Gli scienziati costruiscono vasi sanguigni umani funzionali in soli 5 giorni utilizzando cellule staminali

I vasi sanguigni sono indispensabili a quasi ogni tessuto, eppure ricreare reti vascolari funzionali da cellule staminali umane è rimasto un processo lento, tecnicamente impegnativo e difficile da controllare. I protocolli esistenti per organoidi vascolari richiedono tipicamente tre settimane o più, si basano sull'emergenza spontanea delle cellule murali e necessitano fin dall'inizio dell'incorporazione in matrice extracellulare, il che limita la scalabilità e la traduzione terapeutica.

Il team di ricerca ha ingegnerizzato due distinte linee iPSC, ciascuna contenente una copia di ETV2 (un determinante del destino endoteliale) o NKX3.1 (un determinante del destino delle cellule murali) inducibile dalla doxiciclina. Le cellule di entrambe le linee sono state prima indirizzate verso il mesoderma nell'arco di due giorni, poi combinate in rapporto 1:1 e aggregate su uno shaker orbitale. Tre giorni di esposizione alla doxiciclina hanno attivato simultaneamente entrambi i fattori di trascrizione, producendo migliaia di organoidi vascolari di dimensioni uniformi (~250 μm di diametro) in appena cinque giorni. Circa il 50% delle cellule è diventato cellule endoteliali CD31+/VE-Cadherina+, mentre le rimanenti hanno acquisito un'identità murale con espressione di α-SMA e MYH11. È importante sottolineare che in questa fase iniziale non è stata necessaria alcuna ECM esogena.

Il sequenziamento dell'RNA bulk e la qPCR hanno confermato che la co-differenziazione tridimensionale ha migliorato la maturazione rispetto ai protocolli standard su monostrato 2D: le cellule endoteliali hanno sovraregolato CDH5, VWF, ERG, TEK e KLF2, mentre le cellule murali hanno mostrato una maggiore espressione dei marcatori contrattili ACTA2, TAGLN e MYH11, nonché di componenti della segnalazione TGF-β/BMP. Quando i VO sono stati successivamente incorporati in idrogel di collagene/Matrigel per cinque giorni aggiuntivi, le reti vascolari si sono espanse notevolmente — raggiungendo ~1.000 μm di diametro — con lumi ben definiti, deposizione di membrana basale e uno spostamento verso un fenotipo arterioso nell'espressione genica endoteliale. Questa maturazione era attribuibile all'esposizione alla ECM in sé, e non semplicemente al prolungamento del tempo di coltura.

Per eliminare le preoccupazioni relative all'integrazione genomica, gli autori hanno dimostrato anche la generazione efficace di VO mediante somministrazione di mRNA modificato (modRNA) di ETV2 e NKX3.1 — un'alternativa priva di impronta genetica e compatibile con la traduzione clinica. Il sequenziamento dell'RNA a singola cellula di VO maturi ha rivelato diverse sottopopolazioni vascolari, tra cui sottotipi endoteliali arteriosi, venosi, a punta (tip-cell) e in proliferazione, insieme a cellule muscolari lisce e periciti, ricapitolando l'eterogeneità vascolare in vivo. La modulazione temporale dell'espressione dei fattori di trascrizione ha consentito di regolare il fenotipo endoteliale verso un carattere arterioso o angiogenico.

Il trapianto in vivo in topi NSG immunodeficienti ha confermato l'integrazione funzionale: i VO, impiantati sotto la capsula renale, hanno formato vasi umani perfusi anastomizzati con il circolo murino entro 14 giorni. In modelli di ischemia degli arti posteriori, il trapianto di VO ha migliorato significativamente il recupero del flusso sanguigno. In un modello di co-trapianto con isole pancreatiche, i VO hanno potenziato l'attecchimento e la funzione delle isole, sottolineando la versatilità terapeutica della piattaforma. Nel complesso, questa piattaforma offre un approccio rapido, scalabile e controllabile alla produzione di organoidi vascolari, con un forte potenziale per la medicina rigenerativa, la modellazione delle malattie e l'ingegneria degli organi.