オープンマイクロ流体共培養は、ヒト腎臓上皮細胞からのパラクリンシグナルを明らかに内皮細胞の腎臓特異性を促進する

Open microfluidic coculture reveals paracrine signaling from human kidney epithelial cells promotes kidney specificity of endothelial cells.

• Tianzi Zhang
• Daniel Lih
• Ryan J Nagao
• Jun Xue
• Erwin Berthier
• Jonathan Himmelfarb
• Ying Zheng
• Ashleigh B Theberge

抄録

ヒトの様々な臓器から採取された内皮細胞（EC）は、特定の組織再生や臓器の発達をサポートする臓器特異的な特性を持っている。ECの特異性は、内在性と外在性の両方の手がかりによって同定されるが、その中でも、実質と臓器固有の微小環境が重要な役割を果たしている。しかし、これらの外因性の手がかりは、ex vivoでの培養中にはほとんど失われてしまう。ヒトの器官特異的な生理を再現するためのin vitro研究のためにECの器官特異性を理解し、再確立するための顕著な課題が残されています。ここでは、我々は、ECの特異性をサポートするためにヒト腎臓尿細管上皮細胞の役割を研究するためにオープンマイクロ流体プラットフォームを設計しました。プラットフォームは、半壁で分離された2つの独立した細胞培養領域で構成されています;所望の時点で2つの培養領域を接続するために培地を追加し、シグナル分子は、半壁を横切ることができます（パラクリンシグナル）。具体的には、マイクロスケールの培養装置において、初代ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞（HPTECs）が、初代ヒト腎臓尿細管周囲微小血管EC（HKMEC）単分子膜の完全性とフェネストラ形成を救済し、HPTECsが主要なHKMEC腎臓特異的遺伝子（肝細胞核因子1ホメオボックスB）をアップレギュレートしたことを報告する。また、HPTECを用いた培養では、血管内皮活性化遺伝子（血管細胞接着分子-1、マトリックスメタロプロテアーゼ-7、マトリックスメタロプロテアーゼ-10）の発現が促進された。また、HPTECでの培養は、ヒト臍帯静脈ECおよびヒト多能性幹細胞由来ECにおける腎臓特異的遺伝子型の発現を促進した。HPTEC培地での培養と比較して、HPTECを用いたECの共培養は、腎臓特異的遺伝子のアップレギュレーションの増加を示し、潜在的な双方向のパラクリンシグナル伝達が示唆された。重要なのは、私たちのデバイスは、標準的なピペット、インキュベーター、およびイメージングの読み出しと互換性があり、また、簡単に他のまれなまたは敏感な細胞間の細胞シグナル伝達を研究するために適応することができます。

Endothelial cells (ECs) from different human organs possess organ-specific characteristics that support specific tissue regeneration and organ development. EC specificity is identified by both intrinsic and extrinsic cues, among which the parenchyma and organ-specific microenvironment are critical contributors. These extrinsic cues are, however, largely lost during ex vivo cultures. Outstanding challenges remain to understand and reestablish EC organ specificity for in vitro studies to recapitulate human organ-specific physiology. Here, we designed an open microfluidic platform to study the role of human kidney tubular epithelial cells in supporting EC specificity. The platform consists of two independent cell culture regions segregated with a half wall; culture media are added to connect the two culture regions at a desired time point, and signaling molecules can travel across the half wall (paracrine signaling). Specifically, we report that in the microscale coculture device, primary human kidney proximal tubule epithelial cells (HPTECs) rescued primary human kidney peritubular microvascular EC (HKMEC) monolayer integrity and fenestra formation and that HPTECs upregulated key HKMEC kidney-specific genes (hepatocyte nuclear factor 1 homeobox B, adherens junctions-associated protein 1, and potassium voltage-gated channel subfamily J member 16) and endothelial activation genes (vascular cell adhesion molecule-1, matrix metalloproteinase-7, and matrix metalloproteinase-10) in coculture. Coculturing with HPTECs also promoted kidney-specific genotype expression in human umbilical vein ECs and human pluripotent stem cell-derived ECs. Compared with culture in HPTEC conditioned media, coculture of ECs with HPTECs showed increased upregulation of kidney-specific genes, suggesting potential bidirectional paracrine signaling. Importantly, our device is compatible with standard pipettes, incubators, and imaging readouts and could also be easily adapted to study cell signaling between other rare or sensitive cells.