Cerebros miniatura revelan señales claras de esquizofrenia y trastorno bipolar

Investigadores de la Universidad Johns Hopkins desarrollaron cerebros en miniatura en el laboratorio que ofrecen una visión sin precedentes sobre cómo las neuronas se comportan de manera diferente en casos de esquizofrenia y trastorno bipolar. Estas condiciones psiquiátricas afectan a millones de personas en todo el mundo, pero su diagnóstico sigue siendo complicado debido a la falta de comprensión de sus causas moleculares subyacentes.

Los hallazgos podrían ayudar a los médicos a reducir errores en el diagnóstico y tratamiento de trastornos de salud mental. Actualmente, muchas condiciones psiquiátricas se identifican únicamente a través del juicio clínico y se tratan mediante un enfoque de prueba y error con los medicamentos.

El estudio fue publicado en la revista APL Bioengineering.

Por qué la esquizofrenia y el trastorno bipolar son difíciles de diagnosticar

"La esquizofrenia y el trastorno bipolar son muy difíciles de diagnosticar porque no hay una parte específica del cerebro que se active. No hay enzimas específicas que se activen como en el Parkinson, otra enfermedad neurológica donde los médicos pueden diagnosticar y tratar según los niveles de dopamina, aunque aún no tiene una cura adecuada", comentó Annie Kathuria, ingeniera biomédica de la Universidad Johns Hopkins que lideró el estudio. "Nuestra esperanza es que en el futuro no solo podamos confirmar que un paciente es esquizofrénico o bipolar a partir de los organoides cerebrales, sino que también podamos comenzar a probar medicamentos en los organoides para descubrir qué concentraciones de fármacos podrían ayudarles a alcanzar un estado saludable".

Cómo los científicos construyeron y estudiaron los organoides cerebrales

Para llevar a cabo el estudio, el equipo de Kathuria creó organoides cerebrales, que son versiones simplificadas de órganos humanos reales. Comenzaron transformando células sanguíneas y de piel de pacientes con esquizofrenia, trastorno bipolar y de individuos sanos en células madre capaces de desarrollar tejido similar al cerebral.

El equipo utilizó herramientas de aprendizaje automático para analizar la actividad eléctrica de las células dentro de estos mini cerebros. En el cerebro humano, las neuronas se comunican enviando breves señales eléctricas entre sí, y los investigadores se centraron en identificar patrones en esa actividad vinculados a un funcionamiento cerebral saludable y no saludable.

Biomarcadores eléctricos identifican enfermedades mentales

Los científicos descubrieron que características específicas del comportamiento eléctrico de los organoides actuaban como biomarcadores para la esquizofrenia y el trastorno bipolar. Utilizando solo estas señales, pudieron identificar correctamente qué organoides provenían de pacientes afectados en un 83% de las ocasiones. Cuando el tejido recibió una estimulación eléctrica suave diseñada para aumentar la actividad neural, la precisión aumentó al 92%.

Los patrones que descubrieron fueron complejos y altamente específicos. Las neuronas de pacientes con esquizofrenia y trastorno bipolar mostraron picos de disparo inusuales y cambios de tiempo en múltiples mediciones eléctricas, creando una firma distintiva para cada condición.

"Al menos a nivel molecular, podemos verificar qué sale mal cuando estamos creando estos cerebros en un plato y distinguir entre organoides de una persona sana, un paciente esquizofrénico o un paciente bipolar basándonos en estas firmas de electrofisiología", explicó Kathuria. "Seguimos las señales eléctricas producidas por las neuronas durante el desarrollo, comparándolas con organoides de pacientes sin estos trastornos de salud mental".

Uso de microchips para mapear la actividad cerebral

Para comprender mejor cómo las neuronas formaban redes, los investigadores colocaron los organoides en microchips equipados con matrices de electrodos múltiples dispuestas en forma de cuadrícula. Este dispositivo les permitió recopilar datos de manera similar a un pequeño electroencefalograma, o EEG, la prueba que los médicos utilizan para medir la actividad cerebral en pacientes.

Cuando estaban completamente desarrollados, los organoides alcanzaron aproximadamente tres milímetros de diámetro. Contenían múltiples tipos de células neuronales que normalmente se encuentran en la corteza prefrontal del cerebro, una región involucrada en el pensamiento de alto nivel. Los mini cerebros también produjeron mielina, una sustancia que aísla las células nerviosas y ayuda a que las señales eléctricas viajen de manera más eficiente.

Hacia tratamientos psiquiátricos personalizados

El estudio incluyó muestras de solo 12 pacientes, pero Kathuria cree que los resultados apuntan hacia aplicaciones clínicas significativas. Los organoides podrían eventualmente servir como una plataforma de prueba para medicamentos psiquiátricos antes de que esos fármacos sean prescritos a los pacientes.

El equipo ahora colabora con neurocirujanos, psiquiatras y neurocientíficos de la Escuela de Medicina de Johns Hopkins. Están recolectando muestras de sangre adicionales de pacientes psiquiátricos para estudiar cómo diferentes concentraciones de medicamentos afectan la actividad de los organoides. A pesar de contar con un número limitado de muestras, los investigadores creen que podrían sugerir dosis de medicamentos que ayuden a restaurar patrones neuronales más saludables.

"Así es como la mayoría de los médicos administran estos medicamentos a los pacientes, con un método de prueba y error que puede tardar seis o siete meses en encontrar el fármaco adecuado", comentó Kathuria. "La clozapina es el medicamento más común recetado para la esquizofrenia, pero alrededor del 40% de los pacientes son resistentes a ella. Con nuestros organoides, tal vez no tengamos que pasar por ese período de prueba y error. Quizás podamos darles el medicamento correcto más pronto".