Endothelial responses to fluid shear stress are essential for vascular development and physiology, and determine the formation of atherosclerotic plaques at regions of disturbed flow. Previous work identified VE-cadherin as an essential component, along with PECAM-1 and VEGFR2, of a complex that mediates flow signaling. However, VE-cadherin's precise role is poorly understood. We now show that the transmembrane domain of VE-cadherin mediates an essential adapter function by binding directly to the transmembrane domain of VEGFR2, as well as VEGFR3, which we now identify as another component of the junctional mechanosensory complex. VEGFR2 and VEGFR3 signal redundantly downstream of VE-cadherin. Furthermore, VEGFR3 expression is observed in the aortic endothelium, where it contributes to flow responses in vivo. In summary, this study identifies a novel adapter function for VE-cadherin mediated by transmembrane domain association with VEGFRs.

Establishment of a functional vascular network is rate-limiting in embryonic development, tissue repair and engineering. During blood vessel formation, newly generated endothelial cells rapidly expand into primitive plexi that undergo vascular remodeling into circulatory networks, requiring coordinated growth inhibition and arterial-venous specification. Whether the mechanisms controlling endothelial cell cycle arrest and acquisition of specialized phenotypes are interdependent is unknown. Here we demonstrate that fluid shear stress, at arterial flow magnitudes, maximally activates NOTCH signaling, which upregulates GJA4 (commonly, Cx37) and downstream cell cycle inhibitor CDKN1B (p27). Blockade of any of these steps causes hyperproliferation and loss of arterial specification. Re-expression of GJA4 or CDKN1B, or chemical cell cycle inhibition, restores endothelial growth control and arterial gene expression. Thus, we elucidate a mechanochemical pathway in which arterial shear activates a NOTCH-GJA4-CDKN1B axis that promotes endothelial cell cycle arrest to enable arterial gene expression. These insights will guide vascular regeneration and engineering.

Abstract Hereditary Hemorrhagic Telangiectasia (HHT) is a rare congenital disease in which fragile vascular malformations focally develop in multiple organs. These can be small (telangiectasias) or large (arteriovenous malformations, AVMs) and may rupture leading to frequent, uncontrolled bleeding. There are few treatment options and no cure for HHT. Most HHT patients are heterozygous for loss-of-function mutations for Endoglin (ENG) or Alk1 (ACVRL1), however, why loss of these genes manifests as vascular malformations remains poorly understood. To complement ongoing work in animal models, we have developed a microphysiological system model of HHT. Based on our existing vessel-on-a-chip (VMO) platform, our fully human cell-based HHT-VMO recapitulates HHT patient vascular lesions. Using inducible ACVRL1 (Alk1)-knockdown, we control timing and extent of endogenous Alk1 expression in primary human endothelial cells (EC) in the HHT-VMO. HHT-VMO vascular lesions develop over several days, and are dependent upon timing of Alk1 knockdown. Interestingly, in chimera experiments AVM-like lesions can be comprised of both Alk1-intact and Alk1-deficient EC, suggesting possible cell non-autonomous effects. Single cell RNA sequencing data are consistent with microvessel pruning/regression as contributing to AVM formation, while loss of PDGFB expression implicates mural cell recruitment. Finally, lesion formation is blocked by the VEGFR inhibitor pazopanib, mirroring the positive effects of this drug in patients. In summary, we have developed a novel HHT-on-a-chip model that faithfully reproduces HHT patient lesions and that is sensitive to a treatment effective in patients. The VMO-HHT can be used to better understand HHT disease biology and identify potential new HHT drugs. Significance This manuscript describes development of an organ-on-a-chip model of Hereditary Hemorrhagic Telangiectasia (HHT), a rare genetic disease involving development of vascular malformations. Our VMO-HHT model produces vascular malformations similar to those seen in human HHT patients, including small (telangiectasias) and large (arteriovenous malformations) lesions. We show that VMO-HHT lesions are sensitive to a drug, pazopanib, that appears to be effective in HHT human patients. We further use the VMO-HHT platform to demonstrate that there is a critical window during vessel formation in which the HHT gene, Alk1, is required to prevent vascular malformation. Lastly, we show that lesions in the VMO-HHT model are comprised of both Alk1-deficient and Alk1-intact endothelial cells.

Abstract The subventricular zone (SVZ) is the largest neural stem cell (NSC) niche in the adult brain; herein, the blood-brain barrier is leaky, allowing direct interactions between NSCs and endothelial cells (ECs). Mechanisms by which direct NSC-EC interactions in the SVZ control NSC behavior are unclear. We found Cx43 to be highly expressed by both NSCs and ECs in the SVZ, and its deletion in either cell type leads to increased NSC proliferation and neuroblast generation, suggesting that Cx43-mediated NSC-EC interactions maintain NSC quiescence. This is further supported by in vitro studies showing co-culture with ECs decreases NSC proliferation and increases their expression of genes associated with quiescence in a Cx43-dependent manner. Cx43 mediates these effects in a channel-independent manner involving its cytoplasmic tail and ERK activation. Such insights further advance our understanding of NSC regulation in vivo and may inform NSC maintenance ex vivo for stem cell therapies for neurodegenerative disorders.