Mesenchymal stromal cell and endothelial progenitor cell co-cultures to induce vascularization in vitro

Abstract

Mesenchymal stromal cells (MSCs) have been explored as a new tissue regeneration tool due to their immunomodulatory potential and the ability to repair several tissues. However, in some situations of disease and injury, using only MSCs alone is may not enough due to the lack of vascularization in the tissues. Therefore, co-cultures of MSCs with endothelial cells (ECs) or they progenitors have been suggested as a novel approach to improve vascularization. Nevertheless, isolating primary ECs from blood vessels requires invasive surgeries. As an alternative to ECs, endothelial progenitor cells (EPCs), which can be found in peripheral blood mononuclear cell (PB-MNC) fraction, can be used. In previous studies, our research group has demonstrated that human MSCs co-cultured with MNCs promotes the formation of vessel-like tubular structures and that there is spontaneous EC and pericyte differentiation, which is essential for angiogenesis and vascularization. In this research project, we aimed to analyze the potential of different progenitor cells in peripheral blood to induce vascularization in co-cultures with MSCs and to evaluate the origin of ECs and pericytes previously found in our co-cultures. For that, we isolated EPCs from PB-MNCs by magnetic-activated cell sorting (MACS) using CD14 and CD34 surface markers, studied cell morphology changes by IncuCyte system and ImageJ and evaluated EC and pericyte differentiation by immunocytochemistry and qPCR. Our results demonstrated that CD14+, CD34+ and CD34- cells in co-culture with MSCs acquired an EC-like morphology (spindle-shaped), indicating that MSCs provide the essential signals to commit the cells into spindle-shaped morphology. We showed that among all the evaluated co-cultures, MSC-CD14+ and MSC-CD34+ co-cultures presented the highest vasculogenic capacity. We also proved that MNCs are the source of ECs in our co-cultures, while the pericytes originate both from MSCs and MNCs. Furthermore, CD14+CD34- and CD14-CD34- cells in co-culture with MSCs showed pericyte differentiation, which interestingly suggests that within MNCs there are at least two different populations of pericytes. In conclusion, our results demonstrate that co-cultures of PB-MNCs and MSCs possess angiogenic capacity, shown by the EC differentiation, as well as the presence of different subpopulations of pericytes. This highlights the potential of the use of blood-derived cells in tissue engineering and tissue regeneration therapies.

Ao longo das últimas décadas, as células estromais mesenquimais (MSCs) têm vindo a ser estudadas na tentativa de se tornarem numa nova ferramenta de regeneração de tecidos, devido à sua capacidade imuno-modulatória e à habilidade para reparar diferentes tipos de tecidos. No entanto, tem sido observado que em algumas situações de doença, o uso isolado de MSCs pode não ser suficiente devido à falta de vascularização nos tecidos. Neste sentido, a co-cultura de MSCs com células endoteliais (ECs) tem sido sugerida como uma nova abordagem para o aumento da vascularização. Contudo, para isolar ECs são necessárias cirurgias bastante invasivas. Como alternativa às ECs, tem sido proposto o uso de células progenitores endoteliais (EPCs), que facilmente são isoladas a partir de células mononucleares (MNCs), presentes em sangue periférico (PB). Em estudos anteriores, realizados neste grupo de investigação, foi demonstrado que a co-cultura de MSCs com MNCs promoveu a formação de estruturas tubulares, semelhantes a vasos sanguíneos, e que ocorreu diferenciação espontânea em ECs e pericitos, essenciais à angiogénese e à vascularização. Este projeto de investigação teve como objetivos analisar o potencial de diferentes células progenitoras na indução da vascularização, quando em co-cultura com MSCs, e avaliar a origem de ECs e pericitos anteriormente encontrados nas nossas co-culturas. Para tal, recorrendo à técnica magnetic-activated cell sorting (MACS) e ao uso dos marcadores CD14 e CD34, isolou-se as EPCs a partir de PB-MNCs. Em seguida, com recurso ao sistema IncuCyte e ao ImageJ, estudou-se as variações na morfologia celular e recorrendo a imunocitoquímica e a qPCR, avaliou-se ainda a origem das ECs e dos pericitos. Os resultados obtidos, mostraram que as células CD14+, CD34+ e CD34-, quando em co-cultura com MSCs, adquirem uma morfologia semelhante às ECs (em forma de fuso), indicando que as MSCs são responsáveis por providenciar os sinais essenciais para o comprometimento das células neste tipo de morfologia. Observou-se que, de entre todas as co-culturas avaliadas, as co-culturas MSC-CD14+ e MSC-CD34+ foram as que apresentaram uma maior capacidade de vascularização. Provou-se ainda que a diferenciação em ECs ocorre apenas a partir de MNCs. Enquanto, por outro lado, a diferenciação em pericitos tanto ocorre a partir de MSCs como de MNCs. Foi ainda interessante verificar, que quando em co-cultura com MSCs, ambas as células CD14+CD34- e CD14-CD34- se diferenciam em pericitos, sugerindo que nas MNCs existem pelo menos duas populações diferentes de células capazes de se diferenciarem em pericitos.Em suma, os resultados mostraram que a co-cultura de PB-MNCs com MSCs apresenta potencial angiogénico, comprovado pela diferenciação em ECs e pela presença de diferentes populações de pericitos. Salientando assim, o potencial do uso de células derivadas de sangue em engenharia de tecidos e terapias de regeneração.