Übersichtsartikel

Gehirnorganoide als aufkommende Plattformen zur Modellierung von ZNS-Infektionen: Neuropathogenese, therapeutische Entdeckung und Arzneimittelabgabe

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DOI:

10.3791/70757

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7. August 2026

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1Laboratory of Molecular Virology, George Mason University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Diese Übersicht untersucht Gehirnorganoide als Plattformen zur Modellierung ausgewählter neurotroper viraler Infektionen und hebt deren Anwendungen in der viralen Pathogenese, der antiviralen Entdeckung, angeborenen Immunantworten und der zentralen Nervensystem-(ZNS)-gezielten Arzneimittelabgabe hervor.

Zusammenfassung

Neurotrope Viren bleiben eine anhaltende globale Gesundheitsherausforderung, und die Mechanismen, durch die sie das menschliche Gehirn schädigen, sind noch nicht vollständig verstanden. Tiermodelle sind oft durch menschenspezifische Aspekte der ZNS-Biologie begrenzt, während zweidimensionale (2D) Zellkulturen die komplexen dreidimensionalen (3D) zellulären Interaktionen, die während einer viralen Infektion des Gehirns auftreten, nicht wiederholen können. Im vergangenen Jahrzehnt haben sich Gehirnorganoide, die aus menschlichen Stammzellen gewonnen wurden, als physiologisch relevante Modelle hervorgetreten, die diese Einschränkungen adressieren. Diese 3D-Kulturen fügen sich selbst zu Strukturen zusammen, die Neuronen, Astrozyten und Vorläuferzellen in Mustern angeordnet sind, die der frühen Gehirnentwicklung ähneln. Diese Übersicht untersucht die Anwendung von Gehirnorganoiden bei der Untersuchung von Infektionen, die durch das Zika-Virus (ZIKV), das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), das Herpes-simplex-Virus (HSV) und das humane Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) verursacht werden. Die Studien wurden von PubMed gescreent und basierend auf ihrer Relevanz für organoidbasierte ZNS-Infektionsmodellierung, antivirale Medikamenten-Screening, zennzielgerichtete Medikamentenabgabe und Neuroinflammation ausgewählt. Das organoidbasierte antivirale Screening hat vielversprechende Verbindungen aus Bibliotheken mit mehr als 1.000 Kandidaten identifiziert. Auch Wirkstoffabgabestrategien werden diskutiert, mit besonderem Schwerpunkt auf Nanopartikeln, polymerbasierten Trägern und extrazellulären Vesikeln (EVs), die in organoiden und sphäroiden Modellen auf deren Fähigkeit untersucht werden, die Blut-Hirn-Schranke (BBB) zu überwinden und therapeutische Ladung an neuronale Zellen zu liefern. Auch die Rolle von schadensassoziierten und pathogenassoziierten molekularen Mustern (DAMPs und PAMPs) bei Neuroinflammation, Komplementvermeidung und chronischen Postinfektionsschäden, einschließlich Long COVID, werden untersucht. Aktuelle Einschränkungen, darunter das Fehlen funktionaler Gefäße, unvollständige BBB-Komponenten und Herausforderungen bei der Reproduzierbarkeit, werden diskutiert. Trotz dieser Einschränkungen überbrücken ZNS-Organoide die Lücke zwischen Grundlagenforschung und klinischer Anwendung und fördern die Entwicklung wirksamer Therapien für virale Hirninfektionen.

Einleitung

Das zentrale Nervensystem (ZNS) ist ein komplexes System, das unterschiedliche funktionelle Regionen des Gehirns und des Rückenmarks umfasst. ZNS-Organoide, oft als "Mini-Gehirne" bezeichnet, sind dreidimensionale (3D) mehrzellige Strukturen, die das sich entwickelnde menschliche Gehirn nachahmen. Sie werden hauptsächlich aus humanen pluripotenten Stammzellen (hPSCs) erzeugt, die sich selbst zu Geweben zusammensetzen können, die verschiedene Hirnregionen repräsentieren. Diese Mini-Gehirne stellen die epigenetischen Muster, die Struktur und die transkriptionellen Marker des sich entwickelnden Gehirns 1,2,3 nach.

Die Erzeugung von zerebralen Organoiden mit patientenabgeleiteten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) wurde erstmals 2013 entwickelt. Vor dieser Entdeckung war der Zugang zu menschlichem Hirngewebe eingeschränkt, da ethische Fragen mit experimentellen Studien verbunden waren, insbesondere solche, die fetales oder im Mutterleib Hirngewebe 2 betreffen. Die Entwicklung von Gehirnorganoiden zeigte die Fähigkeit, die menschliche Neuroentwicklung nachzuahmen, einschließlich der Bildung eigener Hirnregionen wie des Großhirnrindes. Lancaster et al. lieferten die ersten experimentellen Beweise dafür, dass Stammzellen komplexe neuronale Strukturen in vitro bilden können, und lieferten ein Modell, das die menschliche Physiologie genauer widerspiegelt als konventionelle zweidimensionale (2D) Zellkulturen5. Wichtig ist, dass bestimmte menschliche neuroentwicklungsbedingte Erkrankungen, wie Mikrozephalie, sich in Nagetiermodellen als schwer nachzubilden erwiesen haben, was die Notwendigkeit menschlich abgeleiteterSysteme weiter unterstreicht.

ZNS-Organoide enthalten mehrere Zelltypen, die sich differenzieren und mehrschichtige Strukturen bilden, die dem sich entwickelnden Gehirnähneln 7, was sie gut für Hochdurchsatzstudien zu Neurogenese, neuronaler Migration und Entwicklungsanomalien8 geeignet macht. Die Bildung von ZNS-Organoiden beginnt mit pluripotenten Stammzellen (PSCs), zu denen auch iPSCs und embryonale Stammzellen gehören. Embryonale Stammzellen sind Wachstumsfaktoren und Signalinhibitoren ausgesetzt, um die Differenzierung in neuronale Zellen zu fördern und die frühe embryonale Entwicklung nachzuahmen2. Sobald die Zellen beginnen zu aggregieren, unterziehen sie sich in einer 3D-Umgebung und sind oft in eine extrazelluläre Matrix eingebettet, um strukturelle Stabilität zu gewährleisten. Organoide werden dann typischerweise unter dynamischen Kulturbedingungen erhalten, wie rotierenden Bioreaktoren oder orbitalem Shaken, um die Nährstoff- und Sauerstoffversorgung zu verbessern und das fortgesetzte Wachstumzu unterstützen. Regionsspezifische Organoide des Vorder-, Mittel- und Hinterhirns können ebenfalls mittels gesteuerter Protokolle in miniaturisierten rotierenden Bioreaktoren erzeugt werden, wobei unterschiedliche hirnähnliche Regionen typischerweise über mehrere Wochen bis in die Monateentstehen. ZNS-Organoide erfassen viele wichtige strukturelle Merkmale des sich entwickelnden menschlichen Gehirns, darunter ventrikuläre Regionen mit radialen Glia, die wandernde Neuronen unterstützen, sowie intermediäre Vorläufer, die neuronale Populationen amplifizieren12. Frühe Neuronen bilden kortikaleähnliche Schichten mit entstehenden synaptischen Netzwerken. Obwohl Organoide die Größe oder Organisation des reifen Gehirns nicht vollständig replizieren, sind sie physiologisch relevanter als traditionelle Monoschichtkulturen.

Ein großer Vorteil von ZNS-Organoiden ist ihre Fähigkeit, den Entwicklungszeitpunkt zu modellieren. Die Kulturen verlaufen von Wochen bis zu Monaten und verlaufen parallel zur menschlichen fetalen Gehirnentwicklung. Dies ermöglicht es Forschern, neurologische Prozesse wie Neurogenese, Axonerweiterung und die frühe Bildung neuronaler Schaltkreise in Echtzeit zu beobachten. Organoide können auch so programmiert werden, dass sie Mikroglia, blutgefäßähnliche Zellen oder sogar Komponenten der Blut-Hirn-Schranke (BBB) wie Astrozyten, Endothelzellen und Perizyten enthalten. Diese Organoide können Studien zu Immunantworten und Substanztransportunterstützen. Zusätzlich können Organoide kombiniert werden, um Assembloide zu erzeugen, das sind selbstorganisierende Systeme, die die Kommunikation zwischen verschiedenenGehirnregionen modellieren. Mit diesen Fähigkeiten bieten ZNS-Organoide eine direkte Möglichkeit, zu untersuchen, wie neurotrope Viren das Gehirn befallen, sich vermehren und schädigen – Fragen, die lange Zeit schwer mit herkömmlichen Modellen zu beantworten waren.

Es gibt eine große Anzahl und Vielfalt neurotroper Viren, die das menschliche Gehirn beeinflussen können, darunter Flaviviren, das schwere akute respiratorische Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), das Herpes-simplex-Virus (HSV) und das humane Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1). Die Entwicklung wirksamer antiviraler Therapien ist entscheidend, bleibt jedoch aufgrund der Komplexität der Virus-Gehirn-Interaktionen herausfordernd. Das Gehirn gilt als immunprivilegiertes Organ, unterstützt vom BBB, das verhindert, dass große Immunzellen und Moleküle aus dem Blutkreislauf ins Gehirn gelangen.

Neurotrope Viren haben verschiedene Strategien entwickelt, um diese Barriere zu durchbrechen, darunter transzelluläre Migration, Störung enger Verbindungen und den "Trojanischen Pferd"-Mechanismus, bei dem infizierte Immunzellen das Virus über das Endothel4 transportieren. Infolgedessen ist die Immunüberwachung im Gehirn eingeschränkt, was die Virusbeseitigung erschwert. Darüber hinaus exprimieren die zellulären Komponenten des BBB, darunter Endothelzellen, Astrozyten und Perizyten, Mustererkennungsrezeptoren, die virale pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) erkennen und angeborene Immunantworten auslösen, obwohl pro-inflammatoriske Signale paradoxerweise die BBB-Störung15 verschlimmern können. Zusätzlich erschwert der eingeschränkte Zugang zu menschlichem Gehirngewebe die Untersuchung viraler Interaktionen mit neuronalen Zellen und die Abgabe wirksamer antiviraler Wirkstoffe an das ZNS. Diese kombinierten Herausforderungen behindern die Entdeckung neuer antiviraler Mittel zur Behandlung viraler Infektionen in allen Entwicklungsstadien und über die gesamte Lebensspanne, weshalb es unerlässlich ist, besser zu verstehen, wie Viren mit dem Gehirn interagieren, und neue therapeutische Strategien zur Bekämpfung dieser Infektionenzu entwickeln 16. Insgesamt betont diese Übersicht den Nutzen von ZNS-Organoiden zur Untersuchung neurotroper viraler Infektionen, Mechanismen der Neuroinflammation und der Entdeckung antiviraler Medikamente. Abbildung 1 bietet einen Überblick über die wichtigsten Anwendungen von Gehirnorganoiden bei der Modellierung neurotroper viraler Infektionen, der Untersuchung von Wirts-Pathogen-Interaktionen und der Förderung der Entwicklung antiviraler Therapien.

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Abbildung 1: Gehirnorganoide als menschenrelevante Plattformen zur Modellierung neurotroper ZNS-Virusinfektionen. Die Abbildung bietet einen Überblick über die behandelten Hauptthemen, mit Schwerpunkt auf dreidimensionalen (3D) Gehirnorganoiden als experimentelle Modelle. Neurotrope Viren, die in dieser Übersicht diskutiert werden, sind HIV-1, HSV-1/2, SARS-CoV-2 und ZIKV. Verschiedene Hirnorganoid-Modelle ermöglichen Untersuchungen zur viralen Pathogenese, Wirt-Pathogen-Interaktionen, Dysfunktion der Blut-Hirn-Schranke (BBB) und neuroinflammatorischen Reaktionen mit Neuronen, Astrozyten, Mikroglia und Gehirnendothelzellen. Hirnorganoide bieten physiologisch relevante Plattformen für antivirale Medikamententests und die Bewertung antiviraler Therapien. Erstellt in BioRender. Kashanchi, F. (2026) https://BioRender.com/y7eenju Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Überprüfung und Perspektive

Therapeutische Entdeckung bei virusinfizierten Gehirnorganoiden

Antivirales Screening

Es fehlt an zugelassenen Therapien für viele neurotrope Virusinfektionen, was die Behandlungsmöglichkeiten über die unterstützende Versorgung hinaus einschränkt. Gehirnorganoide sind ein wertvolles Werkzeug zur Entdeckung neuartiger antiviraler Verbindungen, indem sie das Medikamentenscreening in einer physiologisch relevanten, 3D-Umgebung ermöglichen, die menschlichem Gehirngewebe ähnelt. In einer ersten Studie wurde ein chemisches Screening mit hohem Gehalt von 1.120 von der FDA zugelassenen Medikamenten und Wirkstoffkandidaten gegen ZIKV in fetalähnlichen Gehirnorganoiden durchgeführt. Die antivirale Aktivität wurde anhand der Zellproliferation und der Unterdrückung der ZIKV-Infektion bewertet. Von allen getesteten Verbindungen zeigten neun Potenzial, wobei zwei Verbindungen – hippeastrines Hydrobromid (HH) und Amodiaquindihydrochloriddihydrat (AQ) – durch ihre starken antiviralen Wirkungen hervorstachen, die die Infektion durch Unterdrückung der Virus-RNA-Produktionsignifikant reduzierten.

Mehrere nachfolgende Studien untersuchten Verbindungen, die auf verschiedene Stadien des viralen Lebenszyklus abzielen. In einer Studie von Watanabe et al. reduzierte 25-Hydroxycholesterol (25HC), eine Verbindung, die den Viruseintritt durch Hemmung der Membranfusion blockiert, die ZIKV-mRNA-Spiegel in kortikalen Organoiden um ~74 % und ZIKV-positive Zellen um ~72 %. Darüber hinaus untersuchte dieselbe Studie antivirale Verbindungen, die auf den auf neuronalen Vorläuferzellen exprimierten AXL-Rezeptor gezielt werden. Ein Kleinmolekülinhibitor der AXL-Tyrosin-Kinase-Domäne, R428, führte zu einer moderaten Reduktion der ZIKV-mRNA-Spiegel (~41 %). Die Behandlung mit einem Anti-AXL-Antikörper reduzierte jedoch nicht signifikant die ZIKV-mRNA-Spiegel18. Schließlich wurden drei antiflavivirale Medikamente, Duramycin, Ivermectin und Azithromycin, in Organoiden getestet. Duramycin und Ivermectin senkten signifikant die mRNA-Spiegel von ZIKV, während Azithromycin keine schützende Wirkung gegen ZIKV zeigte, wie durch RT-qPCR und Immunfärbung18 bestimmt wurde.

In einer separaten Studie untersuchten Xu et al. 173 Verbindungen als Suppressoren der ZIKV-induzierten Caspase-3-Aktivität und identifizierten Emricasan als den potentesten neuroprotektiven Kandidaten, ohne die Zellproliferation in Gehirnorganoiden zu beeinträchtigen. Zwei weitere Verbindungen, Niclosamid und PHA-690509, zeigten eine signifikante Anti-ZIKV-Aktivität, indem sie die virale Replikation in einer post-entry-Phase dosisabhängig hemmten. Darüber hinaus führte die Kotherapie mit Emricasan und PHA-690509 zu einem additiven Effekt und bewahrte die Astrozytenlebensfähigkeit nach einer ZIKV-Infektion19. In einer weiteren Studie zeigte Enoxacin, ein RNAi-Enhancer, direkte antivirale Aktivität in RNAi-fähigen Zellen und verhinderte ZIKV-induzierte mikrozephale Phänotypen in Gehirnorganoiden vollständig, was darauf hindeutet, dass die Verbesserung intrinsischer antiviraler Signalwege in neuronalen Vorläuferzellen eine praktikable therapeutische Strategie darstellenkönnte.

Pettke et al. untersuchten anschließend 110 strukturelle Analoga von TH3289 in mehreren Dosen in ZIKV-infizierten Organoiden21. Zwei Verbindungen, TH3289 und TH6744, zeigten die stärkste antivirale Aktivität, und die aktivsten Treffer teilten sich einen Benzimidazolonkern. Diese Studie war bedeutsam, weil das Organoidsystem nicht nur eine schnelle Verbindungsscreening, sondern auch eine mechanistische Nachbeobachtung ermöglichte. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass TH6744 mit späten Stadien des ZIKV-Lebenszyklus21 interferiert.

Hirnorganoide wurden auch verwendet, um therapeutische Kandidaten für eine SARS-CoV-2-Infektion zu identifizieren. Ein von der FDA zugelassenes Anti-Hepatitis-C-Medikament, Sofosbuvir, verbesserte das neuronale Überleben und rettete eine beeinträchtigte Synaptogenese in SARS-CoV-2-infizierten Gehirnorganoiden22. Hirnorganoide haben auch zum Verständnis einer HSV-1-vermittelten ZNS-Infektion beigetragen; das antivirale Medikamentenscreening auf HSV-1 in organoiden Modellen bleibt jedoch im Vergleich zu Studien zu ZIKV und SARS-CoV-2 begrenzt. Eine bahnbrechende Studie mit iPSC-abgeleiteten Neuronen zeigte, dass ein TLR3-Mangel menschliche Neuronen anfällig für HSV-1-Infektionen macht, was ein humanspezifisches Phänomen offenbarte, das Nagetiermodellebisher nicht erfasst hatten. Jüngst zeigten Bellizzi et al. , dass clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9-Targeting von HSV-1-genomischen Sequenzen sowohl die primäre Infektion als auch die virale Reaktivierung in 3D-Organoidkulturen unterdrückte und so die Gen-Editierung als praktikable antivirale Strategie für eine Herpesvirus-ZNS-Infektion24 etablierte. Da Aciclovirresistenz ein aufkommendes klinisches Problem ist und keine heilende Therapie für HSV-Enzephalitis25 existiert, stellt das Fehlen eines groß angelegten antiviralen Wirkstoffscreenings gegen HSV-1 bei Gehirnorganoiden eine erhebliche Wissenslücke dar.

Neben kleinen Molekülen sind Antisense-Oligonukleotide (ASOs), die RNA anvisieren und die Genexpression modifizieren, neue therapeutische Werkzeuge zur Behandlung verschiedener Krankheiten, und zerebrale Organoide können zur Bewertung neuartiger ASO-Therapieneingesetzt werden. Angesichts des Nutzens von Organoiden für ASO-Studien könnten wichtige Eigenschaften wie Biodistribution, Toxizität und therapeutische Wirksamkeit bei virusinfizierten Gehirnorganoiden untersucht werden.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Gehirnorganoiden ist die Bewertung der Neurotoxizität bestehender antiviraler Medikamente. Dies ist besonders wichtig, da häufig eingesetzte HIV-Behandlungen sowohl in vitro als auch in vivo toxisch für Gehirnzellen sind. Akay et al. zeigten die Neurotoxizität antiviraler Medikamente in primären kortikalen Kulturen mit Mikroglia, Astrozyten und Neuronen. MAP2-positive Neuronen zeigten nach Exposition gegenüber Ritonavir und Saquinavir einen dosisabhängigen Rückgang. Die Behandlung mit Kombinationen antiretroviraler Medikamente (cART) führte zu akuter Neurotoxizität, und Kulturen mit Zidovudin (AZT) zeigten eine erhöhte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)28. Obwohl diese Ergebnisse mit 2D-Kulturen erzielt wurden, könnten Gehirnorganoide diese Forschung erweitern, indem sie eine physiologisch relevantere Plattform für Hochdurchsatz-Neurotoxizitäts-Screening einzelner oder kombinierter antiretroviraler Therapien bieten. Um die Mechanismen hinter antiviral-induzierter Neurotoxizität in diesen 3D-Modellen zu untersuchen, können Techniken wie morphologische Analysen, funktionelle Assays und transkriptomisches Profiling eingesetzt werden29.

Neben dem neurotoxizitäts-Screening wurden Gehirnorganoide entwickelt, um die HIV-assoziierte neurokognitive Störung (HAND) zu untersuchen, die trotz wirksamer antiretroviraler Therapie (ART) weiterhin 30–50 % der Menschen mit HIV betrifft. Mikrogliale Zellen sind das primäre Reservoir von HIV-1 im ZNS, und organoide Modelle waren maßgeblich daran beteiligt zu erklären, wie mikrogliale Infektionen neuronale Schäden verursachen. Kong et al. verwendeten iPSC-abgeleitete zerebrale Organoide mit Mikroglia und beobachteten einen deutlichen Anstieg der CCL2- und CXCL10-Chemokin-Genexpression sowie die Aktivierung mehrerer Typ-I-Interferon-stimulierten Gene (MX1, ISG15, ISG20, IFI27, IFITM3 und andere) nach einer HIV-1-Infektion30. Das entzündliche Genexpressionsprofil wurde an umliegende Zellen, einschließlich nicht infizierter Neuronen, weitergegeben. Diese Neuronen zeigten einen deutlichen Rückgang der Expression von Neurotransmittertransportern sowie eine erhöhte Expression von Genen, die mit zellulärer Alterung und Zelltod assoziiert sind. Der Einsatz von Gehirnorganoiden für die HIV-Forschung wurde von Dos Reis et al. vorangetrieben, die HIV-infizierte Mikroglia in menschliche Gehirnorganoide31 integrierten. Dieses Modell reproduzierte die niedrigstufige virale Replikation, die typischerweise im menschlichen Gehirn beobachtet wird. Die Einbindung von HIV-infizierten Mikroglia löste eine neuroinflammatoriske Reaktion aus, die mit Astrogliose, neurodegenerativer Pathologie sowie Degeneration und Verlust neuronaler synaptischer Prozesse assoziiert ist. Donadoni et al. verwendeten anschließend human-induzierte, pluripotente Stammzellen (hiPSC)-abgeleitete zerebrale Organoide mit Mikroglia und Astrozyten, um NeuroHIV zu modellieren und die Effekte der kombinierten antiretroviralen Therapie (cART) in einem 3D-organoiden Systemzu bewerten. Zusammen liefern diese organoidbasierten Studien wichtige mechanistische Erkenntnisse in HAND und schaffen ein wertvolles Modellsystem zur Untersuchung neuroprotektiver Therapien.

Zusammenfassend bieten Gehirnorganoide ein einheitliches Modellsystem zur Überprüfung antiviraler Verbindungen und bewerten gleichzeitig neurotoxische Effekte frühzeitig im Arzneimittelentwicklungsprozess. Die Identifizierung wirksamer antiviraler Verbindungen ist nur der erste Schritt zur klinischen Übersetzung (Tabelle 1). Ebenso wichtig ist die Entwicklung von Arzneimittelabgabestrategien, die in der Lage sind, Therapeutika an infizierte Zellen im ZNS zu liefern.

VirusOrganoidmodellZelltypenWichtige ErkenntnisseEinschränkungenReferenz
ZIKVhPSC-abgeleitete fetalähnliche OrganoideNeuronale Vorläufer, NeuronenHH- und AQ-reduzierte virale RNA aus dem 1120-Verbindungs-ScreeningKeine Immunzellen; Fetalstadium17
Kortikale OrganoideNeuronale Vorläufer25HC reduzierte die Infektion um ~74 %; R428 reduzierte ZIKV-mRNA um ~41 %Keine Gefäße18
GehirnorganoideNeuronen, AstrozytenEmricasan neuroprotektiv; Niclosamid und PHA-690509 hemmen die ReplikationKeine Mikroglia19
GehirnorganoideNeuronale VorläuferEnoxacin verhinderte ZIKV-induzierte Mikrozephalie mittels RNAiKeine Immunzellen20
GehirnorganoideNeuronenTH3289 und TH6744 (Benzimidazolonkern) stören den späten ZIKV-LebenszyklusKeine Immunzellen21
SARS-CoV-2GehirnorganoideNeuronenSofosbuvir rettete die Synaptogenese und das neuronale ÜberlebenKein BBB22
HSV-1iPSC-abgeleitete NeuronenNeuronenEin TLR3-Mangel macht menschliche Neuronen anfällig; Menschspezifisches PhänomenNur 2D-Neuronen23*
3D-OrganoidkulturenNeuronenCRISPR-Cas9 unterdrückte die primäre Infektion und ReaktivierungBegrenzte Reifung24
HIV-1iPSC zerebrale OrganoideNeuronen, MikrogliaCCL2, CXCL10 Hochregulierung; Aktivierung des Typ-I-Interferon-Gens; Neuronale AltersbildungKeine Gefäße30
Menschliche Gehirn-ORGanoide mit MikrogliaNeuronen, MikrogliaNeuroinflammation, Astrogliose, synaptische DegenerationKeine Gefäße31
hiPSC-GehirnorganoideNeuronen, Mikroglia, AstrozytencART-Effekte wurden im 3D-NeuroHIV-Modell bewertetModell in der frühen Phase32

Tabelle 1: Gehirnorganoid-Modelle zur Untersuchung neurotroper viraler Infektionen. Diese Tabelle fasst das untersuchte Virus, das organoide Modell, die eingeschlossenen Zelltypen, die wichtigsten Erkenntnisse, Einschränkungen und die Referenz für repräsentative, organoidbasierte Studien zu ZIKV, SARS-CoV-2, HSV-1 und HIV-1-Infektionen zusammen.

Arzneimittelabgabeplattformen

Die Suche nach den wirksamsten antiviralen Verbindungen zur Behandlung von ZNS-Infektionen ist unerlässlich, aber ohne eine effiziente Abgabe ins Gehirn können diese Verbindungen keinen therapeutischen Nutzen erzielen. Gehirnorganoide können verwendet werden, um Arzneimittelabgabesysteme hinsichtlich ihrer Fähigkeit zu bewerten, neuronales Gewebe zu durchdringen und antivirale Nutzlasten zu liefern.

Lipidbasierte Nanopartikel (LNPs) werden weit verbreitet als Arzneimittelträger eingesetzt. Diese Arzneimittelträger haben gezeigt, dass sie die Bioverfügbarkeit erhöhen und eine gezielte Medikamentenabgabe an die Krankheitsstätte ermöglichen, insbesondere im gesamten BBB33. LNP-basierte mRNA-Formulierungen wurden erfolgreich bei der COVID-19-Impfung34,35 eingesetzt. Gehirnorganoide können verwendet werden, um die Wirksamkeit und Sicherheit neuer LNP-basierter Formulierungen zu bewerten. LNPs können auch durch Oberflächenmodifikation mit Zielliganden auf das ZNS vektorisiert werden. Beispielsweise wurden Transferrin oder Laktoferrin an LNPs konjugiert, um rezeptorvermittelte Transzytose zu ermöglichen und den Transport über die BBB 36,37 zu verbessern. Zusammen können die potenzielle Wirksamkeit der Medikamentenabgabe, die Neurotoxizität und Veränderungen der Stabilität der Nanoformulierung nach der BBB-Penetration in Gehirnorganoiden38 untersucht werden.

Zusätzlich zu LNPs wurden auch dual-zielgerichtete Polypeptid-Nanoträger als Arzneimittelabgabesystem in menschlichen Gehirnorganoiden untersucht. Zielgerichtete Poly(L-Glutaminsäure)-Nanopartikel (NPs) zeigten eine ausgezeichnete Zytokompatibilität und die Fähigkeit, in mittelhirnähnliche Organoide einzudringen. Es wurde gezeigt, dass Alanin und Glutathion NPs effizient zu zerebralen Endothelzellen leiten und zerebrale Organoide durchdringen, was zu einer Medikamentenabgabe an das Gehirn39 führt. Die Permeabilität polymerbasierter Nanopartikel wurde in menschlichen 3D-Mikrovaskulaturorganoiden untersucht, wobei der Fokus auf die Auswirkungen ihrer Größe und Oberflächenchemie lag. Die erzeugten Organoide bestanden aus humanen iPSC-abgeleiteten Endothelzellen, Astrozyten und primären Gehirnperizyten. Konfokale Bilder zeigten, dass die Konjugation der NPs mit dem hirnassoziierten Liganden Holo-Transferrin (Tf) ihre Permeabilitätsignifikant erhöhte.

Anschließend wurden die Absorption, Penetration und Verteilung von Goldnanopartikeln (AuNPs) in den BBB-Gehirnsphäroiden untersucht. Diese Sphäroide bestehen aus sechs Hirnzelltypen: Neuronen, Astrozyten, Perizyten, Endothelzellen, Mikroglia und Oligodendrozyten. Die Autoren berichteten, dass vorübergehende Hypoxie zur Öffnung von BBB führte und den Transport von AuNPs ins sphäroide Innere erhöhte. Die Nanopartikel konnten leicht in Zellen und Kerneeindringen 41. In einer ähnlichen Studie mit demselben sphäroiden Modellsystem wurde die gleichzeitige Verfolgung der Nanoträgerpenetrationskinetik und ihrer therapeutischen Nutzlastfreisetzung mittels konfokaler Laserscannmikroskopie42 bewertet. In einer weiteren Studie zeigten Park et al. , dass vom Gehirn abgeleitete neurotrophe Faktor (BDNF)-konjugierte AuNPs erfolgreich in zerebrale Organoide eindrangen, ohne eine signifikante Toxizitätzu verursachen 43.

Über die Zielerfassung von Gruppen hinaus können auch Form und Größe von Nanopartikeln eine bedeutende Rolle bei der Fähigkeit einer Nanoformulierung spielen, ihre therapeutische Nutzlast ins Gehirnzu bringen. Polystyrol-200-nm-Kugeln, vektorisiert mit Antikörpern gegen VCAM-1, akkumulierten 1,2- bis 1,5-fach größer als die kontroll-nicht vektorisierten NPs. Interessanterweise wiesen stabförmige Partikel eine noch größere Ansammlung von 2,1- bis 2,5-fach auf gegenüber entsprechenden Kontrollen auf, was darauf hindeutet, dass stabförmige Partikel gegenüber Kugeln einen Vorteil in Bezug auf die Zellbindung bieten. Zerebralorganoide können detaillierte Einblicke geben, wie die Teilchengeometrie die Gehirnpenetration beeinflussen kann. Zusätzlich könnten die Auswirkungen von Hypoxie und anderen biologisch aktiven Verbindungen auf die Durchlässigkeit von BBB in neurovaskulären Gehirnorganoiden45,46 weiter untersucht werden.

Stammzell-abgeleitete extrazelluläre Vesikel (EVs) stellen eine biologische Alternative zu synthetischen Arzneimittelträgern wie LNPs dar. Branscome et al. untersuchten das reparative Potenzial von EVs gegen eine HIV-1-Infektion in menschlichen Neurosphären47. In dieser Studie wurde gezeigt, dass EVs, die aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und iPSCs produziert werden, natürlich in Neurosphären eindringen können, die zelluläre Lebensfähigkeit retten und die Expression entzündlicher Zytokine in HIV-1-infizierten Neurosphären reduzieren können, was die neuroprotektiven und entzündungshemmenden Eigenschaften von Stammzell-EVs47 hervorhebt. In einer weiteren Studie von Kim et al. wurden kleine extrazelluläre Vesikel (sEVs) für die antivirale Abgabe zur Behandlung der SARS-CoV-2-Infektion48 entwickelt. Die Nanoträger wurden mit löslichem ACE2 (sACE2) durch genetische Modifikation der Spenderzellen mit einem Plasmid geladen, das eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT) codiert, was zur Expression von sACE2 auf der sEV-Oberfläche führte. Es wurde nachgewiesen, dass sACE2-vektorisierte sEVs gegen WT und das mutierte S-Protein-Pseudotyp-Virus48 schützten. Der Schutzmechanismus könnte bei SARS-CoV-2-infizierten Gehirnorganoiden getestet werden. Außerdem zeigte eine weitere Studie, dass EVs, die von HSV-1-infizierten Zellen freigesetzt werden, angeborene Immunkomponenten wie STING tragen, die angeborene Immunantworten in Empfängerzellen aktivieren können und so eine starke Hemmung der HSV-1-Replikation bewirken. Eine entscheidende Trennung von EVs von infektiösen Viruspartikeln wurde durch die Dichtegradientenzentrifugation49 erreicht.

Gehirnorganoide können auch verwendet werden, um die potenzielle Neurotoxizität neuer Arzneimittel-Nanoformulierungen zu testen. Beispielsweise wurde bei der Injektion von pegylierten AuNPs in Hirnorganoide eine signifikante Entzündung beobachtet, vermittelt durch ROS-Produktion. Im Gegensatz dazu zeigten polymere Polymilchsäure-NPs eine effiziente Arzneimittelabgabe und geringe Zytotoxizität aufgrund ihrer langsamen Aufnahme und Abbaubarkeit, was das Eindringen in das Gehirnorganoid ermöglichte, ohne eineImmunantwort auszulösen. Die Neurotoxizität von AuNPs, Graphen und Kohlenstoffpunkten wurde ebenfalls in 3D-neurovaskulären Organoiden untersucht. Diese Organoide bestanden aus neuronalen Zellen, Mikroglia und einer Endothelzelloberfläche. Diese Studien zeigten, dass Mikroglia eine entscheidende Rolle bei der Durchlässigkeit und Toxizität dieser Formulierungen spielen könnten51. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass hohe Konzentrationen von ZnO-NPs ebenfalls zu erheblichen neuronalen Toden führen. Der Toxizitätsmechanismus wurde mit der intrazellulären Akkumulation von Zn-Ionen in Verbindung gebracht, die den LC3B-Proteinspiegel senkte und auf eine defekte Autophagie52 hindeutet. Insgesamt zeigen diese Studien, dass 3D-Gehirnorganoide erfassen können, wie Nanoformulierungen mit neuronalem Gewebe interagieren – von der Aufnahme und Penetration bis hin zur Immunaktivierung und Toxizität. Der Erfolg der auf das ZNS gezielten Arzneimittelabgabestrategien hängt letztlich nicht nur davon ab, Zielzellen zu erreichen, sondern auch die während der Infektion aktivierten entzündlichen Signalwege zu modulieren, von denen viele durch DAMPs- und PAMPs-Signalübertragungen initiiert werden.

DAMPs und PAMPs bei Virusinfektionen

Gehirnorganoide können verwendet werden, um DAMPs und PAMPs zu untersuchen, die von gestressten, verletzten oder sterbenden Zellen im ZNS freigesetzt werden. DAMPs umfassen Hitzeschockproteine, ATP und Harnsäure, während PAMPs bakterielle, virale, pilz- und parasitäre Makromoleküle umfassen. Daher alarmieren diese molekularen Muster das angeborene Immunsystem und aktivieren mehrere Signaltransduktionswege als Reaktion auf fremde Antigene oder ein Anzeichen, das häufig mit einer Infektion assoziiert wird. Die Mechanismen, die ihren schützenden Wirkungen als Reaktion auf Virusinfektionen zugrunde liegen, sind nicht vollständig verstanden, und detaillierte Untersuchungen dieser Prozesse können bei Gehirnorganoiden53 durchgeführt werden. Freigesetzte DAMPs und PAMPs binden an eine große Gruppe von Rezeptoren, darunter Toll-ähnliche Rezeptoren (TLRs), NOD-ähnliche Rezeptoren (NLRs), AIM2-ähnliche Rezeptoren, RIG-I-ähnliche Rezeptoren (RLRs) und C-Typ-Lektinrezeptoren (CLRs), die auf der Plasmamembran oder intrazellulär54 exprimiert werden. Diese Rezeptoren sind entscheidend für die Produktion von Zytokinen und Interferonen als Reaktion auf neurotrope virale Infektionen, darunter EV-71, HIV-1, HSV-1, Flaviviren, West-Nil-Virus (WNV) und weitere54.

Slowikowski et al. untersuchten, wie DAMPs, Chemokine und Adhäsionsmoleküle, die von geschädigten Neuralzellen freigesetzt werden, den Eintritt von Leukozyten in das ZNS während der Flavivirus-Enzephalitis55 koordinieren. Insbesondere wurde gezeigt, dass WNV die Expression hochentzündlicher Nekropotose- und Pyroptose-Zelltodesmarker erhöht, die die Freisetzung von DAMPs im infizierten Gehirn fördern. Wenn solche Moleküle, zum Beispiel das High Mobility Group Box 1 (HMGB1)-Protein, freigesetzt werden, induzieren sie mehrere Signalwege, was zu einer CXCR4-abhängigen Migration aktiverter Monozyten, Makrophagen und dendritischer Zellen zu infiziertenGeweben führt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass DAMPs als Reaktion auf eine Infektion freigesetzt werden können, gefolgt von einer Hochregulierung der TLRs und einer Verschlechterung von ZNS-Entzündungen und Gewebeschäden58. Insgesamt zeigen diese Studien, dass Virusinfektionen offenbar überlappende DAMP-PAMP-Signalwege auslösen, was zu Neuroentzündungen und Gewebeschäden führt. Zusammen könnten Gehirnorganoide, die Mikroglia und Astrozyten enthalten, als Modell dienen, um Immunkaskadenreaktionen im menschlichen Neuralgewebe nachzuverfolgen, insbesondere das Zusammenspiel zwischen DAMP-Freisetzung und TLR-vermittelter Neuroinflammation.

Das Komplementsystem ist ein wesentliches Element der angeborenen Immunität, das schnell auf Infektionen reagiert. Viele Viren haben jedoch Mechanismen entwickelt, um dieses Abwehrsystemzu überwinden. Bestimmte Viren umgehen das Komplementsystem, indem sie Proteine produzieren, die an Komplementkomponenten binden und diese entweder hemmen oder binden. Dies wurde in verschiedenen Viren nachgewiesen, darunter humanes T-lymphotropes Virus-1 (HTLV-1), humanes Cytomegalovirus (HCMV), HIV-1, Simian-Virus 5 (SV5) und Mumpsvirus (MuV), die Wirtskomplementproteine in ihre Virionen integrieren (d. h. CD55/DAF, CD59, CD64 und MCP). Diese Proteine hemmen die angeborene Immunantwort und fördern so die virale Replikation und Persistenz60. Daher können Gehirnorganoide verwendet werden, um die spezifischen Mechanismen zu identifizieren, durch die Viren das Komplementsystem umgehen. Zunehmende Belege deuten darauf hin, dass DAMPs und PAMPs nicht nur die anfängliche antivirale Reaktion bestimmen, sondern auch als wichtige Vermittler der anhaltenden Entzündung dienen, die chronischen postviralen Erkrankungen zugrunde liegen.

Rolle von DAMPs/PAMPs bei anhaltender Entzündung durch eine Virusinfektion

Über die akute entzündliche Phase hinaus können Virusinfektionen chronische Exposition gegenüber DAMPs/PAMPs verursachen, was langfristige entzündliche Folgen hat, insbesondere im Gehirn. Zerebralorganoide können zu einem mächtigen Werkzeug werden, um die zugrunde liegenden Mechanismen von Syndromen im Zusammenhang mit der postakuten Infektionsphase zu untersuchen.

Die meisten derzeit bekannten humanen nicht-persistenten Viren aktivieren Immunantworten während der akuten Infektionsphase, gefolgt von der Eliminierung von Krankheitserregern. In einigen Fällen erleben Patienten jedoch anhaltende Symptome, die sich von denen während der akuten Phase unterscheiden und Monate oder sogar Jahre anhalten können. Insbesondere berichten Patienten mit Long COVID-19 von chronischer Müdigkeit, "Gehirnnebel", Fieber, Schmerzen und anderen neurologischen Komplikationen61. Darüber hinaus kann chronische Entzündung die Sterblichkeit und Morbidität erhöhen sowie das Risiko für Atherothrombose, Krebs und kognitive Beeinträchtigung62,63.

Darüber hinaus kann das Fortbestehen viraler Proteine und RNA zu erhöhten Spiegeln proinflammatorischer Zytokine wie TNF-α, IL-1α, IL-1β, IFN-γ und IL-6 führen, was zu Gewebeschäden, vorzeitigem Altern und Erschöpfung des Immunsystems64 führt. Langsame Replikation oder Spuren viraler Komponenten könnten die Freisetzung von DAMPs/PAMPs auslösen, die mit ihren spezifischen Rezeptoren interagieren und eine anhaltende, niedriggradige Entzündung65 verursachen. In einigen Fällen kann eine HSV-1-Infektion des Gehirns zu neuronalen Schäden und anschließend zu einer Enzephalitis führen und schließlich zur Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer66 beitragen. Gestörte Autophagiemechanismen können ein Hauptauslöser chronischer Entzündungen bei Patienten mit HSV-2 sein, bei denen defekte Schutzmechanismen zu anhaltender viraler Replikation, dem kontinuierlichen Vorhandensein viraler Komponenten im Gehirn und Neurodegeneration67 führen. Diese viralen Komponenten aktivieren angeborene Immunsensoren über PAMPs und können Signalwege manipulieren, um die antiviralen Effekte der angeborenen Immunaktivierung zu umgehen. Wichtig ist, dass HCMV und das Epstein-Barr-Virus (EBV) nachweislich chronische Virusinfektionen etablieren, die eine Immunfunktionsstörungfördern 68,69. Eine anhaltende, durch Infektionen verursachte Alterung kann ebenfalls zur langfristigen Entzündung beitragen, die mit verschiedenen Virusinfektionen verbunden ist. 3D-Gehirnorganoide mit integrierten Immunkomponenten bieten relevante Plattformen zum Verständnis der komplexen Mechanismen, die der chronischen Exposition gegenüber DAMPs/PAMPs zugrunde liegen, sowie deren Rolle bei den langfristigen Komplikationen viraler Infektionen im ZNS.

Einschränkungen und Perspektive:

Trotz ihrer Vorteile gegenüber traditionellen In-vitro-Modellen haben Gehirnorganoide erhebliche Einschränkungen, die berücksichtigt werden müssen, um ihre breitere Anwendung zu unterstützen. Konkret fehlen den meisten Organoiden die ansässigen Immunzellen, die maßgeblich zur Modellierung viraler Erkrankungen und zum Verständnis angeborener und adaptiver Immunantworten während einer Virusinfektion70 beitragen. Insbesondere fehlen Standard-Organoidprotokolle integrierte Mikroglia, die primären ZNS-Immunzellen und das Reservoir von HIV-1, was die Modellierung von Neuroinflammation und viraler Persistenzeinschränkt 71. Ein weiterer Nachteil ist die unvollständige Gewebekomplexität, einschließlich des Fehlens von Gefäßen, die eine wichtige Rolle bei der Nährstoff- und Sauerstoffversorgung sowie bei der viralen Verbreitungspielt. Daher ist das Wachstum von Organoiden begrenzt, da die Zellen im Zentrum nicht ausreichend Nährstoffe aufnehmen können. Zusätzlich ist die Ausscheidung von Stoffwechselabfällen beeinträchtigt, was oft zu hypoxischen oder nekrotischen Kernen in großen Organoiden führt. Außerdem reproduzieren Organoide nicht vollständig die Wechselwirkungen zwischen Neuronen, Endothelzellen und Stromalzellen, die Virusinfektionen und Pathogenese beeinflussen können. Darüber hinaus können Organoide in diesem Entwicklungsstadium keine systemischen Infektionen, Interorgan-Ausbreitung und Ganzkörperimmunantworten wiederholen73. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass viele epitheliale Organoide aufgrund ihrer nach innen gerichteten apikalen Oberfläche74 nur begrenzt Zugang zur viralen Inokulation haben. Daher erfordert die virale Impfung eine Mikroinjektion, was zu Variabilität und geringem Durchsatz führt. Daher erschwert die Impfung von Organoiden mit unterschiedlichen Durchmessern die Vielzahl der Infektionen schwer zu kontrollieren. Außerdem ähneln viele Organoide dem fetalen Gewebe und nicht den adulten Organen, was den viralen Tropismus, die Replikationskinetik und die Wirtsreaktionenbeeinflussen kann. Dies zeigt sich besonders im Fall von HSV-1, da die neuronale Reifung die Latenzbildung und Reaktivierungsprozesse beeinflusst, sodass Organoide im fetalen Stadium möglicherweise nicht vollständig rekapitulieren. Außerdem können Organoide in Zusammensetzung und Funktion erheblich variieren, was zu unterschiedlichen Ergebnissen, geringer Reproduzierbarkeit und dem Bedarf an zahlreichen experimentellen Replikaten führt. Zum Beispiel können Organoide in Größe, zellulärer Zusammensetzung, Architektur und Reifungszustand variieren. Das macht Standardisierung schwierig, wenn nicht gar unmöglich, über Laborehinweg 7,75. Schließlich bleiben die hohen Kosten und die begrenzte Skalierbarkeit der Organoidenerzeugung und -pflege erhebliche Hürden. Daher ist eine große Herausforderung die Entwicklung von Hochdurchsatzplattformen, die mit der Organoid-Technologie74 kompatibel sind.

Trotz dieser Mängel und Einschränkungen bieten Organoide ein erhebliches Potenzial zur Modellierung viraler Infektionen, der Toxikologie und der Arzneimittelentwicklung. Die Überwindung dieser Einschränkungen könnte die Abhängigkeit von Tiermodellen erheblich verringern und grundlegende mechanistische Studien erleichtern76. Eine der bemerkenswerten Schwächen bestehender Organoidmodelle ist ihre begrenzte physiologische Komplexität und das Fehlen einer vielfältigen zellulären Zusammensetzung. Zukünftige Entwicklungen müssen sich darauf konzentrieren, immune, neuronale, vaskuläre und stromale Komponenten in organoide Modelle zu integrieren. Dies könnte mit Kokulturmodellen erreicht werden, die Organoide mit den genannten Zelltypen77,78 integrieren. Konkret wird die Einbindung von Immunzellen die Modellierung systemischer Immunantworten und Entzündungen während Virusinfektionen ermöglichen. Darüber hinaus können vaskularisierte Organoide weiterentwickelt werden, um die physiologische Komplexität zu verbessern und in vivo Bedingungen besser nachzubilden79,80. Daher unterstützen zerebrale Organoide, die Endothelgewebe enthalten, Untersuchungen zur Funktion der Blut-Hirn-Schranke und zur Arzneimittelabgabe während viraler Infektionen13,81. Darüber hinaus können 3D-Gehirnorganoide mehrere Schlüsselaspekte einer Virusinfektion im Gehirn replizieren. Tatsächlich werden derzeit mehrere Organoid-Modelle mit komplexen Strukturen, die verschiedene Gehirnregionen eng repräsentieren, untersucht82. Schließlich würde die Einbeziehung neuronaler und stromaler Komponenten die Treue der Organoide gegenüber den natürlichen Organsystemen weiter erhöhen. Die Reproduzierbarkeit bleibt ein weiteres ernsthaftes Hindernis für die breitere Anwendung organoider Technologien. Daher ist die Erzeugung robuster, hochreproduzierbarer Organoide entscheidend für die weitere Übersetzung von Organoidanwendungen. Verschiedene Methoden zur Zellisolierung und -aussaatung sowie zur Auswahl von Matrizen und löslichen Faktoren sollten im gesamten Bereichstandardisiert werden. Bemerkenswert ist, dass die Zusammensetzung des Kulturmediums, die Zelldichte und die Kulturzeit die Ergebnisse dieser Modelle beeinflussen können. Daher wurden Strategien zur Reduzierung der Matrixvariabilität, einschließlich synthetischer Hydrogele, die aus vollständig definierten Polymernetzwerken mit präzise kontrollierten chemischen und mechanischen Eigenschaften bestehen, als vielversprechende Alternativeeingeführt. Diese Organoide weisen nur minimale Variabilität von Charge zu Charge auf, was kontrollierte Studien ermöglicht. Darüber hinaus würde die Schaffung von Organoid-Biobanken, die vielfältige Patientengruppen repräsentieren, zu einer wertvollen Ressource für die Wirkstoffentdeckung und Biomarker-Identifikation werden. Aufkommende Technologien der künstlichen Intelligenz (KI) werden zu wichtigen Werkzeugen in der Organoidenforschung85. Weitere Anwendungen dieser Technologien können Analysen beschleunigen und Verzerrungen bei der Dateninterpretation verringern. Dennoch befinden sich KI-Anwendungen in diesem Bereich noch in einem frühen Stadium. Die Integration von KI-Ansätzen in die Organoidentwicklung, wie KI-gesteuerte Bildanalyse86 oder prädiktive Optimierung der Kulturbedingungen87, würde die Forschung an Organoiden erheblich erleichtern.

Schlussfolgerungen

Diese Übersicht untersucht, wie Gehirnorganoide, 3D-Neuralkulturen, die die menschliche neurovaskuläre Einheit eng nachahmen, zur Untersuchung der Invasion, Replikation und des ZNS-Schadens durch neurotrope Viren eingesetzt werden. Obwohl jedes Virus einzigartige genetische und strukturelle Merkmale besitzt, sind viele der durch Viren im Gehirn ausgelösten pathologischen Prozessen gemeinsam, und organoide Modelle haben sich als gut geeignet erwiesen, um diese gemeinsamen und unterschiedlichen Mechanismen zu analysieren. Übermäßige Entzündungen können Schäden an Nervenzellen verschlimmern; Wenn das angeborene Immunsystem jedoch richtig kontrolliert wird, kann es die Virusausbreitung begrenzen und das Gehirngewebe schützen.

3D-Organoide ermöglichen die Untersuchung beider Effekte in einem physiologisch relevanteren Kontext, in dem Tiermodelle und 2D-Zellkulturen diese Dynamiken nicht erfasst haben. Diese Informationen sind entscheidend, um die virale Pathogenese im Gehirn zu bekämpfen und Behandlungen zu identifizieren, die die richtigen Wege ansprechen, ohne die Entzündung zu verstärken. Gehirnorganoide verfügen über ein fortgeschrittenes Verständnis neurotroper viraler Infektionen, aber einige technische Lücken müssen noch behoben werden. So bleiben beispielsweise langsame Reifung, eingeschränkte Gefäße und das Fehlen von BBB-Komponenten häufige Herausforderungen. Variabilität in Organoid-Differenzierungstechniken und Inkonsistenzen von Charge zu Charge erschweren ebenfalls die Forschung mit Gehirnorganoiden. Darüber hinaus kann die Quantifizierung des viralen Eintritts, der Replikation, des Zelltyp-Tropismus und der Wirtsreaktionen in einem kontrollierten 3D-Kontext verbessert werden. Die im Manuskript behandelten Arbeiten haben gezeigt, dass die Gehirnorganoide zu den relevantesten Systemen gehören, die zur Untersuchung der Wechselwirkung neurotroper Viren mit dem menschlichen Gehirn zur Verfügung stehen, zur Prüfung antiviraler Kandidaten und zur Bewertung der Arzneimittelabgabe an das ZNS. Da die Technologie mit verbesserter Gefäßbildung, Integration von Immunzellen und der Einführung standardisierter Protokolle reift, werden organoidbasierte Studien besser positioniert sein, um Verbindungen und Strategien mit echtem Potenzial für eine klinische Übersetzung zu identifizieren.

Abkürzungen: ASOs, Antisense-Oligonukleotiden; BBB, Blut-Hirn-Schranke; CLRs, C-Typ-Lektinrezeptoren; ZNS, zentrales Nervensystem; CRISPR, gruppierte, regelmäßig interspaced, kurze palindromische Wiederholungen; CXCL10, C-X-C-Motiv Chemokin-Ligand 10; DAMPs, schadensassoziierte molekulare Muster; EVs, extrazelluläre Vesikel; hPSCs, humane pluripotente Stammzellen; HSV-1/2, Herpes-simplex-Virus Typ 1/2; HIV-1, humanes Immundefizienzvirus Typ 1; IFNs, Interferone; IL-6, Interleukin-6; ISGs, interferonstimulierte Gene; LNPs, Lipid-Nanopartikel; NLRs, NOD-ähnliche Rezeptoren; PAMPs, pathogenassoziierte molekulare Muster; PRRs, Mustererkennungsrezeptoren; RNAi, RNA-Interferenz; RT-PCR, Umkehr-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion; sACE2-EVs, lösliche, mit ACE2 verzierte extrazelluläre Vesikel; SARS-CoV-2, schweres akutes respiratorisches Syndrom Coronavirus 2; scRNA-seq, Einzelzell-RNA-Sequenzierung; TLRs, Toll-like Rezeptoren; TNF-α, Tumornekrosefaktor-Alpha; ZIKV, Zika-Virus; 3D, dreidimensional. ZIKV, Zikavirus; hPSC, humane pluripotente Stammzelle; HH, hippeastrines Hydrobromid; AQ, Amodiaquin-Dihydrochloriddihydrat; 25HC, 25-Hydroxycholesterin, BBB, Blut-Hirn-Schranke; cART, eine Kombination aus antiretroviraler Therapie; CRISPR, gruppierte, regelmäßig interspaced, kurze palindromische Wiederholungen; hiPSC, humaninduzierte pluripotente Stammzelle; HIV-1, humanes Immundefizienzvirus Typ 1; hPSC, humane pluripotente Stammzelle; HSV-1, Herpes-simplex-Virus Typ 1; RNAi, RNA-Interferenz; SARS-CoV-2, schweres akutes respiratorisches Syndrom Coronavirus 2; TLR3, Toll-like Receptor 3.* iPSC-abgeleitete 2D-Neuronenstudie zum Vergleich eingeschlossen.

Offenlegungen

ChatGPT (OpenAI; GPT-5.5) wurde in begrenztem Umfang verwendet, um bei der Literaturprüfung und Sprachverfeinerung zu helfen. Alle Literaturauswahl, Faktenprüfung, Referenzverifizierung und wissenschaftliche Interpretation wurden unabhängig von den Autoren durchgeführt.

Danksagungen

Die Autoren danken allen Mitgliedern des Kashanchi-Labors dankbar und danken Gwen Cox für ihre unschätzbare Unterstützung. Diese Studie wurde außerdem durch National Institutes of Health (NIH) Grants R01MH134389, AI078859 and AI074410 R21DA057887 und das Department of Defense HT9425-24-1-0876 an F.K. unterstützt.

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