מאמר סקירה

אורגנואידים במוח כפלטפורמות מתפתחות למידול זיהומים במערכת העצבים המרכזית: נוירופתוגנזה, גילוי טיפולי והעברת תרופות

136 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/70757

⸱

7 באוגוסט 2026

 ,  ,  , 
1Laboratory of Molecular Virology, George Mason University

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

סקירה זו בוחנת אורגנואידים במוח כפלטפורמות למידול זיהומים ויראליים נוירוטרופיים נבחרים ומדגישה את יישומם בפתוגנזה ויראלית, גילוי אנטי-ויראלי, תגובות חיסוניות מולדות ואספקת תרופות ממוקדות למערכת העצבים המרכזית (CNS).

תקציר

וירוסים נוירוטרופיים מהווים אתגר בריאותי עולמי מתמשך, והמנגנונים שבאמצעותם הם פוגעים במוח האנושי טרם הובנו במלואם. מודלים של בעלי חיים מוגבלים לעיתים קרובות על ידי היבטים ייחודיים לאדם בביולוגיה של מערכת העצבים המרכזית, בעוד שתרביות תאים דו-ממדיות (2D) אינן יכולות לשחזר את האינטראקציות התאיות התלת-ממדיות המורכבות (3D) שמתרחשות במהלך זיהום ויראלי במוח. בעשור האחרון, אורגנואידים במוח שמקורם בתאי גזע אנושיים הופיעו כמודלים פיזיולוגיים רלוונטיים שמטפלים במגבלות אלו. התרביות התלת-ממדיות הללו מתאספות מעצמן למבנים המכילים נוירונים, אסטרוציטים ותאי אב קדמונים המסודרים בדפוסים הדומים להתפתחות מוקדמת של המוח. סקירה זו בוחנת את היישום של אורגנואידים במוח לחקר זיהומים הנגרמים על ידי נגיף הזיקה (ZIKV), נגיף הקורונה 2 (SARS-CoV-2), וירוס הרפס סימפלקס (HSV) ונגיף הכשל החיסוני האנושי סוג 1 (HIV-1). המחקרים נבדקו מ-PubMed ונבחרו ברשימה הסופית בהתבסס על רלוונטיותם למידול זיהום מערכת העצבים המרכזית המבוססת אורגנואידים, סקר תרופות אנטי-ויראלי, אספקת תרופות ממוקדות מערכת העצבים המרכזית ודלקת עצבית. סקר אנטי-ויראלי מבוסס אורגנואידים זיהה תרכובות מבטיחות מספריות המכילות יותר מ-1,000 מועמדים. גם אסטרטגיות אספקת תרופות נדונות, עם דגש מיוחד על ננו-חלקיקים, נשאים מבוססי פולימר וווסיקולות חוץ-תאיות (EVs) שנבדקו במודלים אורגנואידיים וספירואידים ליכולתם לחצות את מחסום הדם-מוח (BBB) ולספק מטען טיפולי לתאים עצביים. גם התפקידים של דפוסים מולקולריים הקשורים לנזק ושל דפוסים מולקולריים הקשורים לפתוגנים (DAMPs ו-PAMPs) בדלקת עצבית, התחמקות מחומר התולים ונזק כרוני לאחר זיהומים, כולל COVID ארוך. נדונות מגבלות נוכחיות, כולל היעדר כלי דם פונקציונליים, רכיבי BBB לא שלמים, ואתגרי שחזוריות. למרות מגבלות אלו, אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית מגשרים על הפער בין מחקר בסיסי ליישום קליני, ומקדמים פיתוח טיפולים יעילים לזיהומים ויראליים במוח.

מבוא

מערכת העצבים המרכזית (CNS) היא מערכת מורכבת הכוללת אזורים תפקודיים מובחנים במוח ובחוט השדרה. אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית, המכונים לעיתים "מוחות מיניאטוריים", הם מבנים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) רב-תאיים המדמים את המוח האנושי המתפתח. הם נוצרים בעיקר מתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים (hPSCs), שיכולים להתאסף לרקמות המייצגות אזורים שונים במוח. המוחות הקטנים הללו מסכמים את הדפוסים האפיגנטיים, המבנה והסמנים השעתוקיים של המוח המתפתח 1,2,3.

יצירת אורגנואידים מוחיים באמצעות תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים על ידי מטופלים (iPSCs) פותחה לראשונה בשנת 2013. לפני גילוי זה, הגישה לרקמת המוח האנושית הייתה מוגבלת בשל סוגיות אתיות הקשורות לביצוע מחקרים ניסיוניים, במיוחד כאלה שכללו רקמת מוח עוברית או ברחם 2. התפתחות אורגנואידים מוחיים הראתה יכולת לחקות התפתחות נוירו-אנושית, כולל היווצרות אזורים מובחנים במוח כמו הקורטקס המוחי. לנקסטר ואחרים סיפקו את הראיות הניסיוניות הראשונות לכך שתאי גזע יכולים ליצור מבנים עצביים מורכבים במבחנה, והציעו מודל שמשקף בצורה מדויקת יותר את הפיזיולוגיה האנושית מאשר תרביות תאים דו-ממדיות (דו-ממדיות) קונבנציונליות5. חשוב לציין כי מצבים נוירו-התפתחותיים מסוימים בבני אדם, כמו מיקרוצפאליה, התגלו כקשים לשכפול במודלים של מכרסמים, מה שמדגיש עוד יותר את הצורך במערכות שמקורן בבני אדם6.

אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית מכילים מספר סוגי תאים שממיינים ויוצרים מבנים רב-שכבתיים הדומים למוח המתפתח7, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד למחקרים בעלי תפוקה גבוהה של נוירוגנזה, נדידת נוירונים וחריגות התפתחותיות8. היווצרות של אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית מתחילה בתאי גזע פלוריפוטנטיים (PSCs), הכוללים iPSCs ותאי גזע עובריים. תאי גזע עובריים נחשפים לגורמי גדילה ומעכבי איתות כדי לקדם התמיינות לתאים עצביים ולחקות התפתחות עוברית מוקדמת2. כאשר התאים מתחילים להצטבר, הם עוברים ארגון עצמי בסביבה תלת-ממדית ולעיתים מוטמעים במטריצה חוץ-תאית כדי לספק יציבות מבנית. אורגנואידים נשמרים בדרך כלל בתנאי תרבית דינמיים, כגון ביוריאקטורים מסתובבים או רעידות אורביטליות, כדי לשפר את אספקת החומרים המזינים והחמצן, ולתמוך בצמיחה מתמשכת9. אורגנידים ספציפיים לאזור של המוח הקדמי, האמצעי והמוח האחורי יכולים להיווצר גם באמצעות פרוטוקולים מונחים בביוריאקטורים מסתובבים מוקטנים, כאשר אזורים דמויי מוח מובחנים מופיעים בדרך כלל במשך מספר שבועות עד חודשים 9,10,11. אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית לוכדים תכונות מבניות מרכזיות רבות של המוח האנושי המתפתח, כולל אזורים חדריים המכילים גליה רדיאלית שמגבירה נוירונים נודדים ואבי ביניים שמגבירים אוכלוסיות נוירונים12. נוירונים מוקדמים יוצרים שכבות דמויות קורטיות עם רשתות סינפטיות מתפתחות. למרות שאורגנואידים אינם משכפלים במלואם את גודל או ארגון המוח הבוגר, הם רלוונטיים יותר פיזיולוגית מתרבויות מונו-שכבה מסורתיות.

יתרון מרכזי של אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית הוא יכולתם למודל תזמון התפתחות. התרביות מתפתחות משבועות לחודשים ובמקביל התפתחות מוח עוברי אנושי. זה מאפשר לחוקרים לצפות בתהליכים נוירולוגיים כמו נוירוגנזה, הרחבת אקסונים ויצירת מעגלים עצביים מוקדמים בזמן אמת. ניתן גם לתכנת אורגנואידים לכלול מיקרוגליה, תאים דמויי כלי דם, או אפילו רכיבי מחסום דם-מוח (BBB), כגון אסטרוציטים, תאי אנדותל ופריציטים. אורגנואידים אלו יכולים לתמוך במחקרים של תגובות חיסוניות והובלת חומרים13. בנוסף, ניתן לשלב אורגנואידים ליצירת אסמבלואידים, שהם מערכות מתארגנות עצמיות שמדמות תקשורת בין אזורים שונים במוח14. עם יכולות אלו, אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית מציעים דרך ישירה לחקור כיצד וירוסים נוירוטרופיים פולשים, מתרבים פנימה ופוגעים במוח, שאלות שקשה היה להתמודד איתן באמצעות מודלים קונבנציונליים.

קיימים מגוון עצום של וירוסים נוירוטרופיים שיכולים להשפיע על המוח האנושי, כולל פלביווירוסים, נגיף הקורונה 2 (SARS-CoV-2), וירוס הרפס סימפלקס (HSV) ווירוס הכשל החיסוני האנושי סוג 1 (HIV-1). פיתוח טיפולים אנטי-ויראליים יעילים הוא קריטי, אך עדיין מאתגר בשל המורכבות של האינטראקציות בין הווירוס למוח. המוח נחשב לאיבר חסוני מועדף, הנתמך על ידי BBB, שמונע מתאי מערכת חיסון גדולים ומולקולות להיכנס למוח דרך זרם הדם.

וירוסים נוירוטרופיים פיתחו אסטרטגיות מגוונות לפריצת מחסום זה, כולל נדידת תאים, הפרעת חיבורים צרים, ומנגנון "סוס טרויאני", שבו תאי החיסון הנגועים נושאים את הווירוס דרך האנדותל. כתוצאה מכך, המעקב החיסוני במוח מוגבל, מה שמקשה על ניקוי הוויראלים. יתרה מזאת, רכיבי התאים של ה-BBB, כולל תאי האנדותל, אסטרוציטים ופריציטים, מבטאים קולטני זיהוי דפוסים שמזהים דפוסים מולקולריים הקשורים לפתוגנים ויראליים (PAMPs) ומפעילים תגובות חיסוניות מולדת, אם כי איתות פרו-דלקתי עלול להחמיר באופן פרדוקסלי את הפרעת BBB15. בנוסף, גישה מוגבלת לרקמת המוח האנושית פוגעת במחקרים של אינטראקציות ויראליות עם תאי עצב והעברת תרופות אנטי-ויראליות חזקות למערכת העצבים. אתגרים משולבים אלה מונעים את גילוי תרופות אנטי-ויראליות חדשות לטיפול בזיהומים ויראליים בכל שלבי ההתפתחות ובמהלך החיים, מה שהופך את ההבנה הטובה ביותר כיצד וירוסים מתקשרים עם המוח ופיתוח אסטרטגיות טיפוליות חדשות למאבק בזיהומים אלו16. בסך הכול, סקירה זו מדגישה את השימושיות של אורגנואידים של מערכת העצבים המרכזית לחקר זיהומים ויראליים נוירוטרופיים, מנגנוני דלקת עצבית וגילוי תרופות אנטי-ויראליות. איור 1 מספק סקירה של היישומים המרכזיים של אורגנואידים במוח במידול זיהומים ויראליים נוירוטרופיים, חקירת אינטראקציות בין מארח לפתוגן, וקידום פיתוח טיפולי אנטי-ויראלי.

figure-introduction-1
איור 1: אורגנואידים במוח כפלטפורמות רלוונטיות לאדם למידול זיהומים ויראליים נוירוטרופיים במערכת העצבים המרכזית. התרשים מספק סקירה של הנושאים המרכזיים שנדונו, עם דגש על אורגנואידים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) במוח כמודלים ניסיוניים. וירוסים נוירוטרופיים שנדונו בסקירה זו כוללים את HIV-1, HSV-1/2, SARS-CoV-2 ו-ZIKV. מודלים שונים של אורגנואיד מוח מאפשרים מחקרים של פתוגנזה ויראלית, אינטראקציות בין מארח לפתוגן, תפקוד לקוי של מחסום דם-מוח (BBB) ותגובות נוירודלקתיות הכוללות נוירונים, אסטרוציטים, מיקרוגליה ותאי אנדותל מוח. אורגנואידים במוח מספקים פלטפורמות פיזיולוגיות רלוונטיות לסריקת תרופות אנטי-ויראליות והערכת טיפולים אנטי-ויראליים. נוצר ב-BioRender. קשאנצ'י, פ. (2026) https://BioRender.com/y7eenju אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

סקירה ופרספקטיבה

גילוי טיפולי באורגנידים נגועים במוח שנדבקו בוירוס

סקר אנטי-ויראלי

יש מחסור בטיפולים מאושרים לזיהומים ויראליים נוירוטרופיים רבים, מה שמגביל את אפשרויות הטיפול מעבר לטיפול תומך. אורגנואידים במוח הם כלי חשוב לגילוי תרכובות אנטי-ויראליות חדשות, על ידי אפשרות לסינון תרופות בסביבה תלת-ממדית פיזיולוגית רלוונטית הדומה לרקמת מוח אנושית. במחקר ראשוני, בוצעה סקר כימי עתיר תכולה של 1,120 תרופות ומועמדות תרופות שאושרו על ידי ה-FDA נגד ZIKV באורגנידים דמויי עובר במוח. הפעילות האנטי-ויראלית הוערכה בהתבסס על התרבות תאים ודיכוי זיהום ב-ZIKV. מבין כל התרכובות שנבדקו, תשע הראו פוטנציאל, כאשר שתיים — הילפאסטרין הידרוברומיד (HH) ואמדיאקין דיהידרוכלוריד דיהידרט (AQ) — בלטו בזכות ההשפעות האנטי-ויראליות החזקות שלהן, שהפחיתו משמעותית את ההדבקה על ידי דיכויייצור RNA ויראלי.

מספר מחקרים מאוחרים יותר חקרו תרכובות המיועדות לשלבים שונים במחזור החיים של הווירוס. במחקר של Watanabe ואחרים, 25-הידרוקסיכולסטרול (25HC), תרכובת החוסמת כניסת וירוס על ידי עיכוב מיזוג ממברנה, הפחיתה את רמות ה-mRNA של ZIKV באורגנואידים קורטיקליים ב~74% והפחתה תאי ZIKV חיוביים ב-~72%. יתרה מזאת, אותו מחקר העריך תרכובות אנטי-ויראליות המכוונות לקולטן ה-AXL המובע על תאי אב עצבים. מעכב מולקולה קטנה של תחום AXL טירוזין קינאז, R428, יצר ירידה מתונה ברמות ה-mRNA של ZIKV (~41%). עם זאת, טיפול בנוגדן אנטי-AXL לא הוריד באופן משמעותי את רמותה-18 של ZIKV. לבסוף, שלוש תרופות אנטי-פלאביויראליות, דורמיצין, איברמקטין ואזיתרומיצין, נבדקו באורגנואידים. דורמיצין ואיברמקטין הפחיתו משמעותית את רמות ה-mRNA של ZIKV, בעוד שאזיתרומיצין לא הראה אפקט הגנה נגד ZIKV, כפי שנקבע על ידי RT-qPCR ואימונוסיינינג18.

במחקר נפרד, שו ואח' סקרו 173 תרכובות כמדכאות את פעילות הקספאז-3 המושרה על ידי ZIKV וזיהו את אמריקסן כמועמד הנוירו-מגן החזק ביותר מבלי להשפיע על התרבות התאים באורגנידים במוח. שתי תרכובות נוספות, ניקולוזמיד ו-PHA-690509, הראו פעילות אנטי-ZIKV משמעותית על ידי עיכוב שכפול וירוס בשלב שלאחר הכניסה באופן תלוי במינון. יתרה מזאת, טיפול משותף עם אמריקסן ו-PHA-690509 יצר אפקט תוסף ושמר על חיוניות האסטרוציטים לאחר זיהום ZIKV19. במחקר נוסף, אנוקסאסין, משפר הפרעות RNA (RNAi), הראה פעילות אנטי-ויראלית ישירה בתאים בעלי יכולת RNAi ומנע לחלוטין פנוטיפים מיקרוצפליים שנגרמו על ידי ZIKV באורגניזמים במוח, מה שמרמז כי שיפור מסלולים אנטי-ויראליים פנימיים בתאי אב עצביים עשוי לייצגאסטרטגיה טיפולית ברת קיימא.

פטקה ועמיתיו סקרו לאחר מכן 110 אנלוגים מבניים של TH3289 במינונים מרובים באורגנואידים נגועים ב-ZIKV21. שתי תרכובות, TH3289 ו-TH6744, הראו את הפעילות האנטי-ויראלית החזקה ביותר, והפגיעות הפעילות ביותר חלקו ליבת בנזימידאזולון. מחקר זה היה משמעותי משום שמערכת האורגנואיד אפשרה לא רק סקר תרכובות מהיר אלא גם מעקב מכניסטי. לדוגמה, נמצא כי TH6744 מפריע לשלבים המאוחרים של מחזור החיים של ZIKV21.

אורגנואידים במוח שימשו גם לזיהוי מועמדים טיפוליים לזיהום SARS-CoV-2. תרופה נגד הפטיטיס C שאושרה על ידי ה-FDA, sofosbuvir, שיפרה את הישרדות הנוירונים והצילה סינפטוגנזה פגומהבאורגנידים מוחיים נגועים ב-SARS-CoV-2. אורגנואידים במוח תרמו גם להבנת זיהום מערכת העצבים המרכזית המתווכת HSV-1; עם זאת, בדיקות תרופות אנטי-ויראליות ל-HSV-1 במודלים אורגנואידיים נותרות מוגבלות בהשוואה למחקרים על ZIKV ו-SARS-CoV-2. מחקר פורץ דרך שהשתמש בנוירונים שמקורם ב-iPSC הראה כי חוסר ב-TLR3 הופך נוירונים אנושיים לפגיעים לזיהום HSV-1, וחשף תופעה ייחודית לאדם שבה מודלים של מכרסמים לא הצליחו ללכוד23. לאחרונה, בליצי ואחרים הראו כי מיקוד חזרות פלינדרומיות קצרות (CRISPR)-Cas9 של רצפים גנומיים של HSV-1 דיכא הן זיהום ראשוני והן הפעלה מחודשת של וירוס בתרביות אורגנואידים תלת-ממדיות, ובכך קבע עריכת גנים כאסטרטגיה אנטי-ויראלית אפשרית לזיהום ב-CNS של ההרפס-וירוס24. בהינתן שעמידות לאציקלוביר היא בעיה קלינית מתפתחת ואין טיפול מרפא לאנצפליטיסHSV 25, היעדר סקר רחב היקף של תרכובות אנטי-ויראליות נגד HSV-1 באורגנואידים במוח מייצג פער ידע משמעותי.

בנוסף למולקולות קטנות, אוליגונוקלאוטידים אנטיסנסיים (ASOs), המכוונים ל-RNA ומשנים ביטוי גנים, הם כלים טיפוליים מתפתחים לטיפול במחלות שונות, וניתן להשתמש באורגנידים מוחיים להערכת טיפולים חדשניים מסוג ASO26. בהתחשב בשימושיות של אורגנואידים במחקרי ASO, ניתן לבדוק מאפיינים חשובים כמו ביו-פיזור, רעילות ויעילות טיפולית באורגנידים נגועים במוח.

אחד היישומים החשובים ביותר של אורגנואידים מוחיים הוא הערכת הנוירוטוקסיות של תרופות אנטי-ויראליות קיימות. זה חשוב במיוחד משום שטיפולי HIV נפוצים הוכחו כרעילים לתאי מוח הן במבחנה והן ל-in vivo27. אקאי ואחרים הדגימו את הנוירוטוקסיות של תרופות אנטי-ויראליות בתרביות קורטיקליות ראשוניות המכילות מיקרוגליה, אסטרוציטים ונוירונים. נוירונים חיוביים ל-MAP2 הראו ירידה תלויה במינון לאחר חשיפה לריטונוביר וסאקינביר. טיפול בשילובים של תרופות אנטי-רטרוויראליות (cART) גרם לרעילות עצבית חריפה, ותרביות שטופלו בזידובודין (AZT) הראו עלייה בייצור מיני חמצן תגובתי (ROS)28. למרות שממצאים אלו הושגו באמצעות תרביות דו-ממדיות, אורגנואידים במוח יכולים להרחיב את המחקר הזה על ידי מתן פלטפורמה פיזיולוגית רלוונטית יותר לסקר נוירוטוקסיטי בתפוקה גבוהה של טיפולים אנטי-רטרוויראליים בודדים או משולבים. כדי לחקור את המנגנונים העומדים בבסיס נוירוטוקסיות הנגרמת על ידי אנטי-ויראליות במודלים תלת-ממדיים אלו,ניתן להשתמש בטכניקות כמו ניתוח מורפולוגי, בדיקות פונקציונליות ופרופילינג טרנסקריפטומי.

בנוסף לסקר נוירוטוקסיטי, פותחו אורגנואידים מוחיים לחקר הפרעה נוירוקוגניטיבית הקשורה ל-HIV (HAND), שממשיכה להשפיע על 30%–50% מהאנשים החיים עם HIV למרות טיפול אנטי-רטרו-ויראלי יעיל (ART). תאי מיקרוגליאל הם המאגר העיקרי של HIV-1 במערכת העצבים המרכזית, ומודלים אורגנואידיים היו חיוניים בהבהרת האופן שבו זיהום מיקרוגליאלי גורם לנזק נוירוני. קונג ועמיתיו השתמשו באורגנואידים מוחיים שמקורם ב-iPSC המכילים מיקרוגליה והבחינו בעלייה משמעותית בביטוי הגנים הכימוקינים של CCL2 ו-CXCL10, יחד עם הפעלה של מספר גנים מונעים מאינטרפרון מסוג I (MX1, ISG15, ISG20, IFI27, IFITM3 ואחרים) לאחר הדבקה ב-HIV-130. פרופיל ביטוי הגנים הדלקתיים הועבר לתאים עוברי אורח, כולל נוירונים לא נגועים. נוירונים אלו הראו ירידה משמעותית בביטוי נשאי הנוירוטרנסמיטרים יחד עם ביטוי מוגבר של גנים הקשורים להזדקנות תאית ומוות תאים. השימוש באורגנואידים במוח למחקר HIV היה חלוץ על ידי דוס רייס ואחרים, ששילבו מיקרוגליה נגועה ב-HIV באורגנואידים במוח אנושי31. מודל זה שיחזר את שכפול הווירוס ברמה נמוכה שנצפה בדרך כלל במוח האנושי. שילוב מיקרוגליה נגועה ב-HIV עורר תגובה נוירודלקתית הקשורה לאסטרוגליוזיס, פתולוגיה ניוונית עצבית, וניוון ואובדן של תהליכים סינפטיים נוירונים. דונאדוני ואחרים השתמשו לאחר מכן באורגנואידים מוחיים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים (HiPSC) המכילים מיקרוגליה ואסטרוציטים כדי למודל NeuroHIV ולהעריך את השפעות הטיפול המשולב האנטי-רטרו-ויראלי (cART) במערכת אורגנית תלת-ממדית32. יחד, מחקרים מבוססי אורגנואידים אלו מספקים תובנות מכניות חשובות על HAND ומבססים מערכת מודלים חשובה לחקירת טיפולים נוירו-פרוטקטיבית.

לסיכום, אורגנואידים במוח מספקים מערכת מודל מאוחדת לסינון תרכובות אנטי-ויראליות תוך הערכת השפעות נוירוטוקסיות מוקדם בתהליך פיתוח התרופה. זיהוי תרכובות אנטי-ויראליות יעילות הוא רק הצעד הראשון לתרגום קליני (טבלה 1). חשוב לא פחות הוא פיתוח אסטרטגיות אספקת תרופות המסוגלות לספק תרופות לתאים נגועים בתוך מערכת העצבים המרכזית.

וירוסמודל אורגנואידסוגי תאיםממצאים מרכזייםמגבלותמקור
ZIKVאורגנואידים דמויי עובר שמקורם ב-hPSCאבות עצביים, נוירוניםHH ו-AQ הפחיתו RNA ויראלי ממסך 1120 תרכובותאין תאי חיסון; שלב העובר17
אורגנואידים קורטיקלייםאבות עצביים25HC הפחיתו את ההדבקה ב~74%; R428 הפחית את ה-mRNA של ZIKV ב~41%אין כלי דם18
אורגנואידים במוחנוירונים, אסטרוציטיםההגנה העצבית האמריקאית; ניקולוזמיד ו-PHA-690509 מעכבים שכפולאין מיקרוגליה19
אורגנואידים במוחאבות עצבייםאנוקסאצין מנע מיקרוצפליה שנגרמה על ידי ZIKV באמצעות RNAiאין תאי חיסון20
אורגנואידים במוחנוירוניםTH3289 ו-TH6744 (ליבת בנזימידזולון) מפריעים למחזור החיים המאוחר של ZIKVאין תאי חיסון21
CoVסארס-2אורגנואידים מוחייםנוירוניםסופיסבוביר הציל סינפטוגנזה והישרדות נוירוניתאין BBB22
HSV-1נוירונים שמקורם ב-iPSCנוירוניםחסר ב-TLR3 משאיר את הנוירונים האנושיים פגיעים; תופעה ייחודית לאדםנוירונים דו-ממדיים בלבד23*
תרביות אורגנואידים תלת-ממדיותנוירוניםCRISPR-Cas9 דיכא זיהום ראשוני והפעלה מחודשתבגרות מוגבלת24
HIV-1אורגנואידים מוחיים של iPSCנוירונים, מיקרוגליההגברת רגולציה CCL2, CXCL10; הפעלת גן אינטרפרון מסוג I; הזדקנות נוירוניתאין כלי דם30
אורגנידים במוח אנושי עם מיקרוגליהנוירונים, מיקרוגליהדלקת עצבית, אסטרוגליוזיס, ניוון סינפטיאין כלי דם31
אורגנואידים מוחיים של hiPSCנוירונים, מיקרוגליה, אסטרוציטיםהשפעות cART שנבדקו במודל תלת-ממדי NeuroHIVמודל שלב מוקדם32

טבלה 1: מודלים אורגנואידים במוח המשמשים לחקר זיהומים ויראליים נוירוטרופיים. טבלה זו מסכמת את הווירוס שנחקר, מודל האורגנואידים, סוגי התאים הכלולים, ממצאים מרכזיים, מגבלות והפניה למחקרים מייצגים מבוססי אורגנואידים במוח על זיהומים ZIKV, SARS-CoV-2, HSV-1 ו-HIV-1.

פלטפורמות הפצת תרופות

מציאת התרכובות האנטי-ויראליות היעילות ביותר לטיפול בזיהומים במערכת העצבים המרכזית היא חיונית, אך ללא העברה יעילה למוח, תרכובות אלו עלולות לא להשיג תועלת טיפולית. ניתן להשתמש באורגנואידים במוח להערכת מערכות אספקת תרופות מבחינת יכולתן לחדור לרקמות עצביות ולספק מטענים אנטי-ויראליים.

ננו-חלקיקים מבוססי ליפידים (LNPs) משמשים באופן נרחב כנשאי תרופות. נשאי התרופות הללו הוכחו כמגבירים את הזמינות הביולוגית של התרופות ומאפשרים משלוח ממוקד לאתר המחלה, במיוחד ברחבי BBB33. נוסחאות mRNA מבוססות LNP שימשו בהצלחה בחיסון COVID-1934,35. ניתן להשתמש באורגנואידים במוח להערכת היעילות והבטיחות של נוסחאות חדשות מבוססות LNP. LNPs יכולים גם להיות מווקטוריים למערכת המרכזית המרכזית באמצעות שינוי משטח באמצעות ליגנדים מטרה. לדוגמה, טרנספרין או לקטופרין הוצמדו ל-LNPs כדי להקל על טרנסציטוזה מתווכת קולטנים ולשפר את ההובלה דרך BBB36,37. ביחד, היעילות הפוטנציאלית של מתן התרופות, הנוירוטוקסיות והשינויים ביציבות הננופורמולציה לאחר חדירת BBB ניתנים לחקור באורגנידים במוח38.

בנוסף ל-LNPs, ננו נשאים פוליפפטידיים דו-ממוקדים נחקרו גם הם כמערכת להעברת תרופות באורגנידים במוח אנושי. ננו-חלקיקי פוליאור (L-גלוטמית חומצה) ממוקדים (NPs) הראו תאימות ציטותאימות מצוינת ויכולת להיכנס לאורגנואידים דמויי מוח אמצע. הוכח כי אלנין וגלוטתיון יכולים לכוון ביעילות NPs לתאי אנדותל מוחיים ולחדור לאורגנואידים מוחיים, מה שמוביל להעברת תרופותלמוח. החדירות של ננו-חלקיקים מבוססי פולימר נחקרה באורגנידים מיקרו-וסקולטוריים תלת-ממדיים אנושיים, תוך התמקדות בהשפעות גודלם וכימיה של פני השטח. האורגנואידים שנוצרו כללו תאי אנדותל שמקורם ב-iPSC אנושי, אסטרוציטים ופריציטים ראשוניים במוח. תמונות קונפוקליות חשפו כי הצמדת ה-NPs עם הליגנד ההולו-טרנספרין (Tf) הקשור למוח, העלתה משמעותית את החדירות שלהן40.

לאחר מכן נחקרו ספיגה, חדירה והפצה של ננו-חלקיקי זהב (AuNPs) בספירואידים מוחיים של BBB. הספרואידים הללו מורכבים משישה סוגי תאי מוח: נוירונים, אסטרוציטים, פריציטים, תאי אנדותל, מיקרוגליה ואוליגונדרוסיטים. המחברים דיווחו כי היפוקסיה חולפת הובילה לפתיחת BBB ולהגברת ההובלה של AuNPs אל פנים הספרואיד. הננו-חלקיקים הצליחו להיכנס לתאים ולגרעינים בקלות41. במחקר דומה שהשתמש באותה מערכת מודל ספרואידית, הוערך מעקב מקביל אחר קינטיקת חדירת ננו-נשאים ושחרור המטען הטיפולי שלהם באמצעות מיקרוסקופיית לייזר קונפוקלית42. במחקר נוסף, פארק ועמיתיו הראו כי AuNPs עם פקטור נוירוטרופי שמקורם במוח (BDNF) מצומדים להיכנס בהצלחה לאורגנואידים מוחיים מבלי לגרום לרעילות משמעותית43.

מעבר למיקוד בחלקיקים, צורתם וגודלם של ננו-חלקיקים יכולים גם למלא תפקיד משמעותי ביכולת הננופורמולצה להעביר את המטען הטיפולי שלהלמוח. כדורי פוליסטירן בקוטר 200 ננומטר שהוקטרו עם נוגדנים נגד VCAM-1 צברו פי 1.2 עד 1.5 יותר מ-NPs הלא וקטוריים בביקורת. מעניין לציין שחלקיקים בצורת מוט הציגו הצטברות גדולה אף יותר של 2.1 עד 2.5 פעמים לעומת הבקרות המתאימות, מה שמרמז שחלקיקים בצורת מוט מציעים יתרון על פני כדורים מבחינת קשירת תאים. אורגנואידים מוחיים יכולים לספק תובנות מפורטות לגבי האופן שבו גאומטריית חלקיקים יכולה להשפיע על חדירת המוח. בנוסף, השפעות היפוקסיה ותרכובות ביולוגיות פעילות אחרות על חדירות BBB עשויות להיבדק לעומק באורגנואידים נוירו-וסקולרייםבמוח 45,46.

וזיקולות חוץ-תאיות שמקורן בתאי גזע (EVs) מהוות חלופה ביולוגית לנשאי תרופות סינתטיות כמו LNPs. ברנסקום ואח' חקרו את הפוטנציאל התיקוני של EVs נגד זיהום HIV-1 בנוירוספירות אנושיות47. במחקר זה הוכח כי EVs המיוצרים מתאי גזע מזנכימליים (MSCs) ו-iPSCs יכולים לחדור באופן טבעי לנוירוספירות, להציל את החיוניות התאית ולהפחית את ביטוי הציטוקינים הדלקתיים בנוירוספירות נגועות-HIV-1, מה שמדגיש את התכונות הנוירופרוטניות והאנטי-דלקתיות של תאי גזעEVs 47. במחקר נוסף של קים ואחרים, וזיקולות חוץ-תאיות קטנות (sEVs) הונדסו להעברה אנטי-ויראלית לטיפול בזיהום SARS-CoV-248. הננו-נשאים הוטענו ב-ACE2 מסיס (sACE2) באמצעות שינוי גנטי של תאי התורם עם פלסמיד המקודד eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT), מה שגרם לביטוי sACE2 על פני השטח של ה-sEV. הוכח כי sEVs עם וקטור sACE2 מגנים מפני WT וווירוס פסאודוטיפ של חלבון S מוטנטי48. מנגנון ההגנה יכול להיבדק באורגנידים מוחיים נגועים ב-SARS-CoV-2. בנוסף, מחקר נוסף הראה כי EVs המשתחררים מתאי HSV-1 נושאים רכיבים חיסוניים מולדים כמו STING, שיכולים להפעיל תגובות חיסוניות מולדות בתאי המקבל, מה שמוביל לעיכוב חזק של שכפול HSV-1. הפרדה קריטית בין EVs לחלקיקים ויראליים מדבקים הושגה באמצעות צנטריפוגציה עם גרדיאנטצפיפות 49.

אורגנואידים מוחיים יכולים לשמש גם לבדיקת הפוטנציאל של נוירוטוקסיות של ננו-פורמולציות תרופות חדשות. לדוגמה, כאשר AuNPs פגיליאטיים הוזרקו לאורגנואידים במוח, נצפתה דלקת משמעותית, המתווכת על ידי ייצור ROS. לעומת זאת, NPs פולימלקטית פולימרית הציגו אספקה יעילה של תרופות וציטוטוקסיות נמוכה בשל ספיגה איטית והתפרקות איטית, מה שאפשר חדירה לאורגנואיד המוח מבלי לעורר תגובה חיסונית50. הנוירוטוקסיות של AuNPs, גרפן ונקודות פחמן הוערכה גם באורגנידים נוירו-וסקולריים תלת-ממדיים. אורגנואידים אלו כללו תאי עצב, מיקרוגליה ומשטח תאי אנדותל. מחקרים אלו חשפו כי מיקרוגליה עשויה למלא תפקיד מרכזי בחדירות וברעילות של נוסחאות אלו51. יתרה מזאת, ריכוזים גבוהים של NNO NPs הוכחו גם הם כגורמים למוות נוירוני משמעותי. מנגנון הרעילות נקשר להצטברות תוך-תאית של יוני אבץ, מה שהפחיתה את רמות חלבוני LC3B, מה שמרמז על אוטופגיה פגומה52. בסך הכול, מחקרים אלו מראים שאורגנידים תלת-ממדיים במוח יכולים ללכוד כיצד ננופורמולציות מתקשרות עם רקמות עצביות, מהקליטה והחדירה ועד הפעלה חיסונית ורעילות. הצלחת אסטרטגיות אספקת תרופות ממוקדות מערכת העצבים המרכזית תלויה בסופו של דבר לא רק בהגעה לתאי יעד, אלא גם בוויסות המסלולים הדלקתיים המופעלים במהלך ההדבקה, רבים מהם מופעלים על ידי איתות DAMPs ו-PAMPs.

DAMPs ו-PAMPs בזיהומים ויראליים

אורגנואידים במוח יכולים לשמש לחקר DAMPs ו-PAMPs שמשתחררים על ידי תאים מותחים, פצועים או גוססים במערכת העצבים המרכזית. DAMPs כוללים חלבוני הלם חום, ATP וחומצת שתן, בעוד ש-PAMPs כוללים מולקולות חיידקיות, ויראליות, פטריות וטפיליות. לכן, דפוסים מולקולריים אלו מעוררים את מערכת החיסון המולדת ומפעילים מספר מסלולי העברת אותות בתגובה לאנטיגנים זרים או לכל סימן הנפוץ הקשור לזיהום. המנגנונים שמאחורי ההשפעות המגנות שלהם בתגובה לזיהומים ויראליים אינם מובנים במלואם, וניתן לבצע חקירות מפורטות של תהליכים אלו באורגנואידים במוח53. DAMPs ו-PAMPs משתחררים נקשרים לקבוצת קולטנים גדולה, כולל קולטני Toll-like (TLRs), קולטנים דמויי NOD (NLRs), קולטנים דמויי AIM2, קולטנים דמויי RIG-I (RLRs) וקולטני לקטין מסוג C (CLRs), המתבטאים על ממברנת הפלזמה או תוך-תאית54. קולטנים אלו חיוניים לייצור ציטוקינים ואינטרפרונים בתגובה לזיהומים ויראליים נוירוטרופיים, כולל EV-71, HIV-1, HSV-1, פלביווירוסים, וירוס הנילוס המערבי (WNV) ואחרים.

סלואיקובסקי ועמיתיו חקרו כיצד DAMPs, כימוקינים ומולקולות הידבקות המשתחררות על ידי תאי עצב פגועים מתאמים את כניסת הלויקוציטים למערכת העצבים במהלך דלקת מוח פלאווירוס55. במיוחד, התגלה כי WNV מגביר את הביטוי של נקרופטוזיס דלקתי מאוד וסמני מוות תאי פירופטוזיס, המעודדים שחרור DAMPs במוח הנגוע. כאשר מולקולות כאלה, לדוגמה, חלבון HMGB1 (HMGB1) בקבוצת ניידות גבוהה, משתחררות, הן משרות מסלולי איתות מרובים, מה שמוביל להגירה תלויה ב-CXCR4 של מונוציטים פעילים, מקרופאגים ותאי דנדריט לרקמות נגועות56,57. יתרה מזאת, הוכח כי DAMPs יכולים להשתחרר בתגובה לזיהום, ואחריו הגברת TLRs והחמרה בדלקת מערכת העצבים המרכזית ונזק לרקמות58. בסך הכל, מחקרים אלו מראים כי זיהומים ויראליים נראים כמפעילים מסלולי איתות חופפים של DAMP-PAMP, מה שמוביל לדלקת עצבית ולנזק לרקמות. ביחד, אורגנואידים במוח המכילים מיקרוגליה ואסטרוציטים יכולים לשמש מודל למעקב אחר תגובות מפל חיסון ברקמה עצבית אנושית, במיוחד האינטראקציה בין שחרור DAMP לדלקת עצבית מתווכת TLR.

מערכת המשלים היא מרכיב מרכזי במערכת החיסון המולדת שמגיבה במהירות לזיהום. עם זאת, וירוסים רבים פיתחו מנגנונים להתגברעל מערכת ההגנה הזו. וירוסים מסוימים מתחמקים ממערכת המשלים על ידי ייצור חלבונים שנקשרים לרכיבים המשלים ומעכבים או מבודדים אותם. דבר זה הוכח במגוון וירוסים, כולל וירוס T-לימפוטרופי אנושי-1 (HTLV-1), ציטומגלווירוס אנושי (HCMV), HIV-1, וירוס הקופים 5 (SV5) ווירוס חזרת (MuV), המשלבים חלבוני משלים מארחים בוויריונים שלהם (למשל, CD55/DAF, CD59, CD64 ו-MCP). חלבונים אלה מעכבים את התגובה החיסונית המולדת, ומקדמים שכפול והתמדה של הווירוס60. לכן, ניתן להשתמש באורגנידים במוח לזיהוי המנגנונים הספציפיים שבאמצעותם וירוסים מתחמקים ממערכת המשלים. עדויות הולכות וגדלות מצביעות על כך ש-DAMPs ו-PAMPs לא רק מעצבים את התגובה האנטי-ויראלית הראשונית אלא גם משמשים כמתווכים מרכזיים לדלקת המתמשכת שמאחורי מצבים פוסט-ויראליים כרוניים.

תפקיד DAMPs/PAMPs בדלקת מתמשכת הנגרמת על ידי זיהום ויראלי

מעבר לשלב הדלקתי החריף, זיהומים ויראליים עלולים לגרום לחשיפה כרונית ל-DAMPs/PAMPs, מה שמוביל להשלכות דלקתיות ארוכות טווח, במיוחד במוח. אורגנואידים מוחיים יכולים להפוך לכלי עוצמתי לחקר המנגנונים הבסיסיים של תסמונות הקשורים לשלב הפוסט-אקוטי של הזיהום.

רוב הווירוסים האנושיים הלא מתמשכים הידועים כיום מפעילים תגובות חיסוניות בשלב החריף של ההדבקה, ואחריהם הסרת פתוגן. עם זאת, במקרים מסוימים, המטופלים חווים תסמינים מתמשכים שעשויים להיות שונים מאלו שנצפו בשלב האקוטי ויכולים להימשך חודשים ואף שנים. במיוחד, מטופלים עם COVID-19 ממושך מדווחים על עייפות כרונית, "ערפול מוחי", חום, כאב וסיבוכים נוירולוגייםנוספים. יתרה מזאת, דלקת כרונית עלולה להעלות תמותה ותחלואה, וכן את הסיכון לאתרומבוזה, סרטן וליקוי קוגניטיבי62,63.

בנוסף, התמדה של חלבונים ויראליים ו-RNA עלולה להוביל לרמות גבוהות של ציטוקינים פרו-דלקתיים, כגון TNF-α, IL-1α, IL-1β, IFN-γ ו-IL-6, ובכך לגרום לנזק לרקמות, הזדקנות מוקדמת והתשה של מערכת החיסון64. שכפול איטי או עקבות של רכיבים ויראליים עלולים לגרום לשחרור DAMPs/PAMPs שמגיבים עם הקולטנים הספציפיים שלהם, ולגרום לדלקת נמוכה מתמשכת65. במקרים מסוימים, זיהום HSV-1 במוח עלול להוביל לנזק נוירוני ואחריו דלקת מוח, ובסופו של דבר עשוי לתרום להתפתחות הפרעות ניווניות כמו מחלת אלצהיימר66. מנגנוני אוטופגיה מופרעים יכולים להיות טריגר מרכזי לדלקת כרונית אצל חולי HSV-2, כאשר מנגנוני הגנה פגומים מובילים לשכפול ויראלי מתמשך, נוכחות מתמשכת של רכיבים ויראליים במוח, וניוון נוירולוגי67. רכיבים ויראליים אלו מפעילים חיישנים חיסוניים מולדים דרך PAMPs ויכולים לשלוט במסלולי איתות כדי לעקוף את ההשפעות האנטי-ויראליות של הפעלה חיסונית מולדת. חשוב לציין כי HCMV ונגיף אפשטיין-בר (EBV) הוכחו כגורמים לזיהומים ויראליים כרוניים המקדמים תפקוד חיסוני לקוי68,69. הזדקנות ממושכת הנגרמת מזיהומים עשויה גם לתרום לדלקת ארוכת הטווח הקשורה לזיהומים ויראליים שונים. אורגנידים תלת-ממדיים במוח עם רכיבים חיסוניים משולבים מספקים פלטפורמות רלוונטיות להבנת המנגנונים המורכבים שמאחורי החשיפה הכרונית ל-DAMPs/PAMPs ותפקידם בסיבוכים ארוכי הטווח של זיהומים ויראליים במערכת העצבים המרכזית.

מגבלות ופרספקטיבה:

למרות יתרונותיהם על פני מודלים מסורתיים במבחנה, לאורגנואידים במוח יש מגבלות משמעותיות שיש לטפל בהן כדי לתמוך ביישומם הרחב יותר. בפרט, רוב האורגנואידים חסרים תאי חיסון תושבים, שהם תורמים מרכזיים למידול מחלות ויראליות ולהבנת תגובות חיסוניות מולדות ואדפטיביות במהלך זיהום ויראלי70. במיוחד, פרוטוקולי אורגנואיד סטנדרטיים חסרים מיקרוגליה משולבת, תאי החיסון הראשיים של מערכת העצבים המרכזית ומאגר HIV-1, מה שמגביל את מידול הדלקת העצבית וההתמדה הוויראלית71. חיסרון נוסף הוא מורכבות רקמות לא שלמה, כולל היעדר כלי דם, שממלאים תפקיד חשוב באספקת חומרים מזינים וחמצן, וכן בהפצת הווירוסים72. לכן, הצמיחה האורגנואידית מוגבלת כי התאים במרכז אינם יכולים לקבל מספיק חומרים מזנים. בנוסף, הפרשה של פסולת מטבולית נפגעת, מה שמוביל לעיתים קרובות לליבות היפוקסיות או נמקיות באורגנואידים גדולים. יתרה מזאת, אורגנואידים אינם משחזרים במלואם את האינטראקציות בין נוירונים, תאי אנדותל ותאי סטרומל שיכולים להשפיע על זיהום ויראלי ופתוגנזה. יתרה מזאת, בשלב זה של ההתפתחות, אורגנואידים אינם יכולים לשחזר זיהום מערכתית, התפשטות בין-איברית ותגובות חיסוניות לכל הגוף73. מגבלה נוספת היא שרבים מהאורגנואידים האפיתליים נגישים לחיסון ויראלי מוגבל בשל פני השטח האפיקלי הפונה פנימה74. כתוצאה מכך, חיסון ויראלי דורש מיקרוהזרקה, מה שמוביל לשונות ולקצב תפוקה נמוך. לכן, חיסון של אורגנואידים בקטרים שונים מקשה על שליטה בריבוי ההדבקה. בנוסף, אורגנואידים רבים דומים לרקמת עובר ולא לאיברים בוגרים, מה שיכול להשפיע על הטרופיזם הוויראלי, קינטיקת השכפול ותגובות המארח73. דבר זה בולט במיוחד במקרה של HSV-1, שכן הבשלה נוירונית משפיעה על הקמת ההשהיה ותהליכי הפעלה מחדש, כאשר אורגנואידים בשלב עוברי עשויים שלא לחזור במלואם23. בנוסף, אורגנואידים עשויים להשתנות במידה ניכרת בהרכב ובפונקציונל, מה שמוביל לתוצאות מגוונות, שכפול נמוך ולצורך בשכפולים ניסיוניים רבים. לדוגמה, אורגנואידים עשויים להשתנות בגודל, בהרכב התאים, בארכיטקטורה ובמצב ההתבגרות. דבר זה הופך את התקינה לקשה, אם לא בלתי אפשרית, במעבדות 7,75. לבסוף, העלות הגבוהה והיכולת המוגבלת להרחבת ייצור ותחזוקת האורגנידים נותרו מכשולים משמעותיים. כתוצאה מכך, אתגר מרכזי הוא פיתוח פלטפורמות בעלות תפוקה גבוהה התואמות לטכנולוגיית אורגנואיד74.

למרות החסרונות והמגבלות הללו, לאורגנואידים יש פוטנציאל משמעותי למידול זיהומים ויראליים, טוקסיקולוגיה וגילוי תרופות. התגברות על מגבלות אלו יכולה להפחית משמעותית את התלות במודלים של בעלי חיים ולהקל על מחקרים מכניים בסיסיים76. אחד החסרונות הבולטים של מודלים אורגניים קיימים הוא המורכבות הפיזיולוגית המוגבלת שלהם והיעדר הרכב תאי מגוון. פיתוחים עתידיים יצטרכו להתמקד בשילוב רכיבים חיסוניים, נוירונים, כלי דם וסטרומליים במודלים אורגנואידיים. ניתן להשיג זאת באמצעות מודלים של קו-קולטורה המשלבים אורגנואידים עם סוגי התאים שהוזכרולעיל 77,78. במיוחד, שילוב תאי מערכת החיסון יאפשר מידול של תגובות חיסוניות מערכתיות ודלקת במהלך זיהומים ויראליים. יתרה מזאת, ניתן לפתח אורגנואידים וסקולריים נוספים לשיפור המורכבות הפיזיולוגית ולסיכום טוב יותר של תנאי ה-vivo 79,80. לכן, אורגנואידים מוחיים הכוללים רקמות אנדותליות יתמכו בחקירות של תפקוד מחסום דם-מוח ומתן תרופות במהלך זיהומים ויראליים13,81. בנוסף, אורגנואידים תלת-ממדיים במוח יכולים לשחזר מספר היבטים מרכזיים של זיהום ויראלי במוח. למעשה, מספר מודלים אורגנואידיים עם מבנים מורכבים המייצגים באופן הדוק אזורים שונים במוח נמצאים כעת תחת חקירה.82. לבסוף, הכללת רכיבים נוירונליים וסטרומליים תגדיל עוד יותר את הנאמנות של אורגנואידים למערכות האיברים הטבעיות. השחזוריות נותרה מכשול משמעותי נוסף ליישום רחב יותר של טכנולוגיות אורגנואידיות. לכן, יצירת אורגנידים חזקים וניתנים לשחזור גבוה היא קריטית להמשך תרגום יישומים אורגנואידיים. שיטות שונות לבידוד וזריעה של תאים, וכן בחירת מטריצות וגורמים מסיסים, צריכות להיות סטנדרטיות בכל השטח83. ראוי לציין כי הרכב מדיום התרבית, צפיפות התאים וזמן התרבית עשויים להשפיע על תוצאות המודלים הללו. לכן, אסטרטגיות להפחתת שונות במטריציות, כולל הידרוג'לים סינתטיים המורכבים מרשתות פולימרים מוגדרות לחלוטין עם מאפיינים כימיים ומכניים מבוקרים במדויק, הוצגו כחלופה מבטיחה84. אורגנואידים אלו מציגים שונות מינימלית בין אצווה, מה שמאפשר מחקרים מבוקרים. יתרה מזאת, יצירת בנקים אורגניים המייצגים אוכלוסיות מטופלים מגוונות תהפוך למשאב חשוב לגילוי תרופות ולזיהוי סמנים ביולוגיים. טכנולוגיות בינה מלאכותית (AI) מתפתחות הופכות לכלים חשובים במחקר האורגני85. יישום נוסף של טכנולוגיות אלו עשוי להאיץ ניתוחים ולהפחית הטיה בפרשנות הנתונים. עם זאת, יישומי הבינה המלאכותית בתחום זה עדיין בשלבים מוקדמים. שילוב גישות בינה מלאכותית בפיתוח אורגנואידים, כגון ניתוח תמונהמונחה AI 86 או אופטימיזציה חזויה של תנאי תרבית87, יקל משמעותית על מחקר אורגנואידים.

מסקנות

סקירה זו בחנה כיצד אורגנידים במוח, תרביות עצביות תלת-ממדיות המדמות במידה רבה את יחידת הנוירו-וסקולר האנושית, משמשים לחקר הפלישה, השכפול ונזק למערכת העצבים המרכזית הנגרמים על ידי וירוסים נוירוטרופיים. למרות שלכל וירוס יש תכונות גנטיות ומבניות ייחודיות, רבים מהתהליכים הפתולוגיים שמופעלים על ידי וירוסים במוח משותפים, ומודלים אורגנואידיים הוכיחו את עצמם כמתאימים לניתוח מנגנונים נפוצים ושונים אלו. דלקת מופרזת עלולה להחמיר נזק לתאי עצב; עם זאת, כאשר מערכת החיסון המולדת נשלטת כראוי, היא יכולה להגביל את התפשטות הווירוס ולהגן על רקמת המוח.

אורגנואידים תלת-ממדיים מאפשרים חקר שני ההשפעות בסביבה פיזיולוגית רלוונטית יותר, שבה מודלים של בעלי חיים ותרביות תאים דו-ממדיים לא הצליחו ללכוד את הדינמיקה הזו. מידע זה קריטי למאבק בפתוגנזה ויראלית במוח ולזיהוי טיפולים שמכוונים למסלולים הנכונים מבלי להגביר דלקת. לאורגנידים במוח יש הבנה מתקדמת של זיהומים ויראליים נוירוטרופיים, אך ישנם פערים טכניים שטרם יטפלו. לדוגמה, בגרות איטית, כלי דם מוגבלים והיעדר רכיבי BBB נותרו אתגרים נפוצים. שונות בטכניקות ההבדלה האורגנית וחוסר עקביות בין אצווה גם הם פוגעים במחקר העוסקים באורגנואידים במוח. יתרה מזאת, ניתן לשפר את הכימות של כניסת הווירוס, השכפול, הטרופיזם מסוג תא ותגובות המארח בהקשר תלת-ממדי מבוקר. העבודה שנבדקה במאמר היד הראתה כי האורגנואידים במוח הם בין המערכות הרלוונטיות ביותר לחקר האופן שבו וירוסים נוירוטרופיים מתקשרים עם המוח האנושי, בדיקת מועמדים אנטי-ויראליים והערכת אספקת תרופות למערכת העצבים המרכזית. ככל שהטכנולוגיה תתבגר עם שיפור בכלי דם, שילוב תאי חיסון ואימוץ פרוטוקולים סטנדרטיים, מחקרים מבוססי אורגנואידים יהיו בעמדה טובה יותר לזהות תרכובות ואסטרטגיות עם פוטנציאל אמיתי לתרגום קליני.

קיצורים: ASOs, אוליגונוקלאוטידים אנטיסנסיים; BBB, מחסום דם-מוח; CLRs, קולטני לקטין מסוג C; מערכת העצבים המרכזית (CNS), מערכת העצבים המרכזית; CRISPR, מקובץ באופן קבוע בין חזרות פלינדרומיות קצרות; CXCL10, ליגנד כימוקיני מוטיב C-X-C 10; DAMPs, דפוסים מולקולריים הקשורים לנזק; EVs, וזיקולות חוץ-תאיות; hPSCs, תאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים; HSV-1/2, וירוס הרפס סימפלקס סוג 1/2; HIV-1, וירוס הכשל החיסוני האנושי סוג 1; IFNs, אינטרפרונים; IL-6, אינטרלוקין-6; ISGs, גנים מונעים על ידי אינטרפרון; LNPs, ננו-חלקיקי שומנים; NLRs, קולטנים דמויי NOD; PAMPs, דפוסים מולקולריים הקשורים לפתוגן; PRRs, קולטני זיהוי דפוסים; RNAi, הפרעות RNA; RT-PCR, תגובת שרשרת פולימראז שעתוק הפוך; sACE2-EVs, וזיקולות חוץ-תאיות מסיסות המעוטרות ב-ACE2; SARS-CoV-2, תסמונת נשימתית חריפה חמורה 2; scRNA-seq, ריצוף RNA חד-תא; TLRs, קולטנים דמויי טול; TNF-α, פקטור נמק הגידול-אלפא; ZIKV, וירוס הזיקה; תלת-ממד, תלת-ממדי. ZIKV, זיקוירוס; hPSC, תא גזע פלוריפוטנטי אנושי; HH, הילפאסטרין הידרוברומיד; AQ, אמודיאקין דיהידרוכלוריד דיהידראט; 25HC, 25-הידרוקסיכולאסטרול, BBB, מחסום דם–מוח; cART, טיפול משולב אנטי-רטרויראלי; CRISPR, מקובץ באופן קבוע בין חזרות פלינדרומיות קצרות; hiPSC, תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים על ידי האדם; HIV-1, וירוס הכשל החיסוני האנושי סוג 1; hPSC, תא גזע פלוריפוטנטי אנושי; HSV-1, וירוס הרפס סימפלקס סוג 1; RNAi, הפרעות RNA; SARS-CoV-2, תסמונת נשימתית חריפה חמורה 2; TLR3, קולטן דמוי טול 3. נכלול מחקר נוירונים דו-ממדיים שמקורם ב-iPSC להשוואה.

גילויים

ChatGPT (OpenAI; GPT-5.5) שימש במידה מוגבלת לסייע בסינון ספרות ושיפור שפה. כל בחירת הספרות, בדיקת העובדות, אימות המקורות והפרשנות המדעית בוצעו באופן עצמאי על ידי המחברים.

תודות

המחברים מודים בהכרת תודה לכל חברי מעבדת קשאנצ'י, עם הערכה מיוחדת לגוון קוקס על תמיכתה היקרה. מחקר זה נתמך גם על ידי מענקי R01MH134389, AI078859 ו-AI074410 R21DA057887 של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) ומשרד ההגנה HT9425-24-1-0876 ל-F.K.

מקורות

  1. Lancaster MA, Knoblich JA. Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nature Protocols. 2014;9(10):2329-40.
  2. Chhibber T et al. CNS organoids: an innovative tool for neurological disease modeling and drug neurotoxicity screening. Drug Discovery Today. 2020;25(2):456-65.
  3. Eichmüller OL, Knoblich JA. Human cerebral organoids — a new tool for clinical neurology research. Nature Reviews Neurology. 2022;18(11):661-80.
  4. Al-Obaidi MMJ et al. Disruption of the blood brain barrier is vital property of neurotropic viral infection of the central nervous system. Acta Virologica. 2018;62(1):16-27.
  5. Lancaster MA et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013;501(7467):373-9.
  6. Kelava I, Lancaster MA. Dishing out mini-brains: Current progress and future prospects in brain organoid research. Developmental Biology. 2016;420(2):199-209.
  7. Velasco S et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex. Nature. 2019;570(7762):523-7.
  8. Giandomenico SL et al. Cerebral organoids at the air–liquid interface generate diverse nerve tracts with functional output. Nature Neuroscience. 2019;22(4):669-79.
  9. Lancaster MA, Knoblich JA. Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science. 2014;345(6194):1247125.
  10. Elvira R, Tan EK, Zhou ZD. Three-dimensional midbrain organoids: a next-generation tool for Parkinson’s disease modelling and drug discovery. Stem Cell Research & Therapy. 2025;16(1):502.
  11. Kim S, Chang MY. Application of Human Brain Organoids—Opportunities and Challenges in Modeling Human Brain Development and Neurodevelopmental Diseases. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(15):12528.
  12. Noctor SC et al. Dividing Precursor Cells of the Embryonic Cortical Ventricular Zone Have Morphological and Molecular Characteristics of Radial Glia. The Journal of Neuroscience. 2002;22(8):3161-73.
  13. Sun XY et al. Generation of vascularized brain organoids to study neurovascular interactions. eLife. 2022;11:e76707.
  14. Onesto MM, Kim J, Pasca SP. Assembloid models of cell-cell interaction to study tissue and disease biology. Cell Stem Cell. 2024;31(11):1563-73.
  15. Liu D et al. Innate Immune Effectors Play Essential Roles in Acute Respiratory Infection Caused by Klebsiella pneumoniae. Journal of Immunology Research. 2020;2020:5291714.
  16. Louveau A, Harris TH, Kipnis J. Revisiting the Mechanisms of CNS Immune Privilege. Trends in Immunology. 2015;36(10):569-77.
  17. Zhou T et al. High-Content Screening in hPSC-Neural Progenitors Identifies Drug Candidates that Inhibit Zika Virus Infection in Fetal-like Organoids and Adult Brain. Cell Stem Cell. 2017;21(2):274-283.e5.
  18. Watanabe M et al. Self-Organized Cerebral Organoids with Human-Specific Features Predict Effective Drugs to Combat Zika Virus Infection. Cell Reports. 2017;21(2):517-32.
  19. Xu M et al. Identification of small-molecule inhibitors of Zika virus infection and induced neural cell death via a drug repurposing screen. Nature Medicine. 2016;22(10):1101-7.
  20. Xu YP et al. Zika virus infection induces RNAi-mediated antiviral immunity in human neural progenitors and brain organoids. Cell Research. 2019;29(4):265-73.
  21. Pettke A et al. Broadly Active Antiviral Compounds Disturb Zika Virus Progeny Release Rescuing Virus-Induced Toxicity in Brain Organoids. Viruses. 2020;13(1):37.
  22. Mesci P et al. SARS-CoV-2 infects human brain organoids causing cell death and loss of synapses that can be rescued by treatment with Sofosbuvir. PLOS Biology. 2022;20(11):e3001845.
  23. Lafaille FG et al. Impaired intrinsic immunity to HSV-1 in human iPSC-derived TLR3-deficient CNS cells. Nature. 2012;491(7426):769-73.
  24. Bellizzi A et al. Suppression of HSV-1 infection and viral reactivation by CRISPR-Cas9 gene editing in 2D and 3D culture models. Molecular Therapy. Nucleic Acids. 2024;35(3):102282.
  25. Karrasch M et al. Rapid acquisition of acyclovir resistance in an immunodeficient patient with herpes simplex encephalitis. Journal of the Neurological Sciences. 2017;384:89-90.
  26. Collotta D, Bertocchi I, Chiapello E, Collino M. Antisense oligonucleotides: a novel Frontier in pharmacological strategy. Frontiers in Pharmacology. 2023;14:1304342.
  27. Robertson K, Liner J, Meeker RB. Antiretroviral neurotoxicity. Journal of NeuroVirology. 2012;18(5):388-99.
  28. Akay C et al. Antiretroviral drugs induce oxidative stress and neuronal damage in the central nervous system. Journal of NeuroVirology. 2014;20(1):39-53.
  29. Fan P et al. The Application of Brain Organoids in Assessing Neural Toxicity. Frontiers in Molecular Neuroscience. 2022;15:799397.
  30. Kong W et al. Neuroinflammation generated by HIV-infected microglia promotes dysfunction and death of neurons in human brain organoids. PNAS Nexus. 2024;3(5):pgae179.
  31. dos Reis RS et al. Modeling HIV-1 neuropathogenesis using three-dimensional human brain organoids (hBORGs) with HIV-1 infected microglia. Scientific Reports. 2020;10(1):15209.
  32. Donadoni M et al. Modeling HIV-1 infection and NeuroHIV in hiPSCs-derived cerebral organoid cultures. Journal of Neurovirology. 2024;30(4):362-79.
  33. Mehta M et al. Lipid-Based Nanoparticles for Drug/Gene Delivery: An Overview of the Production Techniques and Difficulties Encountered in Their Industrial Development. ACS Materials Au. 2023;3(6):600-19.
  34. Liu J et al. BNT162b2-elicited neutralization of Delta plus, Lambda, Mu, B.1.1.519, and Theta SARS-CoV-2 variants. npj Vaccines. 2022;7(1):41.
  35. Wilson B, Geetha KM. Lipid nanoparticles in the development of mRNA vaccines for COVID-19. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2022;74:103553.
  36. Khare P et al. Lipid nanoparticle-mediated drug delivery to the brain. Advanced Drug Delivery Reviews. 2023;197:114861.
  37. Zhao Z et al. Red Blood Cell Anchoring Enables Targeted Transduction and Re-Administration of AAV-Mediated Gene Therapy. Advanced Science. 2022;9(24):2201293.
  38. Bergmann S et al. Blood–brain-barrier organoids for investigating the permeability of CNS therapeutics. Nature Protocols. 2018;13(12):2827-43.
  39. Mészáros M et al. Targeting Human Endothelial Cells with Glutathione and Alanine Increases the Crossing of a Polypeptide Nanocarrier through a Blood–Brain Barrier Model and Entry to Human Brain Organoids. Cells. 2023;12(3):503.
  40. Lee SWL et al. Modeling Nanocarrier Transport across a 3D In Vitro Human Blood-Brain-Barrier Microvasculature. Advanced Healthcare Materials. 2020;9(7):e1901486.
  41. Sokolova V et al. Transport of ultrasmall gold nanoparticles (2 nm) across the blood–brain barrier in a six-cell brain spheroid model. Scientific Reports. 2020;10(1):18033.
  42. Kostka K et al. The Application of Ultrasmall Gold Nanoparticles (2 nm) Functionalized with Doxorubicin in Three-Dimensional Normal and Glioblastoma Organoid Models of the Blood–Brain Barrier. Molecules. 2024;29(11):2469.
  43. Park SB et al. Gold nanoparticle-assisted delivery of brain-derived neurotrophic factor to cerebral organoids. Nano Research. 2022;15(4):3099-105.
  44. Da Silva-Candal A et al. Shape effect in active targeting of nanoparticles to inflamed cerebral endothelium under static and flow conditions. Journal of Controlled Release. 2019;309:94-105.
  45. Park TE et al. Hypoxia-enhanced Blood-Brain Barrier Chip recapitulates human barrier function and shuttling of drugs and antibodies. Nature Communications. 2019;10(1):2621.
  46. Mantle JL, Lee KH. Immunoglobulin G transport increases in an in vitro blood–brain barrier model with amyloid-β and with neuroinflammatory cytokines. Biotechnology and Bioengineering. 2019;116(7):1752-61.
  47. Branscome H et al. Retroviral infection of human neurospheres and use of stem Cell EVs to repair cellular damage. Scientific Reports. 2022;12(1):2019.
  48. Kim HK et al. Engineered small extracellular vesicles displaying ACE2 variants on the surface protect against SARS-CoV-2 infection. Journal of Extracellular Vesicles. 2022;11(1):e12179.
  49. Deschamps T, Kalamvoki M. Extracellular Vesicles Released by Herpes Simplex Virus 1-Infected Cells Block Virus Replication in Recipient Cells in a STING-Dependent Manner. Journal of Virology. 2018;92(18):e01102-18.
  50. Leite PEC et al. Suitability of 3D human brain spheroid models to distinguish toxic effects of gold and poly-lactic acid nanoparticles to assess biocompatibility for brain drug delivery. Particle and Fiber Toxicology. 2019;16(1):22.
  51. Kumarasamy M, Sosnik A. Heterocellular spheroids of the neurovascular blood-brain barrier as a platform for personalized nanoneuromedicine. iScience. 2021;24(3):102183.
  52. Liu L et al. The cytotoxicity of zinc oxide nanoparticles to 3D brain organoids results from excessive intracellular zinc ions and defective autophagy. Cell Biology and Toxicology. 2023;39(1):259-75.
  53. Venegas C, Heneka MT. Danger-associated molecular patterns in Alzheimer’s disease. Journal of Leukocyte Biology. 2017;101(1):87-98.
  54. Lester SN, Li K. Toll-Like Receptors in Antiviral Innate Immunity. Journal of Molecular Biology. 2014;426(6):1246-64.
  55. Slowikowski E, Willems C, Marques PE. Leukocyte recruitment in flavivirus-induced encephalitis. Frontiers in Immunology. 2025;16:1650903.
  56. Rendon-Mitchell B et al. IFN-γ Induces High Mobility Group Box 1 Protein Release Partly Through a TNF-Dependent Mechanism. The Journal of Immunology. 2003;170(7):3890-7.
  57. Schiraldi M et al. HMGB1 promotes recruitment of inflammatory cells to damaged tissues by forming a complex with CXCL12 and signaling via CXCR4. Journal of Experimental Medicine. 2012;209(3):551-63.
  58. Soong L et al. Type 1-skewed neuroinflammation and vascular damage associated with Orientia tsutsugamushi infection in mice. PLOS Neglected Tropical Diseases. 2017;11(7):e0005765.
  59. Shastri A, Bonifati DM, Kishore U. Innate Immunity and Neuroinflammation. Mediators of Inflammation. 2013;2013:1-19.
  60. Saifuddin M et al. Role of virion-associated glycosylphosphatidylinositol-linked proteins CD55 and CD59 in complement resistance of cell line-derived and primary isolates of HIV-1. The Journal of Experimental Medicine. 1995;182(2):501-9.
  61. Bennett JM, Reeves G, Billman GE, Sturmberg JP. Inflammation–Nature’s Way to Efficiently Respond to All Types of Challenges: Implications for Understanding and Managing “the Epidemic” of Chronic Diseases. Frontiers in Medicine. 2018;5:316.
  62. Deeks SG, Tracy R, Douek DC. Systemic Effects of Inflammation on Health during Chronic HIV Infection. Immunity. 2013;39(4):633-45.
  63. Zapata HJ, Shaw AC. Aging of the human innate immune system in HIV infection. Current Opinion in Immunology. 2014;29:127-36.
  64. Peluso MJ et al. Markers of Immune Activation and Inflammation in Individuals With Postacute Sequelae of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Infection. The Journal of Infectious Diseases. 224(11):1839-48.
  65. Brodin P. Immune determinants of COVID-19 disease presentation and severity. Nature Medicine. 2021;27(1):28-33.
  66. Marcocci ME et al. Herpes Simplex Virus-1 in the Brain: The Dark Side of a Sneaky Infection. Trends in Microbiology. 2020;28(10):808-20.
  67. Hait AS et al. Defects in LC3B2 and ATG4A underlie HSV2 meningitis and reveal a critical role for autophagy in antiviral defense in humans. Science Immunology. 2020;5(54):eabc2691.
  68. Collins-McMillen D, Buehler J, Peppenelli M, Goodrum F. Molecular Determinants and the Regulation of Human Cytomegalovirus Latency and Reactivation. Viruses. 2018;10(8):444.
  69. Pizzigallo E, Racciatti D, Gorgoretti V. EBV CHRONIC INFECTIONS. Mediterranean Journal of Hematology and Infectious Diseases. 2010;2(1):e2010022.
  70. Piazzidan K et al. Immune and Immune-Integrated Organoids as NextGeneration Platforms for Disease Modeling. MedComm. 2025;6(12):e70531.
  71. Ormel PR et al. Microglia innately develop within cerebral organoids. Nature Communications. 2018;9(1):4167.
  72. Huang Y et al. Research Progress, Challenges, and Breakthroughs of Organoids as Disease Models. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2021;9:740574.
  73. Chu JTS, Lamers MM. Organoids in virology. npj Viruses. 2024;2(1):5.
  74. Aguilar C et al. Organoids as host models for infection biology – a review of methods. Experimental & Molecular Medicine. 2021;53(10):1471-82.
  75. Volpato V et al. Reproducibility of Molecular Phenotypes after Long-Term Differentiation to Human iPSC-Derived Neurons: A Multi-Site Omics Study. Stem Cell Reports. 2018;11(4):897-911.
  76. Kim J, Koo BK, Knoblich JA. Human organoids: model systems for human biology and medicine. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2020;21(10):571-84.
  77. Sabate-Soler S, Kurniawan H, Schwamborn JC. Advanced brain organoids for neuroinflammation disease modeling. Neural Regeneration Research. 2023;19(1):154-5.
  78. Buonfiglioli A et al. A microglia-containing cerebral organoid model to study early life immune challenges. Brain, Behavior, and Immunity. 2025;123:1127-46.
  79. Zhu Z et al. Advances in the Development and Application of Human Organoids: Techniques, Applications, and Future Perspectives. Cell Transplantation. 2025;34:09636897241303271.
  80. Kistemaker L, Bodegraven EJ, Vries HE, Hol EM. Vascularized human brain organoids: current possibilities and prospects. Trends in Biotechnology. 2025;43(6):1275-85.
  81. Zhang S, Wan Z, Kamm RD. Vascularized organoids on a chip: strategies for engineering organoids with functional vasculature. Lab on a Chip. 2021;21(3):473-88.
  82. Kshirsagar et al. Multi-Region Brain Organoids Integrating Cerebral, Mid-Hindbrain, and Endothelial Systems. Advanced Science. 2025. Available from: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503768.
  83. Zhao HH, Haddad G. Brain organoid protocols and limitations. Frontiers in Cellular Neuroscience. 2024;18.
  84. Gan Z et al. Recent advances in defined hydrogels in organoid research. Bioactive Materials. 2023;28:386-401.
  85. Shi H et al. Organoid intelligence: Integration of organoid technology and artificial intelligence in the new era of in vitro models. Medicine in Novel Technology and Devices. 2024;21:100276.
  86. Okamoto T et al. Integration of human inspection and artificial intelligence-based morphological typing of patient-derived organoids reveals interpatient heterogeneity of colorectal cancer. Cancer Science. 2022;113(8):2693-703.
  87. Kowalczewski A et al. Design optimization of geometrically confined cardiac organoids enabled by machine learning techniques. Cell Reports Methods. 2024;4(6):100798.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

234234
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.