Исследование миниатюрных моделей мозга для изучения болезни Альцгеймера

Флуоресцентное изображение мозгового органоида

Флуоресцентная микроскопия мозгового органоида выявляет нейроэпителиальную структуру, где нейроны окрашены в зелёный цвет (TUJ1), а ядра клеток — в синий (DAPI).

Применение органоидов для прогнозирования реакции на лечение

В ходе исследований были выращены небольшие кластеры мозговой ткани из клеток пациентов с болезнью Альцгеймера. Эти мини-модели мозга использовались для оценки индивидуальной реакции на препараты, применяемые для контроля психиатрических симптомов, связанных с этим заболеванием. Работа была сосредоточена на лабораторно выращенных мозговых органоидах. Полученные данные показывают, что такие модели могут способствовать разработке более точных методов терапии для различных групп пациентов с болезнью Альцгеймера. В США этим заболеванием страдают более 7 миллионов человек.

Также было установлено, что органоиды выделяют внеклеточные везикулы — микроскопические частицы, переносящие клеточную информацию. Эти везикулы рассматриваются как потенциальные биомаркеры для диагностики болезни Альцгеймера и определения стадии её развития.

Персонализированный подход к терапии

Мини-модели мозга могут поддерживать индивидуализированный подход к лечению. В настоящее время не существует препаратов, полностью излечивающих болезнь Альцгеймера, однако селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (СИОЗС) часто назначаются для контроля таких симптомов, как тревожность, депрессия и возбуждение. Эти симптомы встречаются почти у всех пациентов, но реакция на препараты значительно различается.

Создание и анализ органоидов

Исследование проводилось на миниатюрных моделях заднего мозга — области, отвечающей за дыхание, сон и сердечный ритм. Учёные стремились выяснить, могут ли эти модели выявлять молекулярные признаки эффективности препарата эсциталопрам оксалат, применяемого для уменьшения симптомов болезни Альцгеймера.

Для создания органоидов использовались образцы крови пациентов с болезнью Альцгеймера и здоровых людей. Клетки были перепрограммированы в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, способные превращаться в любые типы клеток организма. Из этих клеток формировались органоиды заднего мозга, содержащие специализированные нейроны, вырабатывающие серотонин. Клетки самостоятельно организовывались в небольшие кластеры, напоминающие задний мозг. В исследовании участвовали сотни органоидов, представляющих как пациентов с болезнью Альцгеймера, так и здоровых участников.

Биологические особенности и реакция на лечение

Органоиды, полученные из клеток пациентов с болезнью Альцгеймера, продемонстрировали ряд характерных биологических особенностей заболевания на молекулярном уровне. По сравнению с органоидами из клеток здоровых людей, у них были выявлены различия в белках, участвующих в межклеточной коммуникации, воспалении и других связанных с заболеванием путях.

После обработки органоидов эсциталопрамом в некоторых образцах наблюдалось увеличение количества белков, связанных с передачей сигналов серотонина и межклеточной коммуникацией — именно эти пути являются мишенями действия антидепрессантов. Однако другие органоиды практически не реагировали на лечение на молекулярном уровне.

Внеклеточные везикулы как потенциальные биомаркеры

В ходе работы также изучалось, могут ли внеклеточные везикулы, выделяемые органоидами, служить биомаркерами болезни Альцгеймера или помогать оценивать реакцию ткани на лечение. До и после обработки органоидов эсциталопрамом исследовались белки внутри везикул, выделяемых как пациентскими, так и контрольными органоидами.

Везикулы содержали белки, участвующие в ключевых мозговых процессах, включая коммуникацию между нейронами, память и высвобождение нейромедиаторов. Органоиды из клеток пациентов с болезнью Альцгеймера показали выраженные изменения в нескольких белках, связанных с заболеванием. Уровни белков RAB3A, NSF и ATCAY были ниже в органоидах с болезнью Альцгеймера, что важно для нормальной передачи сигналов между мозговыми клетками.

После лечения эсциталопрамом в отдельных образцах отмечалось увеличение уровня некоторых белков, особенно связанных с передачей сигналов серотонина и синаптическими путями. Некоторые органоиды демонстрировали выраженные молекулярные реакции, тогда как другие почти не изменялись. Это разнообразие указывает на возможность использования внеклеточных везикул для определения пациентов, которые с наибольшей вероятностью получат пользу от конкретного лечения.

Перспективы развития органоидных моделей

Планируется создание более сложных органоидов, включающих иммунные клетки и сосудистые структуры, имитирующие кровеносные сосуды, чтобы сделать ткани более похожими на живую мозговую ткань человека. В дальнейшем внеклеточные везикулы могут использоваться как жидкая биопсия для диагностики болезни Альцгеймера, определения её стадии и выявления подтипа заболевания у конкретного пациента. Текущее исследование рассматривается как первый шаг в этом направлении.