Utilizzando tessuto cerebrale coltivato in laboratorio, i ricercatori hanno scoperto modelli complessi di segnalazione neurale che differiscono leggermente tra cervelli sani e quelli associati a gravi disturbi psichiatrici.
Per la prima volta, gli scienziati hanno utilizzato organoidi cerebrali delle dimensioni di un pisello coltivati in laboratorio per scoprire come i neuroni possano malfunzionare nella schizofrenia e nel disturbo bipolare. Queste condizioni psichiatriche colpiscono milioni di persone in tutto il mondo, eppure rimangono difficili da diagnosticare perché i ricercatori non hanno ancora una chiara comprensione dei meccanismi molecolari che le sottendono.
I risultati potrebbero in futuro aiutare i medici a ridurre l’incertezza diagnostica nel trattamento di queste e altre condizioni di salute mentale. Attualmente, tali disturbi vengono in genere identificati solo attraverso il giudizio clinico e il trattamento si basa spesso su lunghi approcci terapeutici basati su tentativi ed errori.
Un resoconto dettagliato dei risultati è stato pubblicato sulla rivista APL Bioengineering.
“La schizofrenia e il disturbo bipolare sono molto difficili da diagnosticare perché nessuna parte specifica del cervello si disattiva. Non si disattivano enzimi specifici come nel Parkinson, un’altra malattia neurologica che i medici possono diagnosticare e trattare in base ai livelli di dopamina , anche se non esiste ancora una cura adeguata”, ha affermato Annie Kathuria, ingegnere biomedico della Johns Hopkins University che ha guidato la ricerca. “La nostra speranza è che in futuro non solo potremo confermare che un paziente è schizofrenico o bipolare tramite organoidi cerebrali, ma potremo anche iniziare a testare farmaci sugli organoidi per scoprire quali concentrazioni di farmaci potrebbero aiutarlo a raggiungere uno stato di salute“.
L’apprendimento automatico decodifica i segnali specifici della malattia
Il team di Kathuria ha creato gli organoidi, versioni semplificate del tessuto cerebrale, riprogrammando cellule del sangue e della pelle di persone affette da schizofrenia, disturbo bipolare e volontari sani in cellule staminali capaci di formare strutture simili al cervello. I ricercatori hanno quindi applicato strumenti di apprendimento automatico per analizzare l’attività elettrica delle cellule degli organoidi, consentendo loro di identificare schemi di attivazione neurale associati a stati di salute e di malattia. Nel cervello umano, i neuroni comunicano attraverso piccoli segnali elettrici.
Caratteristiche specifiche di questa attività cerebrale hanno agito come biomarcatori per la schizofrenia e il disturbo bipolare, consentendo ai ricercatori di identificare correttamente l’origine degli organoidi con un’accuratezza dell’83%. Dopo aver applicato una delicata stimolazione elettrica per scoprire ulteriore attività neurale, tale accuratezza è aumentata al 92%.
Firme elettriche specifiche del disturbo
I nuovi modelli identificati riflettevano un complesso comportamento elettrofisiologico tipico della schizofrenia e del disturbo bipolare. I picchi di attivazione neuronale e le variazioni temporali si verificavano simultaneamente su più parametri, producendo firme elettriche distinte per ciascuna condizione.
“Almeno a livello molecolare, possiamo verificare cosa non va quando creiamo questi cervelli in vitro e distinguere tra organoidi di una persona sana, di un paziente schizofrenico o di un paziente bipolare in base a queste firme elettrofisiologiche”, ha affermato Kathuria. “Monitoriamo i segnali elettrici prodotti dai neuroni durante lo sviluppo, confrontandoli con gli organoidi di pazienti senza questi disturbi mentali”.
Per studiare come le cellule degli organoidi formassero reti neurali tra loro, le hanno inserite in un microchip dotato di array multielettrodici simili a una griglia elettrica. Questa configurazione li ha aiutati a semplificare i dati come se provenissero da un minuscolo elettroencefalogramma o EEG, che i medici usano per misurare l’attività cerebrale dei pazienti.
Completamente sviluppati, con un diametro di circa tre millimetri, gli organoidi contengono vari tipi di cellule neurali presenti nella corteccia prefrontale del cervello, nota per le sue funzioni cognitive superiori. Contengono anche mielina, un materiale cellulare che avvolge i nervi come isola i cavi elettrici, migliorando la trasmissione dei segnali necessari al cervello per comunicare con il resto del corpo.
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Verso un trattamento psichiatrico personalizzato
“La ricerca ha coinvolto solo 12 pazienti, ma i risultati avranno probabilmente un’applicazione clinica nel mondo reale”, ha affermato Kathuria, “poiché potrebbero rappresentare l’inizio di un importante banco di prova per le terapie farmacologiche psichiatriche”.
Il team sta attualmente collaborando con neurochirurghi, psichiatri e altri neuroscienziati della Johns Hopkins School of Medicine per reclutare campioni di sangue da pazienti psichiatrici e testare come diverse concentrazioni di farmaci possano influenzare i risultati. “Anche con un campione ridotto, il team potrebbe iniziare a suggerire concentrazioni di farmaci che potrebbero funzionare su un paziente, se riuscissero a normalizzare le condizioni dell’organoide”, ha affermato Kathuria.
“È così che la maggior parte dei medici somministra questi farmaci ai pazienti, con un metodo basato su tentativi ed errori che può richiedere sei o sette mesi per trovare il farmaco giusto”, ha affermato Kathuria. “La Clozapina è il farmaco più comunemente prescritto per la schizofrenia, ma circa il 40% dei pazienti è resistente. Con i nostri organoidi, forse non dovremo più fare questo periodo di tentativi ed errori. Forse potremo somministrare loro il farmaco giusto prima di allora“.
Riferimento: APL Bioengineering