このアッセイは、3Dコラーゲンゲルで培養した胚様体に分化したマウス胚性幹細胞を利用して、 in vitroで発芽血管新生を制御する生物学的プロセスを解析します。この技術は、薬物の検査、疾患のモデリング、および胚的に致命的な欠失の文脈での特定の遺伝子の研究に適用できます。
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このアッセイは、3Dコラーゲンゲルで培養した胚様体に分化したマウス胚性幹細胞を利用して、 in vitroで発芽血管新生を制御する生物学的プロセスを解析します。この技術は、薬物の検査、疾患のモデリング、および胚的に致命的な欠失の文脈での特定の遺伝子の研究に適用できます。
人工多能性幹細胞(iPSC)および遺伝子編集技術の最近の進歩により、表現型創薬(PDD)プログラムのための新しいヒト細胞ベースの疾患モデルの開発が可能になりました。これらの新しいデバイスは、ヒトにおける治験薬の安全性と有効性をより正確に予測することができますが、臨床への開発は依然として哺乳類のデータ、特にマウス疾患モデルの使用に強く依存しています。したがって、ヒトオルガノイドまたは臓器オンチップ疾患モデルと並行して、関連するin vitroマウスモデルの開発は、種間およびin vivoおよびin vitro条件との間の直接的な薬効および安全性比較を評価するための満たされていないニーズです。 ここでは、胚様体(EB)に分化させたマウス胚性幹細胞を利用する血管発芽アッセイについて説明する。3Dコラーゲンゲル上で培養された血管新生EBは、発芽血管新生と呼ばれるプロセスである拡張する新しい血管を発達させます。このモデルは、内皮先端細胞の選択、内皮細胞の移動と増殖、細胞誘導、管形成、壁細胞動員など、既存の血管網からの血管の形成であるin vivo発芽血管新生の重要な特徴を要約しています。血管新生を調節する薬物や遺伝子のスクリーニングに適しており、最近記載されたヒトiPS細胞技術に基づく3次元(3D)血管アッセイとの類似性を示しています。
過去30年間、ターゲットベースの創薬(TDD)は、製薬業界による創薬に広く採用されてきました。TDDは、疾患において重要な役割を果たす定義された分子標的を組み込んでおり、比較的単純な細胞培養システムの開発と薬物スクリーニングのための読み出しに依存しています1。TDDプログラムで使用される最も典型的な疾患モデルには、人工環境および非生理学的基質内で増殖した癌細胞または不死化細胞株などの従来の細胞培養方法が含まれる。これらのモデルの多くは、成功した薬剤候補を特定するための実行可能なツールを提供していますが、そのようなシステムの使用は、疾患との関連性が低いため、疑わしい場合があります2。
ほとんどの疾患では、根底にあるメカニズムは確かに複雑であり、さまざまな細胞型、独立したシグナル伝達経路、および複数の遺伝子セットが特定の疾患表現型に寄与することがしばしば見られます。これは、主な原因が1つの遺伝子の突然変異である遺伝性疾患にも当てはまります。ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)技術と遺伝子編集ツールの最近の登場により、in vivoのヒトの複雑さをよりよく再現できる3Dオルガノイドと臓器チップ疾患モデルを生成できるようになりました3,4。このような技術の開発は、表現型創薬(PDD)プログラムへの関心の復活に関連しています1。PDDは、特定の薬物標的の同一性に関する知識や疾患におけるその役割に関する仮説に依存しないため、経験的スクリーニングと比較することができます。PDDアプローチは、ファーストインクラスの医薬品の発見に大きく貢献することがますます認識されています5。ヒトオルガノイドおよび臓器オンチップ技術の開発はまだ初期段階にあるため、iPS細胞モデル(革新的なイメージングおよび機械学習ツール6,7で補完)は、近い将来、TDDアプローチの生産性の低さを克服するための薬物スクリーニングおよび関連するPDDプログラムのための複数の新しい複雑な細胞ベースの疾患モデルを提供することが期待されています8。9.
ヒトオルガノイドおよび臓器オンチップモデルは、疾患の複雑さと新薬の同定に関する重要な洞察を提供することができますが、薬物を新しい臨床診療に持ち込むには、動物モデルからのデータにも大きく依存して、その有効性と安全性を評価します。その中で、遺伝子改変マウスは確かに最も好ましい哺乳類モデルである。哺乳類の世代時間が比較的短く、人間の病気と多くの表現型が類似しており、簡単に遺伝子操作できるため、多くの利点があります。したがって、それらは創薬プログラムで広く使用されています10。しかし、マウスとヒトの間のギャップを埋めることは、依然として重要な課題です11。ヒトオルガノイドおよび臓器オンチップモデルと同等のin vitroマウスモデルの開発は、in vivoマウスとin vitroヒトデータ間の直接的な薬効および安全性比較を可能にするため、このギャップを少なくとも部分的に埋めることができます。
ここでは、マウス胚様体(EB)における血管発芽アッセイについて説明する。血管は、内皮細胞(血管壁の内層)、壁細胞(血管平滑筋細胞および周皮細胞)で構成されています12。このプロトコルは、de novo内皮細胞および壁細胞の分化を再現するハンギング液滴を使用して、マウス胚性幹細胞(mESC)を血管化EBに分化することに基づいています13,14。マウスESCは、異なる遺伝的背景を有する単離された3.5日目のマウス胚盤胞からの培養において容易に確立することができる15。それらはまた、クローン分析、系統追跡の可能性を提供し、疾患モデルを生成するために容易に遺伝子操作することができる13,16。
血管はすべての臓器に栄養を与えるので、すべてではないにしても多くの病気が微小血管系の変化に関連していることは驚くべきことではありません。病理学的状態では、内皮細胞は活性化状態をとるか、機能不全になり、壁細胞の死または血管からの遊走を引き起こす可能性があります。これらは、過剰な血管新生または血管希薄化をもたらす可能性があり、免疫細胞血管外漏出、および炎症につながる異常な血流および血管バリアの欠陥を誘発し得る12、17、18、19。したがって、血管を調節する薬物の開発のための研究は高度であり、治療標的のための複数の分子プレーヤーおよび概念がすでに同定されている。これに関連して、記載されたプロトコルは、内皮先端および茎細胞の選択、内皮細胞の遊走および増殖、内皮細胞の誘導、チューブ形成、および壁細胞動員を含むin vivo発芽血管新生の重要な特徴を要約するため、疾患モデルの構築および薬物試験に特に適している。また、ヒトiPS細胞技術に基づく最近記載された3D血管アッセイとの類似性も示しています20。
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1. mESCの培地調製と培養
2. ハンギングドロップでのEB形成
3. 先端細胞位置の競合アッセイ
4. 血管分化のための浮遊EB培養
5. フローサイトメトリー解析
6.3D発芽血管新生アッセイおよび免疫蛍光染色
7. EB内皮芽の共焦点イメージング、形態測定、定量解析
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血管発芽アッセイのプロトコル概要を図1に示す。3つの独立した129/Ola mESC株(Z/Red、R1、およびE14)に由来する9日齢のEBを、コラゲナーゼAを用いて酵素的に単一細胞に解離させた。すべての細胞株が強固な内皮分化を示し、内皮細胞への分化能に差は認められなかった。全ての細胞株は、内皮細胞の約10.5%±1.3%を産生した(図2A)。PECAM-1(+)細胞集団におけるPANエンドテリアル細胞マーカーの相対発現レベルも定量化した。解析したすべてのマーカー(Flk1、Flt1、Flt4、 Eng、Tie2、Cdh5)のmRNA発現レベルは、細胞株と実験の間で同等であり、分化プロトコルの堅牢性が確認されました(図2B)。PECAM-1(+)細胞集団は、プロトコルによって生成された内皮細胞の比較的未成熟な状態を支持する動脈(Notch1<...
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このプロトコルは、血管新生を調節する薬物および遺伝子のスクリーニングに適した、偏りのない、堅牢で再現性のある3D EBベースの血管発芽アッセイについて説明しています。この方法は、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)などの内皮細胞培養を使用して、遊走(ラテラルスクラッチアッセイまたはボイデンチャンバーアッセイ)22,23または増殖(細胞数のカウント、DNA合成の検出、増殖マーカーの検出、または代謝アッセイ)24を監視するために、広く使用されている多くの2次元(2D)アッセイよりも優れています。内皮細胞と壁細胞の両方の分化と、発芽血管新生の重要なステップを模倣する血管網へのそれらの組織の研究を独自に可能にするという点で。これらのステップには、内皮先端細胞の選択、茎細胞の増殖、血管スプラウトの空間的配向および遊走、ならびに新生血管25への壁細胞の動員が含まれる。また、多くの3D血管新生モデルにも利点があります。尿細管形成を模倣したフィ...
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著者は開示するものは何もありません。
この研究は、オランダの組織団体(ZonMW 446002501)、Health Holland(LSHM19057-H040)、Leading Fellows Program Marie Skłodowska-Curie COFUND、およびMaladie de Rendu-Osler協会(AMRO)からの助成金によって支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-メルカプトエタノール | ミリポア、メルク | 805740 | バイオハザード:適切な安全指示は、 |
| 寒天 Noble | Difco、BD Pharmigen | 214220 | |
| Alexa Fluo 555 ヤギ抗ラット IgG | ライフテクノロジー | A21434 | |
| APC 結合ラット抗マウス PECAM-1 抗体 (クローン MEC13.3) | BD Biosciences | 551262 | |
| APCラットIgG2a&カッパ;アイソタイプ制御(クローン R35-95) | BD Biosciences | 553932 | |
| Axiovert 25 倒立位相差組織培養顕微鏡 | ZEISS | ||
| Basic Fibroblast Growth Factor-2 (bFGF) | Peprotech | 450-33 | |
| 卓上遠心分離機 Allegra X-15R | Beckman Coulter | 392932 | |
| バイオセーフティキャビネット BioVanguard (グリーンライン) | Telstar | 133H401001 | |
| ウシ血清アルブミン(BSA) | Sigma-Aldrich | A9418 | |
| 細胞計数室、バーカー、0.100mm | マリエンフェルト | 640211 | |
| 細胞培養皿 60 x 15mm | コーニング | 353802 | |
| 細胞培養皿、35 x 10 mm | コーニング | 353801 | |
| 細胞培養プレート 12ウェル | コーニング | 3512 | |
| CFX96 Touch リアルタイム PCR 解析システム | Biorad | 1855196 | |
| チキン血清 | Sigma-Aldrich | C5405 | |
| CHIR-99021 (CT99021) HCl | Selleckchem | S2924 | |
| コラーゲン I、高濃度、ラットテール、100mg | Corning | 354249 | |
| Collagenase A | Roche | 10103586001 | |
| Conphoral Laser Scanning顕微鏡、TCS SP5 | ライカ | ||
| カバーガラス、24 × 50 mm | Vwr | 631-0146 | |
| DAPT γ?セクレターゼ阻害剤 | Sigma Aldrich | D5942 | |
| DC101 抗マウス VEGFR-2 クローン | BioXcell | BP0060 | |
| DC101 アイソタイプラット IgG1 | BioXcell | BP0290 | |
| ジメチルスルホキシド (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2438-5X | を取り扱う際には、適切な安全指示を受ける必要があります |
| 、マグネシウム | Gibco は使用しないでください。サーモフィッシャー科学 | 14200067 | |
| EDTA 40 mM | Gibco, Thermofisher scientific | 15575-038 | |
| 胚性幹細胞 ウシ胎児血清 | Gibco, Thermofisher scientific | 16141-079 | ES 細胞の生存率と増殖を最大限に高めるために、ロット試験を行う必要があります。60°Cで熱が不活性化します。C と &minus で格納します。20度;C 最長1年間 |
| Eppendorf Microcentrifuge 5415R | Eppendorf AG& | nbsp; | |
| エリスロポエチン、ヒト (hEPO)、250 U (2.5 µg) (1 mL) | Roche | 11120166001 | |
| ESGRO Recombinant Mouse LIF Protein (10?単位 1 mL) | Milipore, Merck | ESG1107 | |
| Falcon tubes 15 mL | Greiner Bio-One | 188271 | |
| Falcon tubes 50 mL | Greiner Bio-0ne | 227270 | |
| フィルターチップ ,透明 ,滅菌済み F.Gilson, P-200 | Greiner Bio-One | 739288 | |
| フィルターチップ,透明 ,滅菌済み F.Gilson, P10 | Greiner Bio-One | 771288 | |
| フィルターチップ,透明 ,滅菌 F.Gilson、P1000 | Greiner Bio-One | 740288 | |
| FITC 標識抗アルファ;平滑筋アクチン(SMA)(クローン1A4) | Sigma Aldrich | F3777 | |
| FITC標識ラット抗マウスCD45(クローン30-F11) | Biolegend | 103107 | |
| FITC Rat IgG2b、κIsotype Ctrl 抗体 (clone RTK4530) | Biolegend | 400605 | |
| 蛍光封入剤 | DAKO | S3023 | |
| Gascompress | Cutisoft | 45846 | |
| ガーゼ Cutisoft 10 x 10 cm | Bsn Medical | 45844_00 | |
| ゲルあぶらとり紙、Grade GB003 | Whatman | WHA10547922 | |
| ゼラチン溶液、B | 型Sigma-Aldrich | G1393-100 ml | |
| グラスゴーの MEM (GMEM) | Gibco, Thermofisher scientific | 21710082 | |
| IHC 亜鉛固定剤 | BD Pharmigen | 550523 | |
| IncuSafe CO2 インキュベーター | PHCBi | MCO-170AICUV-PE | |
| インターロイキン-6, ヒト (hIL-6) | Roche | 11138600001 | |
| L-Glutamine 200 mM | Gibco,Thermofisher scientific | 25030-024 | |
| MEM 非必須アミノ酸溶液 (100x) | Gibco, Thermofisher scientific | 11140035 | |
| 顕微鏡スライドボックス | Kartell Labware | 278 | |
| 顕微鏡スライド, Starfrost | Knittel ガラス | VS113711FKB.0 | |
| Mm_Cdh5_1_SG QuantiTect Primer Assay | Qiagen | QT00110467 | |
| Mm_Eng_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | QT00148981 | |
| Mm_Epha4_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | QT00093576 | |
| Mm_Ephb2_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | QT00154014 | |
| Mm_Flt1_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | QT00096292 | |
| Mm_Flt4_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | ||
| Mm_Gapdh_3_SG QuantiTect Primer Amine | Qiagen | QT01658692 | |
| Mm_Kdr_1_SG QuantiTect Primer Assay | Qiagen | QT00097020 | |
| Mm_Notch1_1_SG QuantiTect Primer | Qiagen | QT00156982 | |
| Mm_Nr2f2_1_SG QuantiTect Primer Assay | Qiagen | QT00153104 | |
| Mm_Pecam1_1_SG QuantiTect Primer | Qiagen | QT01052044 | |
| Mm_Tek_1_SG QuantiTect プライマーアッセイ | Qiagen | QT00114576 | |
| Mouse (ICR) Inactivated Embryonic Fibroblasts (2メートル) | Gibco、Thermofisher scientific | A24903 | バイアルを液体窒素(195.79°;C) 無期限 |
| マウス胚性幹細胞株 7AC5/EYFP (ATCC SCRC-1033) | ATCC | SCRC-1033 | A Nagy, Samuel Lunenfeld Research Institute, Mount Sinai Hospital, 600 University Ave, Toronto, Ontario, M5G 1X5, Canada によって生成されました。[Hadjantonakis, A. K., et al. Mechanisms of Development. 76 (1–2)、79–90(1998)]。 |
| マウス胚性幹細胞株Acvrl1 +/-およびAcvrl1 +/+ | Thalgott, J.H. et al. Circulation. 138 (23), 2698–2712(2018)]。 | ||
| マウス胚性幹細胞株E14 | Provided by M Letarte laboratory and generated according to Cho, S. K., et al. Blood. 98 (13), 3635–3642(2001年)。 | ||
| マウス胚性幹細胞株R1(ATCC SCRC-1011) | ATCC | SCRC-1011 | Dr A Nagy、Samuel Lunenfeld Research Institute、Mount Sinai Hospital、600 University Ave、Toronto、Ontario、M5G 1X5、Canadaによって生成されます。[Nagy, A., et al. Procedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (18), 8424–8428(1993)]。 |
| マウス胚性幹細胞株Z /赤(株129 / Ola) | A Nagy、サミュエル・ルーネンフェルド研究所、マウントサイナイ病院、600ユニバーシティアベニュー、トロント、オンタリオ州、M5G 1X5、カナダ[Vintersten、K.、et al. Genesis. 40(4)、241–246(2004)]。 | ||
| NanoDrop 1000 UV/VIS 分光光度計 | Thermo Fischer Scientific | ND-1000 | |
| PD0325901 | Selleckchem | S1036 | |
| PDGF-BB, Recombinant Human | Peprotech | 100-14B | |
| Pecam-1 抗体, Rat Anti-Mouse | BD Biosciences | 550274 | |
| Penicillin-streptomycin (10,000 U/mL) | Gibco, Thermofisher scientific | ||
| ペトリ皿、PS、94/16 mm、標準、通気口付き、滅菌済み | Greiner Bio-One | 633181 | |
| Pipetboy acu 2 | Integra-Biosciences | 155 019 | |
| Pipetman G マルチチャンネル P8 x 200G | ギルソン | F144072 | |
| Pipetman G スターターキット、4 ピペットキット、P2G、P20G、P200G、P1000G | ギルソン | F167360 | |
| 組換えヒト BMP-4タンパク質 | R&D Systems | 314-BP | |
| RNeasy Plus mini Kit | QIAGEN | 74134 | |
| 血清学ピペット、10 mL | Greiner Bio-One | 607 180 | |
| 血清学ピペット、25 mL | Greiner Bio-One | 760 180 | |
| 血清学ピペット、5 mL | Greiner Bio-One | 606 180 | |
| 水酸化ナトリウム (NaOH) | Merck | 106498 | |
| ピルビン酸ナトリウム 100 mM | Gibco、サーモフィッシャー 科学 | 11360039 | |
| 試験管 5ml 丸底、セルストレーナーキャップ付き | コーニング | 352235 | |
| サーマルサイクラー、T100 | バイオラッド | 1861096 | |
| トリトン X-100 (BioXtra) | シグマ アルドリッチ | T9284 | |
| トリパン ブルー ソリューション、0.4% | Gibco、サーモフィッシャー サイエンティフィ | ック | |
| トリプシン (2.5%) | Gibco、Thermofisher scientific | 15090046 | |
| 真空フィルター/保存ボトルシステム、500 mL | Corning | 430758 | |
| VEGFA165、組換えマウス | Peprotech | 450-32 | |
| 水、滅菌 | Fresenius-Kabi | B230531 | |
| Waterbath、Lab-Line Digital | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 18052A |
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