本プロトコルでは、ヒト人工多能性幹細胞を用いて血管オルガノイドを作製する方法を紹介します。
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本プロトコルでは、ヒト人工多能性幹細胞を用いて血管オルガノイドを作製する方法を紹介します。
ヒト多能性幹細胞(hPSCs)由来の血管オルガノイドは、血管の発達、疾患メカニズム、および薬物反応を研究するための強力な三次元モデルとして登場しました。現在の血管オルガノイド作製プロトコルでは、自己組織化する内皮細胞-ペリサイトネットワークの生成が可能ですが、バッチ間のばらつき、不均一なオルガノイド形成、および不十分なペリサイトの被覆が、再現性とスケーラビリティを損なう可能性があります。本研究では、再現性と構造的一貫性を向上させた、ヒト誘導多能性幹細胞(hiPSCs)からの血管オルガノイド生成のための最適化プロトコルを提示します。主な変更点には、胚様体形成条件の精緻化、中胚葉誘導および血管分化時における増殖因子の濃度とタイミングの最適化、ならびに堅牢なペリサイトの動員と内皮細胞-ペリサイト相互作用を促進する三次元培養条件の改善が含まれます。最適化されたオルガノイドは、PDGFR-β陽性ペリサイトによって一貫して包囲された、高度に分岐したCD31陽性内皮ネットワークを示し、元のプロトコルと比較してバッチ間のばらつきが大幅に減少しています。オルガノイドの生成、ホールマウント免疫蛍光染色による特性解析、および品質管理評価の詳細なステップバイステップの手順を提供します。この最適化された手法により、血管細胞の相互作用の研究、疾患モデルの構築、および化合物のスクリーニングに適した高品質な血管オルガノイドのスケールアップ生産が可能となり、このモデルシステムの導入を検討している研究室にとっての技術的ハードルが低くなります。
3次元(3D)オルガノイドは、従来の2次元細胞培養モデルと比較して優れた構造的バイオミミクリー(生体模倣)と病態生理学的関連性を備えており、ヒトの器官形成や疾患をin vitroでモデル化するための強力なツールとして台頭しています1,2。近年、ヒト多能性幹細胞(hPSC)由来のオルガノイドが、腸3、脳4,5、腎臓6、肝臓7,8、および網膜9を含む複数の組織型において構築されています。しかし、オルガノイドを用いた研究における大きな課題は、長期培養中の血管新生が不十分なことであり、これが低酸素状態や壊死を引き起こし、オルガノイドの拡大と分化を妨げる要因となります10,11。この制限を克服するため、血管ネットワークの形成を促進させる内皮細胞や間葉系幹細胞を組み込むなど、さまざまな共培養戦略が導入されてきました12,13。しかし、従来の2次元培養や動物モデルではヒトの血管生物学を完全に再現することはできず、一方で共培養アプローチは実験的な複雑さを増大させます14。したがって、自律的に血管新生が可能な血管オルガノイドは、ヒトへの適合性が高い有望な代替手段となります15。
血管ネットワークの形成には、血管新生(Vasculogenesis)と血管新生(Angiogenesis)の両方が関与しており、これらは血管内皮細胞と、ペリサイトや血管平滑筋細胞などの壁細胞との相互作用を通じて調整され、VEGF(血管内皮増殖因子)、TGF-β(変換増殖因子-β)、PDGF(血小板由来増殖因子)、およびアンジオポエチンを含む複数のシグナル分子によって厳密に制御されています16。2019年、Wimmerらは、hPSCから直接自己組織化する3D血管オルガノイドを生成する方法を確立しました17,18。このシステムでは、血管内皮細胞とペリサイトが同時に生成され、管腔形成と基底膜被覆を伴う微小血管ネットワークが形成されます。このプラットフォームに基づき、高グルコースおよび炎症性サイトカイン(TNF-αおよびIL-6)刺激下での糖尿病性血管症のモデルとして血管オルガノイドが利用されており、これらのオルガノイドは糖尿病微小血管病変の特徴である基底膜の肥厚を再現しています17。さらに、このモデルは遺伝性血管疾患の研究や、血管毒性スクリーニングのプラットフォームとしても利用されています19。より最近では、いくつかの手法研究において血管オルガノイド生成の最適化が試みられています。例えば、シングルセルRNAシーケンシングの進展により、MECOMやLEF1などの主要な調節因子が特定され、ヒト血管オルガノイド形成を特性評価および最適化するための分子的な枠組みが提供されました。また、Xuらは、均一な胚様体形成を促進するためにマイクロウェルを導入し、細胞生存率を向上させるためにCEPTカクテルを組み込むことで、バッチ間のばらつきを効果的に減少させました20。
血管オルガノイド作製の均質性、再現性、およびスループットを向上させるため、Wimmerら17,18によって記述された元のプロトコルを、いくつかの主要な制限に対処するために体系的に最適化した。第一に、元のプロトコルでは、胚様体形成のために低接着プレートを用いた自然凝集を採用しており、これが凝集体のサイズに大きなバッチ間変動をもたらし、結果として分化効率の不均一性を招く可能性がある。最適化されたプロトコルでは、凝集体形成中にポリビニルアルコール(PVA)とオービタルシェーキングを組み合わせることで、均一な細胞凝集を促進し、胚様体サイズの整合性を向上させている。第二に、元のプロトコルでは、血管ネットワーク形成段階において培地を完全に交換しているが、これにより成長因子の濃度に大幅な変動が生じ、持続的な血管出芽やペリサイトの動員が損なわれる可能性がある。対照的に、最適化されたプロトコルでは、各培地交換時に条件付け培地の3分の1を保持することで、内因性の血管新生促進因子を維持し、培養環境を安定させている。第三に、元のプロトコルでは、オルガノイドの単離と成熟の間に複数回のプレート移替が必要であり、ハンドリングの負担が増え、オルガノイドを喪失するリスクが高まる。最適化されたプロトコルでは、単離したオルガノイドを96ウェル低接着プレートの各ウェルに個別に移送することでこれらのステップを省略し、手順を簡略化してスループットを向上させている。総合的に、この最適化されたプロトコルは、詳細なステップバイステップの手順と重要な品質管理チェックポイントを提供することで、このモデルシステムの導入における技術的な障壁を下げ、血管発達、疾患メカニズム、およびハイスループット薬物スクリーニングの研究における血管オルガノイドのより幅広い応用を促進するものである。
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本研究におけるhPSCsの使用は、安徽大学生物医学倫理委員会(BECAHU_2026-010)によって承認されました。
1. ヒト人工多能性幹細胞の維持管理
注:ヒト人工多能性幹細胞(hiPSCs)をフィーダーフリー条件下で維持してください。すべての操作は、クラスII生物学的安全キャビネット内で無菌操作を用いて行ってください。
2. hiPSC凝集体の作製および分化
注:hiPSCsは、基底膜マトリックスでコーティングしたプレート上の化学的に定義されたhPSC維持培地を用い、フィーダーフリー条件下で維持すること。0.02% EDTAを用いて4〜5日ごとに細胞を継代する。血管分化効率を最大化するため、適切な播種密度とコロニーサイズを有し、自発的分化が最小限である培養細胞を使用すること。
3. 血管ネットワークおよびオルガノイドの作製
4. 血管オルガノイドの構築および染色の準備
5. 血管オルガノイドの染色および共焦点イメージング
6. 血管オルガノイドの定量的リアルタイムPCR分析
注:すべてのRNA抽出およびその後の一連の手順は、RNaseフリーの条件下で行ってください。
7. 統計解析
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ここで述べる最適化されたプロトコルにより、段階的な分化戦略を用いることで、hiPSCから約15日間で成熟した血管オルガノイドを生成することが可能になります(図 1A)。簡潔に述べると、まずオービタルシェーカーを用い、0.25% PVAを添加した低接着プレート内でhiPSC凝集体を形成させました(Day −1)。Day 0に、CHIR99021 (12 µM)およびBMP-4 (30 ng/mL)を用いて3日間の中胚葉誘導を行い、続いてVEGF-A (100 ng/mL)およびforskolin (2 µM)を用いて2日間の血管系への分化誘導を行いました(Day 3–5)。Day 5に、凝集体をコラーゲンI・基底膜マトリックスに包埋し、血管出芽を促進させるため、VEGF-A (100 ng/mL)、FGF-2 (100 ng/mL)、および15% FBSを添加したN2B27培地で培養しました。Day 10に、個々の血管ネットワークをゲルから分離し、さらなる成熟させるため、低接着96ウェルプレートに1ウェルあたり1つのオルガノイドとして移しました。Day 15までに、丸みを帯びて完...
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本稿で述べる最適化プロトコルでは、血管オルガノイド作製の均一性、再現性、および構造的完全性を向上させることを目的として、Wimmerら18によって当初確立された血管オルガノイド分化システムにいくつかの重要な改善を導入しています。元のプロトコルと比較して、最適化された手法では以下の側面において大幅な改善が図られています。第一に、凝集形成条件を最適化することで、胚様体の均一性が大幅に向上します。元のプロトコルでは、低接着6ウェルプレートを用いた自然凝集によりhiPSC凝集体を生成しており、NC8ラインでは1ウェルあたり2 × 105 cells、H9ラインでは1ウェルあたり5 × 105 cellsを播種し、重力による細胞凝集に依拠していました。この手法は、播種密度とインキュベーション時間の経験的な制御に大きく依存するため、凝集体のサイズにバッチ間のばらつきが生じていました。最適化プロトコルでは、凝集に低接着6ウェルプレートを継続して使用しつつ、凝集体の均一性を高めるために3つの変更を導入しました。(1) 安定した凝集に十分な細胞数を確保するため、1...
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著者らは、競合する金銭的利益がないことを宣言します。
本研究は、中国国家自然科学基金(NSFC)の若手科学者基金(C)(No. 32200655)および一般プログラム(No. 32270847)の支援を受けて行われました。また、著者らは安徽大学公共サービスプラットフォームの支援に感謝いたします。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.22 μm ボトルトップフィルター | Nalgene | FPE204030 | 培地および緩衝液の滅菌ろ過用 |
| 15 mL コニカルチューブ | SparkJade | GD0001 | 滅菌済み |
| 2 mL マイクロ遠心チューブ | Eppendorf | 22363204 | 滅菌済み |
| 2-メルカプトエタノール (1000×) | Gibco | 21985023 | ドラフトチャンバー内で使用 |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F2 フラグメント ドンキー抗ウサギ IgG (H+L) | Lablead | Y1104 | 二次抗体;1:300に希釈 |
| Alexa Fluor 594 AffiniPure F(ab′)2 フラグメント ドンキー抗ヤギ IgG (H+L) | Lablead | Y1007 | 二次抗体;1:300に希釈 |
| 抗CD31抗体 | Cell Signaling | 3528s | 一次抗体;ブロッキング緩衝液で1:100に希釈 |
| 抗 PDGFR β 抗体 | Zenbio | 347269 | 一次抗体;ブロッキング緩衝液で1:100に希釈 |
| 自動細胞カウンター | Life Technologies | Countess™ II | カウントチャンバースライドを含む |
| B27サプリメント (50×) | Gibco | 17504044 | N2B27培地用;4ºCで解凍し、分注して −20ºCで保存。凍結融解を避けること |
| ベンチトップ遠心機 | Zonkia | SC-3610 | スイングバケットローター付き |
| 生物安全キャビネット (クラスII) | Thermo Fisher | NA | NA |
| BMP4 | Proteintech | HZ-1045 | 滅菌 ddH2Oで 100 ng/μLに再構成し、分注して −20 °Cで保存 |
| ウシ血清アルブミン (BSA) | Biosharp | 9048-46-8 | ブロッキング緩衝液用 |
| CHIR99021 | MCE | HY-10182 | DMSOで 10 mM ストック溶液を調製し、−20ºCで最大1年間保存 |
| CO2 インキュベーター | Fisher Scientific | LS-CO150 | 37 ºC, 5% CO2, 加湿 |
| 共焦点イメージングディッシュ | Biosharp | BS-20-GJM | 染色後のイメージング用 |
| 共焦点顕微鏡 | LEICA | NA | 10×, 20×, 63× 対物レンズおよび ZEN ソフトウェアを搭載 |
| DMEM | Vivacell | C3113-0500 | Matrigel希釈およびコラーゲンI溶液用 |
| DMEM/F-12, GlutaMAX サプリメント | Gibco | 10565018 | Matrigel希釈およびN2B27培地用 |
| EDTA (0.5 M, pH 8.0) | Invitrogen | AM9260G | 継代用にPBSで0.02%に希釈 |
| 胎児ウシ血清 (FBS) | Gibco | 10270-106 | N2B27完全分化培地用 (最終濃度 15%) |
| FGF-2 | Novoprotein | C046 | 滅菌PBSで 1 mg/mL ストック溶液を調製し、分注して −20ºCで保存 |
| フォルスコリン | R&D Systems | 1099 | DMSOで 10 mM ストック溶液を調製し、−20ºCで保存 |
| HEPES (1M) | Gibco | 15630080 | コラーゲンI溶液用 |
| Hoechst | Beyotime | C1071S-4 | 脱イオン水で 1 mg/mL ストック溶液を調製し、分注して −20ºCで保存 |
| 倒立顕微鏡 | LEICA | DMIL LED | 日常的な細胞観察用 |
| Matrigel (成長因子低減) | STEEMA | BM05 | 分注後 −20ºCで保存し、凍結融解を避けること。氷上で操作すること |
| MEM 非必須アミノ酸溶液 (NEAA, 100×) | Gibco | 11140035 | N2B27培地用 |
| N2 サプリメント (100×) | Gibco | 17502048 | N2B27培地用;遮光して −20ºCで保存 |
| Neurobasal Medium | Gibco | 21103049 | N2B27培地用 |
| ヌクレアーゼフリーウォーター (DNase/RNase フリー) | Lablead | Doo55WJ | RNA/cDNA調製およびqPCR用 |
| オービタルシェーカー | Joan Lab | NA | 洗浄工程用 |
| パラホルムアルデヒド (4% 溶液) | Servicebio | G1101 | PBSで4%に希釈して固定に使用;ドラフトチャンバー内で使用 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン (100×) | Gibco | 15140122 | N2B27培地用 |
| PGM1 Medium | Cellapy | A1517001 | hiPSC拡大培地;遮光して 4ºCで保存、2週間安定 |
| PGM1 サプリメント (25×) | Cellapy | A1517101 | PGM1 基本培地と併用 |
| ポリビニルアルコール (PVA) | Sigma-Aldrich | P8136 | 凝集を促進させるため、PGM1で 0.25% (w/v) に溶解 |
| PureCol (ウシ I 型コラーゲン, 3 mg/mL) | Advanced BioMatrix | 5005 | コラーゲンI-Matrigel混合液用;バッチごとに重合能力をテストすること |
| qPCR サーマルサイクラー | Thermo Fisher | StepOnePlus™ | 融解曲線解析機能付き;リアルタイムPCR検出用 |
| 逆転写キット | Accurate Biology | AG11706 | 全RNAからのcDNA合成用;逆転写酵素、緩衝液、dNTP、ランダムプライマーを含むRTマスターミックスを含む |
| RNA抽出キット | Yeasen | 19221ES50 | 血管オルガノイドからの全RNA単離用;gDNA除去カラムおよび RNase-free DNase I を含む |
| 重炭酸ナトリウム (7.5%) | Gibco | 25080094 | コラーゲンI溶液用 |
| デオキシコール酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | D6750 | ブロッキング緩衝液用に、脱イオン水で 1% (w/v) 溶液を調製 |
| 水酸化ナトリウム (1.0 N) | Sigma-Aldrich | S2770 | コラーゲンI溶液の pH 調整用 |
| 滅菌使い捨てピペット (10 mL) | Bkmamlab | 110205007 | 個包装、滅菌済み |
| 滅菌フィルター付きピペットチップ (1000, 200, 20 μL) | Biozym | VT0270/VT0250/VT0220 | 滅菌済み、フィルター付き |
| 滅菌針 (30 G) | NA | NA | 血管ネットワークの解剖用 |
| 滅菌スパチュラ (丸型) | Fisher Scientific | 21-401-5 | ステンレス製 |
| SYBR Green マスターミックス | Accurate Biology | AG11733 | qPCR用 2× 濃度;ホットスタートDNAポリメラーゼ、緩衝液、dNTP、およびSYBR Green染料を含む |
| 組織培養処理済み 12ウェルプレート | BD Falcon | 353043 | ゲル包埋および血管ネットワーク培養用 |
| 組織培養処理済み 6ウェルプレート | Eppendorf | 30720113 | 標準 TC 処理済み |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9084 | ブロッキング緩衝液用 |
| トリパンブルー (0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | 細胞計数用 |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949 | 0.05% PBS-T 洗浄液用 |
| 超低接着 6ウェルプレート | Corning | 3471 | 凝集体の形成および分化用 |
| 超低接着 ラウンドボトム 96ウェルプレート | Beyotime | FULA962-6pcs | 血管オルガノイドの浮遊培養用 |
| VEGF-A | Proteintech | HZ-1038 | 滅菌PBSで 1 mg/mL ストック溶液を調製し、分注して −20ºCで保存 |
| ウォーターバス | Blue pard | HWS-24 | 37ºC |
| Y-27632 | MCE | HY-10071 | 滅菌PBSまたはDMSOで 10 mM ストック溶液を調製し、−20ºCで保存。作業濃度:5 μM (解凍時)、50 μM (凝集体形成時) |
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