клінічної терапії.
Як органоїди допомагають у діагностуванні захворювань
🧠 Науковцям вдалося створити органоїди мозку людини з клітин ембріона, що може посприяти дослідженню вроджених патологій нервової системи.
🤰 Однак дослідники пішли ще далі, створивши органоїди різних органів із клітин, які отримали з навколоплідної рідини, — так хвороби діагностуватимуть ще до народження дитини.
🐭 Людські органоїди науковці також пересадили мишам — і вперше це зробили просто в організмі вагітних самиць. Це дозволить вивчати хвороби на більш подібному на людський організмі.
💔 А органоїди людського серця, які відправили на Міжнародну космічну станцію, показали, що під впливом радіації та мікрогравітації вже за 12 днів порушилася робота серцевих клітин.