Исследователи вырастили в лаборатории крошечные мозговые органоиды размером с горошину, которые открывают новые возможности для изучения поведения нейронов при шизофрении и биполярном расстройстве. Эти психические заболевания затрагивают миллионы людей по всему миру, однако их диагностика по-прежнему затруднена из-за недостаточного понимания молекулярных механизмов, лежащих в их основе.

Новые подходы к диагностике психических расстройств

Полученные результаты могут в будущем помочь врачам снизить количество ошибок при диагностике и лечении психических заболеваний. В настоящее время многие психиатрические диагнозы ставятся на основе клинического опыта, а подбор медикаментов часто осуществляется методом проб и ошибок. Исследование, опубликованное в журнале APL Bioengineering, предлагает более точные инструменты для диагностики.

Почему шизофрению и биполярное расстройство сложно выявить?

По словам биомедицинского инженера Энни Катхурии из Университета Джонса Хопкинса, возглавившей исследование, в отличие от некоторых других заболеваний, например болезни Паркинсона, у шизофрении и биполярного расстройства нет специфических биомаркеров или ферментов, по которым можно было бы поставить диагноз и подобрать лечение. Катхурия отмечает, что в будущем органоиды мозга могут не только подтвердить диагноз, но и стать платформой для тестирования лекарств, чтобы определить наиболее эффективные дозировки для каждого пациента.

Как создавались и исследовались мозговые органоиды

Команда Катхурии разработала упрощённые модели человеческого мозга — органоиды, используя клетки крови и кожи пациентов с шизофренией, биполярным расстройством и здоровых людей. Эти клетки были перепрограммированы в стволовые, способные развиваться в ткань, напоминающую мозговую.

Далее с помощью методов машинного обучения ученые анализировали электрическую активность клеток внутри мини-мозгов. В человеческом мозге нейроны обмениваются короткими электрическими сигналами, и исследователи сосредоточились на выявлении закономерностей, связанных со здоровым и патологическим функционированием мозга.

Электрические биомаркеры психических заболеваний

Ученые обнаружили, что определённые особенности электрической активности органоидов могут служить биомаркерами шизофрении и биполярного расстройства. Используя только эти сигналы, им удалось правильно определить происхождение органоидов (здоровый или больной пациент) в 83% случаев. После мягкой электрической стимуляции тканей точность возрастала до 92%.

Выявленные закономерности оказались сложными и специфичными: нейроны пациентов с психическими расстройствами демонстрировали необычные всплески и изменения по нескольким электрическим показателям, формируя уникальный «подпись» для каждого состояния.

Молекулярные различия и перспективы персонализированной терапии

Катхурия отмечает, что на молекулярном уровне можно отличить органоиды здорового человека, пациента с шизофренией или биполярным расстройством по их электрофизиологическим характеристикам. Исследователи отслеживают электрические сигналы, которые производят нейроны в процессе развития, и сравнивают их между разными группами пациентов.

Использование микрочипов для картирования мозговой активности

Для лучшего понимания формирования нейронных сетей органоиды размещались на микрочипах с многоэлектродными матрицами, что позволяло собирать данные, аналогичные миниатюрной электроэнцефалограмме (ЭЭГ). После полного развития диаметр органоидов достигал примерно трёх миллиметров, и они содержали несколько типов нервных клеток, характерных для префронтальной коры — области, отвечающей за высшие когнитивные функции. Мини-мозги также вырабатывали миелин, способствующий эффективной передаче электрических сигналов.

Персонализированное лечение психических расстройств

В исследовании использовались образцы всего от 12 пациентов, однако Катхурия считает, что результаты указывают на перспективные клинические применения. В будущем органоиды могут стать платформой для тестирования психиатрических препаратов до их назначения пациентам.

Сейчас команда сотрудничает с нейрохирургами, психиатрами и нейробиологами из Медицинской школы Джонса Хопкинса, собирая дополнительные образцы крови у психиатрических пациентов для изучения влияния различных концентраций лекарств на активность органоидов. Даже с ограниченным числом образцов исследователи надеются подобрать дозировки, которые помогут восстановить более здоровые нейронные паттерны.

Катхурия отмечает, что сегодня подбор препаратов часто занимает шесть-семь месяцев, поскольку врачи вынуждены действовать методом проб и ошибок. Например, клозапин — самое распространённое лекарство при шизофрении, но около 40% пациентов к нему устойчивы. Использование органоидов может значительно ускорить процесс поиска эффективного лечения, позволяя подобрать подходящий препарат быстрее и точнее.