Синдром Туретта (ТС) — это распространенное заболевание, характеризующееся неконтролируемыми двигательными или голосовыми тиками, которое проявляется в детстве и может мешать успеваемости в школе, отношениям и качеству жизни. Используя стволовые клетки пациентов для создания 3D-моделей, которые отражают части развития их мозга в чашке для культивирования, команда из Йельского университета осветила механизмы, лежащие в основе возникновения этого состояния.

Предыдущие исследования выявили различия в базальных ганглиях — области мозга под корой головного мозга, которая управляет речью и квалифицированными движениями — у пациентов с СТ по сравнению с населением в целом. У этих пациентов базальные ганглии меньше по размеру и содержат меньше определенных видов специализированных нейронов, которые регулируют получение и обработку базальными ганглиями информации из коры. Это интернейроны, нейроны, которые находятся исключительно в центральной нервной системе и необходимы для контроля торможения.

Чтобы понять, почему эти нейроны отсутствуют, команда использовала стволовые клетки для создания органоидов, напоминающих базальные ганглии, которые представляют собой трехмерные конфигурации клеток, моделирующие рост этой части мозга во время эмбрионального развития у когорты пациентов с СТ. Модели выявили потенциальную патофизиологию расстройства, которое, как надеется команда, в конечном итоге может привести к новым методам лечения. Результаты были опубликованы в журнале Molecular Psychiatry 29 ноября.

«Если мы хотим предотвратить такие расстройства, как синдром Туретта, нам нужно изучить самое начало, когда болезнь впервые возникает», — говорит Флора Ваккарино, доктор медицинских наук, профессор Харриса в Йельском центре изучения детей и старший автор исследования. «Органоиды — это способ вернуться в прошлое и посмотреть на механизмы развития болезней».

Синдром Туретта связан с различиями в базальных ганглиях

ТС обычно впервые появляется у детей школьного возраста в возрасте от 5 до 10 лет и очень часто сочетается с гиперактивным синдромом дефицита внимания (СДВГ) и обсессивно-компульсивным расстройством (ОКР). Дети с СТ испытывают тики, которые представляют собой непроизвольные движения, такие как моргание, прочищение горла и вокализация. Хотя иногда они могут временно подавить свои тики, это требует значительных усилий. В тяжелых случаях тик может привести к самоповреждающему поведению. Расстройство часто улучшается во взрослом возрасте — более чем в половине случаев тики становятся менее заметными и причиняют меньше беспокойства. Хотя это очень наследственное заболевание, исследователи идентифицировали несколько генов, связанных с этим заболеванием.

«Базальные ганглии регулируют моторные программы, о которых мы не думаем сознательно, например речь», — говорит Ваккарино. «Многие из наших движений — ходьба, езда на велосипеде — укоренились с тех пор, как мы научились им в детстве, и теперь мы просто делаем их, не задумываясь. Эти программы хранятся в базальных ганглиях».

Однако, когда развитие базальных ганглиев идет неправильно, могут возникать аномальные движения, такие как тики. «Вы что-то делаете, и вдруг вы чувствуете необходимость откашляться или сказать слово. Это не относится к движению, которое вы делаете, но оно возникает непроизвольно», — говорит она.

Визуализирующие исследования показали, что базальные ганглии немного меньше у детей и молодых людей с СТ. Заинтригованная группа Ваккарино ранее провела исследование посмертных образцов базальных ганглиев умерших пациентов с ТС, которые пожертвовали свой мозг для исследования. Исследование выявило потерю тормозных интернейронов , которые имеют решающее значение в регуляции того, как базальные ганглии реагируют на корковые сигналы.

«Когда эти тормозные интернейроны отсутствуют, — говорит Ваккарино, — мы думаем, что у вас аномальные движения из-за того, что стимуляция коры не подавляется».

Однако, почему эти нейроны отсутствовали у пациентов с СТ, оставалось загадкой. Исследователи не знали, умирают ли они в более позднем возрасте или, возможно, вообще перестают развиваться. Тогдашняя аспирантка лаборатории Ваккарино Мелани Брэди, доктор философии, решила провести расследование.

Органоиды Туретта выявляют неврологические аномалии

Для своего последнего исследования команда набрала пять пациентов с ТС, а также 11 человек из контрольной группы. Они взяли небольшой образец клеток кожи у каждого пациента, чтобы создать линии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Плюрипотентные стволовые клетки можно запрограммировать на превращение в различные виды клеток, включая нейроны базальных ганглиев. Это включает в себя выращивание плюрипотентных клеточных линий в трехмерные сборки клеток, называемых органоидами, где они постепенно дифференцируются в нейроны в процессе, имитирующем эмбриональное развитие.

«Органоиды дают нам уникальную возможность исследовать несколько типов клеток одновременно и помогают нам лучше понять сложное разнообразие человеческого мозга с учетом особенностей пациента», — говорит Брейди. Затем можно было бы сравнить развитие нейронов базальных ганглиев между органоидами, полученными из контрольной группы и индивидуумов TS.

Во-первых, команда хотела изучить наличие тормозных интернейронов в органоидах TS по сравнению с контролем. Они искали специфические маркеры этих нейронов, используя иммуноцитохимический анализ для визуализации белков, а также секвенировали РНК для обнаружения специфических транскриптов ингибирующих интернейронов. Оба метода подтвердили уменьшение тормозных интернейронов в органоидах TS.

«Это показывает, что эти нейроны не потеряны, их вообще не удалось сгенерировать», — говорит Ваккарино. «Следя за органоидом с самого начала его развития, мы увидели, что этих клеток просто не было».

Кроме того, клетки-предшественники, которые должны были стать ингибирующими интернейронами, давали начало различным типам клеток, вызывая аномальное формирование нейронов в органоидах TS.

Команда также искала потенциальные причины дефицита интернейронов и неправильного паттерна в базальных ганглиях. Они обнаружили, что нейральные стволовые клетки TS демонстрируют пониженную реакцию на морфоген под названием Sonic Hedgehog, который имеет решающее значение для развития базальных ганглиев в нормальном мозге и был добавлен на самых ранних стадиях культивирования для создания органоидов базальных ганглиев. Исследователи полагают, что этот аномальный ответ связан с аномалиями, проявляемыми органоидами TS.

Аномалии и тяжесть тиков кажутся связанными

Наконец, исследование показало взаимосвязь между степенью аномалий в органоидах базальных ганглиев и тяжестью тиков. У одного из пяти пациентов с ТС симптомы были гораздо более легкими по сравнению с его когортой. Органоиды, созданные из его стволовых клеток, показали наименьший дефицит интернейронов и менее очевидную неправильную структуру, что позволяет предположить, что органоидный фенотип может предсказывать тяжесть заболевания в детстве.

«Выявление потенциальных различий в нейробиологии СТ на уровне развития может однажды привести к более ранней диагностике и новым методам лечения расстройства», — говорит Брейди.

Теперь, когда команда определила различия в базальных ганглиях и потенциальный механизм, она планирует изучить генетический и эпигенетический фон пациентов с СТ и понять, как они могут способствовать этой аномальной реакции. Ваккарино надеется, что текущая работа ее группы может привести к потенциальным терапевтическим вмешательствам. Например, будущие лекарства могут компенсировать меньшее количество интернейронов в базальных ганглиях пациентов с СТ, делая их более возбудимыми.

«Как только вы узнаете, почему что-то происходит в процессе развития, вы можете подумать о том, как это улучшить», — говорит Ваккарино.