Cell-based therapy has emerged as a promising option for treating advanced ischemic cardiovascular disease by inducing vascular regeneration. However, clinical trials with adult cells turned out disappointing in general. As a newer approach, direct reprogramming has emerged to efficiently generate endothelial cells (ECs), which can promote neovascularization and vascular regeneration. This review provides recent updates on the direct endothelial reprogramming. In general, directly reprogrammed ECs can be generated by two approaches: one by transitioning through a plastic intermediate state and the other in a one-step transition without any intermediate states toward pluripotency. Moreover, the methods to deliver reprogramming factors and chemicals for the fate conversion are highlighted. Next, the therapeutic effects of the directly reprogrammed ECs on animal models are reviewed in detail. Other applications using directly reprogrammed ECs, such as tissue engineering and disease modeling, are also discussed. Lastly, the remaining questions and foremost challenges are addressed.
Direct conversion by trans-differentiation is of growing interest in cell therapy for incurable diseases. The efficiency of cell reprogramming and functionality of converted cells are important considerations in cell transplantation therapy. Here, we compared two representative protocols for the generation of induced-oligodendrocyte progenitor cells (iOPCs) from mouse and rat fibroblasts. Then, we showed that induction of Nkx6.2, Olig2, and Sox10 (NOS) was more effective in mouse fibroblasts and that induction of Olig2, Sox10, and Zfp536 (OSZ) was more effective at reprogramming iOPCs from rat fibroblasts. However, OSZ-iOPCs did not show greater proliferation than NOS-induced cells. Because the efficiency of iOPCs generation appears to differ between cell species depending on transcription factors and culture conditions, it is important to select appropriate methods for efficient reprogramming.
Direct reprogramming, also known as a trans-differentiation, is a technique to allow mature cells to be converted into other types of cells without inducing a pluripotent stage. It has been suggested as a major strategy to acquire the desired type of cells in cell-based therapies to repair damaged tissues. Studies related to switching the fate of cells through epigenetic modification have been progressing and they can bypass safety issues raised by the virus-based transfection methods. In this study, a protocol was established to directly convert fully differentiated fibroblasts into diverse mesenchymal-lineage cells, such as osteoblasts, adipocytes, chondrocytes, and ectodermal cells, including neurons, by means of DNA demethylation, immediately followed by culturing in various differentiating media. First, 24 h exposure of 5-azacytidine (5-aza-CN), a well-characterized DNA methyl transferase inhibitor, to NIH-3T3 murine fibroblast cells induced the expression of stem-cell markers, that is, increasing cell plasticity. Next, 5-aza-CN treated fibroblasts were cultured in osteogenic, adipogenic, chondrogenic, and neurogenic media with or without bone morphogenetic protein 2 for a designated period. Differentiation of each desired type of cell was verified by quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction/western blot assays for appropriate marker expression and by various staining methods, such as alkaline phosphatase/alizarin red S/oil red O/alcian blue. These proposed procedures allowed easier acquisition of the desired cells without any transgenic modification, using direct reprogramming technology, and thus may help make it more available in the clinical fields of regenerative medicine.
Embryonic stem cells have been a popular research topic in regenerative medicine owing to their pluripotency and applicability. However, due to the difficulty in harvesting them and their low yield efficiency, advanced cell reprogramming technology has been introduced as an alternative. Dental stem cells have entered the spotlight due to their regenerative potential and their ability to be obtained from biological waste generated after dental treatment. Cell reprogramming, a process of reverting mature somatic cells into stem cells, and transdifferentiation, a direct conversion between different cell types without induction of a pluripotent state, have helped overcome the shortcomings of stem cells and raised interest in their regenerative potential. Furthermore, the potential of these cells to return to their original cell types due to their epigenetic memory has reinforced the need to control the epigenetic background for successful management of cellular differentiation. Herein, we discuss all available sources of dental stem cells, the procedures used to obtain these cells, and their ability to differentiate into the desired cells. We also introduce the concepts of cell reprogramming and transdifferentiation in terms of genetics and epigenetics, including DNA methylation, histone modification, and non-coding RNA. Finally, we discuss a novel therapeutic avenue for using dental-derived cells as stem cells, and explain cell reprogramming and transdifferentiation, which are used in regenerative medicine and tissue engineering.
Sang Hui Yong;Sang-Mi Kim;Gyeong Woon Kong;Seung Hwan Ko;Eun-Hye Lee;Yohan Oh;Chang-Hwan Park
BMB Reports
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v.57
no.8
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pp.363-368
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2024
Parkinson's disease (PD), characterized by dopaminergic neuron degeneration in the substantia nigra, is caused by various genetic and environmental factors. Current treatment methods are medication and surgery; however, a primary therapy has not yet been proposed. In this study, we aimed to develop a new treatment for PD that induces direct reprogramming of dopaminergic neurons (iDAN). Achaete-scute family bHLH transcription factor 1 (ASCL1) is a primary factor that initiates and regulates central nervous system development and induces neurogenesis. In addition, it interacts with BRN2 and MYT1L, which are crucial transcription factors for the direct conversion of fibroblasts into neurons. Overexpression of ASCL1 along with the transcription factors NURR1 and LMX1A can directly reprogram iDANs. Using a retrovirus, GFP-tagged ASCL1 was overexpressed in astrocytes. One week of culture in iDAN convertsion medium reprogrammed the astrocytes into iDANs. After 7 days of differentiation, TH+/TUJ1+ cells emerged. After 2 weeks, the number of mature TH+/TUJ1+ dopaminergic neurons increased. Only ventral midbrain (VM) astrocytes exhibited these results, not cortical astrocytes. Thus, VM astrocytes can undergo direct iDAN reprogramming with ASCL1 alone, in the absence of transcription factors that stimulate dopaminergic neurons development.
Gary Stanley Fernandes;Rishabh Deo Singh;Debojyoti De;Kyeong Kyu Kim
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.2
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pp.156-167
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2023
Background and Objectives: Cellular reprogramming in regenerative medicine holds great promise for treating patients with neurological disorders. In this regard, small molecule-mediated cellular conversion has attracted special attention because of its ease of reproducibility, applicability, and fewer safety concerns. However, currently available protocols for the direct conversion of somatic cells to neurons are limited in clinical application due of their complex nature, lengthy process, and low conversion efficiency. Methods and Results: Here, we report a new protocol involving chemical-based direct conversion of human fibroblasts (HF) to matured neuron-like cells with a short duration and high conversion efficiency using temporal and strategic dual epigenetic regulation. In this protocol, epigenetic modulation by inhibition of histone deacetylase and bromodomain enabled to overcome "recalcitrant" nature of adult fibroblasts and shorten the duration of neuronal reprogramming. We further observed that an extended epigenetic regulation is necessary to maintain the induced neuronal program to generate a homogenous population of neuron-like cells. Conclusions: Therefore, our study provides a new protocol to produce neurons-like cells and highlights the need of proper epigenetic resetting to establish and maintain neuronal program in HF.
Cardiovascular disease (CVD) is the leading causes of morbidity and death globally. In particular, a heart failure remains a major problem that contributes to global mortality. Considerable advancements have been made in conventional pharmacological therapies and coronary intervention surgery for cardiac disorder treatment. However, more than 15% of patients continuously progress to end-stage heart failure and eventually require heart transplantation. Over the past year, numerous numbers of protocols to generate cardiomyocytes (CMCs) from human pluripotent stem cells (hPSCs) have been developed and applied in clinical settings. Number of studies have described the therapeutic effects of hPSCs in animal models and revealed the underlying repair mechanisms of cardiac regeneration. In addition, biomedical engineering technologies have improved the therapeutic potential of hPSC-derived CMCs in vivo. Recently substantial progress has been made in driving the direct differentiation of somatic cells into mature CMCs, wherein an intermediate cellular reprogramming stage can be bypassed. This review provides information on the role of hPSCs in cardiac regeneration and discusses the practical applications of hPSC-derived CMCs; furthermore, it outlines the relevance of directly reprogrammed CMCs in regenerative medicine.
Seo, Ji-Hye;Jang, Si Won;Jeon, Young-Joo;Eun, So Young;Hong, Yean Ju;Do, Jeong Tae;Chae, Jung-il;Choi, Hyun Woo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.32
no.10
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pp.1245-1252
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2022
Induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be generated from somatic cells using Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (OSKM). Small molecules can enhance reprogramming. Licochalcone D (LCD), a flavonoid compound present mainly in the roots of Glycyrrhiza inflata, acts on known signaling pathways involved in transcriptional activity and signal transduction, including the PGC1-α and MAPK families. In this study, we demonstrated that LCD improved reprogramming efficiency. LCD-treated iPSCs (LCD-iPSCs) expressed pluripotency-related genes Oct4, Sox2, Nanog, and Prdm14. Moreover, LCD-iPSCs differentiated into all three germ layers in vitro and formed chimeras. The mesenchymal-to-epithelial transition (MET) is critical for somatic cell reprogramming. We found that the expression levels of mesenchymal genes (Snail2 and Twist) decreased and those of epithelial genes (DSP, Cldn3, Crb3, and Ocln) dramatically increased in OR-MEF (OG2+/+/ROSA26+/+) cells treated with LCD for 3 days, indicating that MET effectively occurred in LCD-treated OR-MEF cells. Thus, LCD enhanced the generation of iPSCs from somatic cells by promoting MET at the early stages of reprogramming.
Park, Yong-Eui;Yang, Deok-Chun;Park, Kwang-Tae;Soh, Woong-Young;Hiroshi Sano
Proceedings of the Botanical Society of Korea Conference
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1999.07a
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pp.85-89
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1999
Somatic embryogendesis is one of good examples of the basic research for plant embryo development as well as an important technique for plant biotechnology. This paper describes the direct somatic embryogenesis from zygotic embryos of Panax ginseng is reversely related to normal axis growth of zygotic embryos by the experiment of various chemical treatments. Under the normal growth condition, the apical tips of embryo axis produced an agar-diffusible substance, which suppressed somatic embryo development from cotyledons. Although the cells of zygotic embryos were released from the restraint of embryo axis, various factors were still involved for somatic embryo development. Electron microscopic observation revealed that the ultrastructure of cells of cotyledon epidermis markedly changed before initiation of embryonic cell division, probably indicating reprogramming events into the cells embryogenically determined state. Polar accumulation of endogenous auxin or cell-cell isolation by plasmolysis pre-treatment is the strong inducer for the somatic embryo development. The cells for the process of somatic embryogenesis might be determined by the physiological conditions fo explants and medium compositions. Direct somatic embryos from cotyledons fo ginseng were originated eithrer from single or multiple cells. The different cellular origin of somatic embryos was originated either from single or multiple cell. The different cellular origin of somatic embryos was depended on various developmental stages of cotyledons. Immature meristematic cotyledons produced multiple cell-derived somatic embryos, which developed into multiple embryos. While fully mature cotyledons produced single cell-derived single embryos with independent state. Plasmolysis pretreatment of cotyledons strongly enhanced single cell-derived somatic embryogenesis. Single embryos were converted into normal plantlets with shoot and roots, while multiple embryos were converted into only multiple shoots. GA3 or a chilling treatment was prerequisite for germination and plant conversion. Low concentration of ammonium ion in medium was necessary for balanced growth of root and shoot of plantlets. Therefore, using above procedures, successful plant regeneration of ginseng was accomplished through direct single embryogenesis, which makes it possible to produce genetically transformed ginseng efficently.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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