Human cortical organoids (hCOs), derived from human embryonic stem cells (hESCs), provide a platform to study human brain development and diseases in complex three-dimensional tissue. However, current hCOs lack microvasculature, resulting in limited oxygen and nutrient delivery to the inner-most parts of hCOs. We engineered hESCs to ectopically express human ETS variant 2 (ETV2). ETV2-expressing cells in hCOs contributed to forming a complex vascular-like network in hCOs. Importantly, the presence of vasculature-like structures resulted in enhanced functional maturation of organoids. We found that vascularized hCOs (vhCOs) acquired several blood-brain barrier characteristics, including an increase in the expression of tight junctions, nutrient transporters and trans-endothelial electrical resistance. Finally, ETV2-induced endothelium supported the formation of perfused blood vessels in vivo. These vhCOs form vasculature-like structures that resemble the vasculature in early prenatal brain, and they present a robust model to study brain disease in vitro.

Abstract Fas (CD95/APO-1) is a transmembrane death receptor that transduces apoptotic signals upon binding to its ligand and assembling into a death-inducing signaling complex (DISC) ( 1, 2 ). Intracellular trafficking of Fas receptors, including recycling from endosomes to the plasma membrane, plays a vital role in ligand-induced assembly of DISC ( 3, 4 ). Although Fas is highly expressed in tumor cells ( 5, 6 ), insufficient expression of these receptors on the cell surface makes cancer cells insensitive to the Fas-induced apoptosis ( 4, 7 – 9 ). Here we show that inhibition of endocytosis increases the formation of Fas microaggregates on the plasma membrane and sensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. We have identified a clinically used vasodilator, Fasudil, that slows down endocytosis by increasing plasma membrane tension. Fasudil enhanced apoptosis in cancerous cells when combined with exogenous soluble Fas ligand (FasL), whereas the synergistic effect was substantially weaker in nonmalignant cells. Additionally, the FasL and Fasudil combination prevented glioblastoma cell growth in embryonic stem cell-derived brain organoids and induced tumor regression in a xenograft U87 tumor model in nude mice. Our results demonstrate that FasL treatment has strong potential as an apoptosis-directed cancer therapy when the formation of Fas microaggregates is augmented by slowing down endocytosis dynamics.

Abstract The transmembrane death receptor Fas transduces apoptotic signals upon binding its ligand, FasL. Although Fas is highly expressed in cancer cells, insufficient cell surface Fas expression desensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. Here, we show that the increase in Fas microaggregate formation on the plasma membrane in response to the inhibition of endocytosis sensitizes cancer cells to Fas-induced apoptosis. We used a clinically accessible Rho-kinase inhibitor, fasudil, that reduces endocytosis dynamics by increasing plasma membrane tension. In combination with exogenous soluble FasL (sFasL), fasudil promoted cancer cell apoptosis, but this collaborative effect was substantially weaker in nonmalignant cells. The combination of sFasL and fasudil prevented glioblastoma cell growth in embryonic stem cell-derived brain organoids and induced tumor regression in a xenograft mouse model. Our results demonstrate that sFasL has strong potential for apoptosis-directed cancer therapy when Fas microaggregate formation is augmented by mechano-inhibition of endocytosis.