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* これらの著者は同等に貢献しました
このプロトコールは、ヒト多能性幹細胞を使用して血管オルガノイドを生成する方法を示します。
ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)に由来する血管オルガノイドは、ヒト血管ネットワークの細胞型の多様性と複雑な構造を再現しています。この3次元(3D)モデルは、血管病理モデリングや in vitro 薬物スクリーニングに大きな可能性を秘めています。近年の進歩にもかかわらず、一貫した品質のオルガノイドを再現性よく作製するという重要な技術的課題が残っており、これはダウンストリームのアッセイやアプリケーションにとって非常に重要です。ここでは、血管オルガノイド生成の均質性と再現性の両方を改善する修正されたプロトコルを示します。修正されたプロトコルには、マイクロウェルとCEPTカクテル(クロマン1、エムリカサン、ポリアミン、および統合ストレス応答阻害剤であるtrans-ISRIB)の使用が組み込まれており、胚様体の形成と細胞生存を改善します。このプロトコールを使用して作製した分化した成熟血管オルガノイドは、ホールマウント3D免疫蛍光顕微鏡によって特徴付けられ、その形態と複雑な血管系を解析します。このプロトコルにより、高品質な血管オルガノイドをスケーラブルな方法で作製することができ、疾患モデリングや薬物スクリーニングアプリケーションでの使用が容易になる可能性があります。
オルガノイド系やTissue-on-a-chip系などのin vitro微生理学的モデルが、過去10年間で登場しました1,2,3。これらの3次元(3D)ヒト細胞由来システムは、従来の2次元(2D)細胞培養および動物モデルにおける制限(生理学的微小環境における多くの成分の欠如や種間の遺伝的差異など)に対処します。従来のモデルよりも生理学的な洞察が得られ、疾患モデリングや薬物スクリーニングに適しています。ミクロ生理学的モデルの中で、ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)に由来するオルガノイドは、天然のヒト組織の構造的特徴を効果的に再現することが証明されており、脳4,5、腎臓6、肝臓7,8、網膜9などのさまざまなヒト臓器を模倣するように開発されています.ここでは、特にヒトiPS細胞からの血管オルガノイドの作製に焦点を当て、異なるオルガノイドサンプルやバッチ間のばらつきを最小限に抑え、全体的な再現性を向上させることを目的とした合理化されたプロトコールの概要を説明します。
血管系は、すべての人間の臓器の生理学的恒常性を維持する上で重要な役割を果たします。血管系の形成には、血管新生および血管新生の過程が関与し、内皮細胞と壁細胞(例えば、周皮細胞および血管平滑筋細胞)細胞との間の相互作用を通じて調整され、さまざまな刺激によって影響を受ける10。Penninger、Wimmerらは、これら2つのプロセスを模倣した最初の血管オルガノイド生成法11,12を開発した。この方法で生成されたオルガノイドにより、彼らのグループ12と私たち13,14は、血管オルガノイドが疾患の血管機能不全をモデル化する可能性を実証しました。例えば、最近の研究13,14では、疾患を模倣する血管オルガノイドとそれに対応する野生型オルガノイドとの間で、血管の発芽や壁細胞組成の変動など、異なる表現型が観察された。これらの例は、血管オルガノイドモデルが、疾患関連の血管機能不全を模倣することにより、薬物スクリーニングのプラットフォームとして役立つ可能性があることを強調しています。
初期の血管オルガノイド生成研究11,12に基づいて、同じオルガノイド生成バッチ内でしばしば見られる変動を最小限に抑えるための重要な要素である均質な胚様体(EB)形成を促進するためのマイクロウェルの使用を含む改訂されたプロトコルが提示されます。さらに、クロマン1、エムリカサン、ポリアミン、および統合ストレス応答阻害剤(trans-ISRIB)15を組み合わせたCEPTカクテルは、EB形成過程におけるhiPS細胞および分化細胞の生存率を改善するために用いられる。この変更は、主に異なるオルガノイドサンプルとバッチ間のばらつきを減らすためのものです。この約2週間のプロトコルでは、1日目に血管形成を誘導して内皮を原始的な尿細管網に組織化させ、続いて5日目に血管新生を誘導してオルガノイドに複雑な血管網を発達させるという、均一な血管オルガノイドを作製することができます。12-15日目に、生成されたオルガノイドは、内皮細胞と壁細胞の両方で構成される成熟した血管ネットワークを示すはずです。
図 1 は、このプロトコルに関連する手順の概要を示しています。このプロトコールで使用される試薬および材料に関する詳細な情報は、 材料の表に記載されています。特に指定がない限り、すべてのメディアは使用前に37°Cで予温することをお勧めします。すべての細胞培養材料と消耗品はオートクレーブ滅菌または滅菌済みで、細胞の取り扱いはバイオセーフティキャビネットで行う必要があります。さらに、コラーゲンI混合物のpH値は、固化の問題を避けるために、pH 7.3に慎重に調整する必要があります。
1. ヒトiPS細胞のメンテナンス
2. EB形成(0日目)
3. 血管分化(1日目 - 5日目)
4. ハイドロゲル包埋(5日目)
5. 3D 免疫蛍光染色法
図1Aは、各ステージで使用される主要なコンポーネントを含む、このプロトコルのスキームを示しています。分化はEB形成から始まり、中胚葉誘導と血管系譜の仕様が続きました(図1B-D)。凝集体は時間の経過とともに大きくなり、球形が少なくなりました。オルガノイドは5日目から粗いエッジを示し始めました。コラーゲンI基底膜マトリックス混合物に包埋された後、血管内皮細胞と周皮細胞は発芽して成長し、7日目には早くも複雑な血管網を形成しました(図1E)。この修正法の主な目的は、異なる世代のバッチ間のばらつきを最小限に抑えることであるため、2つの独立したバッチからEBサイズを測定し、サイズ測定と統計分析の両方で、この方法の一貫性と均一性を確認しました(図1F)。
血管の分化を検証するために、オルガノイドを包埋前の5日目に採取し、CD31、ERG1、PDGFRβなどの血管マーカーで染色しました。オルガノイドはCD31、ERG1、およびPDGFRβを発現し(図2)、血管内皮細胞と周皮細胞の存在を示しています。
組織をクリアした後、血管ネットワークをホールマウント免疫蛍光顕微鏡で分析しました(図3A)。成熟オルガノイドを、17日目(図3B、ゲルブロック内のサンプル)および28日目(図3C、サンプルをゲルブロックから取り出し、96ウェルプレートで個別に培養した;ゲルブロックから取り出した後、端部の血管網がスフェロイドを包み込むのではなく、ゲルブロックから取り出した後に放射状に拡大するのではなく、CD31、ERG1、PDGFRβで染色した)。
図1:血管オルガノイドの生成 (A)血管オルガノイド生成のステップとタイムラインのスキーム。(B-E)さまざまな段階の血管オルガノイドの代表的な明視野画像。スケールバー:100μm.(F)この研究で提示されたマイクロウェル法を使用した2つの異なるEB生成バッチからのEBサイズの統計分析。EB作製ではマイクロウェルあたり1,000細胞を使用し、バッチ1および2ではそれぞれn = 42およびn = 40を使用しました。有意性は ns として表され、有意ではありません。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:ゲル包埋前の血管オルガノイドの免疫染色。 内皮マーカー(A)CD31(緑)と(B)ERG1(緑)、および(C)周皮マーカーPDGFRβ(緑)でそれぞれ染色したオルガノイドの代表的な蛍光画像。核をDAPI(青)で対比染色しました。スケールバー:50μm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:血管オルガノイドにおける血管ネットワークの免疫蛍光特性評価。 (A)代表的な画像は、組織清浄後のガラス皿にゲルが埋め込まれた血管オルガノイドを示しています。オルガノイドは透明でしたが、385 nmのUV光の下で見えました。(B)17日目の血管オルガノイドの代表的な3Dホールマウント画像。血管オルガノイドは、DAPI(青)、血管内皮細胞マーカーCD31(緑)、および周皮細胞マーカーPDGFRβ(マゼンタ)で染色されました。(C)内皮マーカーCD31(赤)およびERG1(緑)で染色された、28日目に回収された血管オルガノイドの代表的なホールマウント3Dイメージング。スケールバー:150μm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。
hiPSC拡張媒体 | 500ミリリットル |
mTeSR Plus 基礎培地 | 400ミリリットル |
mTeSR Plusサプリメント | 100ミリリットル |
ゲンタマイシン(50 mg / mL) | 1 mLの |
表1:hiPSC増殖培地の組成。
hiPSC播種培地 | 20ミリリットル |
PSC拡張媒体 | 20ミリリットル |
クロマン1(100μM) | 10 μL |
エムリカサン (1 mM) | 30μL |
ポリアミンサプリメント(1000x) | 20μL |
trans-ISRIB (1 mM) | 14 μL |
表2:hiPSC播種培地の組成。
N2B27ミディアム | 100ミリリットル |
DMEM/F-12、GlutaMAXサプリメント | 48.6ミリリットル |
ニューロベースルミディアム | 48.6ミリリットル |
GlutaMAX サプリメント (100x) | 0.5ミリリットル |
MEM 非必須アミノ酸溶液 (NEAA, 100x) | 0.5ミリリットル |
2-メルカプトエタノール (1000x) | 0.1ミリリットル |
ゲンタマイシン(50 mg / mL) | 0.1ミリリットル |
N2サプリメント(100x) | 0.5ミリリットル |
ビタミンAを除いたB27サプリメント(50倍) | 1 mLの |
ヘパリン、4 kU/mL | 0.1ミリリットル |
表3:N2B27培地の組成。
中胚葉誘導培地(MIM) | 3ミリリットル |
N2B27ミディアム | 3ミリリットル |
BMP4 (100 ng/μL) | 0.9μL |
CHIR99021 (12 mM) | 3 μL |
表4:中胚葉誘導媒体(MIM)の組成。
血管分化培地1(VDM1) | 3ミリリットル |
N2B27ミディアム | 3ミリリットル |
フォルスクリン (12 mM) | 0.5μL |
VEGFA(100 ng/μL) | 3 μL |
表5:血管分化培地1(VDM1)の組成。
コラーゲンI.混合物 | 5ミリリットル |
コラーゲンI.(3.61g/mL) | 2.77ミリリットル |
10x DMEM/F12 ミディアム | 0.5ミリリットル |
重炭酸ナトリウム、7.5% | 0.5ミリリットル |
HEPES、1メートル | 0.5ミリリットル |
H2O(ヘリウム2O) | 0.73ミリリットル |
NaOH、1M | 75 μL |
表6:コラーゲンI混合物の組成。
コラーゲンI - 基底膜マトリックス混合物 | 6.5ミリリットル |
コラージュIミックス | 5ミリリットル |
マトリゲル(10 mg / mL) | 1.5ミリリットル |
表7:コラーゲンI基底膜マトリックス混合物の組成。
血管分化培地2(VDM2) | 5ミリリットル |
DMEM/F-12、GlutaMAX™サプリメント | 3.67ミリリットル |
ゲンタマイシン(50 mg / mL) | 5 μL |
MEM 非必須アミノ酸溶液 (NEAA, 100X) | 50 μL |
2-メルカプトエタノール (1000x) | 5 μL |
ヘパリン、4 kU/mL | 5 μL |
ノックアウトセラム交換 | 0.75ミリリットル |
FBSの | 0.5ミリリットル |
VEGFA(100 ng/μL) | 5 μL |
FGF2 (100 ng/μL) | 5 μL |
表8:血管分化培地2(VDM2)の組成。
ブロッキングバッファ | 50ミリリットル |
ロバの美容液 | 2.5ミリリットル |
トゥイーン 20 | 0.25ミリリットル |
トリトンX-100 | 0.25ミリリットル |
デオキシコール酸ナトリウム溶液(1%、wt/v) | 0.5ミリリットル |
PBSの | 46.5ミリリットル |
表9:免疫染色用ブロッキングバッファーの組成。
記載されているプロトコールには、高品質の血管オルガノイドを均一で再現性よく生成するための2つの主要な修飾が含まれています。最初の変更は、EB均一性をより適切に制御できるようにするためのマイクロウェルプレートの使用です。血管分化の出発点として、EBのサイズは幹細胞の運命とさまざまな系統に対する分化効果を調節するため、非常に重要です。EBサイズの変動は、通常、一貫性のない構造と組織を持つ不均一なオルガノイドにつながります16,17。従来のhiPSCコロニー11,12をリフティングするEB作製法は、個々のEBの細胞数の制御を困難にし、通常、不均一なEB形成をもたらす。このプロトコルでは、hiPSCは単一細胞懸濁液に解離され、マイクロウェル16,18に再凝集されます。播種細胞数を調整することにより、EBのサイズを最適化し、一貫性のある効果的な中胚葉分化を確保できます。マイクロウェル播種には、500〜1,000個の細胞が使用され、これにより比較的小さなEB(直径100〜200μm)が得られます。この方法は、バッチ間(図1F)および種々の細胞株13間で、所望のサイズで均一なEBを再現性よく生成することができる。0日目以降、EBの形態は分化中に時間とともに変化し、形状は球形が少なくなり、表面は粗くなります(図1)が、体積は大幅に増加しません。3D血管系の形態は、包埋密度と埋埋蔵されるオルガノイドのサイズに依存します。大きすぎる(>500 μm)オルガノイドは通常、血管細胞の分化が不十分であり、小さすぎるオルガノイドは血管系が未発達になる傾向があります。
2 つ目の変更は、EB 形成中の hiPSC の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す。このプロセスでは、細胞の生存率だけでなく、hiPSCコロニーの品質も重要です。ヒトiPS細胞が単一細胞懸濁液に解離すると、通常、細胞生存率を向上させるためにROCK阻害剤Y27632が添加されます。しかし、Y27632は低密度のhiPSCに対して最適ではないことが示されており、望ましくない膜ストレスを引き起こす可能性がある一方で、CEPTカクテル(クロマン1、エムリカサン、ポリアミン、トランスISRIBで構成)は、低密度のhiPSCsを用いたこのEB形成過程における細胞ストレスを大幅に軽減し、生存率を向上させることができる15。
ゲルにオルガノイドを埋め込む前に、オルガノイドはマイクロウェルプレートに保持され、起こりうる混乱を避けるために培地の交換は穏やかに行う必要があります。最初の5日間は、200μLのピペットを使用して培地を交換するのが良いでしょう。血管オルガノイドの生成に使用するすべての培地は、使用前に予温する必要があります。特にゲル包埋後、コールドメディアを使用すると、基底膜マトリックスが部分的に液化し、血管ネットワーク形成のための3Dハイドロゲルニッチに影響を与える可能性があります。オルガノイドの包埋密度と均一な分布も、血管ネットワーク形成にとって重要な要素です。オルガノイドの埋め込みが密集していると、血管網が過剰に融合する可能性があり、埋め込み密度が低いとネットワーク形成が不十分になる可能性があります。ウェルあたり60〜80個のオルガノイドを播種し、3Dゲルの最初の層にオルガノイドを添加した直後にプレートを前後にゆっくりと動かすと、これらのオルガノイドをよりよく分布させることができます。
このプロトコルは、さまざまなアプリケーションに合わせてさらに変更できます。例えば、血液脳関門(BBB)の手がかりを適用して、血管内皮細胞がBBB界面19、20、21、22、23、24、25の形成からさらに抑制することができる。3Dヒドロゲルの組成も調整できます。例えば、フィブリンおよびビトロネクチンは、in vitroで血管網形成に一般的に使用される25,26,27,28,29,30,31,32。コラーゲンIを含まない基底膜マトリックスは、埋め込みプロセスを簡素化し、さまざまな機械的刺激を提供することができる埋め込みに使用できます。
このプロトコールから生成された血管オルガノイドは、疾患モデリングや薬物スクリーニングアプリケーションに使用できる可能性がありますが、1つの制限は、これらのオルガノイドは主に毛細血管系を再現するだけで、大きな血管はほとんどないことです。より大きな血管に焦点を当てた研究のために、オルガノイドの生成は追加の機械的刺激を必要とするかもしれない24,31,32,33。血管オルガノイドを動物への移植34や灌流ポンプ33を備えたマイクロ/マクロ流体デバイスなどの再循環と接続することで、これに対処できる可能性がある。
著者は、競合する金銭的利益を宣言しません。
コロンビア大学のHerbert Irving Comprehensive Cancer Centerの共焦点顕微鏡および特殊顕微鏡共有リソースからの技術サポートに感謝します。これは、NIH Center Grant(P30CA013696)を通じて一部資金提供されています。この研究は、NIH(R21NS133635、Y.-H.L.;UH3TR002151、K. W. L.)。図 1A は BioRender を使用して作成しました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Mercaptoethanol (1000x) | Gibco | 21985023 | |
Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | reconstitute with 0.25 mL 50% glycerol, store at -20 °C for up to 1 year, dilution ratio for use: 1:1000 |
Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | reconstitute with 0.25 mL 50% glycerol, store at -20°C for up to 1 year, dilution ratio for use: 1:1000 |
B27 supplement minus vitamin A (50x) | Gibco | 12587010 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20 °C, avoid freeze-thaw cycle |
BMP4 | ProSpec | CYT-081 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20 °C |
CD31 antibody | abcam | ab28364 | dilution ratio: 1:400 |
Centrifuge | Eppendorf | 022626001 | |
CHIR99021 | Tocris Bioscience | 4423/10 | make the stock solution at 12 mM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | make the stock solution at 100 µM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
Collagen I | Corning | 40236 | |
Confocal Microscope | Nikon | AXRMP/Ti2 | |
Corning Elplasia Plates | Corning | 4441 | |
Countess II FL automated cell counter | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Gibco | 10565018 | |
DMEM/F-12, powder | Gibco | 12500062 | make 10x stock solution with biograde ddH2O and sterilize it with a 0.2 µm filter. Store at 4 °C. |
Edi042A | Cedars Sinai | ||
Emricasan | Medchemexpress LLC | HY1039610MG | make the stock solution at 1 mM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
ERG antibody | Cell Singali Technology | 97249 | dilution ratio: 1:400 |
Fetal Bovine Serum - Premium | Atlanta Biologicals | S11150 | thaw at 4 °C and aliquot, store at -20 °C for up to five years, or store at 4 °C for up to a month |
FGF2 | ProSpec | CYT557 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20 °C |
Fluorodish Cell Culture Dish | World Precision Instruments | FD35-100 | |
Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | reconstitute with DMSO at a concentration of 12 mM, aliquot and store at -20 °C |
Gentamicin (50 mg/mL) | Gibco | 15710064 | |
GlutaMAX supplement (100x) | Gibco | 35050061 | |
Heparin, 100 kU | MilliporeSigma | 375095100KU | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 4 kU/mL |
HEPES (1 M) | Gibco | 15630080 | |
Incubator | Thermo Scientific | 13998123 | |
Knockout Serum Replacement | Gibco | 10828028 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
Matrigel, GFR Basement Membrane Matrix | Corning | 356230 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -80°C, avoid freeze-thaw cycle |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (NEAA, 100x) | Gibco | 11140050 | |
Molecular Biology Grade Water | Corning | 46000CV | |
mTeSR plus kit | STEMCELL Technologies | 1001130 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
N2 supplement (100x) | Gibco | 17502048 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
NaOH solution (1 M) | Cytiva HyClone | SH31088.01 | |
NeuroBasal medium | Gibco | 21103049 | |
NIS-Elements, ver 5.42 | Nikon | ||
Normal Donkey Serum | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | reconstitute with 10 mL sterile ddH2O, store at 4 °C for up to two weeks |
paraformaldehyde, 20% | Electron Microscopy Sciences | 15713S | dilute with PBS |
PBST, 20x | Thermofisher | 28352 | |
PDGFRβ antibody | R&D | AF385 | dilution ratio: 1:400 |
polyamine supplement (1000x) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
Rapiclear clearing reagent, 1.49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
Sodium Bicarbonate (7.5%) | Gibco | 25080094 | |
Sodium deoxycholate monohydrate | Thermofisher | J6228822 | dissolve with ddH2O for 1% (wt/v) stock solution |
TBST, 20x | Thermofisher | 28360 | |
trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | make the stock solution at 1 mM with DMSO, and store at -20°C for up to 1 year. |
Tritin X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
Trypan Blue Stain (0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949-100ML | |
VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20°C |
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