Reviewartikel

Hersenorganoïden als opkomende platforms voor het modelleren van CNS-infecties: neuropathogenese, therapeutische ontdekking en geneesmiddelafgifte

136 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/70757

⸱

7 augustus 2026

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

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Deze review onderzoekt hersenorganoïden als platforms voor het modelleren van geselecteerde neurotrope virale infecties en benadrukt hun toepassingen in virale pathogenese, antivirale ontdekking, aangeboren immuunresponsen en de toediening van geneesmiddelen gericht op het centrale zenuwstelsel (CZS).

Samenvatting

Neurotrope virussen blijven een aanhoudende wereldwijde gezondheidsuitdaging, en de mechanismen waarmee ze de menselijke hersenen beschadigen zijn nog niet volledig begrepen. Diermodellen worden vaak beperkt door mensspecifieke aspecten van de CNS-biologie, terwijl tweedimensionale (2D) celculturen de complexe driedimensionale (3D) cellulaire interacties die optreden tijdens virale herseninfecties niet kunnen reproduceren. In het afgelopen decennium zijn hersenorganoïden afkomstig van menselijke stamcellen fysiologisch relevante modellen geworden die deze beperkingen aanpakken. Deze 3D-culturen assembleren zichzelf tot structuren met neuronen, astrocyten en voorlopercellen, gerangschikt in patronen die lijken op vroege hersenontwikkeling. Deze review onderzoekt de toepassing van hersenorganoïden bij de studie van infecties veroorzaakt door het Zika-virus (ZIKV), het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), herpes simplex-virus (HSV) en humaan immunodeficiëntievirus type 1 (HIV-1). Studies werden gescreend van PubMed en geselecteerd op basis van hun relevantie voor organoïde-gebaseerde CNS-infectiemodellering, antivirale medicatiescreening, CNS-gerichte medicijnafgifte en neuro-ontsteking. Organoïde-gebaseerde antivirale screening heeft veelbelovende verbindingen geïdentificeerd uit bibliotheken met meer dan 1.000 kandidaten. Geneesmiddelafgiftestrategieën worden ook besproken, met bijzondere nadruk op nanodeeltjes, polymeer-gebaseerde dragers en extracellulaire vesikels (EV's) die in organoïde- en sferoidmodellen worden geëvalueerd op hun vermogen om de bloed-hersenbarrière (BBB) te passeren en therapeutische lading naar neurale cellen te brengen. De rollen van schade-geassocieerde en pathogen-geassocieerde moleculaire patronen (DAMPs en PAMPs) bij neuro-inflammatie, complementontwijking en chronische schade na infectie, waaronder long COVID, worden ook onderzocht. Huidige beperkingen, waaronder het ontbreken van functionele vaaten, onvolledige BBB-componenten en reproduceerbaarheidsuitdagingen, worden besproken. Ondanks deze beperkingen overbruggen CNS-organoïden de kloof tussen fundamenteel onderzoek en klinische toepassing, en bevorderen ze de ontwikkeling van effectieve therapieën voor virale herseninfecties.

Inleiding

Het centrale zenuwstelsel (CZS) is een complex systeem dat bestaat uit verschillende functionele gebieden van de hersenen en het ruggenmerg. CNS-organoïden, vaak aangeduid als "mini-hersenen", zijn driedimensionale (3D) meercellige structuren die het zich ontwikkelende menselijk brein nabootsen. Ze worden voornamelijk geproduceerd uit menselijke pluripotente stamcellen (hPSC's), die zichzelf kunnen assembleren tot weefsels die diverse hersengebieden vertegenwoordigen. Deze mini-hersenen herhalen de epigenetische patronen, structuur en transcriptiemarkers van het zich ontwikkelende brein 1,2,3.

De generatie van cerebrale organoïden met patiënt-afgeleide geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) werd voor het eerst ontwikkeld in 20134. Voor deze ontdekking was de toegang tot menselijk hersenweefsel beperkt vanwege de ethische kwesties die gepaard gingen met het uitvoeren van experimentele studies, met name die met foetaal of in utero hersenweefsel2. De ontwikkeling van cerebrale organoïden toonde het vermogen aan om menselijke neuroontwikkeling na te bootsen, inclusief de vorming van verschillende hersengebieden zoals de hersenschors. Lancaster et al. leverden het eerste experimentele bewijs dat stamcellen complexe neurale structuren in vitro kunnen vormen, en boden een model dat de menselijke fysiologie nauwkeuriger weerspiegelt dan conventionele tweedimensionale (2D) celculturen5. Belangrijk is dat bepaalde menselijke neuroontwikkelingsaandoeningen, zoals microcefalie, moeilijk te repliceren zijn gebleken in knaagdiermodellen, wat de noodzaak van mensgemaaktesystemen verder benadrukt.

CNS-organoïden bevatten meerdere celtypen die differentiëren en meerlaagse structuren vormen die lijken op de zich ontwikkelende hersenen7, waardoor ze zeer geschikt zijn voor hoge-doorvoerstudies van neurogenese, neuronale migratie en ontwikkelingsafwijkingen8. De generatie van CNS-organoïden begint met pluripotente stamcellen (PSC's), waaronder iPSC's en embryonale stamcellen. Embryonale stamcellen worden blootgesteld aan groeifactoren en signaalremmers om differentiatie in neurale cellen te bevorderen en vroege embryonale ontwikkeling na te bootsen2. Zodra de cellen beginnen te aggregeren, ondergaan ze zelforganisatie binnen een 3D-omgeving en worden ze vaak ingebed in een extracellulaire matrix om structurele stabiliteit te bieden. Organoïden worden vervolgens doorgaans onderhouden onder dynamische kweekomstandigheden, zoals draaiende bioreactoren of orbitale schudden, om de toevoer van voedingsstoffen en zuurstof te verbeteren en de voortzetting van groeite ondersteunen. Regio-specifieke organoïden van de voorhersenen, middenhersenen en achterhersenen kunnen ook worden gegenereerd met geleide protocollen in miniaturiseerde draaiende bioreactoren, waarbij duidelijke hersenachtige gebieden typisch over enkele weken tot maandenverschijnen (9, 10, 11). CNS-organoïden bevatten veel belangrijke structurele kenmerken van het zich ontwikkelende menselijk brein, waaronder ventriculaire gebieden met radiale glia die migrerende neuronen ondersteunen en intermediaire voorlopers die neuronale populaties versterken12. Vroege neuronen vormen corticale-achtige lagen met opkomende synaptische netwerken. Hoewel organoïden de grootte of organisatie van de volwassen hersenen niet volledig repliceren, zijn ze fysiologisch relevanter dan traditionele monolaagculturen.

Een groot voordeel van CNS-organoïden is hun vermogen om ontwikkelingstiming te modelleren. Culturen verlopen van weken tot maanden en lopen parallel aan de ontwikkeling van de menselijke foetale hersenen. Dit stelt onderzoekers in staat om neurologische processen zoals neurogenese, axonextensie en vroege vorming van neurale circuits in realtime te observeren. Organoïden kunnen ook worden geprogrammeerd om microglia, bloedvatachtige cellen of zelfs bloed-hersenbarrière (BBB) componenten te bevatten, zoals astrocyten, endotheelcellen en pericyten. Deze organoïden kunnen studies ondersteunen naar immuunresponsen en substantietransport13. Daarnaast kunnen organoïden worden gecombineerd om assembloïden te creëren, zelforganiserende systemen die communicatie tussen verschillendehersengebieden modelleren. Met deze mogelijkheden bieden CNS-organoïden een directe manier om te onderzoeken hoe neurotrope virussen de hersenen binnendringen, zich vermenigvuldigen en beschadigen, vragen die al lange tijd moeilijk te beantwoorden zijn met conventionele modellen.

Er zijn een groot aantal en diverse neurotrope virussen die het menselijk brein kunnen aantasten, waaronder flavivirussen, het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), het herpes simplex-virus (HSV) en het humaan immunodeficiëntievirus type 1 (HIV-1). De ontwikkeling van effectieve antivirale therapieën is cruciaal, maar blijft uitdagend vanwege de complexiteit van virus-herseninteracties. De hersenen worden beschouwd als een immuun-geprivileged orgaan, ondersteund door de BBB, die voorkomt dat grote immuuncellen en moleculen vanuit de bloedbaan de hersenen binnendringen.

Neurotrope virussen hebben diverse strategieën ontwikkeld om deze barrière te doorbreken, waaronder transcellulaire migratie, verstoring van nauwe verbindingen en het "Trojaans paard"-mechanisme, waarbij geïnfecteerde immuuncellen het virus door het endotheel4 vervoeren. Daardoor is immuunsurveillance in de hersenen beperkt, waardoor het verwijderen van virale virussen moeilijker wordt. Bovendien drukken de cellulaire componenten van de BBB, waaronder endotheelcellen, astrocyten en pericyten, patroonherkenningsreceptoren uit die virale pathogen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMPs) detecteren en aangeboren immuunresponsen opzetten, hoewel pro-inflammatoire signalering paradoxaal genoeg BBB-verstoring15 kan verergeren. Bovendien belemmert beperkte toegang tot menselijk hersenweefsel studies naar virale interacties met neurale cellen en de afgifte van krachtige antivirale middelen aan het CZS. Deze gecombineerde uitdagingen belemmeren de ontdekking van nieuwe antivirale middelen om virale infecties in alle ontwikkelingsstadia en gedurende de levensduur te behandelen, waardoor het essentieel is om beter te begrijpen hoe virussen met de hersenen interageren en nieuwe therapeutische strategieën te ontwikkelen om deze infecties te bestrijden. Over het algemeen benadrukt deze review het nut van CNS-organoïden voor het bestuderen van neurotrope virale infecties, mechanismen van neuro-inflammatie en de ontdekking van antivirale geneesmiddelen. Figuur 1 geeft een overzicht van de belangrijkste toepassingen van hersenorganoïden bij het modelleren van neurotrope virale infecties, het onderzoeken van gastheer-pathogeen interacties en het bevorderen van de ontwikkeling van antivirale therapeuten.

figure-introduction-1
Figuur 1: Hersenorganoïden als mensrelevante platforms voor het modelleren van neurotrope CNS-virusinfecties. De figuur geeft een overzicht van de belangrijkste onderwerpen die worden behandeld, met een focus op driedimensionale (3D) hersenorganoïden als experimentele modellen. Neurotrope virussen die in deze review worden besproken zijn onder andere HIV-1, HSV-1/2, SARS-CoV-2 en ZIKV. Verschillende hersenorganoïdemodellen maken studies mogelijk naar virale pathogenese, gastheer-pathogeen interacties, dysfunctie van de bloed-hersenbarrière (BBB) en neuro-inflammatoire reacties met neuronen, astrocyten, microglia en hersenendotheelcellen. Hersenorganoïden bieden fysiologisch relevante platforms voor antivirale medicijnscreening en evaluatie van antivirale therapieën. Gemaakt in BioRender. Kashanchi, F. (2026) https://BioRender.com/y7eenju Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Review en perspectief

Therapeutische ontdekking in virusgeïnfecteerde hersenorganoïden

Antivirale screening

Er is een gebrek aan goedgekeurde therapieën voor veel neurotrope virale infecties, waardoor de behandelmogelijkheden beperkt worden buiten ondersteunende zorg. Hersenorganoïden zijn een waardevol hulpmiddel om nieuwe antivirale verbindingen te ontdekken door medicijnscreening mogelijk te maken in een fysiologisch relevante, 3D-omgeving die lijkt op menselijk hersenweefsel. In een eerste studie werd een chemische screening met een hoog gehalte uitgevoerd van 1.120 door de FDA goedgekeurde geneesmiddelen en geneesmiddelkandidaten tegen ZIKV in foetale hersenorganoïden. De antivirale activiteit werd beoordeeld op basis van celproliferatie en onderdrukking van ZIKV-infectie. Van alle geteste verbindingen toonden er negen potentie, waarbij twee verbindingen—hippeastrie hydrobromide (HH) en amodiaquine dihydrochloridedihydraat (AQ)—opvielen door hun sterke antivirale effecten, waardoor infecties aanzienlijk werden verminderd door de productie van viraal RNA te onderdrukken17.

Verschillende daaropvolgende studies onderzochten verbindingen die verschillende stadia van de virale levenscyclus aanpakken. In een studie van Watanabe et al. verlaagde 25-hydroxycholesterol (25HC), een verbinding die virale toegang blokkeert door membraanfusie te remmen, de ZIKV mRNA-niveaus in corticale organoïden met ~74% en verlaagde ZIKV-positieve cellen met ~72%. Bovendien evalueerde dezelfde studie antivirale verbindingen die gericht zijn op de AXL-receptor die tot expressie komt op neurale voorlopercellen. Een kleine-molecuulremmer van het AXL-tyrosine kinase-domein, R428, veroorzaakte een bescheiden vermindering van het ZIKV mRNA-niveau (~41%). Behandeling met een anti-AXL-antilichaam verlaagde echter de ZIKV mRNA-niveaus18 niet significant. Ten slotte werden drie antiflavivirale medicijnen, duramycine, ivermectine en azitromycine, getest op organoïden. Duramycine en ivermectine verlaagden de mRNA-niveaus van ZIKV significant, terwijl azithromycine geen beschermend effect tegen ZIKV vertoonde, zoals bepaald door RT-qPCR en immunokleuring18.

In een aparte studie screenden Xu et al. 173 verbindingen als suppressoren van ZIKV-geïnduceerde caspase-3-activiteit en identificeerden ze emricasan als de krachtigste neuroprotectieve kandidaat zonder de celproliferatie in hersenorganoïden te beïnvloeden. Twee extra verbindingen, niclosamide en PHA-690509, toonden significante anti-ZIKV-activiteit aan door de virale replicatie in een post-entry fase op een dosisafhankelijke manier te remmen. Bovendien leverde co-behandeling met emricasan en PHA-690509 een additief effect op en behield de levensvatbaarheid van astrocyten na ZIKV-infectie19. In een andere studie toonde enoxacine, een RNA-interferentie (RNAi) versterker, directe antivirale activiteit aan in RNAi-competente cellen en voorkwam volledig ZIKV-geïnduceerde microcefale fenotypes in hersenorganoïden, wat suggereert dat het versterken van intrinsieke antivirale routes in neurale voorlopercellen een haalbare therapeutische strategie kan zijn20.

Pettke et al. screenden vervolgens 110 structurele analogen van TH3289 in meerdere doses in ZIKV-geïnfecteerde organoïden21. Twee verbindingen, TH3289 en TH6744, vertoonden de sterkste antivirale activiteit, en de meest actieve treffers deelden een benzimidazolonkern. Deze studie was belangrijk omdat het organoïdesysteem niet alleen snelle screening van verbindingen mogelijk maakte, maar ook mechanistische follow-up. Zo bleek TH6744 te interfereren met late stadia van de ZIKV-levenscyclus21.

Hersenorganoïden zijn ook gebruikt om therapeutische kandidaten voor SARS-CoV-2-infectie te identificeren. Een door de FDA goedgekeurd anti-hepatitis C-medicijn, sofosbuvir, verbeterde de neuronale overleving en redde verstoorde synaptogenese in door SARS-CoV-2 geïnfecteerde hersenorganoïden22. Hersenorganoïden hebben ook bijgedragen aan het begrijpen van HSV-1-gemedieerde CNS-infectie; echter, antivirale geneesmiddelscreening op HSV-1 in organoïde modellen blijft beperkt in vergelijking met studies naar ZIKV en SARS-CoV-2. Een baanbrekende studie met iPSC-afgeleide neuronen toonde aan dat TLR3-deficiëntie menselijke neuronen vatbaar maakt voor HSV-1-infectie, waarmee een mensspecifiek fenomeen werd aangetoond dat knaagdiermodellen niet hadden kunnen vastleggenin 23. Meer recentelijk toonden Bellizzi et al. aan dat clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 targeting van HSV-1 genomische sequenties zowel de primaire infectie als virale reactivatie in 3D-organoïde culturen onderdrukten, waardoor genbewerking werd vastgesteld als een haalbare antivirale strategie voor herpesvirus CNS-infectie24. Aangezien acyclovirresistentie een opkomend klinisch probleem is en er geen curatieve therapie bestaat voor HSV-encefalitis25, vormt het ontbreken van grootschalige screening van antivirale verbindingen tegen HSV-1 in hersenorganoïden een aanzienlijke kenniskloof.

Naast kleine moleculen zijn antisense-oligonucleotiden (ASO's), die RNA targeten en genexpressie modificeren, opkomende therapeutische hulpmiddelen voor de behandeling van diverse ziekten, en cerebrale organoïden kunnen worden ingezet om nieuwe ASO-therapieën te evalueren26. Gezien het nut van organoïden voor ASO-studies, kunnen belangrijke kenmerken zoals biodistributie, toxiciteit en therapeutische effectiviteit worden onderzocht in virusgeïnfecteerde hersenorganoïden.

Een van de belangrijkste toepassingen van hersenorganoïden is het beoordelen van de neurotoxiciteit van bestaande antivirale medicijnen. Dit is vooral belangrijk omdat vaak gebruikte hiv-behandelingen toxisch zijn voor hersencellen, zowel in vitro als in vivo27. Akay et al. toonden de neurotoxiciteit van antivirale medicijnen aan in primaire corticale culturen met microglia, astrocyten en neuronen. MAP2-positieve neuronen vertoonden een dosisafhankelijke afname na blootstelling aan ritonavir en saquinavir. Behandeling met combinaties van antiretrovirale middelen (cART) resulteerde in acute neurotoxiciteit, en culturen behandeld met zidovudine (AZT) vertoonden een verhoogde productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS)28. Hoewel deze bevindingen zijn verkregen met behulp van 2D-culturen, konden hersenorganoïden dit onderzoek uitbreiden door een fysiologisch relevanter platform te bieden voor high-throughput neurotoxiciteitsscreening van individuele of combinatie-antiretrovirale therapieën. Om de mechanismen achter antivirale neurotoxiciteit in deze 3D-modellen te onderzoeken, kunnen technieken zoals morfologische analyse, functionele assays en transcriptomische profilering worden toegepast29.

Naast neurotoxiciteitsscreening zijn hersenorganoïden ontwikkeld om HIV-geassocieerde neurocognitieve stoornis (HAND) te bestuderen, die ondanks effectieve antiretrovirale therapie (ART) nog steeds 30%–50% van de mensen met HIV treft. Microgliale cellen zijn het primaire reservoir van HIV-1 in het CZS, en organoïde modellen zijn van groot belang geweest bij het verduidelijken hoe microgliale infectie neuronale schade veroorzaakt. Kong et al. gebruikten iPSC-afgeleide cerebrale organoïden met microglia en observeerden een duidelijke toename in CCL2- en CXCL10-chemokinegenexpressie, samen met activatie van meerdere type I interferon-gestimuleerde genen (MX1, ISG15, ISG20, IFI27, IFITM3 en andere) na HIV-1-infectie30. Het ontstekingsgenexpressieprofiel werd doorgegeven aan omstandercellen, inclusief niet-geïnfecteerde neuronen. Deze neuronen vertoonden een duidelijke afname in expressie van neurotransmittertransporters, samen met een verhoogde expressie van genen die geassocieerd zijn met cellulaire senescentie en celdood. Het gebruik van hersenorganoïden voor hiv-onderzoek werd geïntroduceerd door Dos Reis et al., die hiv-geïnfecteerde microglia in menselijke hersenorganoïden incorporaties31. Dit model reproduceerde de laag-niveau virale replicatie die typisch in het menselijk brein wordt waargenomen. De opname van met hiv geïnfecteerde microglia veroorzaakte een neuro-inflammatoire reactie die geassocieerd werd met astrogliose, neurodegeneratieve pathologie en degeneratie en verlies van neuronale synaptische processen. Donadoni et al. gebruikten vervolgens menselijk geïnduceerde pluripotente stamcel (hiPSC)-afgeleide cerebrale organoïden met microglia en astrocyten om NeuroHIV te modelleren en de effecten van combinatietherapie antiretrovirale therapie (cART) in een 3D-organoïdesysteemte evalueren. Gezamenlijk bieden deze organoïde-gebaseerde studies belangrijke mechanistische inzichten in HAND en vestigen ze een waardevol modelsysteem voor het onderzoeken van neuroprotectieve therapieën.

Samenvattend bieden hersenorganoïden een uniform modelsysteem voor het screenen van antivirale verbindingen, terwijl ze tegelijkertijd neurotoxische effecten vroeg in het geneesmiddelontwikkelingsproces beoordelen. Het identificeren van effectieve antivirale verbindingen is slechts de eerste stap richting klinische vertaling (Tabel 1). Even belangrijk is de ontwikkeling van geneesmiddelafgiftestrategieën die in staat zijn therapeutische middelen toe te dienen aan geïnfecteerde cellen binnen het CZS.

VirusOrganoïdemodelCeltypenBelangrijkste bevindingenBeperkingenReferentie
ZIKVhPSC-afgeleide foetale organoïdenNeurale voorlopers, neuronenHH en AQ verminderde virale RNA uit de 1120-compound screenGeen immuuncellen; Foetale fase17
Corticale organoïdenNeurale voorlopers25HC verminderde de infectie met ~74%; R428 reduceerde het ZIKV-mRNA met ~41%Geen vasculatuur18
HersenorganoïdenNeuronen, astrocytenEmricasan neuroprotectief; niclosamide en PHA-690509 remmen replicatieGeen microglia19
HersenorganoïdenNeurale voorlopersEnoxacine voorkwam ZIKV-geïnduceerde microcefalie via RNAiGeen immuuncellen20
HersenorganoïdenNeuronenTH3289 en TH6744 (benzimidazolonkern) interfereren met de late ZIKV-levenscyclusGeen immuuncellen21
SARS-CoV-2Cerebrale organoïdenNeuronenSofosbuvir redde synaptogenese en neuronale overlevingGeen BBB22
HSV-1iPSC-afgeleide neuronenNeuronenTLR3-tekort maakt menselijke neuronen vatbaar; Mens-specifiek fenomeenAlleen 2D-neuronen23*
3D-organoïdeculturenNeuronenCRISPR-Cas9 onderdrukte primaire infectie en reactivatieBeperkte rijping24
HIV-1iPSC cerebrale organoïdenNeuronen, microgliaCCL2, CXCL10 upregulatie; type I interferongenactivatie; Neuronale verouderingGeen vasculatuur30
Menselijke hersenen ORGanoïden met microgliaNeuronen, microgliaNeuro-ontsteking, astrogliose, synaptische degeneratieGeen vasculatuur31
hiPSC cerebrale organoïdenNeuronen, microglia, astrocytencART-effecten geëvalueerd in het 3D NeuroHIV-modelVroege fase model32

Tabel 1: Hersenorganoïde modellen gebruikt om neurotrope virale infecties te bestuderen. Deze tabel vat het onderzochte virus samen, het organoïde model, celtypen die zijn opgenomen, belangrijke bevindingen, beperkingen en referentie voor representatieve hersenorganoïde-gebaseerde studies van ZIKV-, SARS-CoV-2-, HSV-1- en HIV-1-infecties.

Geneesmiddelafgifteplatforms

Het vinden van de meest effectieve antivirale verbindingen voor de behandeling van CNS-infecties is essentieel, maar zonder efficiënte levering aan de hersenen kunnen deze verbindingen geen therapeutisch voordeel bereiken. Hersenorganoïden kunnen worden gebruikt om medicijnafgiftesystemen te evalueren op hun vermogen om neuraal weefsel te penetreren en antivirale ladingen af te leveren.

Lipide-gebaseerde nanodeeltjes (LNP's) worden veel gebruikt als dragers van geneesmiddelen. Van deze dragers werd aangetoond dat deze medicijndragers de biobeschikbaarheid van geneesmiddelen verhogen en gerichte levering van geneesmiddelen op de ziekteplaats mogelijk maken, vooral in de BBB33. LNP-gebaseerde mRNA-formuleringen werden met succes gebruikt bij COVID-19-vaccinatie34,35. Hersenorganoïden kunnen worden gebruikt om de effectiviteit en veiligheid van nieuwe LNP-gebaseerde formuleringen te evalueren. LNP's kunnen ook worden gevectoriseerd naar het centrale zenuwstelsel door middel van oppervlakmodificatie met doelliganden. Transferrine of lactoferrine werden bijvoorbeeld geconjugeerd aan LNP's om receptorgemedieerde transcytose te faciliteren en het transport over de BBB36,37 te verbeteren. Gezamenlijk kunnen de potentiële effectiviteit van geneesmiddelafgifte, neurotoxiciteit en veranderingen in de stabiliteit van de nanoformulering na BBB-penetratie worden onderzocht in hersenorganoïden38.

Naast LNP's werden dubbelgerichte polypeptide-nanodragers ook bestudeerd als een geneesmiddelafgiftesysteem in menselijke hersenorganoïden. Gerichte poly(L-glutaminezuur) nanodeeltjes (NP's) toonden uitstekende cytocompatibiliteit en het vermogen om midbrain-achtige organoïden binnen te dringen. Er werd aangetoond dat alanine en glutathion NP's efficiënt konden leiden naar cerebrale endotheelcellen en cerebrale organoïden konden penetreren, wat resulteerde in medicijnafgifte naar de hersenen39. De permeabiliteit van polymeer-gebaseerde nanodeeltjes werd onderzocht in menselijke 3D-microvasculatuurorganoïden, met de nadruk op de effecten van hun grootte en oppervlaktechemie. De gegenereerde organoïden bestonden uit menselijke iPSC-afgeleide endotheelcellen, astrocyten en primaire hersenpericyten. Confocale beelden toonden aan dat de conjugatie van de NP's met de hersengeassocieerde ligand holo-transferrine (Tf) hun permeabiliteit significantverhoogde.

Vervolgens werden de absorptie, penetratie en distributie van goudnanodeeltjes (AuNP's) onderzocht in BBB-hersensferoïden. Deze sferoïden bestaan uit zes hersenceltypen: neuronen, astrocyten, pericyten, endotheelcellen, microglia en oligodendrocyten. De auteurs rapporteerden dat tijdelijke hypoxie leidde tot het openen van de BBB en het toegenomen transport van AuNP's naar het binnenste van de sferoiden. De nanodeeltjes konden gemakkelijk cellen en kernenbinnendringen. In een soortgelijke studie met hetzelfde sferoidemodelsysteem werd gelijktijdige tracking van nanocarrierpenetratiekinetiek en hun therapeutische ladingsafgifte geëvalueerd met confocale laserscanning microscopie42. In een andere studie toonden Park et al. aan dat hersen-afgeleide neurotrofe factor (BDNF)-geconjugeerde AuNP's succesvol cerebrale organoïden binnendrongen zonder significante toxiciteitte veroorzaken 43.

Naast het richten op moieties kunnen de vorm en grootte van nanodeeltjes ook een belangrijke rol spelen in het vermogen van een nanoformulering om zijn therapeutische lading naar de hersenente brengen. Polystyreen 200 nm bollen, gevectoriseerd met antilichamen tegen VCAM-1, hoopten zich 1,2 tot 1,5 keer meer op dan de controle niet-gevectoriseerde NP's. Interessant genoeg vertoonden staafvormige deeltjes een nog grotere accumulatie van 2,1 tot 2,5 keer ten opzichte van corresponderende controles, wat suggereert dat staafvormige deeltjes een voordeel bieden ten opzichte van bollen qua celbinding. Cerebrale organoïden kunnen gedetailleerde inzichten geven in hoe deeltjesgeometrie de hersenpenetratie kan beïnvloeden. Daarnaast kunnen de effecten van hypoxie en andere biologisch actieve verbindingen op de doorlaatbaarheid van de BBB verder worden onderzocht in neurovasculaire hersenorganoïden45,46.

Stamcel-afgeleide extracellulaire vesikels (EV's) vormen een biologisch alternatief voor synthetische geneesmiddeldragers zoals LNP's. Branscome et al. onderzochten het herstelpotentieel van EV's tegen HIV-1-infectie in menselijke neurosferen47. In deze studie werd aangetoond dat EV's geproduceerd uit mesenchymale stamcellen (MSC's) en iPSC's op natuurlijke wijze neurosferen kunnen binnendringen, de levensvatbaarheid van cellen kunnen redden en de expressie van inflammatoire cytokines in met HIV-1 geïnfecteerde neurosferen kunnen verminderen, wat de neuroprotectieve en ontstekingsremmende eigenschappen van stamcel EV's47 benadrukt. In een andere studie van Kim et al. werden kleine extracellulaire blaasjes (sEV's) ontworpen voor antivirale toediening ter behandeling van SARS-CoV-2-infectie48. De nanodragers werden geladen met oplosbare ACE2 (sACE2) via genetische modificatie van de donorcellen met een plasmide dat codeert voor eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT), wat resulteerde in de expressie van sACE2 op het sEV-oppervlak. Er werd aangetoond dat sACE2-gevectoriseerde sEV's beschermden tegen WT en het gemuteerde S-eiwit pseudotyped virus48. Het beschermingsmechanisme zou getest kunnen worden in met SARS-CoV-2 geïnfecteerde hersenorganoïden. Daarnaast toonde een andere studie aan dat EV's die vrijkomen van HSV-1-geïnfecteerde cellen aangeboren immuuncomponenten dragen, zoals STING, die aangeboren immuunresponsen in ontvangercellen kunnen activeren, wat resulteert in een sterke remming van HSV-1-replicatie. Een cruciale scheiding van EV's van infectieuze virale deeltjes werd bereikt door dichtheidsgradiëntcentrifugatie49.

Cerebrale organoïden kunnen ook worden gebruikt om de potentiële neurotoxiciteit van nieuwe medicijnnanoformuleringen te testen. Zo werd bij pegylerende AuNP's in hersenorganoïden significante ontsteking waargenomen, gemedieerd door ROS-productie. Daarentegen vertoonden polymere poly-melkzuur NP's een efficiënte medicijnafgifte en lage cytotoxiciteit vanwege hun trage opname en afbreekbaarheid, waardoor penetratie in het hersenorganoïde mogelijk werd zonder een immuunresponsop te wekken. De neurotoxiciteit van AuNP's, grafeen en koolstofdots werd ook beoordeeld in 3D neurovasculaire organoïden. Deze organoïden bestonden uit neurale cellen, microglia en een endotheelceloppervlak. Deze studies toonden aan dat microglia een cruciale rol kan spelen in de permeabiliteit en toxiciteit van deze formuleringen51. Bovendien is aangetoond dat hoge concentraties ZnO NP's ook significante neuronale dood veroorzaken. Het toxiciteitsmechanisme werd gekoppeld aan intracellulaire accumulatie van Zn-ionen, wat het LC3B-eiwitgehalte verlaagde, wat wijst op defecte autofagie52. Al met al tonen deze studies aan dat 3D-hersenorganoïden kunnen vastleggen hoe nanoformuleringen interageren met neuraal weefsel, van opname en penetratie tot immuunactivatie en toxiciteit. Het succes van op het CNS gerichte geneesmiddelafgiftestrategieën hangt uiteindelijk niet alleen af van het bereiken van doelcellen, maar ook van het moduleren van de ontstekingsroutes die tijdens infectie worden geactiveerd, waarvan vele worden geïnitieerd door DAMP- en PAMP-signalering.

DAMPs en PAMPs bij virale infecties

Hersenorganoïden kunnen worden gebruikt om DAMPs en PAMPs te bestuderen die worden vrijgegeven door gestreste, gewonde of stervende cellen in het centrale zenuwstelsel. DAMPs omvatten hitteschokeiwitten, ATP en urinezuur, terwijl PAMPs bacteriële, virale, schimmel- en parasitaire macromoleculen omvatten. Deze moleculaire patronen waarschuwen het aangeboren immuunsysteem en activeren verschillende signaaltransductieroutes als reactie op vreemde antigenen of elk teken dat vaak met infectie wordt geassocieerd. De mechanismen die ten grondslag liggen aan hun beschermende effecten als reactie op virale infecties zijn niet volledig begrepen, en gedetailleerde onderzoeken van deze processen kunnen worden uitgevoerd in hersenorganoïden53. Vrijgegeven DAMPs en PAMPs binden aan een grote groep receptoren, waaronder Toll-achtige receptoren (TLR's), NOD-achtige receptoren (NLR's), AIM2-achtige receptoren, RIG-I-achtige receptoren (RLR's) en C-type lectinereceptoren (CLR's), die op het plasmamembraan of intracellulair54 tot expressie komen. Deze receptoren zijn cruciaal voor de productie van cytokinen en interferonen als reactie op neurotrope virale infecties, waaronder EV-71, HIV-1, HSV-1, flavivirussen, Westnijlvirus (WNV) en andere54.

Slowikowski et al. onderzochten hoe DAMPs, chemokines en adhesiemoleculen die vrijkomen door beschadigde neurale cellen de toegang van leukocyten tot het CZS coördineren tijdens flavivirusencephalitis55. In het bijzonder werd aangetoond dat WNV de expressie verhoogt van zeer inflammatoire necroptose- en pyroptosecelsterftemarkers die de afgifte van DAMPs in de geïnfecteerde hersenen bevorderen. Wanneer dergelijke moleculen, bijvoorbeeld het high mobility group box 1 (HMGB1) eiwit, worden vrijgegeven, induceren ze meerdere signaalroutes, wat leidt tot CXCR4-afhankelijke migratie van geactiveerde monocyten, macrofagen en dendritische cellen naar geïnfecteerde weefsels56,57. Bovendien is aangetoond dat DAMPs kunnen worden vrijgegeven als reactie op infectie, gevolgd door upregulatie van TLR's en verergering van ontsteking en weefselschade in het NERVOUS(ZNS) 58. Over het algemeen geven deze studies aan dat virale infecties overlappende DAMP-PAMP signaalroutes lijken te activeren, wat leidt tot neuro-ontsteking en weefselbeschadiging. Gezamenlijk zouden hersenorganoïden met microglia en astrocyten kunnen dienen als model voor het traceren van immuuncascade-responsen in menselijk neuraal weefsel, vooral de wisselwerking tussen DAMP-afgifte en TLR-gemedieerde neuro-ontsteking.

Het complementsysteem is een belangrijk onderdeel van de aangeboren immuniteit en reageert snel op infecties. Veel virussen hebben echter mechanismen ontwikkeld om dit verdedigingssysteemte omzeilen. Bepaalde virussen ontwijken het complementsysteem door eiwitten te produceren die binden aan complementcomponenten en deze remmen of vastleggen. Dit is aangetoond in diverse virussen, waaronder humaan T-lymfotrop virus-1 (HTLV-1), humaan cytomegalovirus (HCMV), HIV-1, simian virus 5 (SV5) en bofvirus (MuV), die gastheercomplementeiwitten in hun virions opnemen (d.w.z. CD55/DAF, CD59, CD64 en MCP). Deze eiwitten remmen de aangeboren immuunrespons, bevorderen virale replicatie en persistentie60. Hersenorganoïden kunnen dus worden gebruikt om de specifieke mechanismen te identificeren waarmee virussen het complementsysteem ontwijken. Groeiend bewijs suggereert dat DAMPs en PAMPs niet alleen de initiële antivirale respons vormgeven, maar ook belangrijke mediatoren zijn van de aanhoudende ontsteking die ten grondslag ligt aan chronische postvirale aandoeningen.

Rol van DAMPs/PAMPs bij aanhoudende ontsteking veroorzaakt door virale infectie

Na de acute ontstekingsfase kunnen virale infecties chronische blootstelling aan DAMPs/PAMPs veroorzaken, wat leidt tot langdurige ontstekingsproblemen, vooral in de hersenen. Cerebrale organoïden kunnen een krachtig hulpmiddel worden om de onderliggende mechanismen van syndromen gerelateerd aan de post-acute fase van infectie te bestuderen.

De meest momenteel bekende humane niet-persistente virussen activeren immuunresponsen tijdens de acute fase van de infectie, gevolgd door eliminatie van pathogeen. In sommige gevallen ervaren patiënten echter aanhoudende symptomen die kunnen verschillen van die tijdens de acute fase en maanden of zelfs jaren kunnen aanhouden. Specifiek melden patiënten met long COVID-19 chronische vermoeidheid, "hersenmist", koorts, pijn en andere neurologische complicaties61. Bovendien kan chronische ontsteking de sterfte en morbiditeit verhogen, evenals het risico op atherotrombose, kanker en cognitieve beperkingen62,63.

Daarnaast kan het voortbestaan van virale eiwitten en RNA leiden tot verhoogde niveaus van pro-inflammatoire cytokines, zoals TNF-α, IL-1α, IL-1β, IFN-γ en IL-6, wat weefselschade, voortijdige veroudering en uitputting van het immuunsysteem64 veroorzaakt. Langzame replicatie of sporen van virale componenten kunnen de afgifte van DAMPs/PAMPs veroorzaken die met hun specifieke receptoren interageren, wat aanhoudende laaggradige ontsteking65 veroorzaakt. In sommige gevallen kan HSV-1-infectie van de hersenen leiden tot neuronale schade gevolgd door encefalitis en uiteindelijk bijdragen aan de ontwikkeling van neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer66. Verstoorde autofagiemechanismen kunnen een belangrijke trigger zijn van chronische ontsteking bij patiënten met HSV-2, waarbij defecte beschermende mechanismen leiden tot aanhoudende virale replicatie, de voortdurende aanwezigheid van virale componenten in de hersenen en neurodegeneratie67. Deze virale componenten activeren aangeboren immuunsensoren via PAMPs en kunnen signaalroutes manipuleren om de antivirale effecten van aangeboren immuunactivatie te omzeilen. Belangrijk is dat HCMV en het Epstein-Barr-virus (EBV) chronische virale infecties kunnen vestigen die immuunstoornissen bevorderen 68,69. Langdurige door infecties veroorzaakte senescentie kan ook bijdragen aan de langdurige ontsteking die gepaard gaat met diverse virale infecties. 3D-hersenorganoïden met geïntegreerde immuuncomponenten bieden relevante platforms om de complexe mechanismen achter chronische blootstelling aan DAMPs/PAMPs en hun rol in de langetermijncomplicaties van virale infecties in het CZS te begrijpen.

Beperkingen en perspectief:

Ondanks hun voordelen ten opzichte van traditionele in vitro modellen hebben hersenorganoïden aanzienlijke beperkingen die moeten worden aangepakt om hun bredere toepassing te ondersteunen. Specifiek missen de meeste organoïden residente immuuncellen, die belangrijke bijdragers leveren aan het modelleren van virale ziekten en aan het begrijpen van aangeboren en adaptieve immuunresponsen tijdens virale infectie70. In het bijzonder missen standaard organoïde protocollen geïntegreerde microglia, de primaire immuuncellen van het centrale zenuwstelsel en reservoir van HIV-1, wat de modellering van neuro-inflammatie en virale persistentiebeperkt 71. Een ander tekortkoming is de complexiteit van onvolledige weefsels, waaronder het ontbreken van vasculatuur, wat een belangrijke rol speelt bij de toevoer van voedingsstoffen en zuurstof, evenals bij virale verspreiding72. Daarom is de groei van organoïden beperkt omdat cellen in het centrum niet voldoende voedingsstoffen kunnen ontvangen. Daarnaast is de uitscheiding van metabole afvalstoffen verstoord, wat vaak leidt tot hypoxische of necrotische kernen in grote organoïden. Bovendien reproduceren organoïden niet volledig de interacties tussen neuronen, endotheelcellen en stromale cellen die virale infectie en pathogenese kunnen beïnvloeden. Bovendien kunnen organoïden in dit ontwikkelingsstadium geen systemische infectie, interorganische verspreiding enimmuunresponsen van het hele lichaam herhalen. Een andere beperking is dat veel epitheelorganoïden beperkte toegankelijkheid hebben voor virale inoculatie vanwege hun naar binnen gerichte apicale oppervlakte74. Als gevolg hiervan vereist virale inoculatie micro-injectie, wat leidt tot variabiliteit en lage doorvoersnelheid. Daardoor maakt inoculatie van organoïden met verschillende diameters de veelheid van infecties moeilijk te beheersen. Bovendien lijken veel organoïden meer op foetaal weefsel dan op volwassen organen, wat het virale tropisme, replicatiekinetiek en gastheerresponsen kan beïnvloeden73. Dit is vooral duidelijk in het geval van HSV-1, omdat neuronale rijping invloed heeft op latentievestiging en reactivatieprocessen, waardoor foetale organoïden mogelijk niet volledig replicituleren23. Daarnaast kunnen organoïden aanzienlijk variëren in samenstelling en functie, wat leidt tot uiteenlopende resultaten, lage reproduceerbaarheid en de noodzaak van talrijke experimentele replica's. Organoïden kunnen bijvoorbeeld verschillen in grootte, cellulaire samenstelling, architectuur en rijpingstoestand. Dit maakt standaardisatie moeilijk, zo niet onmogelijk, tussen laboratoria 7,75. Ten slotte blijven de hoge kosten en beperkte schaalbaarheid van organoïde generatie en onderhoud aanzienlijke barrières. Als gevolg hiervan is een grote uitdaging de ontwikkeling van hoogdoorvoerplatforms die compatibel zijn met organoid technologie74.

Ondanks deze tekortkomingen en beperkingen bieden organoïden aanzienlijk potentieel voor het modelleren van virale infecties, toxicologie en geneesmiddelenontdekking. Het overwinnen van deze beperkingen zou de afhankelijkheid van diermodellen aanzienlijk kunnen verminderen en fundamentele mechanistische studies vergemakkelijken76. Een van de opvallende tekortkomingen van bestaande organoïdemodellen is hun beperkte fysiologische complexiteit en het gebrek aan diverse cellulaire samenstelling. Toekomstige ontwikkelingen zullen zich moeten richten op het integreren van immuun-, neuronale, vasculaire en stromale componenten in organoïde modellen. Dit zou kunnen worden bereikt met co-kweekmodellen die organoïden integreren met de eerder genoemde celtypen77,78. Specifiek zal het opnemen van immuuncellen het modelleren van systemische immuunresponsen en ontstekingen tijdens virale infecties mogelijk maken. Bovendien kunnen vasculariseerde organoïden verder worden ontwikkeld om de fysiologische complexiteit te verbeteren en in vivo condities beter te recapituleren79,80. Dus zullen cerebrale organoïden die endotheelweefsels bevatten onderzoeken naar de functie van bloed-hersenbarrière en medicijnafgifte tijdens virale infectiesondersteunen. Daarnaast kunnen 3D-hersenorganoïden verschillende belangrijke aspecten van virale infecties in de hersenen repliceren. In feite worden momenteel verschillende organoïdemodellen met ingewikkelde structuren die verschillende hersengebieden nauw weergeven,onderzocht. Ten slotte zou de opname van neuronale en stromale componenten de trouw van organoïden ten opzichte van native orgaansystemen verder vergroten. Reproduceerbaarheid blijft een andere serieuze belemmering voor de bredere toepassing van organoïdetechnologieën. Daarom is het genereren van robuuste, zeer reproduceerbare organoïden cruciaal voor de verdere vertaling van organoïdetoepassingen. Verschillende methoden voor celisolatie en zaaien, evenals de selectie van matrices en oplosbare factoren, moeten gestandaardiseerd worden over het hele veld83. Opmerkelijk is dat de samenstelling van het kweekmedium, celdichtheid en kweektijd de uitkomsten van deze modellen kunnen beïnvloeden. Daarom zijn strategieën om matrixvariabiliteit te verminderen, waaronder synthetische hydrogels bestaande uit volledig gedefinieerde polymeernetwerken met nauwkeurig gecontroleerde chemische en mechanische eigenschappen, geïntroduceerd als veelbelovend alternatief84. Deze organoïden vertonen minimale variabiliteit per batch, waardoor gecontroleerde studies mogelijk zijn. Bovendien zou de creatie van organoïde biobanken die diverse patiëntenpopulaties vertegenwoordigen een waardevolle bron worden voor geneesmiddelenontdekking en biomarkeridentificatie. Opkomende kunstmatige intelligentie (AI)-technologieën worden steeds belangrijkere hulpmiddelen in organoïdeonderzoek85. Verdere toepassing van deze technologieën kan analyses versnellen en bias in data-interpretatie verminderen. Desalniettemin bevinden zich AI-toepassingen op dit gebied nog in een vroeg stadium. De integratie van AI-benaderingen in de ontwikkeling van organoïden, zoals AI-gedreven beeldanalyse86 of voorspellende optimalisatie van kweekcondities87, zou het organoïdeonderzoek aanzienlijk vergemakkelijken.

Conclusies

Deze review heeft onderzocht hoe hersenorganoïden, 3D-neurale culturen die nauw lijken op de menselijke neurovasculaire eenheid, worden gebruikt om de invasie, replicatie en schade aan het NERVOUS te bestuderen veroorzaakt door neurotrope virussen. Hoewel elk virus unieke genetische en structurele kenmerken heeft, worden veel van de pathologische processen die door virussen in de hersenen worden geactiveerd gedeeld, en organoïde modellen zijn goed geschikt gebleken om deze gemeenschappelijke en verschillende mechanismen te ontleden. Overmatige ontsteking kan de schade aan zenuwcellen verergeren; Wanneer het aangeboren immuunsysteem echter goed wordt gecontroleerd, kan het de verspreiding van virussen beperken en hersenweefsel beschermen.

3D-organoïden maken het mogelijk om beide effecten te bestuderen in een fysiologisch relevantere omgeving, waar diermodellen en 2D-celculturen deze dynamiek niet hebben kunnen vastleggen. Deze informatie is cruciaal voor het bestrijden van virale pathogenese in de hersenen en voor het identificeren van behandelingen die de juiste routes aanpakken zonder ontsteking te vergroten. Hersenorganoïden hebben een geavanceerd begrip van neurotrope virale infecties, maar er moeten nog enkele technische lacunes worden aangepakt. Zo blijven trage rijping, beperkte vasculatuur en het ontbreken van BBB-componenten veelvoorkomende uitdagingen. Variabiliteit in organoïdedifferentiatietechnieken en batch-tot-batch inconsistenties belemmeren ook onderzoek met hersenorganoïden. Bovendien kan kwantificering van virale intree, replicatie, celtype-tropisme en gastheerresponsen in een gecontroleerde 3D-context worden verbeterd. Het werk dat in het manuscript is besproken, heeft aangetoond dat de hersenorganoïden tot de meest relevante systemen behoren om te bestuderen hoe neurotrope virussen met het menselijk brein interageren, het testen van antivirale kandidaten en het evalueren van de medicijnafgifte aan het CZS. Naarmate technologie zich ontwikkelt met verbeterde vascularisatie, integratie van immuuncellen en de adoptie van gestandaardiseerde protocollen, zullen organoïde-gebaseerde studies beter gepositioneerd zijn om verbindingen en strategieën te identificeren met echt potentieel voor klinische vertaling.

Afkortingen: ASO's, antisense oligonucleotiden; BBB, bloed-hersenbarrière; CLR's, C-type lectinereceptoren; CZS, centraal zenuwstelsel; CRISPR, geclusterd regelmatig onderling gespreide korte palindromische herhalingen; CXCL10, C-X-C motief chemokine ligand 10; DAMPs, schade-geassocieerde moleculaire patronen; EV's, extracellulaire blaasjes; hPSC's, menselijke pluripotente stamcellen; HSV-1/2, herpes simplex virus type 1/2; HIV-1, humaan immunodeficiëntievirus type 1; IFN's, interferonen; IL-6, interleukine-6; ISG's, interferon-gestimuleerde genen; LNP's, lipide nanodeeltjes; NLR's, NOD-achtige receptoren; PAMPs, pathogen-geassocieerde moleculaire patronen; PRR's, patroonherkenningsreceptoren; RNAi, RNA-interferentie; RT-PCR, omgekeerde transcriptie-polymerasekettingreactie; sACE2-EV's, oplosbare ACE2-gedecoreerde extracellulaire blaasjes; SARS-CoV-2, ernstig acuut respiratoire syndroom coronavirus 2; scRNA-seq, single-cell RNA-sequencing; TLR's, Toll-achtige receptoren; TNF-α, tumornecrosefactor-alfa; ZIKV, Zikavirus; 3D, driedimensionaal. ZIKV, Zikavirus; hPSC, humane pluripotente stamcel; HH, hippeastrie hydrobromide; AQ, amodiaquine dihydrochloridedihydraat; 25HC, 25-hydroxycholesterol, BBB, bloed-hersenbarrière; cART, combinatie antiretrovirale therapie; CRISPR, geclusterd regelmatig onderling gespreide korte palindromische herhalingen; hiPSC, menselijk geïnduceerde pluripotente stamcel; HIV-1, humaan immunodeficiëntievirus type 1; hPSC, humane pluripotente stamcel; HSV-1, herpes simplex virus type 1; RNAi, RNA-interferentie; SARS-CoV-2, ernstig acuut respiratoire syndroom coronavirus 2; TLR3, Toll-like receptor 3.* iPSC-afgeleide 2D-neuronstudie opgenomen ter vergelijking.

Openbaarmakingen

ChatGPT (OpenAI; GPT-5.5) werd in beperkte mate gebruikt om te helpen bij literatuurscreening en taalverfijning. Alle literatuurselectie, factchecking, referentieverificatie en wetenschappelijke interpretatie werden onafhankelijk uitgevoerd door de auteurs.

Dankbetuigingen

De auteurs danken alle leden van het Kashanchi Laboratorium met bijzondere waardering voor Gwen Cox voor haar onschatbare steun. Deze studie werd ook ondersteund door National Institutes of Health (NIH) subsidies R01MH134389, AI078859 en AI074410 R21DA057887 en het Department of Defense HT9425-24-1-0876 aan F.K.

Referenties

  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.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

BiologieEditie 234Editie 234Lege waardeEditie3DVirale infectieHerstel
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.