Diseases related to vascular malfunction, hyper-vascularization, or lack of vascularization are among the leading causes of morbidity and mortality. Although the first generation of pro- and anti-vascular treatment strategies has delivered promising results in basic research, clinical trials have not met expectations. One reason for this discrepancy lies in the differences between basic research involving animal models and human biology. Additionally, the evaluation of vascular treatment strategies on the cellular level is challenging in animal models and even more so in human patients. Three-dimensional (3D) tissue models show great potential for overcoming these limitations by establishing controlled and near-physiological in vitro conditions for the detailed study of vessel formation and regulation. The engineering of vascularized tissue models requires appropriate scaffold materials that support cell-specific functions and at best are compatible with (micro)-manufacturing techniques. Furthermore, scaffold materials for tissue models should be highly defined in their composition and properties to achieve reproducible and controlled cell environments. Additionally, tissue models that address cell biology questions would benefit from scaffold materials that can be tailored towards specific cellular needs. Hydrogels made of fully synthetic materials that mimic the extracellular matrix (ECM) fulfill these requirements and have been established in the last decade. For the development of vascularized tissue models, it is now important to integrate such versatile hydrogel systems with recent advances in vascular biology and manufacturing techniques.

In the presented thesis, we engineer micro-capillary networks in poly (ethylene glycol) PEG-based hydrogels by the 3D co-culture of endothelial cells and mesenchymal stem/progenitor cells (MSCs). In this setup, endothelial cells self-assemble into lumenized micro-capillaries surrounded by cell-derived ECM and stabilized by MSCs that serve as support cells. While myriads of studies have investigated the endothelial component of micro-capillaries, we bring the anonymous support cells into the limelight and ask what fate decision MSCs undergo in the perivascular microenvironment. This question is of general biological interest because in vivo MSCs likely reside in the perivascular microenvironment of blood vessel capillaries. Transcriptome analysis of human bone marrow MSCs, when isolated from engineered micro-capillaries, revealed a prominent switch in ECM production of vascular basement membrane components and perivascular differentiation including Notch signaling. By making use of the modular and flexible design of PEG-hydrogels we functionalized them with the Notch-activating ligand Jagged1 and could recapitulate the ECM phenotypic switch of MSCs in the absence of endothelial cells. In doing so we show that the ECM switch is a novel attribute of perivascular MSCs and that vascular ECM components in MSCs are likely controlled by cell-cell communication via the Notch pathway.

MSCs are not just vascular supporters but also progenitor cells of mesenchymal tissues. Therefore, in an effort to establish vascularized bone mimicking tissue we took advantage of the full potential of MSCs by simultaneously using them as pro-vascular and tissue progenitor cells. While bone marrow MSCs together with endothelial cells assembled into micro-capillary structures in 3D co-cultures, we used growth factors to direct the fate of MSCs towards osteogenic cells. In this study, bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) or fibroblast growth factor-2 (FGF-2) promotes the formation of vascular networks. However, while osteogenic differentiation is achieved with BMP-2, treatment with FGF-2 suppressed osteogenic differentiation. Thus, our study shows that co-cultures of MSCs and endothelial cells in PEG-hydrogels can be directed towards bone-like and bone marrow-like 3D tissue constructs.

Taken together, this thesis provides micro-capillary networks as building block for the generation of vascularized tissue models in synthetic hydrogels. Two proof of concept studies show that engineered micro-capillary networks can be used 1) as valuable models in 3D vascular cell biology and 2) in a tissue engineering approach towards the generation of vascularized tissue mimics.

Krankheiten, welche das vaskuläre System betreffen, gehören zu den häufigsten Todesursachen. Vaskuläre Erkrankungen umfassen z.B. eine zu starke Blutgefässbildung bei Tumoren, Durchblutungsschwierigkeiten bei Diabetes oder das Fehlen von Blutgefässen bei nekrotischen Geweben. Die Grundlagenforschung hat in der Vergangenheit Erfolg versprechende Blutgefäss-fördernde und -inhibierende Strategien entwickelt. Jedoch konnten Resultate der Grundlagenforschung nur selten in klinischen Studien bestätigt werden. Eine Ursache für diese Diskrepanz liegt im Unterschied zwischen den in der Grundlagenforschung angewandten Tiermodellen und der menschlichen Biologie begründet. Des Weiteren gestaltet es sich als schwierig, vaskuläre Therapiestrategien in Tiermodellen sowie in Patienten auf zellulärer Ebene zu untersuchen. 3-dimensionale (3D) Gewebsmodelle haben das Potential, diesen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, indem sie unter kontrollierten und der menschlichen Physiologie ähnlichen Bedingungen die Studie der Blutgefässbiologie ermöglichen. Das Züchten von vaskularisierten Gewebsmodellen benötigt angemessene Gerüstmaterialien, welche 3D Konditionen erlauben, zell-spezifische Funktionen unterstützen und kompatibel mit modernen 3D Produktionsverfahren sind. Darüber hinaus sollten solche Materialien bezüglich ihrer Bestandteile und Eigenschaften exakt definiert sein, um reproduzierbare und kontrollierte Zellumgebungen zu ermöglichen. Zusätzlich ist es für die Adressierung von zellbiologischen Fragestellungen von Vorteil, wenn diese Materialien flexibel sind und zell-spezifischen Anforderungen angepasst werden können.

In den letzten Jahren wurden Hydrogele aus synthetischen Materialien entwickelt, welche die extrazelluläre Matrix (EZM) nachahmen und die genannten Bedingungen erfüllen. Um vaskularisierte Gewebsmodelle zu etablieren ist es nun wichtig, synthetische Hydrogelsysteme mit Fortschritten in der Blutgefässbiologie und modernen Produktionsverfahren zu verknüpfen. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von künstlichen, kleinen Blutgefässen (Mikrokapillaren) durch die Ko-Kultur von Endothelzellen und Mesenchymalen Stammzellen (MSC) in Polyethylenglykol (PEG)-Hydrogelen gezeigt. In diesem 3D in vitro System fusionieren Endothelzellen zu Mikrokapillaren, welche Lumen aufweisen, von zell-eigener EZM umgeben sind und von MSC stabilisiert und unterstützt werden. Während vorherige Studien die Endothelzellen der Mikrokapillaren untersucht haben, werden in dieser Arbeit die Helferzellen in den Mittelpunkt gerückt. Dazu wird die Frage, welchen Phänotyp MSC in der künstlichen, perivaskulären Umgebung annehmen, adressiert. Diese Frage ist von breiterem zellbiologischen Interesse, weil MSC in vivo wahrscheinlich in der perivaskulären Umgebung von kleinen Blutgefässen angesiedelt sind. Genexpressions-Analysen von humanen Knochenmark-MSC, welche von den künstlichen Mikrokapillaren zurückgewonnen wurden, weisen eine deutliche Veränderung von Komponenten der vaskulären EZM und von Indikatoren für eine perivaskuläre Differenzierung inklusive des Notch-Signalweges auf. Durch die Design-Flexibilität des verwendeten PEG-Hydrogels konnte der Notch-Signalweg-Aktivator Jagged1 in das Hydrogel eingebaut werden und dadurch die Veränderung der vaskulären EZM Komponenten in MSC in Abwesenheit von Endothelzellen induziert werden. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Veränderung der EZM ein neues Attribut von perivaskulären MSC ist und, dass die vaskuläre EZM in MSC wahrscheinlich mittels Zell-Zell-Kommunikation durch den Notch-Signalweg kontrolliert wird.

Abgesehen von ihrer Helferfunktion für Endothelzellen besitzen MSC mesenchymale Stammzelleigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurden diese beiden Eigenschaften von MSC in einem vaskularisierten Gewebsmodell mit osteogenen Knocheneigenschaften kombiniert. Dazu wurden MSC/Endothelzell-Kulturen und die beiden Wachstumsfaktoren Knochen-induzierendes Protein 2 (bone morphogenetic protein-2:​ BMP-2) und Fibroblasten Wachstumsfaktor 2 (fibroblast growth factor-2:​ FGF-2) benutzt. Beide Wachstumsfaktoren unterstützen die Formierung von Endothelzellen zu Mikrokapillaren. Während BMP-2 jedoch die osteogene Differenzierung von MSC hervorruft, unterdrückt FGF-2 diesen Effekt. Dieses Resultat zeigt, dass MSC/Endothelzell-Kulturen in PEG-Hydrogelen benutzt werden können, um einfache, vaskularisierte 3D Gewebsmodelle von Knochen und Knochenmark zu generieren.

Zusammengefasst zeigt die vorliegende Arbeit, dass künstliche Blutgefässnetzwerke in synthetischen Hydrogelen etabliert werden können. Diese mikrokapillaren Netzwerke können als Bausteine für vaskularisierte Gewebsmodelle benutzt werden, wie in zwei Beispielstudien demonstriert wird. Es wird gezeigt, dass die mikrokapillaren Netzwerke A) als 3D Modell für grundlegende Blutgefässbiologie und B) als Teil von vaskularisierten Knochenmodellen fungieren können.