Os pesquisadores desenvolveram cérebros do tamanho de uma ervilha em laboratório para fornecer uma visão sem precedentes dos diferentes comportamentos dos neurônios na esquizofrenia e no transtorno bipolar. Estas doenças mentais afectam milhões de pessoas em todo o mundo, mas continuam a ser difíceis de diagnosticar porque os cientistas ainda não compreendem completamente as suas causas moleculares subjacentes.
Essas descobertas poderiam, em última análise, ajudar os médicos a reduzir erros no diagnóstico e tratamento de transtornos de saúde mental. Hoje, muitas doenças mentais são reconhecidas apenas através do julgamento clínico e são tratadas farmacologicamente através de uma abordagem de tentativa e erro.
A pesquisa está publicada na revista Bioengenharia APL.
Por que a esquizofrenia e o transtorno bipolar são difíceis de diagnosticar
“A esquizofrenia e o transtorno bipolar são difíceis de diagnosticar porque nenhuma parte específica do cérebro está funcionando mal”, disse Annie Kathuria, engenheira biomédica da Universidade Johns Hopkins que liderou o estudo. “A doença de Parkinson é outro distúrbio neurológico que os médicos podem diagnosticar e tratar com base nos níveis de dopamina, embora ainda não tenha tratamento adequado”. “Nossa esperança é que no futuro possamos não apenas confirmar se um paciente tem esquizofrenia ou transtorno bipolar a partir de organoides cerebrais, mas também começar a testar medicamentos nos organoides para descobrir as concentrações de medicamentos que os ajudam a alcançar um estado saudável”.
Como os cientistas constroem e estudam organoides cerebrais
Para conduzir esta pesquisa, a equipe de Katuria criou organoides cerebrais, que são versões simplificadas de órgãos humanos reais. Eles primeiro transformaram células do sangue e da pele de pacientes com esquizofrenia, transtorno bipolar e 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 desses minicérebros. No cérebro humano, os neurônios se comunicam enviando breves sinais elétricos entre si, e os pesquisadores se concentraram na identificação de padrões de atividade associados à função cerebral saudável e não saudável.
Biomarcadores elétricos identificam doenças mentais
Os cientistas descobriram que características específicas do comportamento elétrico organoide poderiam servir 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 encontraram eram complexos e altamente específicos. Neurônios de pacientes com esquizofrenia e transtorno bipolar exibem picos de disparo incomuns e mudanças temporais em múltiplas medições elétricas, criando uma assinatura única para cada condição.
“Pelo menos no nível molecular, podemos examinar o que deu errado ao fazer esses cérebros em uma placa de Petri e diferenciar organoides de pessoas saudáveis, pacientes com esquizofrenia ou pacientes com transtorno bipolar com base nessas características eletrofisiológicas”, disse Katuria. “Rastreamos os sinais elétricos produzidos pelos neurônios à medida que eles se desenvolvem e os comparamos com organoides de pacientes sem esses transtornos mentais”.
Usando microchips para mapear a atividade cerebral
Para entender melhor como os neurônios formam redes, os pesquisadores colocaram os organoides em microchips equipados com matrizes de múltiplos eletrodos dispostos em uma grade. Essa configuração permitiu que coletassem dados de maneira semelhante a um pequeno eletroencefalograma (EEG), um teste usado pelos médicos para medir a atividade cerebral de um paciente.
Quando totalmente desenvolvidos, os organoides atingem aproximadamente três milímetros de diâmetro. Eles contêm muitos tipos de células nervosas normalmente encontradas no córtex pré-frontal do cérebro, uma área envolvida no pensamento de nível superior. Os minicérebros também produzem mielina, uma substância que isola as células nervosas e ajuda os sinais elétricos a viajarem com mais eficiência.
Rumo à psicoterapia personalizada
O estudo incluiu apenas uma amostra de 12 pacientes, mas Kathuria acredita que os resultados mostram aplicações clínicas significativas. Esses organoides poderiam eventualmente servir como plataforma de teste para medicamentos psicotrópicos antes de serem prescritos aos pacientes.
A equipe está atualmente colaborando com neurocirurgiões, psiquiatras e neurocientistas da Escola de Medicina Johns Hopkins. Eles estão coletando amostras de sangue adicionais de pacientes psiquiátricos para estudar como diferentes concentrações de drogas afetam a atividade dos organoides. Mesmo com um tamanho de amostra limitado, os pesquisadores acreditam que poderão sugerir doses de medicamentos que possam ajudar a restaurar padrões neurais mais saudáveis.
“É assim que a maioria dos médicos fornece estes medicamentos aos pacientes, através de uma abordagem de tentativa e erro, e pode levar de seis a sete meses para encontrar o medicamento certo”, disse Katuria. “A clozapina é o medicamento mais comumente usado para tratar a esquizofrenia, mas cerca de 40% dos pacientes desenvolvem resistência a ela. Com nossos organoides, talvez não tenhamos que passar pelo período de tentativa e erro. Talvez possamos conseguir o medicamento certo mais rapidamente.”
