Modelul eVON: prima platformă umană standardizată care recreează microambientul endosteal al măduvei osoase

Un studiu realizat de Univrsitatea din Basel a dezvoltat un model tridimensional complet uman, capabil să recreeze arhitectura, compoziția celulară și funcțiile microambientului endosteal din măduva osoasă. Acest model, denumit eVON (engineered vascularized osteoblastic niche - nișă osteoblastică vascularizată proiectată), îmbină organoide derivate din celule stem pluripotente induse umane cu structuri macroscopice pe bază de hidroxiapatită pentru a reconstrui nișe ce susțin hematopoieza umană și permit analiza mecanismelor vasculare, osteoblastice și imune în condiții fiziologice și patologice.
Nișele endosteale ale măduvei osoase reglează menținerea, diferențierea și migrarea celulelor stem hematopoietice. În mod natural, acestea includ:

• vasculatură specializată aflată în contact direct cu suprafața osoasă,
• osteoblaste maturate care susțin celulele stem,
• fibre nervoase și celule ale sistemului imunitar,
• subpopulații perivasculare care secretă chemokine esențiale.

Studiile pe modele murine au arătat că aceste nișe sunt implicate în hematopoieza regenerativă, în dezvoltarea bolilor mieloide, în metastazele osoase, în îmbătrânirea măduvei și în rezistența la chimioterapie. Totuși, eforturile de a recrea aceste nișe în sisteme complet umane au fost limitate de lipsa unor platforme standardizate, tridimensionale și suficient de complexe pentru a reproduce componenta osoasă și vasculară în condiții reproducibile.

Despre studiu

Strategia de dezvoltare a modelului eVON

Autorii au folosit celule stem pluripotente induse umane pentru a genera două tipuri de organoide:

• organoide vasculare - îmbogățite în celule endoteliale și pericite;
• organoide osteoblastice - orientate către formarea de matrice mineralizată.

Ambele tipuri au fost diferențiate prin protocoale specifice, apoi integrate într-o structură poroasă de hidroxiapatită care reproduce arhitectura trabeculară a osului. După o perioadă de co-cultură de 14 zile în prezența factorilor osteogenici, vasculogeni și neurotrofici, s-a obținut o nișă endosteală umană complexă, maturată în 33 de zile.

Metode de caracterizare

eVON a fost analizat prin:

• citometrie în flux pentru caracterizarea celulelor endoteliale, perivasculare și stromale;
• microscopie confocală 3D și electronomicroscopie pentru vizualizarea rețelelor vasculare;
• testarea capacității de a susține celule stem hematopoietice în vitro și in vivo;
• secvențiere de tip single-cell RNA pentru a identifica populațiile celulare distincte.

Rezultate

1. eVON reproduce fidel arhitectura unei nișe endosteale umane

Modelul a generat:

• rețele vasculare robuste alcătuite din celule CD31+, acoperite parțial de pericite NG2+,
• fibre nervoase simpatice integrate în matricea osteoblastică,
• structuri vasculare cu dimensiuni fiziologice (5–30 μm), similare arteriolelor endosteale murine,
• matrice osteocalcin-pozitivă similară osului trabecular.

Comparativ cu un model avascular (eON), eVON include toate componentele majore ale nișei endosteale naturale.

2. eVON susține preferențial hematopoieza umană și promovează mielopoieza

La co-cultura cu celule stem hematopoietice CD34+ din sânge de cordon, eVON:

• a generat proporții crescute de progenitori multipotenți și celule CD33+ asemănătoare blastelor mieloide,
• a menținut o producție echilibrată de celule mature, în timp ce eON a favorizat diferențierea limfoidă,
• a susținut persistența vaselor și a celulelor stem pentru ≥4 săptămâni.

În implanturi subcutanate la șoareci, eVON a funcționat ca o nișă activă, susținând colonizarea mixtă umană-murină și păstrând celulele stem în proximitatea vaselor.

3. Celulele din eVON exprimă semnale-cheie similare nișelor endosteale native

Analiza transcriptomică a identificat 12 populații celulare, incluzând:

• osteoblaste și precursoare osteogenice,
• celule perivasculare și pericite,
• endoteliu matur,
• fibre nervoase simpatice,
• celule similare macrofagelor (osteomacs),
• celule mezenchimale cu profiluri diverse.

Aceste populații exprimau factori esențiali pentru menținerea celulelor stem, inclusiv:

• CXCL12 - predominant în celulele perivasculare și osteogenice;
• KITLG/SCF - în principal în endoteliu;
• IL-11 - în macrofage și unele celule stromale, facilitând diferențierea megacariocitară.

4. Diferite linii hiPSC generează nișe cu particularități distincte

eVON a fost reprodus din trei linii iPSC, toate generând nișe funcționale, dar cu variații:

• WTC-eVON - echilibrat, cel mai bun suport pentru HSPC;
• Wibj-eVON - tendință spre megacariopoieză și vasculatură plexiformă;
• 409B2-eVON - vasculatură capilară și diferențiere redusă a HSC.

Aceste diferențe reflectă nu subtipuri vasculare distincte, ci niveluri variabile de maturare endotelială.

5. Vasculatura eVON este menținută prin VEGF-A endogen

Varierea nivelului de VEGF-A în mediul de cultură a demonstrat că:

• dozele foarte mari induc o vasculatură haotică, hemangiomatoasă;
• în absența VEGF-A exogen, vasele persistă datorită producției endogene;
• blocarea VEGF prin Avastin elimină complet structurile vasculare.

Surse principale de VEGF-A în eVON: celule osteogenice și macrofage-like.

Concluzii

Modelul eVON reprezintă un pas major în reconstrucția fidelă a microambientului endosteal uman. Rezultatele principale includ:

• reproducerea integrată a vaselor, osteoblastelor, pericitelor, nervilor și macrofagelor;
• sustinerea extinsă a celulelor stem hematopoietice și a mielopoiezei;
• capacitatea de a modela procese patologice precum mielopoieza aberantă și mecanisme asociate leucemiei acute mieloide;
• robustețe, stabilitate și adaptabilitate la perturbări moleculare.

eVON oferă o platformă complet umană pentru studierea hematopoiezei, remodelării vasculare, interacțiunilor os–vas–nervi și aplicarea în oncologie, imunoterapie și biologie regenerativă.