Minicérebros revelam sinais cerebrais claros de esquizofrenia e transtorno bipolar

As descobertas poderão eventualmente ajudar os médicos a reduzir erros no diagnóstico e tratamento de distúrbios de saúde mental. Hoje, muitas condições psiquiátricas são identificadas apenas através do julgamento clínico e tratadas através de uma abordagem de tentativa e erro à medicação.

A pesquisa foi publicada na revista Bioengenharia APL.

Por que a esquizofrenia e o transtorno bipolar são difíceis de diagnosticar

“A esquizofrenia e o transtorno bipolar são muito difíceis de diagnosticar porque nenhuma parte específica do cérebro dispara. Nenhuma enzima específica dispara como no Parkinson, outra doença neurológica onde os médicos podem diagnosticar e tratar com base nos níveis de dopamina, mesmo que ainda não tenha uma cura adequada”, disse Annie Kathuria, engenheira biomédica da Universidade Johns Hopkins que liderou o estudo. “Nossa esperança é que, no futuro, possamos não apenas confirmar que um paciente é esquizofrênico ou bipolar a partir dos organoides cerebrais, mas que também possamos começar a testar drogas nos organoides para descobrir quais concentrações de medicamentos podem ajudá-los a chegar a um estado saudável”.

Como os cientistas construíram e estudaram organoides cerebrais

Para conduzir o estudo, a equipe de Kathuria criou organoides cerebrais, que são versões simplificadas de órgãos humanos reais. Eles começaram transformando células do sangue e da pele de pacientes com esquizofrenia, transtorno bipolar e de indivíduos saudáveis ​​em células-tronco capazes de se transformar em tecido semelhante ao cérebro.

A equipe então usou ferramentas de aprendizado de máquina para analisar a atividade elétrica das células dentro desses minicérebros. No cérebro humano, os neurônios se comunicam enviando breves sinais elétricos entre si, e os pesquisadores se concentraram na identificação de padrões nessa atividade ligados ao funcionamento cerebral saudável e não saudável.

Biomarcadores elétricos identificam doenças mentais

Os cientistas descobriram que características específicas do comportamento elétrico dos organoides atuavam como biomarcadores para esquizofrenia e transtorno bipolar. Usando apenas esses sinais, eles conseguiram identificar corretamente quais organoides vinham dos pacientes afetados em 83% das vezes. Quando o tecido recebeu estimulação elétrica suave projetada para estimular mais atividade neural, a precisão aumentou para 92%.

Os padrões que descobriram eram complexos e altamente específicos. Neurônios de pacientes com esquizofrenia e transtorno bipolar mostraram picos de disparo incomuns e mudanças de tempo em múltiplas medições elétricas, criando uma assinatura distinta para cada condição.

“Pelo menos molecularmente, podemos verificar o que há de errado quando fabricamos esses cérebros em um prato e distinguir entre organoides de uma pessoa saudável, de um paciente com esquizofrenia ou de um paciente bipolar com base nessas assinaturas eletrofisiológicas”, disse Kathuria. “Rastreamos os sinais elétricos produzidos pelos neurônios durante o desenvolvimento, comparando-os com organoides de pacientes sem esses transtornos mentais”.

Usando microchips para mapear a atividade cerebral

Para entender melhor como os neurônios formavam redes, os pesquisadores colocaram os organoides em microchips equipados com matrizes de múltiplos eletrodos dispostos como uma grade. Essa configuração permitiu que coletassem dados de maneira semelhante a um pequeno eletroencefalograma, ou EEG, o teste que os médicos usam para medir a atividade cerebral dos pacientes.

Quando totalmente desenvolvidos, os organoides atingiram cerca de três milímetros de diâmetro. Eles continham vários tipos de células neurais normalmente encontradas no córtex pré-frontal do cérebro, uma região envolvida no pensamento de nível superior. Os minicérebros também produziram mielina, uma substância que isola as células nervosas e ajuda os sinais elétricos a viajarem com mais eficiência.

Rumo a tratamentos psiquiátricos personalizados

O estudo incluiu amostras de apenas 12 pacientes, mas Kathuria acredita que os resultados apontam para aplicações clínicas significativas. Os organoides poderiam eventualmente servir como plataforma de teste para medicamentos psiquiátricos antes que esses medicamentos sejam prescritos aos pacientes.

A equipe agora está colaborando com neurocirurgiões, psiquiatras e neurocientistas da Escola de Medicina John Hopkins. Eles estão coletando amostras de sangue adicionais de pacientes psiquiátricos para estudar como diferentes concentrações de drogas afetam a atividade organoide. Mesmo com um número limitado de amostras, os pesquisadores acreditam que poderão sugerir doses de medicamentos que ajudem a restaurar padrões neurais mais saudáveis.

“É assim que a maioria dos médicos administra esses medicamentos aos pacientes, com um método de tentativa e erro que pode levar seis ou sete meses para encontrar o medicamento certo”, disse Kathuria. “A clozapina é o medicamento mais comum prescrito para a esquizofrenia, mas cerca de 40% dos pacientes são resistentes a ela. Com nossos organoides, talvez não tenhamos que passar por esse período de tentativa e erro. Talvez possamos dar-lhes o medicamento certo antes disso.”