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Blood vessel organoids are an important in vitro model to understand the underlying mechanisms of human blood vessel development and for toxicity testing or high throughput drug screening. Here we present a novel, cost-effective, and easy to manufacture vascular organoid model. To engineer the organoids, a defined number of human induced pluripotent stem cells are seeded in non-adhesive agarose coated wells of a 96-well plate and directed towards a lateral plate mesoderm fate by activation of Wnt and BMP4 signaling. We observe the formation of a circular layer of angioblasts around days 5–6. Induced by VEGF application, CD31\(^+\) vascular endothelial cells appear within this vasculogenic zone at approximately day 7 of organoid culture. These cells arrange to form a primitive vascular plexus from which angiogenic sprouting is observed after 10 days of culture. The differentiation outcome is highly reproducible, and the size of organoids is scalable depending on the number of starting cells. We observe that the initial vascular ring forms at the interface between two cell populations. The inner cellular compartment can be distinguished from the outer by the expression of GATA6, a marker of lateral plate mesoderm. Finally, 14-days-old organoids were transplanted on the chorioallantois membrane of chicken embryos resulting in a functional connection of the human vascular network to the chicken circulation. Perfusion of the vessels leads to vessel wall maturation and remodeling as indicated by the formation of a continuous layer of smooth muscle actin expressing cells enwrapping the endothelium. In summary, our organoid model recapitulates human vasculogenesis, angiogenesis as well as vessel wall maturation and therefore represents an easy and cost-effective tool to study all steps of blood vessel development and maturation directly in the human setting without animal experimentation.
Zerebrovaskuläre kavernöse Malformationen (CCM) sind Blutgefäßfehlbildungen, welche hauptsächlich im Gehirn vorkommen. Sie sind gekennzeichnet durch stark dilatierte kapillarähnliche Gefäße mit niedriger Flussrate („slow-flow lesions“). Intervenierendes Gehirnparenchym fehlt ebenso wie Perizyten oder glatte Gefäßmuskelzellen. Die klinischen Symptome reichen von starken Kopfschmerzen über Epilepsie bis hin zum Schlaganfall. Dennoch bleiben viele Kavernomträger aufgrund unvollständiger Penetranz ihr Leben lang asymptomatisch. Die Prävalenz beträgt ca. 0,5% in der Gesamtbevölkerung. Es gibt sowohl sporadische als auch dominant vererbte Krankheitsformen. In den letzten Jahren konnten 3 Gene ursächlich mit der Krankheit in Verbindung gebracht werden. Mutationen in CCM1, CCM2 oder CCM3 führen zu einem nicht unterscheidbaren klinischen Phänotyp. Alle drei Proteine bilden einen ternären Komplex in vitro, was eine Beteiligung an einem gemeinsamen molekularen Signalweg bekräftigt. Während die Proteine CCM1 und CCM2 in den letzten Jahren umfangreich erforscht wurden, ist über das CCM3-Protein bis heute wenig bekannt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass CCM3 eine wichtige Rolle in der Angiogenese spielt und diese bei Überexpression in humanen Endothelzellen stark negativ reguliert: die Migration, die Proliferation und die Fähigkeit, kapillarähnliche Strukturen in Matrix-Gelen zu bilden kommt nahezu zum Erliegen. Ein gegenläufiger Effekt nach siRNA induziertem Knock-down von CCM3 war weniger stark ausgeprägt. Einzig die Fähigkeit, gefäßähnliche Strukturen in Matrigelen zu bilden, war erhöht. Um weiterhin Klarheit über die intrazellulären, von CCM3 beeinflussten Signalwege zu schaffen, wurden Tyrosin Kinase Arrays durchgeführt, bei welchen CCM3-überexprimierende HUVEC Lysate mit Kontrolllysaten verglichen wurden. Dabei stellte sich heraus, dass 5 Substrate signifikant erhöht phosphoryliert wurden: der Discoidin Domänen Rezeptor 1 (discoidin domain receptor; DDR1), die duale spezifitätstyrosinphosphorylierungsregulierte Kinase 1A (dual specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 1A; DYR1A), die Protoonkogen Tyrosin- Protein Kinase FER (proto-oncogene tyrosine-protein kinase FER; FER), die fynbezogene Kinase (Fyn-related kinase; FRK) und die phosphoinositolabhängige Kinase 1 (Phosphoinositide-dependent kinase 1, PDPK-1). Im Folgenden bestätigten Western Blot, dass die Überexpression von CCM3 in Endothelzellen die phosphoinositolabhängige Kinase 1 und die nachgeschaltete Serin-Threonin Kinase Akt/PBK aktiviert, welche ein bedeutsames Überlebenssignal der Zelle darstellt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass CCM3 nicht nur antiangiogen, sondern auch antiapoptotisch wirkt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass CCM3 für die Integrität des ruhenden, adulten Endothelbettes wichtig ist.
Although decision making strategy based on clinico-histopathological criteria is well established, renal cell carcinoma (RCC) represents a spectrum of biological ecosystems characterized by distinct genetic and molecular alterations, diverse clinical courses and potential specific therapeutic vulnerabilities. Given the plethora of drugs available, the subtype-tailored treatment to RCC subtype holds the potential to improve patient outcome, shrinking treatment-related morbidity and cost. The emerging knowledge of the molecular taxonomy of RCC is evolving, whilst the antiangiogenic and immunotherapy landscape maintains and reinforces their potential. Although several prognostic factors of survival in patients with RCC have been described, no reliable predictive biomarkers of treatment individual sensitivity or resistance have been identified. In this review, we summarize the available evidence able to prompt more precise and individualized patient selection in well-designed clinical trials, covering the unmet need of medical choices in the era of next-generation anti-angiogenesis and immunotherapy.
Bioactive glass (BG) scaffolds are being investigated for bone tissue engineering applications because of their osteoconductive and angiogenic nature. However, to increase the in vivo performance of the scaffold, including enhancing the angiogenetic growth into the scaffolds, some researchers use different modifications of the scaffold including addition of inorganic ionic components to the basic BG composition. In this study, we investigated the in vitro biocompatibility and bioactivity of Cu2+-doped BG derived scaffolds in either BMSC (bone-marrow derived mesenchymal stem cells)-only culture or co-culture of BMSC and human dermal microvascular endothelial cells (HDMEC). In BMSC-only culture, cells were seeded either directly on the scaffolds (3D or direct culture) or were exposed to ionic dissolution products of the BG scaffolds, kept in permeable cell culture inserts (2D or indirect culture). Though we did not observe any direct osteoinduction of BMSCs by alkaline phosphatase (ALP) assay or by PCR, there was increased vascular endothelial growth factor (VEGF) expression, observed by PCR and ELISA assays. Additionally, the scaffolds showed no toxicity to BMSCs and there were healthy live cells found throughout the scaffold. To analyze further the reasons behind the increased VEGF expression and to exploit the benefits of the finding, we used the indirect method with HDMECs in culture plastic and Cu2+-doped BG scaffolds with or without BMSCs in cell culture inserts. There was clear observation of increased endothelial markers by both FACS analysis and acetylated LDL (acLDL) uptake assay. Only in presence of Cu2+-doped BG scaffolds with BMSCs, a high VEGF secretion was demonstrated by ELISA; and typical tubular structures were observed in culture plastics. We conclude that Cu2+-doped BG scaffolds release Cu2+, which in turn act on BMSCs to secrete VEGF. This result is of significance for the application of BG scaffolds in bone tissue engineering approaches.
Pathological angiogenesis promotes tumor growth, metastasis, and atherosclerotic plaque rupture. Macrophages are key players in these processes. However, whether these macrophages differentiate from bone marrow-derived monocytes or from local vascular wall-resident stem and progenitor cells (VW-SCs) is an unresolved issue of angiogenesis. To answer this question, we analyzed vascular sprouting and alterations in aortic cell populations in mouse aortic ring assays (ARA). ARA culture leads to the generation of large numbers of macrophages, especially within the aortic adventitia. Using immunohistochemical fate-mapping and genetic in vivo-labeling approaches we show that 60% of these macrophages differentiate from bone marrow-independent Ly6c\(^{+}\)/Sca-1\(^{+}\) adventitial progenitor cells. Analysis of the NCX\(^{−/-}\) mouse model that genetically lacks embryonic circulation and yolk sac perfusion indicates that at least some of those progenitor cells arise yolk sac-independent. Macrophages represent the main source of VEGF in ARA that vice versa promotes the generation of additional macrophages thereby creating a pro-angiogenetic feedforward loop. Additionally, macrophage-derived VEGF activates CD34\(^{+}\) progenitor cells within the adventitial vasculogenic zone to differentiate into CD31\(^{+}\) endothelial cells. Consequently, depletion of macrophages and VEGFR2 antagonism drastically reduce vascular sprouting activity in ARA. In summary, we show that angiogenic activation induces differentiation of macrophages from bone marrow-derived as well as from bone marrow-independent VW-SCs. The latter ones are at least partially yolk sac-independent, too. Those VW-SC-derived macrophages critically contribute to angiogenesis, making them an attractive target to interfere with pathological angiogenesis in cancer and atherosclerosis as well as with regenerative angiogenesis in ischemic cardiovascular disorders.
Das Arbeitsgebiet Tissue Engineering befasst sich mit der Klärung der Mechanismen, die der Funktionen verschiedener Gewebearten zu Grunde liegen sowie mit der Entwicklung alternativer Strategien zur Behandlung von Organversagen bzw. Organverlusten. Einer der kritischsten Punkte im Tissue Engineering ist die ausreichende Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und Sauerstoff. Bioartifizielle Gewebe mit einer Dicke von bis zu 200 µm können mittels Diffusion ausreichend versorgt werden. Für dickere Transplantate ist die Versorgung der Zellen alleine durch Diffusion jedoch nicht gegeben. Hierfür müssen Mechanismen und Strategien zur Prävaskularisierung der artifiziellen Gewebekonstrukte entwickelt werden, damit die Nährstoff- und Sauerstoffversorgung aller Zellen, auch im Inneren des Transplantates, von Anfang an gewährleistet ist. Eine wichtige Rolle bei der Prävaskularisierung spielt die Angiogenese. Dabei ist die Wahl einer geeigneten Zellquelle entscheidend, da die Zellen die Basis für die Angiogenese darstellen. Mikrovaskuläre Endothelzellen (mvEZ) sind maßgeblich an der Angiogenese beteiligt. Das Problem bei der Verwendung von humanen primären mvEZ ist ihre geringe Verfügbarkeit, ihre limitierte Proliferationskapazität und der schnelle Verlust ihrer typischen Endothelzellmarker in-vitro. Der Aufbau standardisierter in-vitro Testsysteme ist durch die geringe Zellausbeute auch nicht möglich. Die upcyte® Technologie bietet hierfür einen Lösungsansatz. In der vorliegenden Arbeit konnten upcyte® mvEZ als Alternative zu primären mvEZ generiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Zellen eine erweiterte Proliferationsfähigkeit aufweisen und im Vergleich zu primären mvEZ durchschnittlich 15 zusätzliche Populationsverdopplungen leisten können. Dadurch ist es möglich 3x104-fach mehr upcyte® mvEZ eines Spenders zu generieren verglichen mit den korrespondierenden Primärzellen. Die gute und ausreichende Verfügbarkeit der Zellen macht sie interessant für die Standardisierung von in-vitro Testsystemen, ebenso können die Zellen zur Prävaskularisierung von Transplantaten eingesetzt werden. Upcyte® mvEZ zeigen zahlreiche Primärzellmerkmale, die in der Literatur beschrieben sind. Im konfluenten Zustand zeigen sie die für primäre mvEZ spezifische pflastersteinartige Morphologie. Darüber hinaus exprimieren upcyte® mvEZ typische Endothelzellmarker wie CD31, vWF, eNOS, CD105, CD146 und VEGFR-2 vergleichbar zu primären mvEZ. Eine weitere endothelzellspezifische Eigenschaft ist die Bindung von Ulex europaeus agglutinin I Lektin an die alpha-L-Fucose enthaltene Kohlenhydratstrukturen von mvEZs. Auch hier wurden upcyte® Zellen mit primären mvEZ verglichen und zeigten die hierfür charkteristischen Strukturen. Zusätzlich zu Morphologie, Proliferationskapazität und endothelzellspezifischen Markern, zeigen upcyte® mvEZ auch mehrere funktionelle Eigenschaften, welche in primären mvEZ beobachtet werden können, wie beispielsweise die Aufnahme von Dil-markiertem acetyliertem Low Density Lipoprotein (Dil-Ac-LDL) oder die Fähigkeit den Prozess der Angiognese zu unterstützen. Zusätzlich bilden Sphäroide aus upcyte® mvEZ dreidimensionale luminäre Zellformationen in einer Kollagenmatrix aus. Diese Charakteristika zeigen den quasi-primären Phänotyp der upcyte® mvEZs. Upcyte® mvEZ stellen darüber hinaus eine neuartige mögliche Zellquelle für die Generierung prävaskularisierter Trägermaterialien im Tissue Engineering dar. In der vorliegenden Arbeit konnte die Wiederbesiedlung der biologisch vaskularisierte Matrix (BioVaSc) mit upcyte® mvEZ vergleichbar zu primären mvEZ gezeigt werden. Der Einsatz von upcyte® mvEZ in der BioVaSc stellt einen neuen, vielversprechenden Ansatz zur Herstellung eines vaskularisierten Modells für Gewebekonstrukte dar, wie beispielsweise einem Leberkonstrukt. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass upcyte® mvEZ vergleichbar zu primären mvEZs sind und somit eine geeignete Alternative für die Generierung prävaskulierter Trägermaterialien und Aufbau von in-vitro Testsystemen darstellen. Darüber hinaus wurde ein neues, innovatives System für die Generierung einer perfundierten, mit Endothelzellen wiederbesiedelten Matrix für künstliches Gewebe in-vitro entwickelt.
Augmenting the vascular supply to generate new tissues, a crucial aspect in regenerative medicine, has been challenging. Recently, our group showed that calcium phosphate can induce the formation of a functional neo-angiosome without the need for microsurgical arterial anastomosis. This was a preclinical proof of concept for biomaterial-induced luminal sprouting of large-diameter vessels. In this study, we investigated if sprouting was a general response to surgical injury or placement of an inorganic construct around the vessel. Cylindrical biocement scaffolds of differing chemistries were placed around the femoral vein. A contrast agent was used to visualize vessel ingrowth into the scaffolds. Cell populations in the scaffold were mapped using immunohistochemistry. Calcium phosphate scaffolds induced 2.7–3 times greater volume of blood vessels than calcium sulphate or magnesium phosphate scaffolds. Macrophage and vSMC populations were identified that changed spatially and temporally within the scaffold during implantation. NLRP3 inflammasome activation peaked at weeks 2 and 4 and then declined; however, IL-1β expression was sustained over the course of the experiment. IL-8, a promoter of angiogenesis, was also detected, and together, these responses suggest a role of sterile inflammation. Unexpectedly, the effect was distinct from an injury response as a result of surgical placement and also was not simply a foreign body reaction as a result of placing a rigid bioceramic next to a vein, since, while the materials tested had similar microstructures, only the calcium phosphates tested elicited an angiogenic response. This finding then reveals a potential path towards a new strategy for creating better pro-regenerative biomaterials.
Background: In the phase III AVAGAST trial, the addition of bevacizumab to chemotherapy improved progression-free survival (PFS) but not overall survival (OS) in patients with advanced gastric cancer. We studied the role of Angiopoietin-2 (Ang-2), a key driver of tumour angiogenesis, metastasis and resistance to antiangiogenic treatment, as a biomarker.
Methods: Previously untreated, advanced gastric cancer patients were randomly assigned to receive bevacizumab (n = 387) or placebo (n = 387) in combination with chemotherapy. Plasma collected at baseline and at progression was analysed by ELISA. The role of Ang-2 as a prognostic and a predictive biomarker of bevacizumab efficacy was studied using a Cox proportional hazards model. Logistic regression analysis was applied for correlations with metastasis. Results: Median baseline plasma Ang-2 levels were lower in Asian (2143 pg ml\(^-\)\(^1\)) vs non-Asian patients (3193 pg ml\(^-\)\(^1\)), P<0.0001. Baseline plasma Ang-2 was identified as an independent prognostic marker for OS but did not predict bevacizumab efficacy alone or in combination with baseline VEGF. Baseline plasma Ang-2 correlated with the frequency of liver metastasis (LM) at any time: Odds ratio per 1000 pg ml\(^-\)\(^1\) increase: 1.19; 95% CI 1.10-1.29; P<0.0001 (non-Asians) and 1.37; 95% CI 1.13-1.64; P = 0.0010 (Asians).
Conclusions: Baseline plasma Ang-2 is a novel prognostic biomarker for OS in advanced gastric cancer strongly associated with LM. Differences in Ang-2 mediated vascular response may, in part, account for outcome differences between Asian and non-Asian patients; however, data have to be further validated. Ang-2 is a promising drug target in gastric cancer.
Tumor angiogenesis is a process which is traditionally regarded as the tumor’s response to low nutrient supply occurring under hypoxic conditions. However, hypoxia is not a pre-requisite for angiogenesis. The fact that even single tumor cells or small tumor cell aggregates are capable of attracting blood vessels reveals the early metastatic capability of tumor cells. This review sheds light on the hypoxia-independent mechanisms of tumor angiogenesis in melanoma.
Zerebrale kavernöse Malfomationen (CCM) sind vaskuläre Fehlbildungen im Gehirn. Sie sind gekennzeichnet durch stark dilatierte, blutgefüllte Gefäße mit einschichtigem Endothel, denen Merkmale ausgereifter Blutgefäße fehlen. Die klinischen Symptome reichen von Kopfschmerz bis hin zu hämorraghischem Schlaganfall. Eine genaue Vorhersage des Krankheitsverlaufs ist nicht möglich und die neurochirurgische Dissektion ist in der Regel die Therapieform der Wahl. Die genauen molekularen Mechanismen der CCM-Pathogenese sind unbekannt. CCMs treten sporadisch oder familiär gehäuft auf und folgen einem autosomal-dominanten Erbgang. Drei krankheitsverursachende Gene wurden in familiären CCMs identifiziert: CCM1/KRIT1, CCM2/MGC4607 und CCM3/PDCD10. Da Patienten mit einer Mutation in einem der drei CCM-Gene denselben klinischen Phänotyp aufweisen, wurde angenommen, dass die CCM-Proteine (CCM1, CCM2 und CCM3) Bestandteile eines molekularen Signalwegs sind. In dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass CCM3 mit CCM2 interagiert und zusammen mit CCM1 einen ternären Proteinkomplex bildet. Untersuchungen mit der humanen in-frame CCM2-Deletionsmutante CCM2:p.P11_K68del belegten, dass CCM2 das zentrale Gerüstprotein des CCM1/CCM2/CCM3-Proteinkomplexes ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass CCM3 an die Serin/Threonin-Kinase STK25 und an die Fas-assoziierte Phosphatase-1 (FAP-1) bindet. STK25 phosphoryliert CCM3 am Serin 39 und am Threonin 43. Die katalytische Domäne von FAP-1 dephosphoryliert CCM3. Untersuchungen mit der einzig bekannten humanen CCM3-Deletionsmutante, der aufgrund einer in-frame Deletion von Exon 5 im CCM3-Gen 18 Aminosäuren (CCM3:p.L33_K50del) fehlen, belegten zudem, dass in vitro dephosphoryliertes CCM3 Bestandteil des ternären CCM-Proteinkomplexes ist. Während STK25 die Deletionsmutante nicht mehr binden und phosphorylieren konnte, war die Interaktion mit CCM2 und die Bildung des ternären CCMKomplexes nicht beeinträchtigt. Somit könnte CCM3 über die Dephosphorylierung durch FAP-1 und die Phosphorylierung durch STK25 funktionell reguliert werden. Es stellte sich zudem heraus, dass CCM3 durch Induktion von oxidativem Stress mittels H2O2-Behandlung in humanen dermalen mikrovaskulären Endothelzellen herunterreguliert wird. Die in dieser Arbeit beschriebene Charakterisierung von CCM3-Interaktionen bringt CCM3 über seine Interaktionspartner erstmals in Zusammenhang mit molekularen Signalwegen, die an Prozessen der Angiogenese und vaskulären Entwicklung beteiligt sind. Die Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Entschlüsselung der pathogenen Mechanismen zerebraler kavernöser Malformationen und stellen einen ersten Schritt dar, um andere Behandlungsansätze als den bisher angewandten chirurgischen Eingriff, der multiple Risiken birgt, entwickeln zu können.