Development of Advanced 3D Cell Culture Models for Studying Vascularization and Adipose Tissue In Vitro

Abstract

Edistykselliset, kolmiulotteiset soluviljelymallit ovat potentiaalisia <i>in vitro</i> -työkaluja, joiden avulla voidaan mallintaa kudostyypillisiä toimintoja ja tautimekanismeja tutkimalla eri solutyyppien välisiä vuorovaikutuksia. Erityisesti verisuoni- ja rasvakudosmallit ovat keskeisiä menetelmiä verisuonien toiminnan tutkimisessa ja ylipainoon liittyvien aineenvaihdunnallisten muutoksien selvittämisessä. Aikuisen kantasolut multipotentteina mesenkymaalisina kantasoluina ovat kannattava valinta kudostyypillisissä soluviljelmissä verisuoni- ja rasvakudosmallien luomisessa niiden ollessa sekä verisuonituksen muodostumista tukevia sekä erilaistumiskykyisiä kypsien rasvasolujen suuntaan.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin aikuisesta eristettyjen mesenkymaalisten kantasolujen kudosalkuperän sekä solujen mikroympäristön ominaisuuksien vaikutusta, ja rasvasolujen suuntaan erilaistettujen kantasolujen rasvanvarastointikykyä korkeaenergisestä, lipidipitoisesta elatusliuoksesta käyttäen kolmiulotteista soluviljelymenetelmää.

Ensimmäisessä osatyössä tutkittiin aikuisen mesenkymaalisten kantasolujen kudosalkuperän, luuytimen ja rasvakudoksen, vaikutusta niiden kykyyn tukea verisuonituksen muodostumista mikrofluidistisella laitteella. Molemmat solutyypit tukivat perfusoitavan ja yhtenäisen verisuoniverkoston muodostumista, mutta luuytimen kantasoluilla havaittiin olevan parempia ominaisuuksia verisuonimuodostumisen suhteen, mikä voitiin osoittaa parempana perfusoituvuutena, endoteelisoluille tyypillisten geenien vahvempana ilmentymisenä ja laaja-alaisempana verisuonipinta-alana.

Toisessa osatyössä kehitettiin avoin mikrofluidistinen laite kahden kolmiulotteisen soluviljelmän samanaikaiseen viljelyyn, minkä toimivuus osoitettiin tuottamalla kaksi erillistä, mutta toisiinsa yhdistynyttä verisuoniverkkoa painovoimaisessa nestevirtauksessa. Kyseisessä työssä osoitettiin mikrofluidistisen laitteen toimivuus soluviljelyalustana samanaikaisesti toisilleen vaihtoehtoisten nestevirtausprofiilien läpäistessä soluviljelykammion.

Kolmannessa osatyössä tutkittiin rasvanvarastointikykyä rasvan kantasoluilla, jotka on eristetty samasta potilaasta ennen ja jälkeen bariatrisen leikkauksen. Soluja viljeltiin sferoidiviljelmässä ja niiden avulla tutkittiin painonpudotuksen ja korkeaenergisen, lipidipitoisen elatusliuoksen vaikutuksia rasvanvarastointikykyyn. Tutkimuksessa osoitettiin korkeaenergisen elatusliuoksen lisäävän rasvasolujen lipidivakuolien kasvua ja vaikuttavan niiden adipokiinieritykseen.

Väitöskirjan tutkimusartikkelit osoittavat kuinka ympäristön signaalit, solujen kudosalkuperä ja luovuttajan biologiset ominaisuudet kriittisesti vaikuttavat viljeltävien solujen erilaistumiseen ja toiminnallisuuteen. Ensin, solun kudosalkuperän osoitettiin vaikuttavan verisuoniverkoston fenotyyppiin ja toiminnallisuuteen. Toiseksi, tutkimuksessa osoitettiin kahden verisuonituksen rakenteellinen yhdistyminen osoittaen mikrofluidistisen laitteen toimivuuden kahden kolmiulotteisen soluviljelmän yhtäaikaisessa viljelyssä. Kolmanneksi, tutkimuksessa osoitettiin rasvasferoidimallin toimivuus tutkimustyökaluna sferoidien reagoidessa korkeaenergiseen elatusliuokseen, mikä voitiin havaita rasvasolujen rasvavakuolien koon kasvuna ja adipokiinien erityksen muuttumisena. Väitöskirjassa kehitetyt tutkimusalustat tarjoavat toiminnallisesti relevantteja työkaluja verisuonibiologian tutkimukseen ja rasvasolujen toiminnan mallintamisessa korkeaenergisessa ympäristössä. Väitöskirjatutkimus edistää kudosmallintamisen tieteenalaa tarjoamalla konkreettisia välineitä translationaaliselle tutkimukselle ja tukee tulevaisuuden yksilöllistetyn lääketieteen kehitystä.

Advanced 3D cell culture models are promising tools for recapitulating organotypic tissue functions in a miniature scale to better understand multicellular interactions and disease mechanisms <i>in vitro</i>. Specifically, vascular network and adipose tissue models are essential for advancing our understanding of vascular biology and for elucidating metabolic alterations related to obesity. As multipotent mesenchymal stem cells, adult stem cells of adipose tissue are a feasible choice for establishing organotypic cultures as these cells have both vasculature-supporting characteristics with potential to differentiate towards adipogenic lineage.

In this thesis, we examined the effects of mesenchymal stem/stromal cell source, effects of microenvironmental design, and adipocyte responsiveness to high-energy diet by using advanced 3D cell culture systems. Firstly, we compared the vasculogenic potential of adipose stem/stromal cells and bone marrow-derived stem/stromal cells in coculture with endothelial cells in a microfluidic device. Both cell types supported the formation of perfusable, intact and interconnected vessels but bone marrow-derived stem/stromal cells were found superior in terms of pericytic characteristics having enhanced perfusability, higher expression of vascular maturation markers and greater vascular occupation. Secondly, we developed an openly accessible microfluidic device that can house two 3D cell cultures here validated by generating two vasculatures under gravity-driven flow. We demonstrated successful platform performance by robust formation of interconnected vascular networks under multiple flow conditions. Thirdly, we established an adipose spheroid model responsive to accumulate lipids to mimic weight gain with donor-derived adipose stem/stromal cells retrieved from donors undergoing and after bariatric surgery. We showed how lipid treatment induced adipocyte enlargement and altered adipokine secretion.

These studies demonstrate how environmental cues, cells’ tissue origin and donor cell source critically influence the development and function of cultured cells. Specifically, we demonstrated how vascular network phenotypes are affected by cells’ tissue source. We also showed the structural association of two distinct vasculatures verifying the device applicability for recreating more realistic 3D cell cultures. Finally, we established lipid-responsive adipose spheroid model to mimic the effect of high-lipid diet in adipocyte size and functionality. The developed platforms provide functionally relevant tools to study vascular biology and mimic adipocyte enlargement, and, thus, advance the field of tissue modelling.