# Vascular niche bioengineering for human bone regeneration

> **NIH NIH R01** · BOSTON CHILDREN'S HOSPITAL · 2020 · $389,400

## Abstract

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT 
 
Every year, >1 million patients undergo bone repair procedures in the United States. Autologous bone grafting 
remains the preferred treatment for bone defects, but this practice is limited by bone availability and donor site 
morbidity  from  harvesting  the  bone.  Alternatively,  the  development  of  therapies  that  exploit  the  osteogenic 
potential  of  bone  marrow-­derived  mesenchymal  stem  cells  (bmMSCs)  continues  to  be  a  priority  in 
osteoregenerative  medicine.  However,  efforts  remain  largely  empirical  due  to  poor  understanding  of  the 
mechanisms regulating bmMSC engraftment and osteogenic activity in vivo. Our long-­term goal is to develop a 
regenerative  therapy  that  is  based  on  bioengineering  an  osteoinductive  niche  for  human  bmMSCs.  We  have 
found that the in vivo preservation of human bmMSC osteogenic potential depends on sustaining proximity to 
endothelial cells (ECs) and on the timely engraftment of bmMSCs as perivascular cells (Lin et al., PNAS 2014). 
We have also found that vascular networks bioengineered using human iliac crest trabecular bone ECs (bECs) 
could spontaneously induce osteogenic differentiation of bmMSCs at ectopic sites. In contrast, ECs from other 
human  tissues  could  not.  In  addition,  we  have  identified  five  candidate  genes  (BMP2,  BMP7,  NOG,  KITLG, 
MSX1) differentially upregulated in bECs. Our overarching hypothesis is that bioengineered microvessels lined 
with bECs serve as stable niches for bmMSCs and autonomously drive osteogenesis via regulation of specific 
osteoinductive genes. Moreover, we postulate that induced pluripotent stem cells (iPSCs) could offer a plentiful 
source  of  surrogate  bECs,  eliminating  the  need  for  harvesting  autologous  trabecular  bone.  To  test  these 
hypotheses  and  to  elucidate  the  precise  osteoinductive  factors  whereby  human  trabecular  bECs  uniquely 
regulate osteogenesis, we propose three Specific Aims. In Aim-­1, we will bioengineer vascular networks with 
human bECs and bmMSCs and determine the capacity to regenerate critical-­sized orthotopic bone defects. In 
Aim-­2,  we  will  determine  the  factors  responsible  for  the  unique  in  vivo  osteoinductive  potential  of  human 
trabecular  bECs.  We  will  knockout  each  candidate  bEC  gene  and  will  determine  the  effect  on  in  vivo 
osteogenesis. To this end, we will use a luciferase-­reporter driven by the human osterix promoter to measure 
bmMSC osteogenic activity via bioluminescence. In Aim-­3, we will determine conditions to generate surrogate 
bECs from iPSCs. We will examine whether iPSC-­derived ECs (iECs) acquire osteoinductive properties upon 
transplantation into bone sites and are in turn able to autonomously regulate the osteogenic activity of bmMSCs 
in  vivo.  We  will  use  our  murine  calvarial  bone  defect  model  to  determine  the  extent  of  in  vivo  osteogenic 
education  of  iECs  b...

## Key facts

- **NIH application ID:** 9898291
- **Project number:** 5R01AR069038-05
- **Recipient organization:** BOSTON CHILDREN'S HOSPITAL
- **Principal Investigator:** Juan M Melero-Martin
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $389,400
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2016-05-16 → 2021-04-30

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/9898291

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 9898291, Vascular niche bioengineering for human bone regeneration (5R01AR069038-05). Retrieved via AI Analytics 2026-05-22 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/9898291. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*