본 프로토콜은 인간 유도만능줄기세포를 이용하여 혈관 오가노이드를 생성하는 방법을 제시합니다.
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본 프로토콜은 인간 유도만능줄기세포를 이용하여 혈관 오가노이드를 생성하는 방법을 제시합니다.
인간 다능성 줄기세포(hPSCs) 유래 혈관 오가노이드는 혈관 발달, 질환 기전 및 약물 반응을 연구하기 위한 강력한 3차원 모델로 부상했습니다. 기존의 혈관 오가노이드 프로토콜은 자가 조직화된 내피세포-pericyte 네트워크 형성을 가능하게 하지만, 배치 간 변동성, 일관성 없는 오가노이드 형성 및 불충분한 pericyte 피복률이 재현성과 확장성을 저해할 수 있습니다. 본 연구에서는 재현성과 구조적 일관성이 개선된 인간 유도 다능성 줄기세포(hiPSCs) 기반 혈관 오가노이드 생성 최적화 프로토콜을 제시합니다. 주요 개선 사항으로는 정교해진 배아체(embryoid body) 형성 조건, 중배엽 유도 및 혈관 분화 과정에서의 성장 인자 농도와 타이밍 최적화, 그리고 강력한 pericyte 모집 및 내피세포-pericyte 상호작용을 촉진하는 3차원 배양 조건의 개선이 포함됩니다. 최적화된 오가노이드는 PDGFR-β 양성 pericyte가 일관되게 감싸고 있는 고도로 분지된 CD31 양성 내피 네트워크를 나타내며, 기존 프로토콜 대비 배치 간 변동성이 유의미하게 감소했습니다. 오가노이드 생성, 전체 마운트 면역형광 특성 분석 및 품질 관리 평가를 위한 상세한 단계별 절차가 제공됩니다. 이 최적화된 방법은 혈관 세포 상호작용 연구, 질환 모델링 및 화합물 스크리닝에 적합한 고품질 혈관 오가노이드의 확장 가능한 생산을 가능하게 하여, 이 모델 시스템을 도입하려는 연구실의 기술적 진입 장벽을 낮춰줍니다.
3차원(3D) 오가노이드는 기존의 2차원 세포 배양 모델에 비해 우수한 구조적 생체 모사 능력과 병태생리학적 관련성을 제공하여, 인간 장기의 발달 및 질환을 in vitro에서 모델링하는 강력한 도구로 부상했습니다1,2. 최근 몇 년 동안 인간 다능성 줄기세포(hPSC) 유래 오가노이드는 장3, 뇌4,5, 신장6, 간7,8, 망막9을 포함한 여러 조직 유형에 대해 성공적으로 구축되었습니다. 하지만 오가노이드 기반 연구의 주요 과제는 장기 배양 중 혈관 형성 부족으로 인해 저산소증 및 괴사가 발생하여 오가노이드의 확장과 분화가 저해될 수 있다는 점입니다10,11. 이러한 한계를 해결하기 위해 혈관 네트워크 형성을 촉진하기 위해 내피세포나 중간엽 줄기세포를 통합하는 등 다양한 공배양 전략이 도입되었습니다12,13. 그러나 기존의 2차원 배양 및 동물 모델은 인간의 혈관 생물학을 완전히 재현하지 못하며, 공배양 방식은 실험적 복잡성을 가중시킵니다14. 따라서 자율적인 혈관 형성이 가능한 혈관 오가노이드는 인간과 밀접한 관련이 있는 유망한 대안을 제시합니다15.
혈관 네트워크 형성은 혈관 신생(vasculogenesis)과 혈관 생성(angiogenesis)을 모두 포함하며, 이는 내피세포와 주세포(pericytes) 및 혈관 평활근 세포와 같은 벽세포(mural cells) 간의 상호작용을 통해 조절되고, VEGF (vascular endothelial growth factor), TGF-β (transforming growth factor-β), PDGF (platelet-derived growth factor) 및 angiopoietins를 포함한 여러 신호 분자에 의해 엄격하게 조절됩니다16. 2019년, Wimmer과 동료들은 hPSC로부터 직접 자가 조립되는 3D 혈관 오가노이드를 생성하는 방법을 확립했습니다17,18. 이 시스템은 내피세포와 주세포를 동시에 생성하여, 루멘 형성 및 기저막 피복이 이루어진 미세혈관 네트워크를 만들어냅니다. 이러한 플랫폼을 기반으로, 고혈당 및 염증성 사이토카인 자극(TNF-α 및 IL-6) 하에서 당뇨성 혈관병증을 모델링하는 데 혈관 오가노이드가 사용되었으며, 이 오가노이드들은 당뇨성 미세혈관 병증의 특징인 기저막 증후를 재현합니다17. 또한, 이 모델은 유전성 혈관 질환을 연구하고 혈관 독성 스크리닝을 위한 플랫폼으로 활용되어 왔습니다19. 최근에는 혈관 오가노이드 생성을 최적화하기 위한 여러 방법론적 연구들이 수행되었습니다. 예를 들어, 단일 세포 RNA 시퀀싱의 발전으로 MECOM 및 LEF1과 같은 핵심 조절 인자들이 확인되었으며, 이를 통해 인간 혈관 오가노이드 형성의 특성화 및 최적화를 위한 분자적 틀이 제공되었습니다. 또한, Xu 등은 균질한 배아체(embryoid body) 형성을 촉진하기 위해 마이크로웰을 도입하고, 세포 생존력을 향상시키기 위해 CEPT 칵테일을 포함함으로써 배치 간 변동성을 효과적으로 줄였습니다20.
혈관 오가노이드 생성의 균질성, 재현성 및 처리량을 개선하기 위해, Wimmer 등이 설명한 기존 프로토콜17,18의 여러 핵심적인 한계점을 해결하고자 체계적인 최적화를 수행하였습니다. 첫째, 기존 프로토콜은 배아체 형성을 위해 저부착 플레이트에서 자연 응집 방식을 사용하는데, 이는 응집체 크기의 상당한 배치 간 변동을 초래하여 결과적으로 분화 효율의 불균질성을 유발할 수 있습니다. 최적화된 프로토콜에서는 응집체 형성 과정 중 폴리비닐 알코올(PVA)과 궤도 흔들기(orbital shaking)를 결합하여 균일한 세포 응집을 촉진하고 배아체 크기의 일관성을 개선하였습니다. 둘째, 기존 프로토콜은 혈관 네트워크 형성 단계에서 배지를 완전히 교체하는데, 이는 성장 인자 농도의 상당한 변동을 일으켜 지속적인 혈관 발아와 혈관주위세포(pericyte) 모집을 저해할 수 있습니다. 이와 대조적으로, 최적화된 프로토콜에서는 매 배지 교체 시 조건화 배지의 3분의 1을 유지하여 내인성 혈관 형성 촉진 인자를 보존하고 배양 환경을 안정화하였습니다. 셋째, 기존 프로토콜은 오가노이드 분리 및 성숙 과정에서 여러 번의 플레이트 전이가 필요하여, 핸들링 요구 사항이 많고 오가노이드 손실 위험이 큽니다. 최적화된 프로토콜에서는 분리된 오가노이드를 96-웰 저부착 플레이트의 각 웰로 개별 전이함으로써 이러한 단계를 생략하여 절차를 간소화하고 처리량을 높였습니다. 종합적으로, 본 최적화된 프로토콜은 상세한 단계별 절차와 핵심 품질 관리 체크포인트를 제공함으로써 이 모델 시스템 도입의 기술적 장벽을 낮추고, 혈관 발달, 질병 메커니즘 및 고처리량 약물 스크리닝 연구에서 혈관 오가노이드의 광범위한 활용을 촉진합니다.
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본 연구에서의 hPSC 사용은 안후이 대학교 생명의학 윤리 위원회(BECAHU_2026-010)의 승인을 받았습니다.
1. 인간 유도만능줄기세포의 유지 및 관리
참고: 인간 유도 만능 줄기세포(hiPSCs)를 무피더(feeder-free) 조건에서 배양하십시오. 모든 과정은 무균 조작법을 사용하여 Class II 생물안전작업대 내에서 수행하십시오.
2. hiPSC 응집체의 생성 및 분화
참고: hiPSC는 기저막 매트릭스로 코팅된 플레이트 위에서 화학적으로 정의된 hPSC 유지 배지를 사용하여 무피더(feeder-free) 조건으로 유지하십시오. 0.02% EDTA를 사용하여 4~5일마다 세포를 계대 배양하십시오. 혈관 분화 효율을 극대화하기 위해 적절한 파종 밀도와 콜로니 크기를 갖추고 자연 분화가 최소화된 배양물을 사용하십시오.
3. 혈관 네트워크 및 오가노이드 생성
4. 혈관 오가노이드 구축 및 염색 준비
5. 혈관 오가노이드의 염색 및 공초점 이미징
6. 혈관 오가노이드의 정량적 실시간 PCR 분석
참고: 모든 RNA 분리 및 후속 절차는 RNase-free 조건에서 수행하십시오.
7. 통계 분석
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여기에 설명된 최적화된 프로토콜은 단계별 분화 전략을 사용하여 약 15일 이내에 hiPSC로부터 성숙한 혈관 오가노이드를 생성할 수 있게 합니다 (그림 1A). 간단히 설명하면, 0.25% PVA가 첨가된 저부착 플레이트에서 오비탈 쉐이커를 사용하여 hiPSC 응집체를 생성했습니다 (Day −1). Day 0에 CHIR99021 (12 µM)과 BMP-4 (30 ng/mL)를 사용하여 3일 동안 중배엽 유도를 시작했으며, 이어서 VEGF-A (100 ng/mL)와 forskolin (2 µM)을 사용하여 2일 동안 혈관 계통 분화를 유도했습니다 (Days 3–5). Day 5에 응집체를 collagen I-기저막 매트릭스에 매립하고, 혈관 발아를 촉진하기 위해 VEGF-A (100 ng/mL), FGF-2 (100 ng/mL) 및 15% FBS가 첨가된 N2B27 배지에서 배양했습니다. Day 10에 개별 혈관 네트워크를 겔에서 분리하여 저부착 96-well 플레이트에 웰당 ...
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본 문서에서 설명하는 최적화된 프로토콜은 Wimmer 등이 처음 구축한 혈관 오가노이드 분화 시스템18에 몇 가지 핵심적인 개선 사항을 도입하여, 혈관 오가노이드 생성의 균질성, 재현성 및 구조적 무결성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 기존 프로토콜과 비교하여 최적화된 방법은 다음과 같은 측면에서 상당한 개선을 제공합니다. 첫째, 응집체 형성 조건을 최적화하여 배아체(embryoid bodies)의 균질성을 실질적으로 개선했습니다. 기존 프로토콜에서는 저부착 6-well 플레이트에서 자연 응집 방식을 사용하여 hiPSC 응집체를 생성했으며, NC8 라인의 경우 웰당 2 × 105 cells, H9 라인의 경우 웰당 5 × 105 cells를 분주하고 중력에 의존하여 세포 응집을 유도했습니다. 이 접근 방식은 분주 밀도와 배양 시간의 경험적 제어에 크게 의존하므로, 응집체 크기에서 배치 간 변동성이 발생합니다. 최적화된 프로토콜에서는 응집을 위해 ...
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저자들은 상충되는 재정적 이해관계가 없음을 밝힙니다.
본 연구는 중국 국가자연과학재단(NSFC)의 젊은 과학자 기금 (C) (No. 32200655) 및 일반 프로그램 (No. 32270847)의 지원을 받았습니다. 저자들은 또한 안후이 대학교 공공 서비스 플랫폼의 지원에 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.22 μm 보틀 탑 필터 | Nalgene | FPE204030 | 배지 및 버퍼의 멸균 여과용 |
| 15 mL 원뿔형 튜브 | SparkJade | GD0001 | 멸균됨 |
| 2 mL 마이크로원심분리 튜브 | Eppendorf | 22363204 | 멸균됨 |
| 2-Mercaptoethanol (1000×) | Gibco | 21985023 | 흄 후드 내 사용 |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Lablead | Y1104 | 2차 항체; 1:300으로 희석 |
| Alexa Fluor 594 AffiniPure F(ab′)2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Lablead | Y1007 | 2차 항체; 1:300으로 희석 |
| Anti-CD31 항체 | Cell Signaling | 3528s | 1차 항체; 블로킹 버퍼에서 1:100으로 희석 |
| Anti PDGFR β 항체 | Zenbio | 347269 | 1차 항체; 블로킹 버퍼에서 1:100으로 희석 |
| 자동 세포 계수기 | Life Technologies | Countess™ II | 계수 챔버 슬라이드 포함 |
| B27 보충제 (50×) | Gibco | 17504044 | N2B27 배지용; 4ºC에서 해동, 소분하여 −20ºC에 보관, 동결-해동 반복 피함 |
| 벤치탑 원심분리기 | Zonkia | SC-3610 | 스윙 버킷 로터 포함 |
| 생물안전작업대 (Class II) | Thermo Fisher | NA | 해당 없음 |
| BMP4 | Proteintech | HZ-1045 | 멸균 ddH2O로 100 ng/μL 농도로 재구성, 소분하여 −20 °C에 보관 |
| 소 혈청 알부민 (BSA) | Biosharp | 9048-46-8 | 블로킹 버퍼용 |
| CHIR99021 | MCE | HY-10182 | DMSO에서 10 mM 스톡으로 제조, −20ºC에서 최대 1년 동안 보관 |
| CO2 배양기 | Fisher Scientific | LS-CO150 | 37 ºC, 5% CO2, 습윤 상태 |
| 공초점 이미징 디쉬 | Biosharp | BS-20-GJM | 염색 후 이미징용 |
| 공초점 현미경 | LEICA | NA | 10×, 20×, 63× 대물렌즈 및 ZEN 소프트웨어 장착 |
| DMEM | Vivacell | C3113-0500 | Matrigel 희석 및 콜라겐 I 용액용 |
| DMEM/F-12, GlutaMAX 보충제 | Gibco | 10565018 | Matrigel 희석 및 N2B27 배지용 |
| EDTA (0.5 M, pH 8.0) | Invitrogen | AM9260G | 계대 배양을 위해 PBS로 0.02%까지 희석 |
| 소 태아 혈청 (FBS) | Gibco | 10270-106 | N2B27 완전 분화 배지용 (최종 15%) |
| FGF-2 | Novoprotein | C046 | 멸균 PBS에서 1 mg/mL 스톡으로 제조, 소분하여 −20ºC에 보관 |
| Forskolin | R&D Systems | 1099 | DMSO에서 10 mM 스톡으로 제조, −20ºC에 보관 |
| HEPES (1M) | Gibco | 15630080 | 콜라겐 I 용액용 |
| Hoechst | Beyotime | C1071S-4 | 탈이온수로 1 mg/mL 스톡으로 제조, 소분하여 −20ºC에 보관 |
| 도립 현미경 | LEICA | DMIL LED | 일상적인 세포 관찰용 |
| Matrigel (성장 인자 감소) | STEEMA | BM05 | 소분 후 −20ºC에 보관, 동결-해동 반복 피함, 얼음 위에서 취급 |
| MEM 비필수 아미노산 용액 (NEAA, 100×) | Gibco | 11140035 | N2B27 배지용 |
| N2 보충제 (100×) | Gibco | 17502048 | N2B27 배지용; 차광하여 −20ºC에 보관 |
| Neurobasal 배지 | Gibco | 21103049 | N2B27 배지용 |
| Nuclease-Free Water (DNase/Rnase Free) | Lablead | Doo55WJ | RNA/cDNA 준비 및 qPCR용 |
| 오비탈 쉐이커 | Joan Lab | NA | 세척 단계용 |
| 파라포름알데히드 (4% 용액) | Servicebio | G1101 | 고정을 위해 PBS로 4%까지 희석; 흄 후드 내 사용 |
| Penicillin-Streptomycin (100×) | Gibco | 15140122 | N2B27 배지용 |
| PGM1 배지 | Cellapy | A1517001 | hiPSC 증식 배지; 차광하여 4ºC에 보관, 2주간 안정적 |
| PGM1 보충제 (25×) | Cellapy | A1517101 | PGM1 기본 배지와 함께 사용 |
| 폴리비닐 알코올 (PVA) | Sigma-Aldrich | P8136 | 응집 촉진을 위해 PGM1에 0.25% (w/v)로 용해 |
| PureCol (Bovine Type I Collagen, 3 mg/mL) | Advanced BioMatrix | 5005 | 콜라겐 I-Matrigel 혼합물용; 배치별 중합 능력 테스트 |
| qPCR 열 순환기 | Thermo Fisher | StepOnePlus™ | 멜팅 커브 기능 포함; 실시간 PCR 검출용 |
| 역전사 키트 | Accurate Biology | AG11706 | 총 RNA로부터 cDNA 합성을 위해 사용; 역전사 효소, 버퍼, dNTP 및 랜덤 프라이머가 포함된 RT 마스터 믹스 포함 |
| RNA 추출 키트 | Yeasen | 19221ES50 | 혈관 오가노이드의 총 RNA 분리용; gDNA 제거 컬럼 및 RNase-free DNase I 포함 |
| 탄산수소나트륨 (7.5%) | Gibco | 25080094 | 콜라겐 I 용액용 |
| 소듐 데옥시콜레이트 | Sigma-Aldrich | D6750 | 블로킹 버퍼용으로 탈이온수에 1% (w/v) 용액으로 제조 |
| 수산화나트륨 (1.0 N) | Sigma-Aldrich | S2770 | 콜라겐 I 용액의 pH 조절용 |
| 멸균 일회용 피펫 (10 mL) | Bkmamlab | 110205007 | 개별 포장, 멸균됨 |
| 멸균 필터 피펫 팁 (1000, 200, 20 μL) | Biozym | VT0270/VT0250/VT0220 | 멸균됨, 필터 포함 |
| 멸균 바늘 (30 G) | NA | NA | 혈관 네트워크 해부용 |
| 멸균 스패튤라 (라운드 엔드) | Fisher Scientific | 21-401-5 | 스테인리스 스틸 |
| SYBR Green 마스터 믹스 | Accurate Biology | AG11733 | qPCR용 2× 농도; 핫스타트 DNA 폴리머라제, 버퍼, dNTP 및 SYBR Green 염료 포함 |
| 조직 배양 처리 12-웰 플레이트 | BD Falcon | 353043 | 겔 임베딩 및 혈관 네트워크 배양용 |
| 조직 배양 처리 6-웰 플레이트 | Eppendorf | 30720113 | 표준 TC 처리됨 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9084 | 블로킹 버퍼용 |
| 트리판 블루 (0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | 세포 계수용 |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949 | 0.05% PBS-T 세척 용액용 |
| 초저부착 6-웰 플레이트 | Corning | 3471 | 응집체 형성 및 분화용 |
| 초저부착 라운드 바텀 96-웰 플레이트 | Beyotime | FULA962-6pcs | 혈관 오가노이드의 현탁 배양용 |
| VEGF-A | Proteintech | HZ-1038 | 멸균 PBS에서 1 mg/mL 스톡으로 제조, 소분하여 −20ºC에 보관 |
| 항온수조 | Blue pard | HWS-24 | 37ºC |
| Y-27632 | MCE | HY-10071 | 멸균 PBS 또는 DMSO에서 10 mM 스톡으로 제조, −20ºC에 보관; 작동 농도: 5 μM (해동 시), 50 μM (응집체 형성 시) |
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