[논문 리뷰] 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 Eftekharjoo외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Cell Adhesion Molecules Research참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 혈관 내피세포 아래의 세포외기질(ECM)을 모방하는 3차원(3D) in vitro 혈관 조직 모델에서 단핵구의 부착 및 내피세포를 통과하는 이행을 조사하며, 이를 2차원(2D) Transwell 모델과 비교한다. 연구는 MCP-1이 3D ECM에서 생리학적으로 관련성이 있는 농도 기울기를 형성함으로써 2D 시스템에 비해 단핵구의 부착과 내피세포 이행이著しく 향상됨을 보여주며, 염증세포 유도에 있어 3D 미세환경의 구조적 특성이 핵심적임을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3D 혈관 내피세포 아래 세포외기질(ECM) 환경 내에서 국소 MCP-1 농도 기울기가 어떻게 형성되는지 조사하기 위해.
• 기존의 2D Transwell 배양 시스템과 비교하여 3D 혈관 조직 모델에서 단핵구의 부착 및 내피세포 이행을 비교하기 위해.
• 3D ECM 구조가 MCP-1의 공간 분포 및 이후 단핵구 유입에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 미세환경의 형태적 특성이 염증세포 이동에 어떻게 영향을 미치는지 기전적 통찰을 제공하기 위해.
• 혈관 염증에서 단핵구 유입을 연구하기 위한 보다 생리학적으로 관련성이 높은 in vitro 모델을 구축하기 위해.

제안 방법

• 인간 대동맥 내피세포(HAEC)를 콜라겐 I 기반 기질 위에 배양하여 혈관 내피세포 아래의 세포외기질(ECM)을 모방하는 3D in vitro 혈관 조직 모델을 제작하였다.
• 대조군으로 2D Transwell 모델을 사용하였으며, HAEC를 다공성 막 위에 배양하였다.
• 두 모델 모두에 MCP-1을 도입하여 유도성 기울기를 형성시켰다.
• 자극 후 24시간 동안 단핵구의 부착 및 내피세포 이행을 정량화하였다.
• 단핵구 유입 효율성과 기울기 형성의 차이를 평가하기 위해 두 모델을 비교하였다.
• 실험 설계를 통해 3D와 2D 미세환경에서 세포 행동의 직접적 비교가 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MCP-1 농도 기울기는 3D 혈관 내피세포 아래 세포외기질 내에서 어떻게 형성되고 분포하는가?
• RQ2 2D 시스템에 비해 3D ECM 구조는 단핵구의 부착 및 내피세포 이행을 향상시키는가?
• RQ3 3D 기질의 존재는 MCP-1의 공간적 표현 방식과 그 유도 효과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 미세환경의 맥락(3D 대비 2D)이 MCP-1에 대한 단핵구 유입 동역학에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 3D in vitro 혈관 모델은 전통적인 2D 모델에 비해 단핵구 이행의 생리학적 과정을 더 잘 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 24시간 자극 후 3D 혈관 조직 모델에서 단핵구 부착이 2D Transwell 모델보다 유의미하게 높았다.
• 내피세포 이행에 있어서 단핵구의 이행이 3D 모델에서 2D 모델에 비해著적으로 향상되었다.
• 3D 콜라겐 기질은 혈관 내피세포 아래의 ECM 내에서 안정적이고 국소적인 MCP-1 농도 기울기를 형성하는 데 기여하였다.
• 3D 모델은 2D 시스템에 비해 실제 혈관 염증에서의 공간적 및 기계적 신호를 더 잘 재현하였다.
• 3D와 2D 시스템 간의 MCP-1 이동 및 분포의 차이가 단핵구 유입 결과의 다름을 이끄는 핵심 요인으로 규명되었다.
• 이러한 결과는 3D 미세환경의 구조적 특성이 화학유인물질 기울기 형성 조절을 통해 염증세포 이동에 결정적인 영향을 미친다는 것을 시사한다.