Article de revue

Les organoïdes cérébraux comme plateformes émergentes pour modéliser les infections du SNC : neuropathogenèse, découverte thérapeutique et administration de médicaments

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DOI :

10.3791/70757

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7 août 2026

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1Laboratory of Molecular Virology, George Mason University

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Cette revue examine les organoïdes cérébraux comme plateformes pour modéliser certaines infections virales neurotropes et met en lumière leurs applications dans la pathogenèse virale, la découverte d’antiviraux, les réponses immunitaires innées et la délivrance de médicaments ciblant le système nerveux central (SNC).

Résumé

Les virus neurotropes restent un défi sanitaire mondial persistant, et les mécanismes par lesquels ils endommagent le cerveau humain ne sont pas encore pleinement compris. Les modèles animaux sont souvent limités par des aspects spécifiques à l’humain de la biologie du SNC, tandis que les cultures cellulaires bidimensionnelles (2D) ne peuvent pas reproduire les interactions cellulaires complexes tridimensionnelles (3D) qui se produisent lors d’une infection virale du cerveau. Au cours de la dernière décennie, des organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches humaines sont apparus comme des modèles physiologiquement pertinents qui répondent à ces limitations. Ces cultures 3D s’auto-assemblent en structures contenant des neurones, des astrocytes et des cellules progénitrices disposées selon des motifs rappelant le développement précoce du cerveau. Cette revue examine l’application des organoïdes cérébraux à l’étude des infections causées par le virus Zika (ZIKV), le syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 (SARS-CoV-2), le virus de l’herpès simplex (HSV) et le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1). Les études ont été sélectionnées sur PubMed et sélectionnées en fonction de leur pertinence pour la modélisation des infections organoïdes du SNC, le dépistage des antiviraux, la délivrance de médicaments ciblant le SNC et la neuroinflammation. Le dépistage antiviral à base d’organoïdes a permis d’identifier des composés prometteurs dans des bibliothèques contenant plus de 1 000 candidats. Les stratégies d’administration des médicaments sont également discutées, avec un accent particulier sur les nanoparticules, les porteurs polymères et les vésicules extracellulaires (EV) évalués dans des modèles organoïdes et sphéroïdes pour leur capacité à franchir la barrière hémato-encéphalique (BBB) et à livrer une charge thérapeutique aux cellules neuronales. Les rôles des schémas moléculaires associés aux dommages et aux agents pathogènes (AMP et PAMPs) dans la neuroinflammation, l’évasion du complément et les dommages post-infection chroniques, y compris le COVID long, sont également examinés. Les limitations actuelles, notamment l’absence de vascularisation fonctionnelle, les composants incomplets du BBB et les difficultés de reproductibilité, sont abordées. Malgré ces limites, les organoïdes du SNC comblent le fossé entre la recherche fondamentale et l’application clinique, faisant progresser le développement de thérapies efficaces pour les infections virales du cerveau.

Introduction

Le système nerveux central (SNC) est un système complexe composé de régions fonctionnelles distinctes du cerveau et de la moelle épinière. Les organoïdes du SNC, souvent appelés « mini-cerveaux », sont des structures multicellulaires tridimensionnelles (3D) qui imitent le cerveau humain en développement. Ils sont principalement générés à partir de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC), qui peuvent s’auto-assembler en tissus représentant diverses régions cérébrales. Ces mini-cerveaux récapitulent les schémas épigénétiques, la structure et les marqueurs transcriptionnels du cerveauen développement 1,2,3.

La génération d’organoïdes cérébraux à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) dérivées du patient a été développée pour la première fois en 2013. Avant cette découverte, l’accès au tissu cérébral humain était limité en raison des questions éthiques liées à la conduite d’études expérimentales, en particulier celles impliquant le tissu cérébral fœtal ou in utero 2. Le développement des organoïdes cérébraux a démontré la capacité d’imiter le neurodéveloppement humain, y compris la formation de régions cérébrales distinctes telles que le cortex cérébral. Lancaster et al. ont fourni la première preuve expérimentale que les cellules souches peuvent former des structures neuronales complexes in vitro, proposant un modèle qui reflète plus fidèlement la physiologie humaine que les cultures cellulaires bidimensionnelles (2D)conventionnelles 5. Il est important de noter que certaines affections neurodéveloppementales humaines, telles que la microcéphalie, se sont avérées difficiles à reproduire dans des modèles de rongeurs, ce qui souligne encore la nécessité de systèmes d’origine humaine6.

Les organoïdes du SNC contiennent plusieurs types cellulaires qui se différencient et forment des structures multicouches ressemblant au cerveauen développement 7, ce qui les rend bien adaptés aux études à haut débit de neurogenèse, de migration neuronale et d’anomaliesdéveloppementales 8. La génération des organoïdes du SNC commence avec des cellules souches pluripotentes (PSC), qui incluent les iPSC et les cellules souches embryonnaires. Les cellules souches embryonnaires sont exposées à des facteurs de croissance et à des inhibiteurs de signalisation pour favoriser la différenciation en cellules neuronales et imiter le développement embryonnaire précoce2. Une fois que les cellules commencent à s’agréger, elles s’auto-organisent dans un environnement 3D et sont souvent intégrées dans une matrice extracellulaire pour assurer une stabilité structurelle. Les organoïdes sont ensuite généralement maintenus sous des conditions de culture dynamique, telles que des bioréacteurs tournants ou des vibrations orbitales, afin d’améliorer l’apport en nutriments et en oxygène, et de soutenir la croissancecontinue 9. Des organoïdes spécifiques à une région du cerveau antérieur, du mésencéphale et du cerveau postérieur peuvent également être générés à l’aide de protocoles guidés dans des bioréacteurs tournants miniaturisés, avec des régions cérébrales distinctes apparaissant typiquement sur plusieurs semaines à lesmois 9, 10 et 11. Les organoïdes du SNC capturent de nombreuses caractéristiques structurelles clés du cerveau humain en développement, notamment les régions ventriculaires contenant des cellules gliales radiales qui échafaudent les neurones migrateurs et des progéniteurs intermédiaires qui amplifient les populationsneuronales 12. Les premiers neurones forment des couches corticales avec des réseaux synaptiques émergents. Bien que les organoïdes ne répliquent pas entièrement la taille ou l’organisation du cerveau mature, ils sont plus pertinents sur le plan physiologique que les cultures monocouches traditionnelles.

Un avantage majeur des organoïdes du SNC est leur capacité à modéliser le moment du développement. Les cultures progressent de plusieurs semaines à des mois et parallèlement au développement cérébral fœtal humain. Cela permet aux chercheurs d’observer en temps réel des processus neurologiques tels que la neurogenèse, l’extension axonale et la formation précoce des circuits neuronaux. Les organoïdes peuvent également être programmés pour inclure des microglies, des cellules ressemblant à des vaisseaux sanguins, ou même des composants de la barrière hémato-encéphalique (BBB), tels que les astrocytes, les cellules endothéliales et les péricytes. Ces organoïdes peuvent soutenir des études sur les réponses immunitaires et le transport de substances13. De plus, les organoïdes peuvent être combinés pour créer des assembloïdes, qui sont des systèmes auto-organisés modélisant la communication entre différentes régionscérébrales 14. Grâce à ces capacités, les organoïdes du SNC offrent un moyen direct d’étudier comment les virus neurotropes envahissent, se répliquent à l’intérieur et endommagent le cerveau, des questions qui ont longtemps été difficiles à aborder avec des modèles conventionnels.

Il existe un grand nombre et une grande diversité de virus neurotropes pouvant affecter le cerveau humain, notamment les flavivirus, le coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SARS-CoV-2), le virus de l’herpès simplex (HSV) et le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1). Le développement de thérapies antivirales efficaces est crucial mais reste un défi en raison de la complexité des interactions virus-cerveau. Le cerveau est considéré comme un organe immunoprivilégié, soutenu par la BBB, qui empêche les grandes cellules immunitaires et molécules d’entrer dans le cerveau depuis la circulation sanguine.

Les virus neurotropes ont développé diverses stratégies pour franchir cette barrière, notamment la migration transcellulaire, la perturbation des jonctions serrées et le mécanisme du « cheval de Troie », par lequel les cellules immunitaires infectées transportent le virus à traversl’endothélium 4. En conséquence, la surveillance immunitaire dans le cerveau est restreinte, rendant l’élimination virale plus difficile. De plus, les composants cellulaires du BBB, y compris les cellules endothéliales, les astrocytes et les péricytes, expriment des récepteurs de reconnaissance de motifs qui détectent les motifs moléculaires associés aux agents pathogènes viraux (PAMPs) et déclenchent des réponses immunitaires innées, bien que la signalisation pro-inflammatoire puisse paradoxalement aggraver la perturbation duBBB 15. De plus, l’accès limité aux tissus cérébraux humains entrave les études sur les interactions virales avec les cellules neuronales et la délivrance d’agents antiviraux puissants au SNC. Ces défis combinés entravent la découverte de nouveaux agents antiviraux pour traiter les infections virales à tous les stades de développement et tout au long de la vie, rendant essentiel de mieux comprendre comment les virus interagissent avec le cerveau et de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour combattre cesinfections 16. Dans l’ensemble, cette revue met l’accent sur l’utilité des organoïdes du SNC pour étudier les infections virales neurotropes, les mécanismes de la neuroinflammation et la découverte de médicaments antiviraux. La figure 1 présente un aperçu des principales applications des organoïdes cérébraux pour modéliser les infections virales neurotropiques, étudier les interactions hôte-pathogène et faire progresser le développement de traitements antiviraux.

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Figure 1 : Les organoïdes cérébraux comme plateformes pertinentes pour l’humain afin de modéliser les infections virales neurotropes du SNC. La figure offre un aperçu des principaux sujets abordés, en mettant l’accent sur les organoïdes cérébraux tridimensionnels (3D) comme modèles expérimentaux. Les virus neurotropes abordés dans cette revue incluent le VIH-1, le HSV-1/2, le SARS-CoV-2 et le ZIKV. Différents modèles d’organoïdes cérébraux permettent d’étudier la pathogenèse virale, les interactions hôte-pathogène, le dysfonctionnement de la barrière hémato-encéphalique (BBB) et les réponses neuroinflammatoires impliquant les neurones, les astrocytes, les microglies et les cellules endothéliales cérébrales. Les organoïdes cérébraux fournissent des plateformes physiologiquement pertinentes pour le dépistage et l’évaluation des traitements antiviraux. Créé dans BioRender. Kashanchi, F. (2026) https://BioRender.com/y7eenju Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Revue et perspective

Découverte thérapeutique chez des organoïdes cérébraux infectés par un virus

Dépistage antiviral

Il y a un manque de thérapies approuvées pour de nombreuses infections virales neurotropes, limitant les options de traitement au-delà des soins de soutien. Les organoïdes cérébraux sont un outil précieux pour découvrir de nouveaux composés antiviraux en permettant le dépistage de drogues dans un environnement physiologiquement pertinent et 3D qui ressemble au tissu cérébral humain. Dans une étude initiale, un dépistage à forte teneur chimique de 1 120 médicaments et candidats approuvés par la FDA a été réalisé contre le ZIKV dans des organoïdes cérébraux de type fœtal. L’activité antivirale a été évaluée en fonction de la prolifération cellulaire et de la suppression de l’infection au ZIKV. Parmi tous les composés testés, neuf ont montré un potentiel, deux composés — l’hydrobromure d’hippéastrine (HH) et l’amodiaquine dihydrochlorure dihydraté (AQ) — se distinguant par leurs puissants effets antiviraux, réduisant significativement l’infection en supprimant la production d’ARNviral 17.

Plusieurs études ultérieures ont exploré des composés ciblant différentes étapes du cycle de vie viral. Dans une étude de Watanabe et al., le 25-hydroxycholestérol (25HC), un composé qui bloque l’entrée virale en inhibant la fusion membranaire, a réduit les niveaux d’ARNm du ZIKV dans les organoïdes corticaux de ~74 % et diminué les cellules positives au ZIKV de ~72 %. De plus, la même étude a évalué des composés antiviraux ciblant le récepteur AXL exprimés sur les cellules progénitrices neuronales. Un inhibiteur de petite molécule du domaine tyrosine kinase AXL, R428, a produit une réduction modeste des niveaux d’ARNm du ZIKV (~41 %). Cependant, le traitement par un anticorps anti-AXL n’a pas significativement réduit les niveaux d’ARNm duZIKV 18. Enfin, trois médicaments anti-flaviviraux, la duramycine, l’ivermectine et l’azithromycine, ont été testés sur des organoïdes. La duramycine et l’ivermectine ont significativement réduit les niveaux d’ARNm du ZIKV, tandis que l’azithromycine n’a montré aucun effet protecteur contre le ZIKV, comme l’ont déterminé par la RT-qPCR et l’immunocoloration18.

Dans une étude distincte, Xu et al. ont examiné 173 composés comme suppresseurs de l’activité de caspase-3 induite par le ZIKV et identifié l’emricasan comme le candidat neuroprotecteur le plus puissant sans affecter la prolifération cellulaire dans les organoïdes cérébraux. Deux composés supplémentaires, la niclosamide et le PHA-690509, ont démontré une activité anti-ZIKV significative en inhibant la réplication virale à un stade post-entrée de manière dépendante de la dose. De plus, le co-traitement avec l’emricasan et PHA-690509 a produit un effet additif et a préservé la viabilité des astrocytes après l’infection auZIKV 19. Dans une autre étude, l’énoxacine, un amplificateur d’interférence ARN (RNAi), a démontré une activité antivirale directe dans les cellules compétentes en ARNi et a complètement empêché les micro-phénotypes microcéphaliques induits par le ZIKV dans les organoïdes cérébraux, suggérant que l’amélioration des voies antivirales intrinsèques dans les cellules progénitrices neuronales pourrait représenter une stratégie thérapeutiqueviable 20.

Pettke et al. ont ensuite criblé 110 analogues structurels de TH3289 à plusieurs doses dans des organoïdes infectéspar le ZIKV 21. Deux composés, TH3289 et TH6744, ont montré l’activité antivirale la plus forte, et les résultats les plus actifs partageaient un noyau de benzimidazolone. Cette étude a été significative car le système organoïde permettait non seulement un dépistage rapide des composés, mais aussi un suivi mécanistique. Par exemple, il a été constaté que TH6744 interférait avec les dernières étapes du cyclede vie 21 du ZIKV.

Les organoïdes cérébraux ont également été utilisés pour identifier des candidats thérapeutiques à l’infection par le SARS-CoV-2. Un médicament anti-hépatite C approuvé par la FDA, le sofosbuvir, a amélioré la survie neuronale et sauvé la synaptogenèse altérée chez les organoïdes cérébraux infectés par le SARS-CoV-222. Les organoïdes cérébraux ont également contribué à comprendre l’infection nerveuse centrale médiée par le HSV-1 ; cependant, le dépistage antiviral du HSV-1 dans les modèles organoïdes reste limité par rapport aux études sur le ZIKV et le SARS-CoV-2. Une étude majeure utilisant des neurones dérivés de l’iPSC a démontré que la carence en TLR3 rend les neurones humains vulnérables à l’infection par le HSV-1, révélant un phénomène spécifique à l’humain que les modèles de rongeurs n’avaient pas réussi àcapturer 23. Plus récemment, Bellizzi et al. ont démontré que le ciblage CRISPR-Cas9 de répétitions palindromiques courtes régulièrement intercalées (CRISPR)-Cas9 des séquences génomiques HSV-1 supprimait à la fois l’infection primaire et la réactivation virale dans les cultures organoïdes 3D, établissant l’édition génétique comme une stratégie antivirale viable pour l’infection par le virus duSNC 24. Étant donné que la résistance à l’acyclovir est un problème clinique émergent et qu’aucune thérapie curative n’existe pour l’encéphalite duHSV 25, l’absence de dépistage à grande échelle des composés antiviraux contre le HSV-1 dans les organoïdes cérébraux représente un écart important de connaissances.

En plus des petites molécules, les oligonucléotides antisens (ASO), qui ciblent l’ARN et modifient l’expression génique, sont des outils thérapeutiques émergents pour traiter diverses maladies, et les organoïdes cérébraux peuvent être utilisés pour évaluer de nouvelles thérapiesASO 26. Compte tenu de l’utilité des organoïdes pour les études sur l’ASO, des caractéristiques importantes telles que la biodistribution, la toxicité et l’efficacité thérapeutique pourraient être étudiées dans les organoïdes cérébraux infectés par le virus.

L’une des applications les plus importantes des organoïdes cérébraux est d’évaluer la neurotoxicité des antiviraux existants. C’est particulièrement important car les traitements couramment utilisés contre le VIH se sont révélés toxiques pour les cellules cérébrales, tant in vitro qu’in vivo27. Akay et al. ont démontré la neurotoxicité des antiviraux dans des cultures corticales primaires contenant des microglies, des astrocytes et des neurones. Les neurones positifs à la MAP2 ont montré une diminution dépendante de la dose après exposition au ritonavir et au saquinavir. Le traitement par des combinaisons de médicaments antirétroviraux (cART) a entraîné une neurotoxicité aiguë, et les cultures traitées avec de la zidovudine (AZT) ont montré une production accrue d’espèces réactives de l’oxygène (ROS)28. Bien que ces résultats aient été obtenus à l’aide de cultures 2D, les organoïdes cérébraux pourraient élargir cette recherche en fournissant une plateforme plus pertinente sur le plan physiologique pour le dépistage à haut débit de neurotoxicité des thérapies antirétrovirales individuelles ou combinées. Pour étudier les mécanismes sous-jacents à la neurotoxicité induite par les antiviraux dans ces modèles 3D, des techniques telles que l’analyse morphologique, les tests fonctionnels et le profilage transcriptomique peuvent êtreemployées 29.

En plus du dépistage de la neurotoxicité, des organoïdes cérébraux ont été développés pour étudier le trouble neurocognitif associé au VIH (HAM), qui continue d’affecter 30 % à 50 % des personnes vivant avec le VIH malgré une thérapie antirétrovirale efficace (TAR). Les cellules microgliales sont le réservoir principal du VIH-1 dans le SNC, et les modèles organoïdes ont joué un rôle déterminant pour élucider comment l’infection microgliale provoque des dommages neuronaux. Kong et al. ont utilisé des organoïdes cérébraux dérivés de l’iPSC contenant des microglies et ont observé une augmentation marquée de l’expression des gènes de chimiokine CCL2 et CXCL10, ainsi qu’une activation de plusieurs gènes stimulés par l’interféron de type I (MX1, ISG15, ISG20, IFI27, IFITM3, et d’autres) après l’infection par leVIH-1 30. Le profil d’expression génique inflammatoire a été propagé aux cellules témoins, y compris aux neurones non infectés. Ces neurones ont montré une nette baisse de l’expression des transporteurs de neurotransmetteurs, ainsi qu’une expression accrue de gènes associés à la sénescence cellulaire et à la mort cellulaire. L’utilisation des organoïdes cérébraux pour la recherche sur le VIH a été initiée par Dos Reis et al., qui ont intégré la microglie infectée par le VIH dans les organoïdes cérébrauxhumains 31. Ce modèle reproduisait la réplication virale de faible niveau généralement observée dans le cerveau humain. L’incorporation de microglies infectées par le VIH a déclenché une réponse neuroinflammatoire associée à l’astrogliose, à la pathologie neurodégénérative, ainsi qu’à la dégénérescence et à la perte des processus synaptiques neuronaux. Donadoni et al. ont ensuite utilisé des organoïdes cérébraux dérivés des cellules souches pluripotentes humaines (hiPSC) contenant des microglies et des astrocytes pour modéliser NeuroHIV et évaluer les effets de la thérapie antirétrovirale combinée (cART) dans un système organoïde3D 32. Collectivement, ces études basées sur les organoïdes apportent des connaissances mécanistes importantes sur la HAND et établissent un système modèle précieux pour étudier les thérapies neuroprotectrices.

En conclusion, les organoïdes cérébraux fournissent un système modèle unifié pour le dépistage des composés antiviraux tout en évaluant simultanément les effets neurotoxiques dès le début du processus de développement du médicament. L’identification de composés antiviraux efficaces n’est que la première étape vers la traduction clinique (Tableau 1). Tout aussi important est le développement de stratégies d’administration de médicaments capables d’administrer des agents thérapeutiques aux cellules infectées du SNC.

VirusModèle organoïdeTypes cellulairesPrincipales conclusionsLimitationsRéférence
ZIKVOrganoïdes fœtaux dérivés de hPSCAncêtres neuronaux, neuronesL’HH et l’AQ ont réduit l’ARN viral à partir du criblage à 1120 composésPas de cellules immunitaires ; Stade fœtal17
Organoïdes corticauxAncêtres neuronauxLe 25HC a réduit l’infection de ~74 % ; R428 a réduit l’ARNm du ZIKV de ~41 %Pas de vascularisation18
Organoïdes cérébrauxNeurones, astrocytesEmricasan neuroprotecteur ; la niclosamide et la PHA-690509 inhibent la réplicationPas de microglie19
Organoïdes cérébrauxAncêtres neuronauxL’énoxacine a empêché la microcéphalie induite par le ZIKV via l’ARNiPas de cellules immunitaires20
Organoïdes cérébrauxNeuronesTH3289 et TH6744 (cœur de benzimidazolone) interfèrent avec le cycle de vie tardifé du ZIKVPas de cellules immunitaires21
SARS-CoV-2Organoïdes cérébrauxNeuronesLe sophosbuvir a sauvé la synaptogenèse et la survie neuronalePas de BBB22
HSV-1Neurones dérivés de l’iPSCNeuronesLa carence en TLR3 rend les neurones humains vulnérables ; Phénomène spécifique à l’humainUniquement pour les neurones 2D23*
Cultures organoïdes 3DNeuronesCRISPR-Cas9 a supprimé l’infection primaire et la réactivationMaturation limitée24
VIH-1Organoïdes cérébraux iPSCNeurones, microglieCCL2, CXCL10 à la hausse ; activation du gène interféron de type I ; Sénescence neuronalePas de vascularisation30
ORGANOÏDES du cerveau humain avec microglieNeurones, microglieNeuroinflammation, astrogliose, dégénérescence synaptiquePas de vascularisation31
Organoïdes cérébraux hiPSCNeurones, microglies, astrocytesEffets du cART évalués dans le modèle 3D NeuroHIVModèle en phase initiale32

Tableau 1 : Modèles organoïdes cérébraux utilisés pour étudier les infections virales neurotropes. Ce tableau résume le virus étudié, le modèle organoïde, les types cellulaires inclus, les principales conclusions, les limites et la référence pour les études organoïdes cérébrales représentatives des infections au ZIKV, SARS-CoV-2, HSV-1 et VIH-1.

Plateformes de délivrance de médicaments

Trouver les composés antiviraux les plus efficaces pour traiter les infections du SNC est essentiel, mais sans une livraison efficace au cerveau, ces composés peuvent échouer à obtenir un bénéfice thérapeutique. Les organoïdes cérébraux peuvent être utilisés pour évaluer les systèmes de délivrance de médicaments afin qu’ils puissent pénétrer les tissus neuronaux et délivrer des charges utiles antivirales.

Les nanoparticules à base de lipides (LNP) sont largement utilisées comme transporteurs de médicaments. Ces porteurs de médicaments ont démontré qu’ils augmentent la biodisponibilité du médicament et permettent une administration ciblée de médicaments vers le site de la maladie, en particulier sur leBBB 33. Des formulations d’ARNm à base de LNP ont été utilisées avec succès dans la vaccination contre laCOVID-19 34,35. Les organoïdes cérébraux peuvent être utilisés pour évaluer l’efficacité et la sécurité de nouvelles formulations à base de LNP. Les LNP peuvent également être vectorisés vers le SNC par modification de surface avec des ligands de ciblage. Par exemple, la transferrine ou la lactoferrine ont été conjuguées aux LNP pour faciliter la transcytose médiée par les récepteurs et améliorer le transport à travers leBBB 36,37. Collectivement, l’efficacité potentielle de la délivrance de médicaments, la neurotoxicité et les changements dans la stabilité des nanoformulations après la pénétration du BBB peuvent être étudiés chez les organoïdescérébraux 38.

En plus des LNP, des nanoporteurs polypeptidiques à double cible ont également été étudiés comme système d’administration de médicaments dans les organoïdes du cerveau humain. Les nanoparticules poly(acide L-glutaminique) (NP) ciblées ont montré une excellente cytocompatibilité et la capacité d’entrer dans des organoïdes de type mésencéphale. Il a été démontré que l’alanine et le glutathion pouvaient diriger efficacement les NP vers les cellules endothéliales cérébrales et pénétrer les organoïdes cérébraux, entraînant la délivrance de médicaments aucerveau 39. La perméabilité des nanoparticules polymères a été étudiée dans les organoïdes microvasculaires 3D humains, en se concentrant sur les effets de leur taille et de leur chimie de surface. Les organoïdes générés étaient constitués de cellules endothéliales humaines dérivées de l’iPSC, d’astrocytes et de péricytes cérébraux primaires. Les images confocales ont révélé que la conjugaison des NP avec le ligand holo-transférrine (Tf) associée au cerveau augmentait significativement leur perméabilitéà 40.

Ensuite, l’absorption, la pénétration et la distribution des nanoparticules d’or (AuNP) ont été étudiées chez les sphéroïdes cérébraux BBB. Ces sphéroïdes sont composés de six types de cellules cérébrales : neurones, astrocytes, péricytes, cellules endothéliales, microglies et oligodendrocytes. Les auteurs ont rapporté que l’hypoxie transitoire entraînait l’ouverture du BBB et un transport accru des AuNP vers l’intérieur sphéroïde. Les nanoparticules ont pu pénétrer facilement dans les cellules et les noyaux41. Dans une étude similaire utilisant le même système de modèle sphéroïde, le suivi simultané de la cinétique de pénétration des nanoporteurs et de leur libération de charge utile thérapeutique a été évalué par microscopie à balayage laserconfocal 42. Dans une autre étude, Park et al. ont démontré que les AuNP conjugués au facteur neurotrophe dérivé du cerveau (BDNF) pénétraient avec succès dans les organoïdes cérébraux sans causer une toxicité significative43.

Au-delà du ciblage des moitiés, la forme et la taille des nanoparticules peuvent également jouer un rôle important dans la capacité d’une nanoformulation à livrer sa charge utile thérapeutique aucerveau 44. Les sphères en polystyrène de 200 nm vectorisées avec des anticorps contre le VCAM-1 ont accumulé 1,2 à 1,5 fois plus que les NP témoins non vectorisés. Fait intéressant, les particules en forme de bâtonnet ont montré une accumulation encore plus importante de 2,1 à 2,5 fois par rapport aux témoins correspondants, ce qui suggère que les particules en forme de bâtonnet offrent un avantage sur les sphères en termes de liaison cellulaire. Les organoïdes cérébraux peuvent fournir des informations détaillées sur la manière dont la géométrie des particules peut influencer la pénétration du cerveau. De plus, les effets de l’hypoxie et d’autres composés biologiquement actifs sur la perméabilité du BBB pourraient être étudiés davantage dans les organoïdes neurovasculairesdu cerveau 45,46.

Les vésicules extracellulaires (EV) dérivées des cellules souches représentent une alternative biologique aux porteurs synthétiques de médicaments tels que les LNP. Branscome et al. ont exploré le potentiel réparateur des EV contre l’infection par le VIH-1 dans les neurosphères humaines47. Dans cette étude, il a été démontré que les EV produits à partir de cellules souches mésenchymateuses (MSC) et d’iPSC peuvent naturellement pénétrer les neurosphères, sauver la viabilité cellulaire et réduire l’expression des cytokines inflammatoires dans les neurosphères infectées par le VIH-1, mettant en lumière les propriétés neuroprotectrices et anti-inflammatoires desEVs 47 des cellules souches. Dans une autre étude de Kim et al., de petites vésicules extracellulaires (sEV) ont été conçues pour une administration antivirale afin de traiter l’infection par le SARS-CoV-248. Les nanoporteurs ont été chargés d’ACE2 soluble (sACE2) par modification génétique des cellules donneuses avec un plasmide codant eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT), ce qui a entraîné l’expression de sACE2 à la surface du sEV. Il a été démontré que les sEVs vectorisés par sACE2 protégeaient contre le WT et le virus mutant pseudotypé de la protéineS 48. Le mécanisme de protection pourrait être testé sur des organoïdes cérébraux infectés par le SARS-CoV-2. De plus, une autre étude a montré que les EV libérés par les cellules infectées par le HSV-1 portent des composants immunitaires innés tels que le STING, qui peut activer des réponses immunitaires innées chez les cellules recevrices, entraînant une inhibition puissante de la réplication du HSV-1. Une séparation cruciale des EV des particules virales infectieuses a été obtenue par centrifugation au gradientde densité 49.

Les organoïdes cérébraux peuvent également être utilisés pour tester la neurotoxicité potentielle des nanoformulations de nouveaux médicaments. Par exemple, lorsque des AuNP pégylés ont été injectés dans des organoïdes cérébraux, une inflammation significative, médiée par la production de ROS, a été observée. En revanche, les NP polymériques polymériques ont montré une administration efficace du médicament et une faible cytotoxicité grâce à leur lenteur d’absorption et leur dégradabilité, permettant une pénétration dans l’organoïde cérébral sans déclencher de réponseimmunitaire 50. La neurotoxicité des AuNP, du graphène et des points de carbone a également été évaluée dans les organoïdes neurovasculaires 3D. Ces organoïdes étaient constitués de cellules neuronales, de microglies et d’une surface cellulaire endothéliale. Ces études ont révélé que la microglie pouvait jouer un rôle clé dans la perméabilité et la toxicité de cesformulations 51. De plus, de fortes concentrations de NP de ZnO ont également démontré qu’elles provoquent une mort neuronale significative. Le mécanisme de toxicité a été lié à une accumulation intracellulaire d’ions Zn, ce qui a diminué les niveaux de protéines LC3B, suggérant une autophagiedéfectueuse 52. Dans l’ensemble, ces études montrent que les organoïdes cérébraux 3D peuvent capturer comment les nanoformulations interagissent avec les tissus neuronaux, de l’absorption et la pénétration à l’activation immunitaire et à la toxicité. Le succès des stratégies de délivrance de médicaments ciblant le SNC dépend en fin de compte non seulement de l’atteinte des cellules cibles, mais aussi de la modulation des voies inflammatoires activées lors de l’infection, dont beaucoup sont initiées par la signalisation des DAMPs et des PAMPs.

AMP et PAMPs dans les infections virales

Les organoïdes cérébraux peuvent être utilisés pour étudier les AMP et PAMPs libérés par des cellules stressées, blessées ou mourantes dans le SNC. Les AMP incluent les protéines de choc thermique, l’ATP et l’acide urique, tandis que les PAMPs incluent des macromolécules bactériennes, virales, fongiques et parasites. Ainsi, ces schémas moléculaires alertent le système immunitaire inné et activent plusieurs voies de transduction du signal en réponse à des antigènes étrangers ou à tout signe couramment associé à l’infection. Les mécanismes sous-jacents à leurs effets protecteurs en réponse aux infections virales ne sont pas entièrement compris, et des investigations détaillées de ces processus peuvent être menées chez les organoïdescérébraux 53. Les DAMPs et PAMPs libérés se lient à un large groupe de récepteurs, incluant les récepteurs Toll-like (TLR), les récepteurs NOD-like (NLR), les récepteurs AIM2, les récepteurs RIG-I (RLR) et les lectines de type C (CLR), qui sont exprimés sur la membrane plasmique ouintracellulairement 54. Ces récepteurs sont cruciaux pour la production de cytokines et d’interféron en réponse aux infections virales neurotropes, notamment EV-71, VIH-1, HSV-1, flavivirus, virus du Nil occidental (WNV), etd’autres 54.

Slowikowski et al. ont étudié comment les AMP, les chimiokines et les molécules d’adhésion libérées par les cellules neuronales endommagées coordonnent l’entrée des leucocytes dans le SNC lors de l’encéphaliteflavivirale 55. En particulier, il a été révélé que le WNV augmente l’expression de marqueurs de mort cellulaire hautement inflammatoires de nécroptose et de pyroptose qui favorisent la libération de DAMPs dans le cerveau infecté. Lorsque de telles molécules, par exemple la protéine boîte du groupe 1 à haute mobilité (HMGB1), sont libérées, elles induisent de multiples voies de signalisation, conduisant à une migration dépendante de CXCR4 des monocytes activés, macrophages et cellules dendritiques vers les tissusinfectés 56,57. De plus, il a été démontré que les DAMPs peuvent être libérés en réponse à une infection, suivis d’une régulation à la hausse des TLR et de l’exacerbation de l’inflammation et des lésions tissulairesdu SNC 58. Dans l’ensemble, ces études indiquent que les infections virales semblent déclencher des voies de signalisation DAMP-PAMP qui se chevauchent, entraînant des neuroinflammations et des lésions tissulaires. Collectivement, les organoïdes cérébraux contenant des microglies et des astrocytes pourraient servir de modèle pour retracer les réponses en cascade immunitaire dans les tissus neuronaux humains, en particulier l’interaction entre la libération de DAMP et la neuroinflammation médiée par TLR.

Le système du complément est un élément majeur de l’immunité innée qui réagit rapidement à l’infection. Cependant, de nombreux virus ont développé des mécanismes pour surmonter ce systèmede défense 59. Certains virus échappent au système du complément en produisant des protéines qui se lient aux composants du complément et les inhibent ou les séquestrent. Cela a été démontré chez une variété de virus, notamment le virus lymphotrope T-1 humain (HTLV-1), le cytomégalovirus humain (HCMV), le VIH-1, le virus simien 5 (SV5) et le virus des oreillons (MuV), qui incorporent des protéines complémentaires de l’hôte dans leurs virions (c’est-à-dire CD55/DAF, CD59, CD64 et MCP). Ces protéines inhibent la réponse immunitaire innée, favorisant la réplication virale et lapersistance 60. Ainsi, les organoïdes cérébraux peuvent être utilisés pour identifier les mécanismes spécifiques par lesquels les virus échappent au système du complément. De plus en plus de preuves suggèrent que les AMP et PAMPs ne se contentent pas de façonner la réponse antivirale initiale, mais servent également de médiateurs clés de l’inflammation persistante sous-jacente aux maladies post-virales chroniques.

Rôle des AMPAM/PAMPs dans l’inflammation persistante causée par une infection virale

Au-delà de la phase inflammatoire aiguë, les infections virales peuvent entraîner une exposition chronique aux AMPs/PAMPs, entraînant des conséquences inflammatoires à long terme, en particulier dans le cerveau. Les organoïdes cérébraux peuvent devenir un outil puissant pour étudier les mécanismes sous-jacents des syndromes liés à la phase post-aiguë de l’infection.

La plupart des virus humains non persistants actuellement connus activent des réponses immunitaires pendant la phase aiguë de l’infection, suivie de l’élimination des agents pathogènes. Cependant, dans certains cas, les patients présentent des symptômes persistants qui peuvent différer de ceux observés durant la phase aiguë et persister pendant des mois, voire des années. Plus précisément, les patients atteints de COVID-19 long rapportent une fatigue chronique, un « brouillard cérébral », de la fièvre, de la douleur et d’autres complicationsneurologiques 61. De plus, l’inflammation chronique peut augmenter la mortalité et la morbidité, ainsi que le risque d’athérothrombose, de cancer et de troublescognitifs 62,63.

De plus, la persistance des protéines virales et de l’ARN peut entraîner des niveaux élevés de cytokines pro-inflammatoires, telles que le TNF-α, l’IL-1α, l’IL-1β, l’IFN-γ et l’IL-6, provoquant ainsi des lésions tissulaires, un vieillissement prématuré et un épuisement du systèmeimmunitaire 64. Une réplication lente ou des traces de composants viraux pourraient déclencher la libération de DAMPs/PAMPs qui interagissent avec leurs récepteurs spécifiques, provoquant une inflammation persistantede faible intensité 65. Dans certains cas, une infection cérébrale par le HSV-1 peut entraîner des lésions neuronales suivies d’encéphalite et peut finalement contribuer au développement de troubles neurodégénératifs tels que la maladied’Alzheimer 66. Les mécanismes d’autophagie perturbés peuvent être un déclencheur majeur d’inflammation chronique chez les patients atteints de HSV-2, dans laquelle des mécanismes de protection défectueux conduisent à une réplication virale persistante, à la présence continue de composants viraux dans le cerveau et à laneurodégénérescence 67. Ces composants viraux activent les capteurs immunitaires innés via les PAMPs et peuvent manipuler les voies de signalisation pour contourner les effets antiviraux de l’activation immunitaire innée. Il est important de noter que le VHMC et le virus d’Epstein-Barr (EBV) ont démontré l’établissement d’infections virales chroniques favorisant un dysfonctionnementimmunitaire 68,69. La sénescence prolongée induite par l’infection peut également contribuer à l’inflammation à long terme associée à diverses infections virales. Les organoïdes cérébraux 3D avec des composants immunitaires intégrés fournissent des plateformes pertinentes pour comprendre les mécanismes complexes sous-jacents à l’exposition chronique aux DAMP/PAMP et leur rôle dans les complications à long terme des infections virales dans le SNC.

Limites et perspective :

Malgré leurs avantages par rapport aux modèles traditionnels in vitro, les organoïdes cérébraux présentent des limites importantes qui doivent être prises en compte pour soutenir leur application plus large. Plus précisément, la plupart des organoïdes ne possèdent pas de cellules immunitaires locales, qui contribuent de manière majeure à la modélisation des maladies virales et à la compréhension des réponses immunitaires innées et adaptatives lors de l’infectionvirale. En particulier, les protocoles organoïdes standards ne contiennent pas de microglies intégrées, les principales cellules immunitaires du SNC et réservoir du VIH-1, ce qui limite la modélisation de la neuroinflammation et de la persistancevirale 71. Un autre défaut est l’incomplément de la complexité tissulaire, notamment l’absence de vascularisation, qui joue un rôle important dans l’apport de nutriments et d’oxygène, ainsi que la disséminationvirale 72. Ainsi, la croissance organoïde est limitée car les cellules du centre ne peuvent pas recevoir suffisamment de nutriments. De plus, l’excrétion des déchets métaboliques est altérée, entraînant souvent des noyaux hypoxiques ou nécrotiques dans de grands organoïdes. De plus, les organoïdes ne reproduisent pas entièrement les interactions entre neurones, cellules endothéliales et cellules stromales qui peuvent influencer l’infection virale et la pathogenèse. De plus, à ce stade du développement, les organoïdes ne peuvent pas récapituler l’infection systémique, la propagation interorganique et les réponses immunitaires de l’ensemble ducorps. Une autre limitation est que de nombreux organoïdes épithéliaux ont un accès limité à l’inoculation virale en raison de leur surface apicaleorientée vers l’intérieur 74. En conséquence, l’inoculation virale nécessite une microinjection, ce qui entraîne une variabilité et un faible débit. Ainsi, l’inoculation des organoïdes de diamètres différents rend difficile le contrôle de la multiplicité des infections. De plus, de nombreux organoïdes ressemblent davantage aux tissus fœtaux qu’aux organes adultes, ce qui peut affecter le tropisme viral, la cinétique de réplication et les réponses del’hôte. Cela est particulièrement évident dans le cas du HSV-1, car la maturation neuronale impacte les processus d’établissement et de réactivation de la latence que les organoïdes au stade fœtal peuvent ne pas réintégrerentièrement 23. Ensuite, les organoïdes peuvent varier considérablement en composition et en fonction, ce qui conduit à des résultats variés, à une faible reproductibilité et à la nécessité de nombreux réplicats expérimentaux. Par exemple, les organoïdes peuvent différer en taille, composition cellulaire, architecture et état de maturation. Cela rend la standardisation difficile, voire impossible, dans leslaboratoires 7,75. Enfin, le coût élevé et la scalabilité limitée de la génération et de la maintenance des organoïdes restent des obstacles importants. En conséquence, un défi majeur est le développement de plateformes à haut débit compatibles avec la technologieorganoïde 74.

Malgré ces lacunes et limitations, les organoïdes possèdent un potentiel considérable pour modéliser les infections virales, la toxicologie et la découverte de médicaments. Surmonter ces limites pourrait réduire significativement la dépendance aux modèles animaux et faciliter des études mécanistesfondamentales 76. L’un des défauts notables des modèles organoïdes existants est leur complexité physiologique limitée et l’absence de composition cellulaire diverse. Les développements futurs devront se concentrer sur l’intégration des composantes immunitaires, neuronales, vasculaires et stromales dans les modèles organoïdes. Cela pourrait être réalisé en utilisant des modèles de co-culture qui intègrent les organoïdes avec les types cellulaires mentionnésprécédemment 77,78. Plus précisément, l’intégration des cellules immunitaires permettra de modéliser les réponses immunitaires systémiques et l’inflammation lors des infections virales. De plus, les organoïdes vascularisés peuvent être développés davantage pour améliorer la complexité physiologique et mieux réintégrer les conditions in vivo 79,80. Ainsi, les organoïdes cérébraux incorporant des tissus endothéliaux soutiendront les recherches sur la fonction de la barrière hémato-encéphalique et la délivrance de médicaments lors des infectionsvirales 13,81. De plus, les organoïdes cérébraux 3D peuvent reproduire plusieurs aspects clés de l’infection virale dans le cerveau. En fait, plusieurs modèles organoïdes avec des structures complexes représentant étroitement différentes régions cérébrales sont actuellement en coursd’étude. Enfin, l’inclusion de composants neuronaux et stromales augmenterait encore la fidélité des organoïdes aux systèmes organiques natifs. La reproductibilité reste un autre obstacle sérieux à l’application plus large des technologies organoïdes. Par conséquent, la génération d’organoïdes robustes et hautement reproductibles est cruciale pour la traduction ultérieure des applications organoïdes. Diverses méthodes d’isolement et d’ensemencement des cellules, ainsi que la sélection des matrices et des facteurs solubles, devraient être standardisées à l’échelle duchamp 83. À noter que la composition du milieu de culture, la densité cellulaire et le temps de culture peuvent influencer les résultats de ces modèles. Par conséquent, des stratégies visant à réduire la variabilité matricielle, y compris des hydrogels synthétiques composés de réseaux polymères entièrement définis avec des caractéristiques chimiques et mécaniques précisément contrôlées, ont été introduites comme une alternativeprometteuse 84. Ces organoïdes présentent une variabilité minimale d’un lot à l’autre, permettant des études contrôlées. De plus, la création de biobanques d’organoïdes représentant des populations de patients diversifiées deviendrait une ressource précieuse pour la découverte de médicaments et l’identification de biomarqueurs. Les technologies émergentes d’intelligence artificielle (IA) deviennent des outils importants dans la rechercheorganoïde 85. Une application supplémentaire de ces technologies pourrait accélérer les analyses et réduire les biais dans l’interprétation des données. Néanmoins, les applications de l’IA dans ce domaine en sont encore à leurs débuts. L’intégration d’approches IA dans le développement des organoïdes, telles que l’analyse d’images pilotée par IA86 ou l’optimisation prédictive des conditions de culture87, faciliterait considérablement la recherche sur les organoïdes.

Conclusions

Cette revue a examiné comment les organoïdes cérébraux, des cultures neuronales 3D qui imitent étroitement l’unité neurovasculaire humaine, sont utilisés pour étudier l’invasion, la réplication et les lésions du SNC causées par les virus neurotropes. Bien que chaque virus possède des caractéristiques génétiques et structurelles uniques, de nombreux processus pathologiques déclenchés par les virus dans le cerveau sont partagés, et les modèles organoïdes se sont révélés très adaptés pour disséquer ces mécanismes communs et différents. Une inflammation excessive peut aggraver les lésions des cellules nerveuses ; Cependant, lorsque le système immunitaire inné est correctement contrôlé, il peut limiter la propagation virale et protéger le tissu cérébral.

Les organoïdes 3D permettent d’étudier ces deux effets dans un contexte plus physiologiquement pertinent, où les modèles animaux et les cultures cellulaires 2D n’ont pas réussi à capturer ces dynamiques. Ces informations sont essentielles pour lutter contre la pathogenèse virale dans le cerveau et identifier des traitements ciblant les bonnes voies sans augmenter l’inflammation. Les organoïdes cérébraux ont fait progresser la compréhension des infections virales neurotropes, mais certaines lacunes techniques restent à combler. Par exemple, la maturation lente, la vascularisation limitée et l’absence de composants BBB restent des défis courants. La variabilité des techniques de différenciation des organoïdes et les incohérences de lot à lot entravent également la recherche impliquant des organoïdes cérébraux. De plus, la quantification de l’entrée virale, de la réplication, du tropisme de type cellulaire et des réponses de l’hôte dans un contexte 3D contrôlé peut être améliorée. Les travaux examinés dans le manuscrit ont montré que les organoïdes cérébraux comptent parmi les systèmes les plus pertinents disponibles pour étudier comment les virus neurotropes interagissent avec le cerveau humain, tester des candidats antiviraux et évaluer la délivrance de médicaments au SNC. À mesure que la technologie mûrit grâce à une meilleure vascularisation, une intégration cellulaire immunitaire et l’adoption de protocoles standardisés, les études basées sur les organoïdes seront mieux placées pour identifier les composés et stratégies ayant un réel potentiel de traduction clinique.

Abréviations : ASO, oligonucléotides antisens ; BBB, barrière hémato-encéphalique ; CLR, récepteurs lectines de type C ; SNC, système nerveux central ; CRISPR, régulièrement regroupé en courtes répétitions palindromiques intercalées ; CXCL10, ligand chimiokine C-X-C motif 10 ; DAMPs, motifs moléculaires associés aux dommages ; EVs, vésicules extracellulaires ; les hPSC, cellules souches pluripotentes humaines ; HSV-1/2, virus de l’herpès simplex type 1/2 ; VIH-1, virus de l’immunodéficience humaine de type 1 ; IFN, interférons ; IL-6, interleaukine-6 ; ISG, gènes stimulés par l’interféron ; LNP, nanoparticules lipidiques ; NLR, récepteurs de type NOD ; PAMPs, motifs moléculaires associés aux agents pathogènes ; PRR, récepteurs de reconnaissance de motifs ; ARNi, interférences ARN ; RT-PCR, réaction en chaîne par transcription inverse de la polymérase ; sACE2-EVs, vésicules extracellulaires solubles décorées d’ACE2 ; SARS-CoV-2, syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 ; scRNA-seq, séquençage de l’ARN unicellulaire ; TLR, récepteurs de type Toll ; TNF-α, facteur de nécrose tumorale alpha ; ZIKV, virus Zika ; 3D, en trois dimensions. ZIKV, Zikavirus ; hPSC, cellule souche pluripotente humaine ; HH, hydrobromure d’hippéastrine ; AQ, dihydrochlorure d’amodiaquine dihydré ; 25HC, 25-hydroxycholestérol, BBB, barrière hémato-encéphalique ; cART, traitement antirétroviral combiné ; CRISPR, régulièrement regroupé en courtes répétitions palindromiques intercalées ; hiPSC, cellule souche pluripotente induite par l’humain ; VIH-1, virus de l’immunodéficience humaine de type 1 ; hPSC, cellules souches pluripotentes humaines ; HSV-1, virus de l’herpès simplex de type 1 ; ARNi, interférences ARN ; SARS-CoV-2, syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 ; TLR3, étude de neurones 2D dérivés de l’iPSC sur le récepteur Toll-like 3.* incluse pour comparaison.

Déclarations de divulgation

ChatGPT (OpenAI ; GPT-5.5) était utilisé de manière limitée pour aider au cribri de la littérature et à l’affinement du langage. Toute la sélection de la littérature, la vérification des faits, la vérification des références et l’interprétation scientifique étaient réalisées indépendamment par les auteurs.

Remerciements

Les auteurs remercient chaleureusement tous les membres du laboratoire Kashachi, avec une reconnaissance particulière à Gwen Cox pour son soutien inestimable. Cette étude a également été soutenue par des subventions des National Institutes of Health (NIH) R01MH134389, AI078859 et AI074410 R21DA057887 ainsi que par le Département de la Défense HT9425-24-1-0876 à F.K.

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