Macrophages are key contributors to vascularization, but the mechanisms behind their actions are not understood. Here, we show that diverse macrophage phenotypes have distinct effects on endothelial cell behavior, with resulting effects on vascularization of engineered tissues. In Transwell coculture, proinflammatory M1 macrophages caused endothelial cells to up-regulate genes associated with sprouting angiogenesis, whereas prohealing (M2a), proremodeling (M2c), and anti-inflammatory (M2f) macrophages promoted up-regulation of genes associated with pericyte cell differentiation. In 3D tissue-engineered human blood vessel networks in vitro, short-term exposure (1 day) to M1 macrophages increased vessel formation, while long-term exposure (3 days) caused regression. When human tissue-engineered blood vessel networks were implanted into athymic mice, macrophages expressing markers of both M1 and M2 phenotypes wrapped around and bridged adjacent vessels and formed vessel-like structures themselves. Last, depletion of host macrophages inhibited remodeling of engineered vessels, infiltration of host vessels, and anastomosis with host vessels.

Abstract In recent years, the structural analysis of tissue elements has gained significant importance in biomedical research. Advancements in imaging technologies have created a pressing need to quantify tissue and cell properties accurately. This paper introduces a MATLAB-based analytical tool designed to measure a spectrum of properties from 2D images of tissues and cells. Our software efficiently computes parameters such as eccentricity, orientation, density, co-localization, size, and perimeter. The algorithm’s precision in evaluating these characteristics has broad implications for enhancing the understanding of various biological processes and diseases. The code’s flexibility allows for application across different tissue types and experimental conditions, providing researchers with a robust method for quantitative analysis. This advancement in computational image analysis represents a pivotal step towards more detailed and objective assessment in tissue engineering and cellular biology.

The intricate anatomical structure and high cellular density of the myocardium complicate the bioengineering of perfusable vascular networks within cardiac tissues. In vivo neonatal studies highlight the key role of resident cardiac macrophages in post-injury regeneration and angiogenesis. Here, we integrate human pluripotent stem-cell-derived primitive yolk-sac-like macrophages within vascularized heart-on-chip platforms. Macrophage incorporation profoundly impacted the functionality and perfusability of microvascularized cardiac tissues up to 2 weeks of culture. Macrophages mitigated tissue cytotoxicity and the release of cell-free mitochondrial DNA (mtDNA), while upregulating the secretion of pro-angiogenic, matrix remodeling, and cardioprotective cytokines. Bulk RNA sequencing (RNA-seq) revealed an upregulation of cardiac maturation and angiogenesis genes. Further, single-nuclei RNA sequencing (snRNA-seq) and secretome data suggest that macrophages may prime stromal cells for vascular development by inducing insulin like growth factor binding protein 7 (IGFBP7) and hepatocyte growth factor (HGF) expression. Our results underscore the vital role of primitive macrophages in the long-term vascularization of cardiac tissues, offering insights for therapy and advancing heart-on-a-chip technologies.

Adverse cardiac outcomes in COVID-19 patients, particularly those with preexisting cardiac disease, motivate the development of human cell-based organ-on-a-chip models to recapitulate cardiac injury and dysfunction and for screening of cardioprotective therapeutics. Here, we developed a heart-on-a-chip model to study the pathogenesis of SARS-CoV-2 in healthy myocardium established from human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes and a cardiac dysfunction model, mimicking aspects of preexisting hypertensive disease induced by angiotensin II (Ang II). We recapitulated cytopathic features of SARS-CoV-2-induced cardiac damage, including progressively impaired contractile function and calcium handling, apoptosis, and sarcomere disarray. SARS-CoV-2 presence in Ang II–treated hearts-on-a-chip decreased contractile force with earlier onset of contractile dysfunction and profoundly enhanced inflammatory cytokines compared to SARS-CoV-2 alone. Toward the development of potential therapeutics, we evaluated the cardioprotective effects of extracellular vesicles (EVs) from human iPSC which alleviated the impairment of contractile force, decreased apoptosis, reduced the disruption of sarcomeric proteins, and enhanced beta-oxidation gene expression. Viral load was not affected by either Ang II or EV treatment. We identified MicroRNAs miR-20a-5p and miR-19a-3p as potential mediators of cardioprotective effects of these EVs.

Abstract Cells and tissues in their native environment are organized into intricate fractal structures, which are rarely recapitulated in their culture in vitro . The extent to which fractal patterns that resemble complex topography in vivo influence cell maturation, and the cellular responses to such shape stimulation remain inadequately elucidated. Yet, the application of fractal cues (topographical stimulation via self-similar patterns) as an external input may offer a much-needed solution to the challenge of improving the differentiated cell phenotype in vitro . Here, we established fractality in podocytes, branching highly differentiated kidney cells, and glomerulus structure. Biomimetic fractal patterns derived from glomerular histology were used to generate topographical (2.5-D) substrates for cell culture. Podocytes grown on fractal topography were found to express higher levels of functional markers and exhibit enhanced cell polarity. To track morphological complexities of differentiated podocytes, we employed a fluorescent labelling assay where labelled individual cells are tracked within otherwise optically silent confluent cell monolayer to reveal cell-cell interdigitation. RNAseq analysis suggests enhanced ECM deposition and remodeling in podocytes grown on fractal topography compared to flat surface or non-fractal microcurvature, mediated by YAP signaling. The incorporation of fractal topography into standard tissue culture well plates as demonstrated here may serve as a user-friendly bioengineered platform for high-fidelity cell culture.