实验室培育的豌豆大小脑类器官首次揭示了精神分裂症和双相情感障碍导致神经元异常放电的独特机制。这两种影响全球数百万人的精神疾病由于分子基础不明而难以诊断。
该研究成果有望帮助医生减少针对此类及其他精神健康疾病的诊疗误差——目前这些疾病仅能通过临床判断诊断，并依赖试错式药物治疗。
相关研究细节已于今日发表在《APL生物工程》期刊上。
"精神分裂症和双相情感障碍极难诊断，因为没有特定脑区或类似帕金森病的特定酶指标异常可供参考——后者虽无根治方法，但医生可通过多巴胺水平进行诊断和治疗。"领导此项研究的约翰霍普金斯大学生物医学工程师安妮·卡图里亚（Annie Kathuria）表示，"我们的目标是未来不仅能通过脑类器官确认患者是否患有精神分裂症或双相情感障碍，更能直接在类器官上测试药物，找出使患者恢复健康状态的有效药物浓度。"
核心发现
- 科学家利用脑类器官——真实器官的简化版实验室培育模型——研究可能与精神分裂症和双相情感障碍相关的神经异常放电。
- 未来脑类器官或可用于测试对患者有效的药物浓度。
卡图里亚团队通过将精神分裂症、双相情感障碍患者及健康人的血液和皮肤细胞转化为干细胞，培育出能生成多种类器官组织的工程化类器官。借助新型机器学习算法对微型大脑细胞的电活动进行分类，他们识别出与健康和疾病状态相关的神经放电模式。在真实大脑中，神经元通过释放微小电脉冲相互沟通。
类器官脑样活动的独特特征成为精神分裂症和双相情感障碍的生物标志物，使团队能以83%的准确率区分来自不同患者群体的类器官。当脑样组织接受微弱电击以模拟正常脑活动所需的神经电脉冲时，准确率提升至92%。
新发现的放电模式涉及精神分裂症和双相情感障碍患者特有的复杂电生理行为，表现为不同参数间同时发生的神经放电尖峰及周期性波动，形成两种精神疾病的独特电生理特征。
"至少在分子层面，我们能检测培养过程中出现的异常，并基于这些电生理特征区分健康人、精神分裂症患者或双相情感障碍患者的类器官。"卡图里亚解释道，"我们追踪神经元发育过程中的电信号，并与无精神疾病的患者类器官进行比对。"
为研究类器官细胞如何形成神经网络，团队将其置于配备多电极阵列（类似电网结构）的微芯片上。该装置使数据流如同微型脑电图（EEG），医生常用此技术测量患者脑活动。
完全成熟的类器官直径约三毫米，包含大脑前额叶皮层（负责高级认知功能）的多种神经细胞类型，同时含有髓磷脂——这种包裹神经的细胞材料如同电线绝缘层，能优化大脑与身体其他部位通信所需的信号网络。
尽管研究仅涉及12名患者，卡图里亚指出其发现具有实际临床应用价值，可能成为精神科药物治疗的重要试验平台。
目前团队正与约翰霍普金斯医学院的神经外科医生、精神科医师及其他神经科学家合作，收集精神疾病患者的血液样本，测试不同药物浓度对研究结果的影响。卡图里亚表示，即使样本量小，只要能使类器官状态正常化，团队就可初步建议适用患者的药物浓度。
"当前多数医生采用试错法为患者用药，可能耗时六至七个月才能找到合适药物。"卡图里亚指出，"氯氮平是精神分裂症最常用药物，但约40%患者对其耐药。通过我们的类器官技术，或许能跳过试错阶段，更快为患者匹配正确药物。"
【全文结束】
