Новый метод диагностики шизофрении и биполярного расстройства

Мини-мозги (органоиды) в чашке Петри раскрывают скрытые электрические признаки шизофрении и биполярного расстройства, приближая психиатрию к большей точности, чем когда-либо.

 

Крошечные мозги, выращенные в лаборатории, дают беспрецедентное представление о том, как шизофрения и биполярное расстройство нарушают нервную деятельность. Исследователи обнаружили четкие электрические паттерны, которые позволяют с высокой точностью идентифицировать эти заболевания. Это открытие открывает путь к более точным диагнозам и персонализированному тестированию лекарств. Вместо того, чтобы гадать, какие лекарства назначить, врачи однажды смогут увидеть, что сработает, прежде чем лечить пациента.

 

Исследователи вырастили в лаборатории мозги размером с горошину, которые дают беспрецедентное представление о том, как нейроны ведут себя по-разному при шизофрении и биполярном расстройстве. Эти психические заболевания затрагивают миллионы людей во всем мире, но их по-прежнему трудно диагностировать, поскольку ученые до конца не понимают их молекулярных причин.

 

Эти открытия в конечном итоге могут помочь врачам сократить количество ошибок при диагностике и лечении психических расстройств. Сегодня многие психические расстройства диагностируются исключительно на основе клинического суждения и лечатся с помощью метода проб и ошибок при подборе лекарств. Исследование было опубликовано в журнале APL Bioengineering.

 

 

«Шизофрению и биполярное расстройство очень трудно диагностировать, потому что ни одна конкретная часть мозга не выходит из строя. Никакие конкретные ферменты не выходят из строя, как при болезни Паркинсона, другом неврологическом заболевании, которое врачи могут диагностировать и лечить на основе уровня дофамина, хотя оно все еще не имеет надлежащего лечения», — сказала Энни Катурия, биомедицинский инженер из Университета Джона Хопкинса, которая возглавляла исследование. «Мы надеемся, что в будущем мы сможем не только подтвердить, что пациент страдает шизофренией или биполярным расстройством, на основе органоидов мозга, но и начать тестировать лекарства на органоидах, чтобы выяснить, какие концентрации лекарств могут помочь им достичь здорового состояния».

 

 

Для проведения исследования команда Катурии создала органоиды мозга, которые являются упрощенными версиями реальных человеческих органов. Они начали с превращения крови и кожных клеток пациентов с шизофренией, биполярным расстройством и здоровых людей в стволовые клетки, способные развиваться в ткани, похожие на мозг.

 

Затем команда использовала инструменты машинного обучения для анализа электрической активности клеток внутри этих мини-мозгов. В человеческом мозге нейроны общаются, посылая друг другу короткие электрические сигналы, и исследователи сосредоточились на выявлении паттернов в этой активности, связанных со здоровой и нездоровой функцией мозга.

 

 

Ученые обнаружили, что определенные особенности электрического поведения органоидов действуют как биомаркеры шизофрении и биполярного расстройства. Используя только эти сигналы, они смогли правильно определить, какие органоиды были получены от пациентов с заболеванием, в 83% случаев. Когда ткань получала мягкую электрическую стимуляцию, предназначенную для усиления нервной активности, точность увеличивалась до 92%.

 

Выявленные ими закономерности были сложными и высокоспецифичными. Нейроны пациентов с шизофренией и биполярным расстройством демонстрировали необычные всплески активности и изменения во времени при нескольких электрических измерениях, создавая отличительную сигнатуру для каждого состояния.

 

«По крайней мере на молекулярном уровне мы можем проверить, что идет не так, когда мы создаем эти мозги в чашке Петри, и отличить органоиды здорового человека, пациента с шизофренией или биполярным расстройством на основе этих электрофизиологических сигнатур», — сказал Катурия. «Мы отслеживаем электрические сигналы, производимые нейронами во время развития, сравнивая их с органоидами пациентов, не страдающих этими психическими расстройствами».

 

 

Чтобы лучше понять, как нейроны формируют сети, исследователи поместили органоиды на микрочипы, оснащенные многоэлектродными матрицами, расположенными в виде сетки. Такая установка позволила им собирать данные способом, похожим на крошечную электроэнцефалограмму, или ЭЭГ, тест, который врачи используют для измерения мозговой активности у пациентов.

 

Полностью развившись, органоиды достигли диаметра около трех миллиметров. Они содержали несколько типов нервных клеток, которые обычно находятся в префронтальной коре головного мозга, области, участвующей в высших формах мышления. Мини-мозги также производили миелин, вещество, которое изолирует нервные клетки и помогает электрическим сигналам передаваться более эффективно.

 

В исследовании участвовали всего 12 пациентов, но Катурия считает, что его результаты открывают путь к значимым клиническим применениям. В конечном итоге органоиды могут стать платформой для тестирования психиатрических препаратов перед их назначением пациентам.

 

В настоящее время команда сотрудничает с нейрохирургами, психиатрами и нейробиологами из Медицинской школы Джона Хопкинса. Они собирают дополнительные образцы крови у психиатрических пациентов, чтобы изучить, как различные концентрации лекарств влияют на активность органоидов. Даже при ограниченном количестве образцов исследователи полагают, что смогут предложить дозы лекарств, которые помогут восстановить более здоровые нейронные паттерны.

 

«Именно так большинство врачей назначают пациентам эти лекарства, методом проб и ошибок, который может занять шесть или семь месяцев, чтобы найти подходящее лекарство», — сказал Катурия. «Клозапин — наиболее распространенный препарат, назначаемый при шизофрении, но около 40 % пациентов не реагируют на него. С помощью наших органоидов, возможно, нам не придется проходить этот период проб и ошибок. Возможно, мы сможем назначить им правильный препарат раньше».

Источник: sciencedaily.com