В контексте болезни Альцгеймера (AD) ряд многообещающих фармацевтических подходов дает впечатляющие результаты в разных in vitro системах и животных моделях, которые почти излечивают болезнь, но в конечном итоге не способны обеспечить эффективную защиту при клинических испытаниях [2]. Неправильная упаковка белка является характерным признаком AD, это связано с накоплением amyloid-β пептида (Aβ) и гиперфосфорилированного Tau белка в определенных областях головного мозга [3]. Эти повреждения, как полагают, запускают ступень каскада молекулярных событий, приводящих к дисфункции синапсов и дегенерации нейронов, вызывающих нарушения познавательной функции и памяти. В то время как огромное большинство случаев AD являются спорадическими, семейные случаи (FAD) являются чрезвычайно агрессивными с ранним началом и обычно ассоциированы с сильной amyloidopathy [4]. Мутации генов, кодирующих amyloid precursor protein (APP) или presenilin 1 (PS1), каталитический компонент комплекса γ-secretase, который продуцирует Aβ пептид, ответственны за большинство случаев FAD. По этой причине широко используются мышиные модели AD, генетически полученные путем искусственного генетического преобразования, чтобы избыточно экспрессировать высокие уровни человеческого APP в комбинации с или без человеческого PS1, где оба гена несут одну или множественные FAD мутации [5]. Эти модели продуцируют большие количества Aβ пептида, и в общем приводят к нарушениям памяти в молодом возрасте. Трансгенные мыши бесценны в выявлении некоторых из молекулярных механизмов, лежащих в основе патогенеза AD, но они страдают от нескольких ограничений [5]. Среди низ центральным и критическим является трудности воспроизведения патологии Tau [5, 6]. Экспрессия APP или PS1 человеческих мутаций у AD трансгенных мышей неспособна полностью воспроизвести центральное повреждение, несмотря на то, что человеческий Tau трансген экспрессируется одновременно [7]. Кроме того, большинство трансгенных мышей обнаруживают гистопатологические AD признаки в ранней жизни, это является главным ограничением исследований молекулярных событий, запускающих развитие патологии во время старения [5, 7]. Более того, несмотря на то, что геном мыши содержит приблизительно AD-родственные гены, мыши не в состоянии спонтанно приобретать AD фенотип во время старения, указывая тем самым, что молекулярные сети, управляющие инициацией болезни, могут не присутствовать у этого вида. Т.о., необходимы альтернативные системы для изучения этих патологических механизмов и тестирования эффективности новых терапевтических стратегий. Разработка гумманизированных моделей считается мощным комплементарным подходом для преодоления этих ограничений у современных AD трансгенных мышей (see Fig. 1). В недавней работе в Molecular Psychiatry, группа Claudio Soto's разработала устойчивые охарактеризованные органоиды головного мозга, происходящие от пациентов с FAD, воспроизводящие главные особенности болезни, включая взаимодействие между накоплением Aβ пептида и фосфорилированием Tau [8].

Fig. 1 Features and limitations of humanized Alzheimer's disease models. Humanized animal models have the advantage of covering multiple aspects of the pathology (including brain inflammation, metabolic alterations, or cognitive impairment) but are built with an artificial etiology and lack the specificity of the human genetic and molecular background. 2D iPSC neurons culture have a more relevant background and allow the study of unique features from sporadic cases, but the 2D system fail to reproduce complex brain cell to cell interactions which affect their transcriptomic profile and maturation. 3D brain organoids keep the same background advantages of the 2D systems while featuring complex cell interactions and cell populations. They reproduce the AD hallmarks admirably: Aβ deposits, Tau tangles, and neuronal degeneration. The most critical limitations to overcome are the lack of complete vascularization and incomplete immune system (presence of astrocytes but no microglial cells)

Технические успехи в репрограммировании соматических клеток человека в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки induced pluripotent stem cells (iPSCs) делает возможными исследования под иным углом для изучения болезней человека и развития органов [9]. Улучшение протоколов in vitro по дифференцировке iPSCs привело к генерации "organoids", которые определяются как само-организующиеся и устанавливающие самостоятельно паттерн трехмерных (3D) структуры, которые обладают некоторым сходством со сложными органами. Органоиды головного мозга, которые обнаруживают некоторые сходства со сложными органами. Органоиды головного мозга также известны как мини-головной мозг, воспроизводят онтогенетический процесс головного мозга в пробирке, генерируя организованные структуры, в целом напоминающие разные регионы головного мозга [10]. Кроме того, разные методологические подходы, как было установлено, воспроизводят специфические и уникальные субструктуры головного мозга (передний мозг, средний мозг, гиппокамп или органоиды сетчатки) [11]. Мини-головной мозг, генерируемы из iPSCs пациентов, был использован в последнее время в качестве модели для изучения нарушений нейрального развития, таких как микроцефалия [9], нарушения спектра аутизма [12, 13] или инфекций вируса Zika [14]. Однако, роль орагноидов головного мозга для патологий с поздним началом, такой как AD была неясна вплоть до недавнего времени. Интересно, что культуры нейронов происходящих из iPSC нейронов от FAD и некоторых SAD случаев, обнаружили повышенное содержание Aβ и накопление фосфорилирования Tau, в комбинации с альтерациями эндосом, которые являются ключом к ранним событиям болезни [15-17]. Первая попытка получения культуры 3D клеток, моделирующих AD осуществлялась с использованием человеческих клеток нейрональных предшественников, генетически преобразованных, чтобы избыточно экспрессировать мутантные APP и PS1 [18]. Этот подход привел повышенному отложению внеклеточных образований из Aβ пептида токсического вида 1-42 и фосфорилированию Tau в нерастворимые детергентом фибриллы. Теперь Gonzalez с сотр., продвинулись в направлении разработки более физиологической модели органоидов AD головного мозга, генерируемых из iPSC от пациентов с FAD и синдромом Дауна [8]. В ходе процесса развития in vitro органоиды AD головного мозга обнаруживали прогрессирующее накопление Aβ пептида с amyloidogenic свойствами, в добавление к накоплению бляшко-подобных структур, предшествующих появлению фосфорилированных Tau и нейрофибриллярных сплетений. Измерения активации caspase-3 также указали на гибель нейронов в органоидах AD головного мозга. Экспериментальная модель была высоко воспроизводимой и характеризовалась по количеству изменений.

В целом полученные результаты с органоидами AD головного мозга подвтердили тесные взаимоотношения между отложением Aβ и фосфорилированием Tau. Использование AD мини-головного мозга открывает возможность оценки механизмов болезни и возможно идентификацию новых путей, вносящих вклад в прогрессирование AD. Напр., возможная роль glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) в фосфорилировании Tau может быть теперь исследована, поскольку 2D и 3D культуры из человеческих iPSC AD обнаруживают активность Aβ, Tau и GSK-3β [15, 18]. Среди др. молекулярных признаков, связанных с AD, эндосомные и лизосомные альтерации с измененной экспрессией Rab5 были обнаружены в органоидах головного мозга, происходящих от стволовых клеток FAD [19]. Некоторые системы SAD and FAD iPSC 2D также описывают эндосомные и лизосомные альтерации вместе с повышенной экспрессией стрессовых маркеров а эндоплазматическом ретикулуме (ER) [16, 17, 20]. ER стрессы считаются ключевым признаком AD и др. нейродегенеративных болезней [21, 22]. Однако, существует несоответствие в идентификации стрессовых маркеров ER при использовании AD трансгенных мышей [23, 24]. Т.о., органоиды головного мозга человека могут открыть новые возможности идентификации регуляторной сети, затрагивающей AD головной мозг, и позволить определить стратегии по вмешательству в них. Распространение неправильной упаковки белков с помощью Prion-подобного механизма также выступает в возможного фактора, обеспечивающего прогрессирование болезни при AD, феномен, которые также может быть изучен и прменен с использованием технологии человеческого мини-головного мозга [25].

Принимая во внимание продемонстрированный низкий трансляционный потенциал грызунов, моделирующих AD, гуманизированные модели д. рассматриваться как комплементарная платформа для скрининга лекарств в преклинических исследованиях. Результаты происходящих из iPSC культур нейронов от FAD пациентов показали важные вариации по сравнению с не человеческими моделями в дозах, необходимых для получения достоверной активности γ-secretase модуляторов или ингибиторов [26]. Кроме того, наблюдались также косвенные эффекты ингибиторов β-secretases на фосфорилирование Tau белка [15, 27]. Исследования с использованием фармакологических модуляторов β-secretase или γ-secretase привели к убедительным результатам на органоидах из AD головного мозга, с уменьшением уровней Aβ пептида, а также патологии Tau, в соответствии с предыдущими результатами на iPSC культурах [18, 19]. Кроме того, повысился интерес к подходам, связанным с генотерапией и регенеративными стратегиями, базирующимися на стволовых клетках для AD [28-30], которые могут быть улучшены и дополнены с использованием AD мини-головного мозга. Клинические испытания генотерапии по доставке nerve growth factor (NGF) [31] или с инъекциями генетически модифицированных стволовых клеток [32], показали в общем хорошие профили безопасности. Однако, достигнутые терапевтические успехи, оказались ограниченными несмотря на обнадеживающие результаты, наблюдаемые у грызунов и не человекообразных обезьян [33, 34], снова подчеркивая необходимость новых моделей, более точно воспроизводящих человеческие состояния для изучения эффективности таких вмешательств.

Поскольку органоиды головного мозга имеют большой потенциал для будущего, некоторые технические ограничения всё же необходимо преодолеть. Старение является главным не генетическим фактором риска возникновения AD, а процесс старения ассоциирован с многочисленными альтерациями, включая изменения в экспрессии генов [35]. Однако, нервные клетки, происходящие из iPSC, обнаруживают транскриптомный профиль, сходный с таковым пренатального головного мозга [36]. Кроме того, отсутствие васкуляризации органоидов головного мозга предупреждает дальнейшее созревание нервных клеток, это оказывает неблагоприятные эффекты на формирование активных синапсов, как и на нарушения жизнеспособности органоидов после продолжительного периода в култьтуре [11, 37]. Возможным решением этого вопроса может стать использование гетеротипических культур, с эндотелиальными и мезенхимные стволовыми клетками [38]. Альтернативно, химерные модели с использованием системы васкуляризации мышиного головного мозга в данный момент разрабатываются [39]. Др. фактор, ограничивающий использование систем органоидов головного мозга при исследовании нейродегенеративных болезней является отсутствие микроглиальных клеток, поскольку они не происходят из линии клеток нейральных предшественников [40]. Однако, микроглиальные клетки, происходящие из iPSC человека были успешно интегрированы в 3D органоиды головного мозга и, по-видимому, активны и способны реагировать на локальные повреждения [41]. Кроме того, 3D культуры, моделирующие включение нейронов, астроцитов и микроглии были недавно разработаны, для получения модели AD [42]. Т.о., все эти технологические успехи могут быть приложимы к модели, разработанной группой Soto's чтобы напомнить и воспроизвести патологические события, наблюдаемые в AD головном мозге. Кроме того, поскольку сотни mini-brains могут быть сгенерированы в одно и то же время, то возможность поиска и разработки лекарств или вторичной оценки крупных скринингов с использованием происходящих из iPSC AD нейронов может ускорять идентификацию соединений с терапевтическим действием. В целом, методы 3D культивирования всё ещё нуждаются в уточнениях, но безусловно обещают получение клинически важных моделей для ускорения открытия лечения или воздействия не только на AD, но и также на др. важные нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона. Недавно были использованы органоиды головного мозга для генерации пространственно организованных кластеров dopaminergic нейронов [43]. Наконец, возможность исследования сложных вкладов генетического ландшафта человеческой популяции в случае спорадической AD будет осуществима в будущем с использованием органоидов головного мозга.