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ヒト脳血管新生の三次元誘導多能性幹細胞モデル
Three-dimensional induced pluripotent stem-cell models of human brain angiogenesis.
PMID: 32673611 DOI: 10.1016/j.mvr.2020.104042.
抄録
脳の発達の間、発達中のニューロンによって放出される化学的なキュー、ペリサイトとの細胞シグナル、および脳細胞外マトリックス（ECM）内の機械的なキューは、脳微小血管内皮細胞（BMEC）の血管新生を促進する。血管新生はまた、病理学的な化学的、細胞的、機械的シグナル伝達に起因する脳の疾患と関連している。既存の脳血管新生のin vitroおよびin vivoモデルには、重要な限界がある。本研究では、直径150μmのビーズに人工多能性幹細胞（iPSC）由来のヒトBMECs（dhBMECs）をコーティングしたin vitro血液脳関門（BBB）ビーズを用いた脳血管新生のハイスループットアッセイ法を開発した。ビーズを3次元マトリックス内に埋め込んだ後、様々な化学的手がかりや細胞外マトリックス成分を導入し、それらが血管新生挙動に及ぼす影響を調べています。ビーズアッセイの結果に基づいて、我々は、灌流可能な3次元組織工学的な血液脳関門微小血管内のヒト脳血管系のマルチスケールモデルを生成します。芽生え表現型は、血管内皮増殖因子（VEGF）とwntリガンドで化学処理し、プロ血管新生ECMコンポーネントを含めることを使用して、dhBMECのコンフルエント単分子膜で最適化されています。ビーズ血管新生アッセイが病理学的な血管新生の研究に応用できることを証明するために、酸化ストレスが血管新生に濃度依存的な影響を与えることを示す。最後に、ヒトの血液脳関門の階層的微小血管モデルが形成されていることを示す。我々は、脳血管新生の2つのin vitroモデルを開発した：BBBビーズアッセイと組織工学的BBB微小血管モデル。これらのプラットフォームは、既存の二次元モデルと比較して重要な利点を持つ、生理学的および病理学的な脳血管新生の研究のためのツールキットを提供します。
During brain development, chemical cues released by developing neurons, cellular signaling with pericytes, and mechanical cues within the brain extracellular matrix (ECM) promote angiogenesis of brain microvascular endothelial cells (BMECs). Angiogenesis is also associated with diseases of the brain due to pathological chemical, cellular, and mechanical signaling. Existing in vitro and in vivo models of brain angiogenesis have key limitations. Here, we develop a high-throughput in vitro blood-brain barrier (BBB) bead assay of brain angiogenesis utilizing 150 μm diameter beads coated with induced pluripotent stem-cell (iPSC)-derived human BMECs (dhBMECs). After embedding the beads within a 3D matrix, we introduce various chemical cues and extracellular matrix components to explore their effects on angiogenic behavior. Based on the results from the bead assay, we generate a multi-scale model of the human cerebrovasculature within perfusable three-dimensional tissue-engineered blood-brain barrier microvessels. A sprouting phenotype is optimized in confluent monolayers of dhBMECs using chemical treatment with vascular endothelial growth factor (VEGF) and wnt ligands, and the inclusion of pro-angiogenic ECM components. As a proof-of-principle that the bead angiogenesis assay can be applied to study pathological angiogenesis, we show that oxidative stress can exert concentration-dependent effects on angiogenesis. Finally, we demonstrate the formation of a hierarchical microvascular model of the human blood-brain barrier displaying key structural hallmarks. We develop two in vitro models of brain angiogenesis: the BBB bead assay and the tissue-engineered BBB microvessel model. These platforms provide a tool kit for studies of physiological and pathological brain angiogenesis, with key advantages over existing two-dimensional models.
Copyright © 2020. Published by Elsevier Inc.