Abstract The blood–brain barrier ( BBB ) is critical in maintaining a physical and metabolic barrier between the blood and the brain. The BBB consists of brain microvascular endothelial cells ( BMEC s) that line the brain vasculature and combine with astrocytes, neurons and pericytes to form the neurovascular unit. We hypothesized that astrocytes and neurons generated from human‐induced pluripotent stem cells ( iPSC s) could induce BBB phenotypes in iPSC ‐derived BMEC s, creating a robust multicellular human BBB model. To this end, iPSC s were used to form neural progenitor‐like EZ ‐spheres, which were in turn differentiated to neurons and astrocytes, enabling facile neural cell generation. The iPSC ‐derived astrocytes and neurons induced barrier tightening in primary rat BMEC s indicating their BBB inductive capacity. When co‐cultured with human iPSC ‐derived BMEC s, the iPSC ‐derived neurons and astrocytes significantly elevated trans‐endothelial electrical resistance, reduced passive permeability, and improved tight junction continuity in the BMEC cell population, while p ‐glycoprotein efflux transporter activity was unchanged. A physiologically relevant neural cell mixture of one neuron: three astrocytes yielded optimal BMEC induction properties. Finally, an isogenic multicellular BBB model was successfully demonstrated employing BMEC s, astrocytes, and neurons from the same donor iPSC source. It is anticipated that such an isogenic facsimile of the human BBB could have applications in furthering understanding the cellular interplay of the neurovascular unit in both healthy and diseased humans. image Read the Editorial Highlight for this article on page 843 .

We report a defined method for differentiating human pluripotent stem cells to brain endothelial cells.

ABSTRACT Brain pericytes play an important role in the formation and maintenance of the neurovascular unit (NVU), and their dysfunction has been implicated in central nervous system (CNS) disorders. While human pluripotent stem cells (hPSCs) have been used to model other components of the NVU including brain microvascular endothelial cells (BMECs), astrocytes, and neurons, cells having brain pericyte-like phenotypes have not been described. In this study, we generated neural crest stem cells (NCSCs), the embryonic precursor to forebrain pericytes, from human pluripotent stem cells (hPSCs) and subsequently differentiated NCSCs to brain pericyte-like cells. The brain pericyte-like cells expressed marker profiles that closely resembled primary human brain pericytes, and they self-assembled with endothelial cells to support vascular tube formation. Importantly, the brain pericyte-like cells induced blood-brain barrier (BBB) properties in BMECs, including barrier enhancement and reduction of transcytosis. Finally, brain pericyte-like cells were incorporated with iPSC-derived BMECs, astrocytes, and neurons to form an isogenic human NVU model that should prove useful for the study of the BBB in CNS health, disease, and therapy.

ABSTRACT Endothelial cells (ECs) in the central nervous system (CNS) acquire their specialized blood-brain barrier (BBB) properties in response to extrinsic signals, with Wnt/β-catenin signaling coordinating multiple aspects of this process. Our knowledge of CNS EC development has been advanced largely by animal models, and human pluripotent stem cells (hPSCs) offer the opportunity to examine BBB development in an in vitro human system. Here we show that activation of Wnt signaling in hPSC-derived naïve endothelial progenitors, but not in matured ECs, leads to robust acquisition of canonical BBB phenotypes including expression of GLUT-1, increased claudin-5, and decreased PLVAP. RNA-seq revealed a transcriptome profile resembling ECs with CNS-like characteristics, including Wnt-upregulated expression of LEF1 , APCDD1 , and ZIC3 . Together, our work defines effects of Wnt activation in naïve ECs and establishes an improved hPSC-based model for interrogation of CNS barriergenesis.

Abstract Glaucoma is a neurodegenerative disease that results in the degeneration of retinal ganglion cells (RGCs) and subsequent loss of vision. While RGCs are the primary cell type affected in glaucoma, neighboring cell types selectively modulate RGCs to maintain overall homeostasis. Among these neighboring cell types, astrocytes, microvascular endothelial cells (MVECs), and pericytes coordinate with neurons to form the neurovascular unit that provides a physical barrier to limit the passage of toxic materials from the blood into neural tissue. Previous studies have demonstrated that these barrier properties may be compromised in the progression of glaucoma, yet mechanisms by which this happens have remained incompletely understood. Thus, the goals of this study were to adapt a human pluripotent stem cell (hPSC)-based model of the neurovascular unit to the study of barrier integrity relevant to glaucoma. To achieve this, hPSCs were differentiated into the cell types that contribute to this barrier, including RGCs, astrocytes, and MVECs, then assembled into an established Transwell ® -insert model. The ability of these cell types to contribute to an in vitro barrier model was tested for their ability to recapitulate characteristic barrier properties. Results revealed that barrier properties of MVECs were enhanced when cultured in the presence of RGCs and astrocytes compared to MVECs cultured alone. Conversely, the versatility of this system to model aspects of barrier dysfunction relevant to glaucoma was tested using an hPSC line with a glaucoma-specific Optineurin (E50K) mutation as well as a paired isogenic control, where MVECs then exhibited reduced barrier integrity. To identify factors that could result in barrier dysfunction, results revealed an increased expression of TGFβ2 in glaucoma-associated OPTN(E50K) astrocytes, indicating a potential role for TGFβ2 in disease manifestation. To test this hypothesis, we explored the ability to modulate exogenous TGFβ2 in both isogenic control and OPTN(E50K) experimental conditions. Collectively, the results of this study indicated that the repurposing of this in vitro barrier model for glaucoma reliably mimicked some aspects of barrier dysfunction, and may serve as a platform for drug discovery, as well as a powerful in vitro model to test the consequences of barrier dysfunction upon RGCs in glaucoma.