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Research Article
Nicolas Werschler1,2, Josef Penninger1,2,3,4
1School of Biomedical Engineering,University of British Columbia, 2Life Sciences Institute,University of British Columbia, 3Department of Medical Genetics,University of British Columbia, 4Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences (IMBA)
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
このプロトコルは、ヒト多能性および人工多能性幹細胞からの自己組織化血管の生成を記載する。これらの血管ネットワークは、周皮細胞、平滑筋アクチン、および連続した基底膜に囲まれた広範で接続された内皮ネットワークを示します。
オルガノイドは、対応するin vivo器官を模倣した操作された多細胞in vitro組織として定義され、組織培養皿でその器官の定義された側面を研究するために使用できます。ヒト多能性幹細胞(hPSC)由来のオルガノイド研究の幅と応用は、脳、網膜、涙管、心臓、肺、腸、膵臓、腎臓、血管など、いくつかの組織を含むように大幅に進歩しています。ヒト微小血管の生成方法の開発、特に、ヒト血管の発生と疾患のin vitroでのモデリング、およびSARS-CoV-2を含むウイルス感染における新薬または組織向性の試験と分析への道が開かれました。視覚的なガイダンスがない複雑で長いプロトコルは、多くの幹細胞由来オルガノイドの再現性を妨げます。さらに、オルガノイド形成プロセスと自己組織化の固有の確率性は、細胞運命の獲得とプログラミングの理解を進めるための光学プロトコルの生成を必要とします。ここでは、hPSCから操作された3Dヒト血管オルガノイド(BVO)を生成するための視覚誘導プロトコルが提示されています。連続した基底膜、血管内皮細胞、および壁細胞との組織化された関節を示すBVOは、ヒト微小血管系の機能的、形態学的、および分子的特徴を示します。BVO形成は、凝集体形成によって開始され、続いて中胚葉および血管誘導が続く。血管の成熟とネットワーク形成は、3Dコラーゲンと可溶化された基底膜マトリックスに凝集体を埋め込むことによって開始され、サポートされます。ヒト血管ネットワークは2〜3週間以内に形成され、スケーラブルな培養システムでさらに成長させることができます。重要なことに、免疫不全マウスに移植されたBVOは、内因性マウス循環で吻合し、機能的な動脈、静脈、および細動脈に特異的です。現在の視覚誘導プロトコルは、特に正常な発達、組織血管新生、および疾患における血管に関連して、ヒトオルガノイド研究を前進させます。
血管機能障害および血管疾患は、臓器機能に著しい合併症を呈します。心血管疾患(CVD)は、世界の主要な死因であり1、米国の医療費の増加の主な要因でもあります。CVDの症例数は年々増加しており、これらの症例の数は若い年齢層(20〜45歳)で発生しています2。血管の発生と成熟、血管疾患、および内皮機能障害を調べるために、複数のin vivoモデルが開発されています3,4。現在、幹細胞に由来する、またはin vivoで成人組織から単離された単一および複数の系統で定義された細胞を組み合わせる方法は、ヒトの血管機能と解剖学的構造の側面を再現する血管ネットワークを作成することができます5,6。血管は、中胚葉からの発生中に最初の機能システムの1つとして出現し、「血管形成」と呼ばれる組み立てのプロセス、または「血管新生」と呼ばれる既存の血管からの拡張と分岐のいずれかによって組織化されます7。
発生生物学と自主的な組み立ての力を活用して、Wimmerらは、ヒト微小血管系の機能的、形態学的、および分子的特徴を示すhPSCからの最初の自己組織化3Dヒト血管オルガノイドを報告しました8。ヒト血管系9と同様に、これらのhBVOは、内皮、連続基底膜、および周囲の壁細胞とともに生成され、存在する8、10。hBVOはin vivoで移植し、内因性循環で吻合することができます。また、in vitroで成熟し、心血管疾患(糖尿病など)8やSARS-CoV-2などのウイルス感染における組織向性のモデルとしても機能します11。以前にプロトコル10を公開しましたが、この複雑な手法に使用できるビデオプロトコルはありません。
簡潔な段階的進行により、hBVO形成は、凝集体形成、WNTアゴニストであるカイロン(CHIR99021)および骨形態形成タンパク質-4(BMP4)12,13を使用した中胚葉誘導、血管内皮増殖因子A(VEGFA)およびフォルスコリン(Fors)12を介した血管誘導、およびカスタム発芽マトリックスへの埋め込みによって達成されます8,10.血管の成熟およびネットワーク形成は、発芽マトリックスへの凝集体の埋め込みに従う。これらのヒト血管ネットワークは2〜3週間以内に形成され、発芽マトリックスから除去され、スケーラブルな培養システムで最大6か月間さらに成長させることができます。ここでは、ヒト幹細胞由来血管系の形成および適用のための光学ガイド下手順が提供される。
本明細書において行う全ての実験は、市販のH9ヒトiPSC株を用いた。一般的な市販および非市販のヒト多能性幹細胞株(すなわち、H9、NC8)も、このプロトコルを使用してヒト血管オルガノイドの生成に有効であることがテストされ、証明されています。詳細については、以前に公開されたレポート8,10を参照してください。
1. ヒト血管オルガノイド作製のための培地および試薬製剤
2. ヒト多能性・人工多能性幹細胞の維持と培養
3. 0日目 - 単一細胞懸濁液からの多能性凝集体の生成
注:6ウェル培養プレートの2つのウェルで70%のコンフルエンシーを得ると、約175 hBVOが得られます。
4. 1日目 - 凝集体の中胚葉誘導
5.4日目-血管誘導と凝集体のプライミング
6. 6日目 - 凝集包埋と血管芽誘導
7. 11日目 - BVOの分離と成熟
8. 15日目 - BVOの固定、ブロッキング、染色
9. 血管オルガノイド(BVO)の装着
このプロトコルに記載されているステップは、hPSCからヒト血管オルガノイドを生成するための制御された正確な方法を得るために特別に開発されました。hPSC培養物からの直径30〜100μmの凝集体の生成は、プロトコルの開始点を示しています(図1、図2B)。凝集体は、血管網形成に必要な包埋(6日目)の前に、中胚葉(1日目〜4日目)および血管系統(4日目〜6日目)に向かって段階的な誘導を介して導かれます(図2A-D)。ほぼ放射状に対称な血管の発芽は、d7またはd8(図2E)で見え、d10(図2F、G)まで続く必要があります。ECMから96ウェルの超低アタッチメントプレートにhBVOを移植することで、発芽ネットワークの脆弱性が軽減され、浮遊培養(図2H)条件で最大6か月間継続して維持できます。d15までに、hBVOは周皮細胞(PDGFR-ß+)と平滑筋アクチン(SMA+)に囲まれた広範で接続された内皮(CD31+)ネットワークを示します(図3A-D)。連続コラーゲンIV(ColIV+)基底膜が血管ネットワークを包み込みます(図3E)。内皮細胞(CD31+、VE-Cadherin+)および周皮細胞(PDGFR-ß+)は、オルガノイド細胞集団のそれぞれ約30%-35%および60%-65%を構成する8。血管の活発な発芽は、過剰なフィリポディア8,10などの典型的な先端細胞の形態を示す内因的に組織化された先端細胞(CD31+)集団の指示の下で起こります。内皮血管ネットワークを封入するPDGFR-ß+およびSMA+壁画細胞の提示は、オルガノイド成熟プロセスのd15によって見ることができます(図3A、C)。ECMから除去し、浮遊培養(すなわち、d15)で成熟した後、hBVOは、それぞれの分析またはマウス腎被膜下での移植に維持可能です。

図1:タイミングと段階的な進行を強調したhBVOプロトコルの概略図。一見均質なhPSCまたはhiPSC培養物から、Rhoキナーゼ阻害剤Y27632の存在下で凝集体形成が起こります。BMP4およびCHiRを添加した培地は、凝集体を中胚葉運命に向けて誘導するために使用される。中胚葉誘導培地は、VEGFAおよびフォルスコリン添加培地に置き換えられ、血管系譜に向かって凝集体を刺激する。コラーゲンIおよび可溶化基底膜マトリックスへの凝集体の埋め込み、およびVEGFAおよびFGF2含有培地への曝露によって達成される機械的および化学的キューは、凝集体からのほぼ放射状に対称な血管発芽をもたらす。生成された血管ネットワークは、コラーゲンIおよび可溶化された基底膜から除去され、さらなる成熟、分析、またはin vivoでの移植のために浮遊培養に入れることができる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:明視野下で捉えられたhBVO生成の段階的な進行。 (A)-1日目におけるhPSC(H9)コロニーの典型的な形態。(B)Y-27632の存在下での6ウェル超低接着プレート上でのhPSC凝集体の生成(0日目)。(C)BMP4およびChiR添加培地を用いた凝集体の中胚葉誘導(1日目)。凝集体の大きさや形状の微妙な変化も観察できます。(D)4日目の凝集体は、VEGFAおよびフォルスコリン添加培地を使用して血管系譜に向けてプライミングされた。(e)早期血管発芽7日目、凝集体を発芽マトリックスに包埋し、VEGFAおよびFGF2を添加した発芽培地に曝露した翌日(7日目)。(F)健康なオルガノイド形態と9日目の継続的な血管発芽。(G)10日目に発芽する後期血管。理想的には、オルガノイド中心の密な細胞構造はこの時までに消えています。(H)成熟(15日目)ヒト血管オルガノイドの典型的な形態。超低付着96ウェル培養プレートでの切断と成熟による周囲のマトリックスの除去は、容器ネットワークが内部に収容された状態で、オルガノイドを球状に成形します。スケールバー: (A、B、E、F) 250 μm;(C,D) 500 μm;(G,H) 200 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:成熟(15日目)ヒト血管オルガノイドの全マウント染色。 (A)自己組織化された内皮(CD31+、マゼンタ)ネットワークおよび周囲の周皮細胞(PDGFR-β+、シアン)およびアルファ平滑筋アクチン(SMA+、黄色)カバレッジを有する成熟(15日目)ヒト血管オルガノイドの提示。(B)血管網のSMA+(黄色)およびPDGFR-β+(シアン)発現を詳述するAのより高い倍率。(C)内皮(CD31+、マゼンタ)、周皮細胞(PDGFR-β+、シアン)、およびα平滑筋アクチン(SMA+、黄色)相互作用の詳細な提示。(D)血管内皮(CD31+、マゼンタ)-平滑筋(SMA+、黄色)の相互作用の断面(左)および成熟血管オルガノイドの高倍率(右)の全面染色。(E)壁細胞と内皮管の密接な関連による血管基底膜(Col IV+、グレースケール)の自己指向性形成。スケールバー: (A,D[左]) 100 μm;(B,D[右],E) 25 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
著者の経済的利益と発表されている研究との間に関係はありません。血管オルガノイド技術は、ステムセルテクノロジーズにライセンス供与されています。J.M.P.は、血管移植療法として血管オルガノイドを開発するアンギオスバイオテックの創設者兼株主です。この作業に関連する特許出願は、特許No.US20200199541A1、ライナーA.ウィマー、ジョセフM.ペニンガー、ドンチョケルジャシュキを発明者としてリストしています。
このプロトコルは、ヒト多能性および人工多能性幹細胞からの自己組織化血管の生成を記載する。これらの血管ネットワークは、周皮細胞、平滑筋アクチン、および連続した基底膜に囲まれた広範で接続された内皮ネットワークを示します。
重要な意見と議論をしてくれた研究室のすべてのメンバーに感謝します。JMPは、T. von Zastrow財団、FWFウィトゲンシュタイン賞(Z 271-B19)、オーストリア科学アカデミー、助成金契約No 101005026に基づく革新的医薬品イニシアチブ2共同事業(JU)、心臓血管研究におけるルダック大西洋横断ネットワーク、アレン研究所特別研究者プログラム、カナダ150研究椅子プログラムF18-01336、カナダ健康研究所COVID-19助成金F20-02343およびF20-02015から資金提供を受けました。
| 1メートルのHEPES | Gibco | 15630080 | |
| 2-メルカプトエタノール | ミリポア | 60-24-2 | |
| 7.5% 重炭酸ナトリウム | Gibco | 5080094 | |
| Accutase | Gibco | A1110501 | 細胞解離試薬 |
| アルブミン画分V(BSA) | AppliChem | A1391、0100 | |
| Alexa Fluor 488–抗ウサギIgG(Fab′)2 フラグメント | — | ジャクソンイムノリサーチ | 711-546-152 |
| アレクサフルーア488–抗羊IgG | — | ライフテクノロジー | ズA11015 |
| アレクサフルーア647–抗ヤギIgG(Fab′)2 フラグメント | — | ジャクソンイムノリサーチ | 705-606-147 |
| 自動セルカウンター | Invitrogen | Countess II | |
| B27 supplement | Gibco | 12587010 | |
| 生物学的安全キャビネット | より速い | SafeFAST Premium 212 | |
| BMP4 | Miltenyi BioTec | 130-111-165 | |
| CD31 | 内皮細胞 | DAKO | M0823 |
| CD31 | 内皮細胞 | R&D | AF806 |
| セルロース ワイプ | |||
| 遠心分離 | 機ヘレウス | マルチフュージ 4 KR | |
| CHIR99021 | トクリス バイオサイエンス | 4423 | |
| クリア マニキュア (エッセンス、ジェル、01 アブソリュート ピュア) | |||
| CO2 インキュベーター | ニューブランズウィック | ギャラクシー170S | |
| コラーゲンIV型 | 基底膜 | ミリポア | AB769 |
| 共焦点顕微鏡(10倍、20倍、63倍対物レンズ) | ライカ | SP8 | |
| ウンティングチャンバースライド-0.1%トリパンブルー | を含むInvitrogen | C10283 | |
| スリップ(22 x 50 mm) | |||
| Cy3–抗マウスIgG(Fab′)2 フラグメント | — | ジャクソンイムノリサーチ | 715-166-150 |
| DAPI | Sigma | D9542 | |
| DMEM/F12 | Gibco | 11330-032 | |
| ダルベッコ モードファイド イーグルズ ミディアム (DMEM) | シグマ | D5648-10L | |
| エッペンドルフ チューブ | |||
| ファルコン チューブ | フィッシャー サイエンティフィック | 14-432-22 | |
| 胎児 Bovien 血清 (FBS) | Gibco | 10270-106 | |
| FGF2 | Miltenyi BioTec | 130-093-841 | |
| ファイン フォーセプス | FST | 11254-20 | |
| フィッシャーブランド スーパーフロスト クリップ コーナースライドフィ | ッシャーサイエンティフィック | 12-550-016 | |
| フォルスコリン | Sigma | F3917 | |
| Geltrex LDEV-Free, hESC-Qualified, Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Fisher Scientific | A1413302 | |
| Glutamax | Gibco | 35050061 | |
| Ham's F12 | Gibco | 11765054 | |
| 水平層流ステーション (実体顕微鏡が BSC に収まらない場合) | Thermo Scientific | Heraguard | |
| 倒立型コントラスト組織培養顕微鏡 | ツァイス | Vert.A1 | |
| iSpacer | SunJinLab | IS009 | |
| ノックアウトDMEM/F12 | Gibco | 12660012 | |
| ノックアウトセラムリプレイスメント | Gibco | 10828028 | |
| N2 サプリメント | Gibco | 17502048 | |
| 神経基礎培地 | Gibco | 21103049 | |
| 非必須アミノ酸 (NEAAs) | Gibco | 11140035 | |
| Orbital Shaker | |||
| , Parafilm Paraformaldehyde | |||
| (4%), in PBS | Boston BioProducts | BM-155 | |
| PDGFR-β | ペリサイト | R&D | AF385 |
| PDGFR-&ベータ; | ペリサイト | 細胞シグナル伝達 | 3169S |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | Gibco | 15140122 | |
| pH インジケーターストリップ (6.5-10) | Mquant、ミリポア | 109543 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) | Gibco | 10010023 | |
| ピペット (P1000、P200、P20) | Gilson, Integra Pipetboy | ||
| Prime Surface-U 96 ウェルプレート | スミロン | MS9096-U | |
| PurCol | Advanced BioMatrix | 5005 | |
| RapiClear CS gel | SunJinLab | RCCS005 | |
| RapiClear CS マウントソリューション | SunJinLab | RCCS002 | |
| 血清ピペット (5、10、25 mL) | Falcon | 357529, 357530, 357515 | |
| SMA | vSMC/Pericyte | Sigma | 2547 |
| デオキシコール酸ナトリウム | Sigma | D6750 | |
| 水酸化ナトリウム溶液(NaOH、1.0 N) | Sigma | S2770 | |
| 可溶化基底膜マトリックス(すなわち、マトリゲル) | コーニング | 356231 | |
| ステンレス鋼マイクロスパチュラ(丸みを帯びた端) | フィッシャーサイエンティフィック | 21-401-5 | |
| ステンレス鋼スプーン(ダブルエンド) | フィッシャーサイエンティフィック | BelArt H367290018 | |
| ステムフレックスメディウム | Thermo Scientific | A3349401 | 幹細胞培養液 |
| StemPro-34 SFM | Gibco | 10639011 | 軟性無血清培地 |
| 実体顕微鏡 | Zeiss | Stemi 2000 | |
| 滅菌フィルターピペットチップ (1,000、300、20 μL) | Biozym、Surphob | VT0270、VT0250、VT0220 | |
| 組織培養–処理された12ウェルプレートTC | BDファルコン | 353043 | |
| 組織培養–処理された6ウェルプレート | エッペンドルフ | 30720113 | |
| トリトン X-100 | Sigma | 93420 | |
| Tryple Express Enzyme (1x), Phenol Red | Thermo Scientific | 12605010 | 哺乳類細胞解離酵素 |
| Tween 20 | Sigma | P7949 | |
| 超低アタッチメント 6ウェルプレート | コーニング | 3471 | |
| ベグファ | Peprotech | 100-20 | |
| ウォーターバス (37 °C;C) | フィッシャーサイエンティフィック | Isotemp 210 | |
| Y-27632 | Calbiochem | 688000 |