Derleme makalesi

Beyin Organoidleri, MSS Enfeksiyonlarının Modellenmesi İçin Yeni Platformlar: Nöropatogenez, Terapötik Keşif ve İlaç Teslimatı

136 görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/70757

⸱

7 Ağustos 2026

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

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

Bu derleme, beyin organoidlerini seçilmiş nörotropik viral enfeksiyonların modellenmesi için platform olarak inceliyor ve viral patogenez, antiviral keşif, doğuştan gelen bağışıklık yanıtları ve merkezi sinir sistemi (CNS) hedefli ilaç dağıtımı alanlarındaki uygulamalarını vurgulamaktadır.

Özet

Nörotropik virüsler hâlâ kalıcı bir küresel sağlık sorunu olmaya devam ediyor ve insan beynine zarar verme mekanizmaları henüz tam olarak anlaşılmamaktadır. Hayvan modelleri genellikle ÇNS biyolojisinin insana özgü yönleriyle sınırlanırken, iki boyutlu (2D) hücre kültürleri, beynin viral enfeksiyonu sırasında meydana gelen karmaşık üç boyutlu (3D) hücresel etkileşimleri tekrarlayamaz. Son on yılda, insan kök hücrelerinden türetilen beyin organoidleri, bu sınırlamaları ele alan fizyolojik olarak ilgili modeller olarak ortaya çıkmıştır. Bu 3D kültürler, erken beyin gelişimini andıran desenler halinde düzenlenmiş nöronlar, astrositler ve progenitor hücreleri içeren yapılara kendiliğinden birleşir. Bu derleme, beyin organoidlerinin Zika virüsü (ZIKV), şiddetli akut solunum senetör koronavirüs 2 (SARS-CoV-2), herpes simpleks virüsü (HSV) ve insan bağışıklık yetmezliği virüsü tip 1 (HIV-1) tarafından neden olduğu enfeksiyonların incelenmesine uygulanmasını incelemektedir. Çalışmalar PubMed'den incelendi ve organoid tabanlı CNS enfeksiyon modellemesi, antiviral ilaç taraması, CNS hedefli ilaç teslimatı ve nöroinflamasyon ile ilgisi nedeniyle kısa listeye alındı. Organoid tabanlı antiviral tarama, 1.000'den fazla aday içeren kütüphanelerden umut vadeden bileşikler tespit etmiştir. İlaç teslimat stratejileri de tartışılır; özellikle nanopartiküller, polimer bazlı taşıyıcılar ve organoid ve sferoid modellerde kan-beyin bariyerini (BBB) geçip sinir hücrelerine terapötik yük iletebilme yetenekleri açısından değerlendirilen ekstraselüler veziküller (EV) vurgulanmaktadır. Hasarla ilişkili ve patojenle ilişkili moleküler desenlerin (DAMP'ler ve PAMP'ler) nöroinflamasyon, komplement kaçınması ve uzun COVID dahil olmak üzere kronik enfeksiyon sonrası hasardaki rolleri de incelenmektedir. Fonksiyonel damar eksikliği, eksik BBB bileşenleri ve tekrarlanabilirlik zorlukları gibi mevcut sınırlamalar tartışılmaktadır. Bu sınırlamalara rağmen, CNS organoidleri temel araştırma ile klinik uygulama arasındaki boşluğu kapatır ve beynin viral enfeksiyonları için etkili tedavilerin geliştirilmesini ilerletir.

Giriş

Merkezi sinir sistemi (CNS), beyin ve omuriliğin farklı fonksiyonel bölgelerinden oluşan karmaşık bir sistemdir. CNS organoidleri, genellikle "mini-beyin" olarak adlandırılan, gelişmekte olan insan beynini taklit eden üç boyutlu (3D) çok hücreli yapılardır. Bunlar esas olarak insan pluripotent kök hücrelerinden (hPSC) üretilir ve bu hücreler çeşitli beyin bölgelerini temsil eden dokulara kendiliğinden bir araya gelebilir. Bu mini beyinler, gelişmekte olan beynin epigenetik kalıplarını, yapısını ve transkripsiyonel belirteçlerini 1,2,3'te yeniden ifade eder.

Hastadan kaynaklanan indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSC) kullanılarak serebral organoidlerin üretimi ilk olarak 2013 yılındageliştirilmiştir. Bu keşiften önce, insan beyin dokusuna erişim, özellikle fetal veya rahim içi beyin dokusu içeren deneysel çalışmaların yürütülmesiyle ilgili etik sorunlar nedeniylesınırlıydı 2. Beyin organoidlerinin gelişimi, insan nörogelişimini taklit etme yeteneğini gösterdi; bunlar arasında beyin korteks gibi ayrı beyin bölgelerinin oluşumu da vardı. Lancaster ve ark. , kök hücrelerin in vitro karmaşık sinir yapıları oluşturabileceğine dair ilk deneysel kanıtı sunmuş; bu model, geleneksel iki boyutlu (2D) hücre kültürlerinden daha doğru insan fizyolojisini yansıtan bir model sunmaktadır. Önemli olarak, mikrosefali gibi bazı insan nörogelişimsel durumları kemirgen modellerinde çoğaltılması zor olmuştur ve bu da insan kaynaklı sistemlere olan ihtiyacı daha davurgulamaktadır 6.

CNS organoidleri, gelişen beyne benzeyen çok katmanlı yapılar oluşturan ve farklılaşan birden fazla hücretipi içerir 7, bu da onları nörogenez, nöronal göç ve gelişimsel anormallikler gibi yüksek verimli çalışmalar için uygundur8. CNS organoidlerinin üretimi, iPSC'ler ve embriyonik kök hücreleri içeren pluripotent kök hücrelerle (PSC) başlar. Embriyonik kök hücreler, sinir hücrelerine farklılaşmayı teşvik etmek ve erken embriyonik gelişimi taklit etmek için büyüme faktörleri ve sinyal inhibitörlerine maruzkalırlar 2. Hücreler birleşmeye başladığında, 3D bir ortamda kendini organize ederler ve genellikle yapısal stabiliteler sağlamak için ekstrasellüler bir matriksin içine gömülürler. Organoidler genellikle dönen biyoreaktörler veya yörünge sallanma gibi dinamik kültür koşullarında korunur; böylece besin ve oksijen dağıtımı artırılır ve sürekli büyümedesteklenir. Ön beyin, orta beyin ve arka beynin bölgeye özgü organoidleri, miniatürize dönen biyoreaktörlerde rehberli protokollerle de üretilebilir; genellikle birkaç haftadan aylara kadar 9,10,11 boyunca ortaya çıkan belirgin beyin benzeri bölgeler. MSS organoidleri, gelişmekte olan insan beyninin birçok temel yapısal özelliğini yakalar; bunlar arasında göç eden nöronları destekleyen radyal glia içeren ventriküler bölgeler ve nöronal popülasyonları büyüten ara progenitörlerbulunur 12. Erken nöronlar kortikal benzeri katmanlar oluşturur ve ortaya çıkan sinaptik ağlar bulunur. Organoidler, olgun beynin boyutunu veya organizasyonunu tam olarak taklit etmese de, geleneksel tek katmanlı kültürlerden fizyolojik olarak daha önemlidirler.

CNS organoidlerinin en büyük avantajlarından biri, gelişimsel zamanlamayı modelleme yetenekleridir. Kültürler haftalardan aylara geçer ve insan fetal beyin gelişimiyle paralel ilerler. Bu sayede araştırmacılar nörogenez, akson uzantısı ve erken sinirsel devre oluşumu gibi nörolojik süreçleri gerçek zamanlı gözlemleyebilmektedir. Organoidler ayrıca mikroglia, kan damarı benzeri hücreler veya astrositler, endotel hücreleri ve perisitler gibi kan-beyin bariyeri (BBB) bileşenlerini de içerecek şekilde programlanabilir. Bu organoidler, bağışıklık yanıtları ve madde taşınımı çalışmalarınıdestekleyebilir 13. Ayrıca, organoidler birleştirilerek farklı beyin bölgeleri arasındaki iletişimi modelleyen kendi kendini organize eden sistemler oluşturulabilir14. Bu yeteneklerle, CNS organidleri, nörotropik virüslerin beyne nasıl istila ettiğini, çoğaldığını ve beyne nasıl zarar verdiğini doğrudan incelemenin bir yolunu sunuyor; bu sorular uzun süredir geleneksel modellerle ele alınması zor olmuştur.

İnsan beynini etkileyebilen çok sayıda ve çeşitli nörotropik virüs vardır; bunlar arasında flavivirüsün, şiddetli akut solunum solunum sendromu koronavirüs 2 (SARS-CoV-2), herpes simpleks virüsü (HSV) ve insan bağışıklık eksikliği virüsü tip 1 (HIV-1) bulunur. Etkili antiviral tedavilerin geliştirilmesi kritik olsa da, virüs-beyin etkileşimlerinin karmaşıklığı nedeniyle hâlâ zordur. Beyin, büyük bağışıklık hücreleri ve moleküllerinin kan dolaşımından beyne girmesini engelleyen BBB tarafından desteklenen bağışıklık ayrıcalıklı bir organ olarak kabul edilir.

Nörotropik virüsler, bu engeli aşmak için hücre arası göç, dar bağlantıların bozulması ve enfekte bağışıklık hücrelerinin virüsü endotel 4 üzerinden taşıması gibi çeşitli stratejiler geliştirmiştir. Sonuç olarak, beyindeki bağışıklık gözetimi kısıtlanır ve bu da viral temizlemeyi zorlaştırır. Ayrıca, endotel hücreleri, astrositler ve perisitler dahil olmak üzere BBB'nin hücresel bileşenleri, viral patojenle ilişkili moleküler desenleri (PAMP'ler) tespit eden ve doğuştan bağışıklık yanıtları oluşturan desen tanıma reseptörlerini ifade eder; ancak pro-inflamatuar sinyaller paradoksal olarak BBB bozulmasınıkötüleştirebilir 15. Ayrıca, insan beyin dokusuna sınırlı erişim, sinir hücreleriyle viral etkileşimlerin ve güçlü antiviral ajanların MSS'ye ulaşmasını engellemektir. Bu birleşik zorluklar, gelişimin tüm aşamalarında ve yaşam boyunca viral enfeksiyonları tedavi etmek için yeni antiviral ajanların keşfini engellemekte, virüslerin beyinle nasıl etkileşime girdiğini daha iyi anlamak ve bu enfeksiyonlarla mücadele etmek için yeni terapötik stratejiler geliştirmek için hayati önemkazanmaktadır 16. Genel olarak, bu derleme, nörotropik viral enfeksiyonların, nöroinflamasyon mekanizmalarının ve antiviral ilaç keşfinin incelenmesinde CNS organoidlerinin faydasını vurgulamaktadır. Şekil 1, beyin organoidlerinin nörotropik viral enfeksiyonların modellemesi, konak-patojen etkileşimlerinin araştırılması ve antiviral terapötik gelişimin ilerletilmesinde başlıca uygulamalarına genel bir bakış sunmaktadır.

figure-introduction-1
Şekil 1: Beyin organoidleri, nörotropik CNS viral enfeksiyonlarını modellemek için insanla ilgili platformlar olarak. Şekil, ele alınan ana konulara genel bir bakış sunar ve deneysel modeller olarak üç boyutlu (3D) beyin organoidlerine odaklanır. Bu incelemede tartışılan nörotropik virüsler arasında HIV-1, HSV-1/2, SARS-CoV-2 ve ZIKV yer almaktadır. Farklı beyin organoid modelleri, viral patogenez, konak-patojen etkileşimleri, kan-beyin bariyeri (BBB) işlev bozukluğu ve nöronlar, astrositler, mikroglia ve beyin endotel hücrelerini içeren nöroinflamatuar yanıtlar üzerine çalışmaları mümkün kılar. Beyin organoidleri, antiviral ilaç taraması ve antiviral tedavilerin değerlendirilmesi için fizyolojik olarak ilgili platformlar sağlar. BioRender'da oluşturuldu. Kashanchi, F. (2026) https://BioRender.com/y7eenju Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

İnceleme ve perspektif

Virüsle enfekte beyin organoidlerinde terapötik keşif

Antiviral tarama

Birçok nörotropik viral enfeksiyon için onaylı tedavi eksikliği vardır ve bu da destekleyici bakımın ötesinde tedavi seçeneklerini sınırlamaktadır. Beyin organoidleri, insan beyin dokusuna benzeyen fizyolojik olarak ilgili 3D bir ortamda ilaç taramasını mümkün kılarak yeni antiviral bileşiklerin keşfedilmesinde değerli bir araçtır. İlk bir çalışmada, fetal benzeri beyin organoidlerinde ZIKV'ye karşı 1.120 FDA onaylı ilaç ve ilaç adayının yüksek içerikli kimyasal taraması yapıldı. Antiviral aktivite hücre çoğalması ve ZIKV enfeksiyonunun baskılanması temelinde değerlendirildi. Test edilen tüm bileşiklerden dokuzu potansiyel gösterdi; iki bileşik — hippeastrin hidrobromid (HH) ve amodiaquine dihidroklorid dihidrat (AQ) — güçlü antiviral etkileriyle öne çıktı ve viral RNA üretimini baskılayarak enfeksiyonu önemli ölçüdeazalttı 17.

Sonraki birkaç çalışma, viral yaşam döngüsünün farklı evrelerini hedefleyen bileşikleri inceledi. Watanabe ve ark. tarafından yapılan bir çalışmada, membran füzyonu ile viral girişi engelleyen 25-hidroksikolesterol (25HC), kortikal organoidlerde ZIKV mRNA seviyelerini %~74 azaltmış ve ZIKV-pozitif hücreleri %%72 azaltmıştır. Ayrıca, aynı çalışma, sinir öncül hücrelerde ifade edilen AXL reseptörünü hedef alan antiviral bileşikleri değerlendirdi. AXL tirozin kinaz domaininin küçük moleküllü inhibitörü olan R428, ZIKV mRNA seviyelerinde (~%41) ılımlı bir azalma sağladı. Ancak, anti-AXL antikoru ile yapılan tedavi ZIKV mRNAseviyelerini 18 anlamlı şekilde azaltmadı. Son olarak, organoidlerde üç anti-flaviviral ilaç olan duramisin, ivermektin ve azitromisin test edildi. Duramisin ve ivermektin, ZIKV mRNA seviyelerini anlamlı şekilde düşürürken, azitromisin RT-qPCR ve immünboyama18 ile belirlendiği üzere ZIKV'ye karşı koruyucu bir etki göstermedi.

Ayrı bir çalışmada, Xu ve ark. ZIKV kaynaklı kaspaz-3 aktivitesini baskılayıcı olarak 173 bileşiği taradı ve emricasan'ı beyin organoidlerindeki hücre çoğalmasını etkilemeyen en güçlü nöroprotektif aday olarak belirledi. İki ek bileşik olan niklosamid ve PHA-690509, giriş sonrası aşamada viral çoğalmayı doz bağımlı şekilde inhibe ederek anlamlı anti-ZIKV aktivitesi göstermiştir. Ayrıca, emricasan ve PHA-690509 ile birlikte yapılan tedavi, ZIKVenfeksiyonu 19 sonrası katkı etkisi yaratmış ve astrositlerin canlılığını korudu. Başka bir çalışmada, RNA girişimi (RNAi) artırıcı olan enoksasin, RNAi yetkili hücrelerde doğrudan antiviral aktivite göstermiş ve beyin organoidlerinde ZIKV kaynaklı mikrosefalik fenotipleri tamamen önlemiştir; bu da sinir öncül hücrelerde içsel antiviral yolların güçlendirilmesini uygulanabilir bir terapötik strateji temsil edebileceğinigöstermektedir 20.

Pettke ve ark . daha sonra ZIKV enfekte organoidlerde çoklu dozlarda TH3289'un 110 yapısal analogunutaradılar. İki bileşik olan TH3289 ve TH6744, en güçlü antiviral aktiviteyi gösterdi ve en aktif vuruşlar benzimidazolon çekirdeğini paylaştı. Bu çalışma, organoid sistemin sadece hızlı bileşik taramasını değil, aynı zamanda mekanik takibi de mümkün kılmasını sağladığı için önemliydi. Örneğin, TH6744'ün ZIKV yaşamdöngüsünün geç evrelerine müdahale ettiği bulundu 21.

Beyin organoidleri ayrıca SARS-CoV-2 enfeksiyonu için terapötik adayları belirlemek amacıyla da kullanılmıştır. FDA onaylı anti-hepatit C ilacı sofosbuvir, SARS-CoV-2 enfekte beyin organoidlerinde nöronal hayatta kalmayı iyileştirdi ve bozulmuş sinaptogenezikurtardı. Beyin organoidleri ayrıca HSV-1 aracılı CNS enfeksiyonunun anlaşılmasına katkıda bulunmuştur; ancak, organoid modellerde HSV-1 için antiviral ilaç taraması, ZIKV ve SARS-CoV-2 çalışmalarına kıyasla sınırlı kalır. iPSC kaynaklı nöronları kullanan önemli bir çalışma, TLR3 eksikliğinin insan nöronlarını HSV-1 enfeksiyonuna karşı duyarlı hale getirdiğini gösterdi ve kemirgen modellerinin23'ü yakalayamadığı insana özgü bir olguyu ortaya çıkardı. Daha yakın zamanda, Bellizzi ve ark. HSV-1 genomik dizilerinin kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarları (CRISPR)-Cas9 hedeflemesinin 3D organoid kültürlerde hem birincil enfeksiyonu hem de viral yeniden aktivasyonu baskıladığını göstererek, gen düzenlemenin herpesvirüs CNS enfeksiyonu için uygulanabilir bir antiviral stratejiolduğunu ortaya koymuştur 24. Asiklovir direncinin ortaya çıkan bir klinik sorun olduğu ve HSVensefalit 25 için iyileştirici bir tedavi olmadığı göz önüne alındığında, beyin organoidlerinde HSV-1'e karşı geniş çaplı antiviral bileşik taramasının olmaması önemli bir bilgi eksikliğini temsil etmektedir.

Küçük moleküllerin yanı sıra, RNA'yı hedef alan ve gen ifadesini değiştiren antisens oligonukleotidler (ASO'lar), çeşitli hastalıkların tedavisinde gelişmekte olan terapötik araçlardır ve beyin organoidleri yeni ASO tedavilerini değerlendirmek için kullanılabilir26. ASO çalışmaları için organoidlerin faydası göz önüne alındığında, virüsle enfekte beyin organoidlerinde biyodağılım, toksisite ve terapötik etkinlik gibi önemli özellikler araştırılabilir.

Beyin organoidlerinin en önemli uygulamalarından biri, mevcut antiviral ilaçların nörotoksisitesini değerlendirmektir. Bu özellikle önemlidir çünkü yaygın olarak kullanılan HIV tedavilerinin hem in vitro hem de in vivo27 beyin hücreleri için toksik olduğu gösterilmiştir. Akay ve ark. mikroglia, astrositler ve nöronlar içeren primer kortikal kültürlerde antiviral ilaçların nörotoksisitesini göstermiştir. MAP2-pozitif nöronlar ritonavir ve saquinavir'e maruz kaldıktan sonra doza bağlı bir azalma gösterdi. Antiretroviral ilaçların (cART) kombinasyonlarıyla tedavi akut nörotoksisiteye yol açtı ve zidovudin (AZT) ile işlenen kültürlerde reaktif oksijen türleri (ROS)28 üretiminde artış gösterdi. Bu bulgular 2B kültürler kullanılarak elde edilmiş olsa da, beyin organoidleri, bireysel veya kombinasyon antiretroviral tedavilerin yüksek verimli nörotoksisite taraması için fizyolojik olarak daha ilgili bir platform sağlayarak bu araştırmayı genişletebilir. Bu 3B modellerde antiviral-indüklenen nörotoksisitenin altında yatan mekanizmaları araştırmak için morfolojik analiz, fonksiyonel testler ve transkriptomik profilleme gibi teknikler kullanılabilir29.

Nörotoksisite taramasına ek olarak, beyin organoidleri HIV ile ilişkili nörokognitif bozukluğu (HAND) incelemek için geliştirilmiştir; bu hastalık, etkili antiretroviral tedavi (ART) olmasına rağmen HIV ile yaşayan insanların %30–%50'sini etkilemeye devam etmektedir. Mikroglial hücreler, CNS'de HIV-1'in birincil rezervuarıdır ve organoid modeller, mikroglial enfeksiyonun nöron hasarını nasıl tetiklediğini açıklamada önemli rol oynamıştır. Kong ve ark. mikroglia içeren iPSC kaynaklı beyin organoidleri kullanmış ve HIV-1 enfeksiyonu sonrası CCL2 ve CXCL10 kemokin gen ekspresyonunda belirgin bir artış gözlemlemiştir; ayrıca çoklu tip I interferon uyarılı genlerin (MX1, ISG15, ISG20, IFI27, IFITM3 ve diğerleri) aktivasyonunugözlemlemiştir 30. İltihabi gen ifade profili, enfekte olmayan nöronlar da dahil olmak üzere yan hücrelere yayıldı. Bu nöronlar nörotransmitter taşıyıcı ekspresyonu üzerinde belirgin bir azalma ve hücresel yaşlanma ile hücre ölümüyle ilişkili genlerin artması ile birlikte görüldü. HIV araştırmalarında beyin organoidlerinin kullanımı, HIV ile enfekte mikrogliaları insan beyin organoidlerine dahil eden Dos Reis ve ark. tarafından öncülük edilmiştir 31. Bu model, insan beyninde genellikle gözlemlenen düşük seviyeli viral çoğaltmayı yeniden üretti. HIV ile enfekte olan mikrogliaların dahil edilmesi, astroglioz, nörodejeneratif patoloji ve nöronal sinaptik süreçlerin dejenerasyonu ve kaybı ile ilişkili nöroinflamatuar yanıtı tetikledi. Donadoni ve ark. daha sonra, mikroglia ve astrositler içeren insan kaynaklı pluripotent kök hücre (hiPSC) kaynaklı serebral organoidleri kullanarak NeuroHIV'i modellemiş ve 3D organoid sistemde kombinasyon antiretroviral tedavinin (cART) etkilerini değerlendirmiştir. Bu organoid tabanlı çalışmalar topluca, HAND hakkında önemli mekanik içgörüler sağlar ve nöroprotektif tedavileri araştırmak için değerli bir model sistemi oluşturur.

Sonuç olarak, beyin organoidleri, ilaç geliştirme sürecinin erken dönemlerinde nörotoksik etkileri değerlendirirken antiviral bileşikleri taramak için birleşik bir model sistemi sağlar. Etkili antiviral bileşiklerin tanımlanması, klinik çeviriye doğru sadece ilk adımdır (Tablo 1). Aynı derecede önemli olan, MSS içindeki enfekte hücrelere terapötik ajanlar ulaştırabilen ilaç dağıtım stratejilerinin geliştirilmesidir.

VirüsOrganoid ModelHücre TipleriÖnemli BulgularSınırlamalarReferans
ZIKVhPSC'den türetilen fetal benzeri organoidlerSinir öncülleri, nöronlarHH ve AQ, 1120-bileşik ekrandan viral RNA'yı azalttıBağışıklık hücresi yok; Fetal evresi17
Kortikal organoidlerSinirsel öncüller25HC enfeksiyonu %74 azalttı; R428, ZIKV mRNA'sını %~41 azalttıDamar yok18
Beyin organoitleriNöronlar, astrositlerEmricasan nöroprotektif; niclosamide ve PHA-690509 çoğaltmayı inhibe ederMikroglia yok19
Beyin organoitleriSinirsel öncüllerEnoksasin, RNAi ile ZIKV kaynaklı mikrosefaliyi önlediBağışıklık hücresi yok20
Beyin organoitleriNöronlarTH3289 ve TH6744 (benzimidazolon çekirdeği) geç ZIKV yaşam döngüsünü engellerBağışıklık hücresi yok21
SARS-CoV-2Beyin organoidleriNöronlarSofosbuvir sinaptogenezi ve nöron sağkalmasını kurtardıBBB yok22
HSV-1iPSC-türevli nöronlarNöronlarTLR3 eksikliği insan nöronlarını hassastır; İnsana özgü olguSadece 2B nöronlar23*
3D organoid kültürlerNöronlarCRISPR-Cas9, birincil enfeksiyonu ve yeniden aktivasyonu bastırdıSınırlı olgunlaşma24
HIV-1iPSC serebral organoidlerNöronlar ve mikrogliaCCL2, CXCL10 yukarı revizyon; tip I interferon gen aktivasyonu; Nöronal YaşlanmaDamar yok30
Mikroglia özellikli İnsan Beynindeki ORGanoidlerNöronlar ve mikrogliaNöroinflamasyon, astroglioz, sinaptik dejenerasyonDamar yok31
hiPSC serebral organoidlerNöronlar, mikroglia, astrositlercART etkileri 3D NöroHIV modelinde değerlendirildiErken aşama modeli32

Tablo 1: Nörotropik viral enfeksiyonları incelemek için kullanılan beyin organoid modelleri. Bu tablo, incelenen virüs, organoid modeli, dahil edilen hücre tipleri, temel bulgular, sınırlamalar ve ZIKV, SARS-CoV-2, HSV-1 ve HIV-1 enfeksiyonlarının temsil eden beyin organoid tabanlı çalışmaları için referansları özetlemektedir.

İlaç dağıtım platformları

MSS enfeksiyonlarının tedavisinde en etkili antiviral bileşiklerin bulunması şarttır, ancak beyne verimli bir şekilde ulaşılmadıkça, bu bileşikler terapötik fayda sağlayamayabilir. Beyin organoidleri, ilaç dağıtım sistemlerinin sinir dokusuna nüfuz etme ve antiviral yük taşıma yeteneklerini değerlendirmek için kullanılabilir.

Lipid bazlı nanopartiküller (LNP'ler) yaygın olarak ilaç taşıyıcıları olarak kullanılır. Bu ilaç taşıyıcıların, özellikle BBB 33 boyunca ilaç biyoyararlanımını artırdığı ve özellikle BBB33 boyunca hastalık bölgesine hedefli ilaç teslimatını mümkün kıldığı gösterilmiştir. LNP bazlı mRNA formülasyonları COVID-19 aşısındabaşarıyla kullanılmıştır 34,35. Beyin organoidleri, yeni LNP bazlı formülasyonların etkinliği ve güvenliğini değerlendirmek için kullanılabilir. LNP'ler ayrıca hedefleme ligandlarıyla yüzey modifikasyonuyla CNS'ye vektörize edilebilir. Örneğin, transferrin veya laktoferrin, reseptör aracılı transsitozu kolaylaştırmak ve BBB36,37 boyunca taşınımı artırmak için LNP'lere konjuge edildi. Topluca, BBB penetrasyonundan sonra potansiyel ilaç teslimat etkinliği, nörotoksisite ve nanoformulasyon stabilitesinde değişiklikler beyin organoidlerinde incelenebilir38.

LNP'lere ek olarak, çift hedefli polipeptid nanotaşıyıcılar insan beyin organoidlerinde ilaç dağıtım sistemi olarak da incelenmiştir. Hedeflenen poli(L-glutamik asit) nanopartiküller (NP'ler) mükemmel sitouyumluluk ve orta beyin benzeri organoidlere girme yeteneği gösterdi. Alanin ve glutation, NP'leri beyin endotel hücrelerine etkili şekilde yönlendirip beyin organoidlerine nüfuz ederek beyne ilaç iletilinisağlayabildiği gösterilmiştir 39. Polimer bazlı nanopartiküllerin geçirgenliği, insan 3D mikrovaskürün organoidlerinde incelendi; boyutları ve yüzey kimyasının etkilerine odaklanıldı. Üretilen organoidler, insan iPSC kaynaklı endotel hücreleri, astrositler ve birincil beyin perisitlerinden oluşuyordu. Konfokal görüntüler, NP'lerin beyin ilişkili ligand holo-transferrin (T f) ile konjugasyonunun geçirgenliklerini anlamlışekilde artırdığını ortaya koydu 40.

Sonrasında, BBB beyin sferoidlerinde altın nanopartiküllerin (AuNP'ler) emilişi, nüfuzu ve dağılımı araştırıldı. Bu sferoidler altı beyin hücresi tipinden oluşur: nöronlar, astrositler, perisitler, endotel hücreleri, mikroglia ve oligodendrositler. Yazarlar, geçici hipoksiyanın BBB'nin açılmasına ve AuNP'lerin küre iç kısmına taşınmasının artmasına yol açtığını bildirdi. Nanopartiküller hücrelere ve çekirdeklere kolaycagirebiliyordu 41. Aynı sferoid model sistemiyle yapılan benzer bir çalışmada, nanotaşıyıcı penetrasyon kinetiklerinin eşzamanlı takibi ve terapötik yük salınımı, konfokal lazer taramamikroskopisi 42 ile değerlendirildi. Başka bir çalışmada, Park ve ark . beyin kaynaklı nörotrofik faktör (BDNF) ile konjuge edilmiş AuNP'lerin önemli toksisite yaratmadan beyin organoidlerine başarılı şekildegirdiğini göstermiştir 43.

Bölgeleri hedeflemenin ötesinde, nanopartiküllerin şekli ve boyutu da nanoformulasyonun terapötik yükünü beyne ulaştırma yeteneğinde önemlibir rol oynayabilir. VCAM-1'e karşı antikorlarla vektörize edilmiş polistirol 200 nm küreler, kontrol vektörlenmemiş NP'lerden 1,2 ila 1,5 kat daha fazla biriktirmiştir. İlginçtir ki, çubuk şeklindeki parçacıklar ilgili kontrollere göre 2,1 ila 2,5 kat daha fazla birikim sergilemiştir; bu da çubuk şeklindeki parçacıkların hücre bağlanma açısından kürelere göre avantaj sağladığını gösterir. Beyin organoitleri, parçacık geometrisinin beyne nüfuz etmesini nasıl etkileyebileceğine dair ayrıntılı bilgiler sağlayabilir. Ayrıca, hipoksi ve diğer biyolojik olarak aktif bileşiklerin BBB geçirgenliği üzerindeki etkileri nörovasküler beyin organoidlerinde daha fazlaaraştırılabilir 45,46.

Kök hücre türeyi ekstrasellüler veziküller (EV'ler), LNP'ler gibi sentetik ilaç taşıyıcılarına biyolojik bir alternatifi temsil eder. Branscome ve ark., insan nörosferlerinde EV'lerin HIV-1 enfeksiyonuna karşı onarıcı potansiyeliniaraştırmıştır 47. Bu çalışmada, mezenkimal kök hücrelerden (MSC) ve iPSC'lerden üretilen EV'lerin doğal olarak nörosferlere nüfuz edebildiği, hücresel canlılığı kurtarabileceği ve HIV-1 enfekte nörosferlerde inflamatuar sitokinlerin ekspresyonunu azaltabileceği gösterilmiştir; bu da kök hücre EV'lerinin nöroprotektif ve anti-inflamatuar özelliklerinivurgulamaktadır 47. Kim ve ark. tarafından yapılan başka bir çalışmada, SARS-CoV-2 enfeksiyonunu tedavi etmek için antiviral teslimat için küçük ekstraselüllü veziküller (sEV'ler) tasarlandı. Nanotaşıyıcılar, donör hücrelerin genetik modifikasyonu yoluyla eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT) kodlayan plazmid ile çözünür ACE2 (sACE2) ile yüklendi ve sEV yüzeyinde sACE2 ekspresyonuna yol açtı. sACE2 vektörize sEV'lerin WT ve mutant S proteini psödotiplivirüs 48'e karşı koruduğu gösterilmiştir. Koruma mekanizması SARS-CoV-2 ile enfekte olan beyin organoidlerinde test edilebilir. Ayrıca, başka bir çalışmada HSV-1 enfekte hücrelerden salınan EV'lerin STING gibi doğuştan gelen bağışıklık bileşenleri taşıdığını, bu bileşenlerin alıcı hücrelerde doğuştan gelen bağışıklık yanıtlarını aktive edip HSV-1 çoğalmasının güçlü bir inhibitörüne yol açtığını gösterdi. EV'lerin bulaşıcı viral parçacıklardan kritik bir ayrılığı, yoğunluk gradyanı santrifüjasyonu49 ile sağlanmıştır.

Beyin organoidleri ayrıca yeni ilaç nanoformulasyonlarının potansiyel nörotoksisitesini test etmek için kullanılabilir. Örneğin, pegile AuNP'ler beyin organoidlerine enjekte edildiğinde, ROS üretimiyle aracılık edilen anlamlı iltihap gözlemlendi. Buna karşılık, polimerik poli-laktik asit NP'ler, yavaş alımları ve bozunabilirleri nedeniyle etkili ilaç dağıtımı ve düşük sitotoksisite sergilediler; bu da bağışıklık yanıtı tetiklemeden beyin organoidine nüfuz etmesinisağladı. AuNP'lerin, grafen ve karbon noktalarının nörotoksisitesi de 3D nörovasküler organoidlerde değerlendirildi. Bu organoidler sinir hücreleri, mikroglia ve endotel hücre yüzeyinden oluşuyordu. Bu çalışmalar, mikrogliyanın bu formülasyonların geçirgenliği ve toksisitesinde kritik bir roloynayabileceğini ortaya koymuştur 51. Ayrıca, yüksek ZnO NP konsantrasyonlarının da önemli nöronal ölümlere yol açtığı gösterilmiştir. Toksisite mekanizması, LC3B protein seviyelerini düşüren hücre içi Zn iyonları birikimine bağlanmıştı ve bu da kusurlu otofaji52'yi önermektedir. Genel olarak, bu çalışmalar 3D beyin organoidlerinin nanoformulasyonların sinir dokusuyla nasıl etkileşime girdiğini, alım ve nüfuzdan bağışıklık aktivasyonu ve toksisiteye kadar nasıl etkilediğini yakalayabildiğini göstermektedir. CNS hedefli ilaç dağıtım stratejilerinin başarısı, nihayetinde sadece hedef hücrelere ulaşmak değil, aynı zamanda enfeksiyon sırasında aktive olan iltihap yollarının modülasyonuna da bağlıdır; bunların çoğu DAMP ve PAMP sinyalleriyle başlatılır.

Viral enfeksiyonlarda DAMP'lar ve PAMP'ler

Beyin organoidleri, stresli, yaralı veya ölmekte olan hücreler tarafından CNS'de salınan DAMP ve PAMP'ları incelemek için kullanılabilir. DAMP'ler arasında ısı şoku proteinleri, ATP ve ürik asit bulunurken, PAMP'ler bakteriyel, viral, mantar ve parazitik makromolekülleri içerir. Bu nedenle, bu moleküler desenler doğuştan gelen bağışıklık sistemini uyarır ve yabancı antijenlere veya enfeksiyonla sıkça ilişkilendirilen herhangi bir belirtiye yanıt olarak birkaç sinyal iletim yolunu aktive eder. Viral enfeksiyonlara karşı yanıt olarak koruyucu etkilerinin altında yatan mekanizmalar tam olarak anlaşılmamış ve bu süreçlerin ayrıntılı incelenmesi beyin organoidlerindeyapılabilir. 53. Salınan DAMP'ler ve PAMP'ler, plazma zarında veya hücre içi olarak eksprese edilen Toll-benzeri reseptörler (TLR'ler), NOD benzeri reseptörler (NLR'ler), AIM2 benzeri reseptörler, RIG-I benzeri reseptörler (RLR'ler) ve C-tip lektin reseptörleri (CLR'ler) dahil olmak üzere büyük bir reseptör grubunabağlanır. Bu reseptörler, EV-71, HIV-1, HSV-1, flavivirüsler, Batı Nil virüsü (WNV) ve diğerleri dahil olmak üzere nörotropik viral enfeksiyonlara yanıt olarak sitokin ve interferon üretimi için kritiköneme sahiptir 54.

Slowikowski ve ark., hasarlı sinir hücreleri tarafından salınan DAMP'lerin, kemokinlerin ve yapışma moleküllerinin, flavivirüs ensefalit sırasında lökositlerin MSS'ye girişini nasıl koordine ettiğiniaraştırmıştır 55. Özellikle, WNV'nin enfekte beyinde DAMP'lerin salınımını teşvik eden yüksek inflamatuar nekroptoz ve piroptozlu hücre ölüm belirteçlerinin ekspresyonunu artırdığı ortaya çıktı. Bu moleküller, örneğin yüksek hareketlilik grubu kutusu 1 (HMGB1) proteini serbest bırakıldığında, birden fazla sinyal yolunu indükler ve bu da aktive monositler, makrofajlar ve dendritik hücrelerin enfekte dokulara CXCR4 bağımlı göçüneyol açar 56,57. Ayrıca, DAMP'lerin enfeksiyona yanıt olarak salınabileceği, ardından TLR'lerin yukarı regulasyonu ve MSS iltihabı ile doku hasarının şiddetlendiğigösterilmiştir 58. Genel olarak, bu çalışmalar viral enfeksiyonların örtüşen DAMP-PAMP sinyal yollarını tetiklediğini, bunun da nöroinflamasyon ve doku hasarına yol açtığını göstermektedir. Mikroglia ve astrositler içeren beyin organoidleri, insan sinir dokusunda bağışıklık zincirleme yanıtlarını, özellikle DAMP salınımı ile TLR aracılı nöroinflamasyon arasındaki etkileşimi izlemek için bir model olabilir.

Komplement sistemi, enfeksiyona hızlı yanıt veren doğuştan gelen bağışıklığın önemli bir unsurudur. Ancak, birçok virüs bu savunma sistemini aşacak mekanizmalargeliştirmiştir 59. Bazı virüsler, komplement sisteminden kaçınarak bileşenlere bağlanan ve onları inhibiten veya tutan proteinler üretir. Bu, insan T-lenfotropik virüsü-1 (HTLV-1), insan sitomegalovirususu (HCMV), HIV-1, maymun virüsü 5 (SV5) ve kabakulak virüsü (MuV) gibi çeşitli virüslerde gösterilmiştir; bunlar virionlarına konak komplement proteinlerini dahil eder (örneğin, CD55/DAF, CD59, CD64 ve MCP). Bu proteinler, doğuştan gelen bağışıklık yanıtını inhibe eder ve viral çoğalma ile kalıcılığıteşvik eder 60. Böylece, beyin organoidleri, virüslerin komplement sisteminden kaçma mekanizmalarını tanımlamak için kullanılabilir. Artan kanıtlar, DAMP'lerin ve PAMP'lerin sadece ilk antiviral yanıtı şekillendirmekle kalmayıp, aynı zamanda kronik postviral hastalıkların altında yatan kalıcı iltihabın ana aracıları olduğunu göstermektedir.

DAMP/PAMP'lerin viral enfeksiyondan kaynaklanan kalıcı iltihaplanmadaki rolü

Akut inflamatuar fazanın ötesinde, viral enfeksiyonlar DAMP/PAMP'lere kronik maruziyete yol açabilir ve özellikle beyinde uzun vadeli iltihap sonuçlarına yol açabilir. Beyin organidleri, enfeksiyonun akut sonrası evreyle ilgili sendromların altta yatan mekanizmalarını incelemek için güçlü bir araç haline gelebilir.

Şu anda bilinen çoğu insan indanatçı olmayan virüs, enfeksiyonun akut evresinde bağışıklık yanıtlarını aktive eder ve ardından patojen eliminasyonu gelir. Ancak bazı durumlarda, hastalar akut fazda gözlemlenenlerden farklı olan ve aylarca, hatta yıllarca süren kalıcı semptomlar yaşar. Özellikle, uzun COVID-19 hastaları kronik yorgunluk, "beyin sisi", ateş, ağrı ve diğer nörolojik komplikasyonlarbildirmektedir 61. Ayrıca, kronik iltihap ölüm ve morbiditeyi artırabilir, ayrıca aterotromboz, kanser ve bilişsel bozukluk riskiniartırabilir 62,63.

Ayrıca, viral proteinlerin ve RNA'nın kalıcılığı, TNF-α, IL-1α, IL-1β, IFN-γ ve IL-6 gibi pro-inflamatuar sitokinlerin yüksek seviyelerine yol açabilir; bu da doku hasarına, erken yaşlanmaya ve bağışıklık sisteminin tükenmesine yolaçabilir 64. Yavaş çoğaltma veya viral bileşenlerin izleri, spesifik reseptörleriyle etkileşime giren DAMP/PAMP'lerin salınımını tetikleyebilir ve kalıcı düşük dereceli iltihaplanmayaneden olabilir 65. Bazı durumlarda, beynin HSV-1 enfeksiyonu nöron hasarına ve ardından ensefalite yol açabilir ve sonunda Alzheimer hastalığı gibi nörodejeneratif bozuklukların gelişimine katkıda bulunabilir66. Bozulmuş otofaji mekanizmaları, HSV-2 hastalarında kronik iltihabın başlıca tetikleyicisi olabilir; bu hastalıklarda koruyucu mekanizmalar kalıcı viral çoğalmaya, beyinde sürekli viral bileşenlerin varlığına ve nörodejenerasyonayol açar. Bu viral bileşenler, PAMP'ler aracılığıyla doğuştan bağışıklık sensörlerini aktive eder ve doğuştan gelen bağışıklık aktivasyonunun antiviral etkilerini atlamak için sinyal yollarını manipüle edebilir. Önemli olarak, HCMV ve Epstein-Barr virüsü (EBV) bağışıklık fonksiyonunu artıran kronik viral enfeksiyonlar oluşturduğugösterilmiştir 68,69. Enfeksiyon kaynaklı sürekli yaşlanma, çeşitli viral enfeksiyonlarla ilişkili uzun vadeli iltihaplanmaya da katkıda bulunabilir. Entegre bağışıklık bileşenlerine sahip 3D beyin organoidleri, DAMP/PAMP'lere kronik maruziyetin altında yatan karmaşık mekanizmaları ve bunların MSS'deki viral enfeksiyonların uzun vadeli komplikasyonlarındaki rolünü anlamak için ilgili platformlar sağlar.

Sınırlamalar ve bakış açısı:

Geleneksel in vitro modellere göre avantajlarına rağmen, beyin organoidlerinin daha geniş uygulamalarını desteklemek için ele alınması gereken önemli sınırlamalar vardır. Özellikle, çoğu organoid, viral hastalık modellemesine ve viral enfeksiyon sırasında doğuştan ve adaptif bağışıklık yanıtlarının anlaşılmasına önemli katkı sağlayan yerleşik bağışıklık hücrelerindenyoksundur 70. Özellikle, standart organoid protokollerde, birincil CNS bağışıklık hücreleri ve HIV-1 rezervuarı olan mikroglia bulunmaz; bu da nöroinflamasyon ve viral kalıcılık modellenmesinisınırlar. 71. Bir diğer eksiklik, besin ve oksijen dağıtımında önemli rol oynayan damar yapısının olmaması ve viral yayılımda bulunması gibi eksik dokukarmaşıklığıdır 72. Bu nedenle, organoid büyüme sınırlıdır çünkü merkezdeki hücreler yeterli besin alamıyor. Ayrıca, metabolik atıkların atılımı da bozulur ve bu da genellikle büyük organoidlerde hipoksik veya nekrotik çekirdeklere yol açar. Ayrıca, organoidler, viral enfeksiyon ve patogenezi etkileyebilecek nöronlar, endotel hücreleri ve stromal hücreler arasındaki etkileşimleri tam olarak yeniden üretemez. Ayrıca, bu gelişim aşamasında organoidler sistemik enfeksiyonu, organlar arası yayılmayı ve tüm vücut bağışıklık yanıtlarını tekrarlayamaz73. Bir diğer sınırlama ise, birçok epitel organoidin, içe dönük apikal yüzeyleri nedeniyle viral aşılama için sınırlı erişimesahip olmasıdır 74. Sonuç olarak, viral aşılama mikroenjeksiyon gerektirir, bu da değişkenlik ve düşük verimliliğe yol açar. Bu nedenle, farklı çaplara sahip organoidlerin aşılanması, enfeksiyonun çokluğunu kontrol etmeyi zorlaştırır. Ayrıca, birçok organoid yetişkin organlardan ziyade fetal dokuya benzer; bu da viral tropizmi, replikasyon kinetiği ve konak yanıtlarını etkileyebilir73. Bu özellikle HSV-1 örneğinde belirgindir; çünkü nöron olgunlaşması, fetal evredeki organoidlerin tam olarak tekrarlayamaması nedeniyle gecikme oluşumu ve yeniden aktivasyon süreçlerini etkiler. Sonrası, organoitler bileşim ve işlev açısından oldukça farklılık gösterebilir; bu da çeşitli sonuçlara, düşük tekrarlanabilirliğe ve çok sayıda deneysel kopyaya ihtiyaç doğurur. Örneğin, organoitler boyut, hücre bileşimi, mimari ve olgunlaşma durumu açısından farklılık gösterebilir. Bu durum, laboratuvarlar arasında standartlaştırmayızorlaştırır, hatta imkansız hale getirir 7,75. Son olarak, organoid üretimi ve bakımının yüksek maliyeti ve sınırlı ölçeklenebilirliği önemli engeller olarak kalmaktadır. Sonuç olarak, organoid teknolojisi ile uyumlu yüksek verimli platformların geliştirilmesi büyük birzorluktur 74.

Bu eksikliklere ve sınırlamalara rağmen, organoidler viral enfeksiyonları, toksikoloji ve ilaç keşfini modellemede önemli potansiyele sahiptir. Bu sınırlamaların aşılması, hayvan modellerine olan bağımlılığı önemli ölçüde azaltabilir ve temel mekanik çalışmalarıkolaylaştırabilir 76. Mevcut organoid modellerin dikkat çekici eksikliklerinden biri, sınırlı fizyolojik karmaşıklıkları ve çeşitli hücresel bileşimin eksikliğidir. Gelecekteki gelişmeler, organoid modellere bağışık, nöronal, damar ve stromal bileşenlerin dahil edilmesine odaklanmalıdır. Bu, organoidleri yukarıda bahsedilenhücre tipleriyle entegre eden ortak kültür modelleri kullanılarak gerçekleştirilebilir (77,78). Özellikle, bağışıklık hücrelerinin dahil edilmesi, viral enfeksiyonlar sırasında sistemik bağışıklık yanıtlarının ve iltihabın modellenmesini mümkün kılacaktır. Ayrıca, vaskülerize organoidler fizyolojik karmaşıklığı artırmak ve in vivo koşulları daha iyi tekrarlamak için daha dageliştirilebilir 79,80. Dolayısıyla, endotel dokuları içeren beyin organoidleri, viral enfeksiyonlar sırasında kan-beyin bariyeri fonksiyonu ve ilaç teslimatı inceliklerinidestekleyecektir 13,81. Ayrıca, 3D beyin organoidleri beyindeki viral enfeksiyonun birkaç önemli yönünü çoğaltabilir. Aslında, çeşitli beyin bölgelerini yakından temsil eden karmaşık yapılara sahip birkaç organoid model şu andaaraştırılıyor 82. Son olarak, nöron ve stromal bileşenlerin dahil edilmesi, organoidlerin doğal organ sistemlerine sadıklığını daha da artırır. Tekrarlanabilirlik, organoid teknolojilerin daha geniş uygulanmasına karşı başka ciddi bir engel olarak kalır. Bu nedenle, sağlam ve yüksek tekrarlanabilir organoidler üretmek, organoid uygulamalarının daha ileri çevrilmesi için hayati öneme sahiptir. Hücre izolasyonu ve tohumlanması için çeşitli yöntemler, matrislerin ve çözünür faktörlerin seçimi alandastandartlaştırılmalıdır 83. Kültür ortamının bileşimi, hücre yoğunluğu ve kültür süresi bu modellerin sonuçlarını etkileyebilir. Bu nedenle, tam tanımlanmış polimer ağlarından oluşan, hassas kontrol edilen kimyasal ve mekanik özelliklere sahip sentetik hidrojeller dahil olmak üzere matris değişkenliğini azaltmaya yönelik stratejiler, umut verici bir alternatifolarak sunulmuştur 84. Bu organoidler partiden partiye minimum değişkenlik sergileyerek kontrollü çalışmalar yapılmasını mümkün kılar. Ayrıca, çeşitli hasta popülasyonlarını temsil eden organoid biyobankaların oluşturulması, ilaç keşfi ve biyobelirteç tanımlaması için değerli bir kaynak haline gelecektir. Gelişmekte olan yapay zeka (YZE) teknolojileri, organoid araştırmalarında önemli araçlarhaline geliyor 85. Bu teknolojilerin daha fazla uygulanması, analizleri hızlandırabilir ve veri yorumlamasında önyargıyı azaltabilir. Buna rağmen, bu alandaki yapay zeka uygulamaları hâlâ erken aşamalarda ilerlemektedir. Yapay zeka yaklaşımlarının, örneğin yapay zeka destekli görüntüanalizi 86 veya kültür koşullarının öngörülü optimizasyonugibi organoid geliştirmeye dahil edilmesi, organoid araştırmalarını önemli ölçüde kolaylaştıracaktır.

Sonuçlar

Bu derleme, insan nörovasküler ünitesini yakından taklit eden 3D sinir kültürleri olan beyin organoidlerinin, nörotropik virüslerin neden olduğu istila, çoğalma ve MSS hasarını incelemek için nasıl kullanıldığını incelemiştir. Her virüsün kendine özgü genetik ve yapısal özellikleri olmasına rağmen, beyindeki virüslerin tetiklediği patolojik süreçlerin çoğu paylaşılır ve organoid modeller bu yaygın ve farklı mekanizmaların ayrıştırılması için çok uygun olduğunu kanıtlamıştır. Aşırı iltihaplanma sinir hücresi hasarını kötüleştirebilir; Ancak, doğuştan gelen bağışıklık sistemi doğru şekilde kontrol edildiğinde, viral yayılımı sınırlayabilir ve beyin dokusunu koruyabilir.

3D organoidler, hayvan modelleri ve 2B hücre kültürlerinin bu dinamikleri yakalayamadığı fizyolojik olarak daha ilgili bir ortamda her iki etkinin de incelenmesini mümkün kılar. Bu bilgiler, beyinde viral patogenezle mücadele etmek ve iltihabı artırmadan doğru yolları hedefleyen tedavileri belirlemek için kritiktir. Beyin organoitleri, nörotropik viral enfeksiyonları daha iyi anlamaya sahip, ancak bazı teknik eksiklikler hâlâ ele alınmamış. Örneğin, yavaş olgunlaşma, sınırlı damar yapısı ve BBB bileşenlerinin eksikliği yaygın sorunlar olarak devam etmektedir. Organoid farklılaşma tekniklerindeki değişkenlik ve partiden partiye tutarsızlıklar da beyin organoidleriyle ilgili araştırmaları engellemektedir. Ayrıca, viral giriş, çoğaltma, hücre tipi tropizm ve konak yanıtlarının kontrollü 3D bağlamda nicelendirilmesi geliştirilebilir. El yazmasında incelenen çalışmalar, beyin organoidlerinin, nörotropik virüslerin insan beyniyle nasıl etkileşime girdiğini incelemek, antiviral adayları test etmek ve MSS'ye ilaç teslimatını değerlendirmek için mevcut en önemli sistemler arasında olduğunu göstermiştir. Teknoloji geliştikçe, gelişmiş vaskülerleşme, bağışıklık hücresi entegrasyonu ve standartlaştırılmış protokollerin benimsenmesiyle birlikte, organoid tabanlı çalışmalar klinik çeviri için gerçek potansiyele sahip bileşikleri ve stratejileri belirlemede daha iyi konumlandırılacaktır.

Kısaltmalar: ASO'lar, antisens oligonukleotidler; BBB, kan-beyin bariyeri; CLR'ler, C-tipi lektin reseptörleri; MSS, merkezi sinir sistemi; CRISPR, kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarlar; CXCL10, C-X-C motifi kemokin ligandı 10; DAMP'lar, hasarla ilişkili moleküler desenler; EV'ler, ekstrahücresel veziküller; hPSC'ler, insan pluripotent kök hücreleri; HSV-1/2, herpes simpleks virüsü tip 1/2; HIV-1, insan bağışıklık yetmezliği virüsü tip 1; IFN'ler, interferonlar; IL-6, interleukin-6; ISG'ler, interferonla uyarılan genler; LNP'ler, lipid nanopartikülleri; NLR'ler, NOD benzeri reseptörler; PAMP'lar, patojenle ilişkili moleküler desenler; PRR'ler, desen tanıma reseptörleri; RNAi, RNA girişimi; RT-PCR, ters transkripsiyon polimeraz zincir reaksiyonu; sACE2-EV'ler, çözünür ACE2 süslemeli ekstrahücresel veziküller; SARS-CoV-2, şiddetli akut respirator sendromu koronavirüs 2; scRNA-dizi, tek hücreli RNA dizilemesi; TLR'ler, Toll benzeri reseptörler; TNF-α, tümör nekroz faktörü-alfa; ZIKV, Zika virüsü; 3D, üç boyutlu. ZIKV, Zikavirus; hPSC, insan pluripotent kök hücresi; HH, hippeastrin hidrobromide; AQ, amodiaquine dihidroklorür dihidrat; 25HC, 25-hidroksikolesterol, BBB, kan-beyin bariyeri; cART, kombinasyon antiretroviral tedavi; CRISPR, kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarlar; hiPSC, insan kaynaklı pluripotent kök hücre; HIV-1, insan bağışıklık yetmezliği virüsü tip 1; hPSC, insan pluripotent kök hücresi; HSV-1, herpes simpleks virüsü tip 1; RNAi, RNA girişimi; SARS-CoV-2, şiddetli akut respirator sendromu koronavirüs 2; TLR3, Toll-like receptor 3.* iPSC kaynaklı 2D nöron çalışması karşılaştırma için dahil edildi.

Açıklamalar

ChatGPT (OpenAI; GPT-5.5) sınırlı bir kapasitede literatür taraması ve dil geliştirme konusunda yardımcı olmak için kullanıldı. Tüm literatür seçimi, gerçek kontrolü, referans doğrulama ve bilimsel yorumlama yazarlar tarafından bağımsız olarak gerçekleştirildi.

Teşekkürler

Yazarlar, Kashanchi Laboratuvarı'nın tüm üyelerini minnettarlıkla takdir ediyor ve Gwen Cox'a paha biçilmez desteği için özel takdir ediyor. Bu çalışma ayrıca Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) R01MH134389, AI078859 ve AI074410 R21DA057887 hibeleri ile Savunma Bakanlığı HT9425-24-1-0876 tarafından F.K.'ye desteklendi.

Kaynaklar

  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.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

BiyolojiSay 234Say 234Bo De erSay3BViral EnfeksiyonOnar m
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.