[論文レビュー] Effects of Local Concentration Gradients of Monocyte Chemoattractant Protein-1 (MCP-1) on Monocytes Adhesion and Transendothelial Migration in a Three-Dimensional (3D) In Vitro Vascular Tissue Model

Neda Ghousifam, Mohamad Eftekharjoo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Cell Adhesion Molecules Research参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、血管内皮下マトリックス（ECM）を模倣した3次元in vitro血管組織モデルを用い、モノサイトの接着および内皮細胞を越えた移動を、2次元Transwellモデルと比較して調査した。MCP-1が3次元ECM内で生理的に関連する濃度勾配を形成し、2次元系と比較してモノサイトの接着および内皮細胞を越えた移動が顕著に増加することを示した。これは、炎症細胞の動員における3次元マイクロ環境の構造的役割が重要であることを強調している。

ABSTRACT

Objective: The main objective of this study was to investigate the formation of MCP-1 concentration gradients within the subendothelial ECM and determine the effect on monocytes migration in response to inflammation. To meet this objective, monocytes migration in a 3D vascular tissue model, containing a matrix where concentration gradients may form, was compared to that in a 2D cell culture model results. Materials: The 3D vascular tissue model consists of human aortic endothelial cells (HAEC) grown on the surface of a collagen matrix. The HAEC form an endothelium and the collagen is used to mimic the subendothelial ECM. The 2D cell culture model consisted of HAEC grown on a porous membrane of a Transwell culture insert. Results: An overall greater monocytes adhesion and transendothelial migration was observed in the 3D model compared to the 2D model after 24 h stimulation. Conclusion: MCP-1 transport is different in the 3D vascular tissue model than the 2D microporous membrane model, which results in a difference in monocytes transendothelial migration between the two models. This research will provide new information about the relationship between the MCP-1 concentration gradient and monocytes transendothelial migration.

研究の動機と目的

• 3次元血管内皮下マトリックス（ECM）環境内での局所的MCP-1濃度勾配の形成メカニズムを調査すること。
• 従来の2次元Transwell培養系と比較して、3次元血管組織モデルにおけるモノサイトの接着および内皮細胞を越えた移動を比較すること。
• 3次元ECM構造がMCP-1の空間的分布およびその後のモノサイト動員に与える影響を特定すること。
• マイクロ環境のトポグラフィーが炎症細胞の移動にどのように影響するかのメカニズム的知見を提供すること。
• 血管炎症におけるモノサイト動員をより生理的に関連するin vitroモデルとして確立すること。

提案手法

• ヒト大動脈内皮細胞（HAEC）をコラーゲンIマトリックス上に培養することで、血管内皮下ECMを模倣した3次元in vitro血管組織モデルを構築した。
• 対照として2次元Transwellモデルを用い、HAECを多孔質膜上に培養した。
• 両モデルにMCP-1を導入し、走化性勾配を誘導した。
• 刺激後24時間後にモノサイトの接着および内皮細胞を越えた移動を定量した。
• モノサイト動員効率および勾配形成の差を評価するため、両モデルを比較した。
• 実験設計により、3次元と2次元マイクロ環境における細胞行動の直接比較が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MCP-1の濃度勾配は、3次元血管内皮下マトリックス内ですべてどのように形成され、分布するのか？
• RQ2 3次元ECM構造は、2次元系と比較してモノサイトの接着および内皮細胞を越えた移動を向上させるのか？
• RQ3 3次元マトリックスの存在が、MCP-1の空間的提示および走化性効果にどのように影響するのか？
• RQ4 マイクロ環境の文脈（3次元対2次元）が、MCP-1へのモノサイト動員ダイナミクスにどの程度影響を及えるのか？
• RQ5 3次元in vitro血管モデルは、従来の2次元モデルと比較して、モノサイト移動の生理的プロセスをよりよく再現できるのか？

主な発見

• 刺激後24時間における3次元血管組織モデルでは、2次元Transwellモデルと比較してモノサイトの接着が顕著に高かった。
• モノサイトの内皮細胞を越えた移動は、3次元モデルにおいて2次元モデルと比較して著しく増強された。
• 3次元コラーゲンマトリックスは、血管内皮下ECM内に安定的かつ局在的なMCP-1濃度勾配の形成を支援した。
• 3次元モデルは、2次元系と比較して、in vivoにおける血管炎症の空間的および機械的シグナルをよりよく再現した。
• 3次元と2次元系におけるMCP-1の輸送および分布の差が、モノサイト動員結果の相違を引き起こす主な要因であることが同定された。
• これらの結果は、3次元マイクロ環境の構造が、ケモカイン勾配形成を調節することによって、炎症細胞の移動に重要な影響を及えることを示している。