The capacity of differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs), which include both embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells, into cardiomyocytes (CMs) in vitro provides an unlimited resource for human CMs for a wide range of applications such as cell based cardiac repair, cardiac drug toxicology screening, and human cardiac disease modeling. However, their applicability is significantly limited by immature phenotypes. It has been well known that currently available CMs derived from hPSCs (hPSC-CMs) represent immature embryonic or fetal stage CMs and are functionally and structurally different from mature human CMs. To overcome this critical issue, several new approaches aiming to generate more mature hPSC-CMs have been developed. This review describes recent approaches to generate more mature hPSC-CMs including their scientific principles, advantages, and limitations.
The generation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) from somatic cells using gene transfer opens new areas for precision medicine with personalized cell therapy and encourages the discovery of essential platforms for targeted drug development. iPSCs retain the genome of the donor, may regenerate indefinitely, and undergo differentiation into virtually any cell type of interest using a range of published protocols. There has been enormous interest among researchers regarding the application of iPSC technology to regenerative medicine and human disease modeling, in particular, modeling of neurologic diseases using patient-specific iPSCs. For instance, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and spinal cord injuries may be treated with iPSC therapy or replacement tissues obtained from iPSCs. In this review, we discuss the work so far on generation and characterization of iPSCs and focus on recent advances in the use of human iPSCs in clinical setting.
Because the average human life span has recently increased, the number of patients who are diagnosed with neurodegenerative diseases has escalated. Recent advances in stem cell research have given us access to unlimited numbers of multi-potent or pluripotent cells for screening for new drugs for neurodegenerative diseases. Neural stem cells (NSCs) are a good model with which to screen effective drugs that increase neurogenesis. Recent technologies for human embryonic stem cells (ESCs) or induced pluripotent stem cells (iPSCs) can provide human cells that harbour specific neurodegenerative disease. This article discusses the use of NSCs, ESCs and iPSCs for neurodegenerative drug screening and toxicity evaluation. In addition, we introduce drugs or natural products that are recently identified to affect the stem cell fate to generate neurons or glia.
Embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs), which are collectively called pluripotent stem cells (PSCs), have emerged as a promising source for regenerative medicine. Particularly, human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) have shown robust potential for regenerating injured heart. Over the past two decades, protocols to differentiate hPSCs into CMs at high efficiency have been developed, opening the door for clinical application. Studies further demonstrated therapeutic effects of hPSC-CMs in small and large animal models and the underlying mechanisms of cardiac repair. However, gaps remain in explanations of the therapeutic effects of engrafted hPSC-CMs. In addition, bioengineering technologies improved survival and therapeutic effects of hPSC-CMs in vivo. While most of the original concerns associated with the use of hPSCs have been addressed, several issues remain to be resolved such as immaturity of transplanted cells, lack of electrical integration leading to arrhythmogenic risk, and tumorigenicity. Cell therapy with hPSC-CMs has shown great potential for biological therapy of injured heart; however, more studies are needed to ensure the therapeutic effects, underlying mechanisms, and safety, before this technology can be applied clinically.
The generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from patients' somatic cells provides a new paradigm for studying human genetic diseases. Human iPSCs which have similar properties of human embryonic stem cells (hESCs) provide a powerful platform to recapitulate the disease-specific cell types by using various differentiation techniques. This promising technology has being realized the possibility to explore pathophysiology of many human genetic diseases at the molecular and cellular levels. Furthermore, disease-specific human iPSCs can also be used for patient-based drug screening and new drug discovery at the stage of the pre-clinical test in vitro. In this review, we summarized the concept and history of cellular reprogramming or iPSC generation and highlight recent progresses for disease modeling using patient-specific iPSCs.
Yean Ju Hong;So been Lee;Joonhyuk Choi;Sang Hoon Yoon;Jeong Tae Do
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.95-103
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2022
Background and Objectives: In recent years, brain organoid technologies have been the most innovative advance in neural differentiation research. In line with this, we optimized a method to establish cerebral organoids from feeder-free cultured human pluripotent stem cells. In this study, we focused on the consistent and robust production of cerebral organoids comprising neural progenitor cells and neurons. We propose an optimal protocol for cerebral organoid generation that is applicable to both human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells. Methods and Results: We investigated formation of neuroepithelium, neural tube, and neural folding by observing the morphology of embryoid bodies at each stage during the cerebral organoid differentiation process. Furthermore, we characterized the cerebral organoids via immunocytochemical staining of sectioned organoid samples, which were prepared using a Cryostat and Vibratome. Finally, we established a routine method to generate early cerebral organoids comprising a cortical layer and a neural progenitor zone. Conclusions: We developed an optimized methodology for the generation of cerebral organoids using hESCs and hiPSCs. Using this protocol, consistent and efficient cerebral organoids could be obtained from hiPSCs as well as hESCs. Further, the morphology of brain organoids could be analyzed through 2D monitoring via immunostaining and tissue sectioning, or through 3D monitoring by whole tissue staining after clarification.
The discovery of human pluripotent stem cells (PSCs) at the turn of the century opened the door to a new generation of regenerative medicine research. Among PSCs, the donors available for induced pluripotent stem cells (iPSCs) are greatest, providing a potentially universal cell source for all types of cell therapies including cancer immunotherapies using natural killer (NK cells). Unlike primary NK cells, those prepared from iPSCs can be prepared with a homogeneous quality and are easily modified to exert a desired response to tumor cells. There already exist several protocols to genetically modify and differentiate iPSCs into NK cells, and each has its own advantages with regards to immunotherapies. In this short review, we detail the benefits of using iPSCs in NK cell immunotherapies and discuss the challenges that must be overcome before this approach becomes mainstream in the clinic.
In-Won Lee;Hyeon-Geun Lee;Dae-Ky Moon;Yeon-Ji Lee;Bo-Gyeong Seo;Sang-Ki Baek;Tae-Suk Kim;Cheol Hwangbo;Joon-Hee Lee
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.38
no.3
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pp.109-120
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2023
Background: Pluripotent stem cells (PSCs) including embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) offer the immense therapeutic potential in stem cell-based therapy of degenerative disorders. However, clinical trials of human ESCs cause heavy ethical concerns. With the derivation of iPSCs established by reprogramming from adult somatic cells through the transgenic expression of transcription factors, this problems would be able to overcome. In the present study, we tried to differentiate porcine iPSCs (piPSCs) into endothelial cells (ECs) for stem cell-based therapy of vascular diseases. Methods: piPSCs (OSKMNL) were induced to differentiation into ECs in four differentiation media (APEL-2, APEL-2 + 50 ng/mL of VEGF, EBM-2, EBM-2 + 50 ng/mL of VEGF) on cultured plates coated with matrigel® (1:40 dilution with DMEM/F-12 medium) for 8 days. Differentiation efficiency of these cells were exanimated using qRT-PCR, Immunocytochemistry, Western blotting and FACS. Results: As results, expressions of pluripotency-associated markers (OCT-3/4, SOX2 and NANOG) were higher observed in all porcine differentiated cells derived from piPSCs (OSKMNL) cultured in four differentiation media than piPSCs as the control, whereas endothelial-associated marker (CD-31) in the differentiated cells was not expressed. Conclusions: It can be seen that piPSCs (OSKMNL) were not suitable to differentiate into ECs in the four differentiation media unlike porcine epiblast stem cells (pEpiSCs). Therefore, it would be required to establish a suitable PSCs for differentiating into ECs for the treatment of cardiovascular diseases.
Kim, Jung-Mo;Cho, Youn-Jeong;Son, On-Ju;Hong, Ki-Sung;Chung, Hyung-Min
Reproductive and Developmental Biology
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v.35
no.1
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pp.1-8
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2011
Techniques to evaluate gene expression profiling, such as sufficiently sensitive cDNA microarrays or real-time quantitative PCR, are efficient methods for monitoring human pluripotent stem cell (hESC/iPSC) cultures. However, most of these high-throughput tests have a limited use due to high cost, extended turn-around time, and the involvement of highly specialized technical expertise. Hence, there is an urgency of rapid, cost-effective, robust, yet sensitive method development for routine screening of hESCs/hiPSCs. A critical requirement in hESC/hiPSC cultures is to maintain a uniform undifferentiated state and to determine their differentiation capacity by showing the expression of gene markers representing all three germ layers, including ectoderm, mesoderm, and endoderm. To quantify the modulation of gene expression in hESCs/hiPSC during their propagation, expansion, and differentiation via embryoid body (EB) formation, we developed a simple, rapid, inexpensive, and definitive multimarker, semiquantitative multiplex RT-PCR platform technology. Among the 9 gene primers tested, 5 were pluripotent markers comprising set 1, and 3 lineage-specific markers were combined as set 2, respectively. We found that these 2 sets were not only effective in determining the relative differentiation in hESCs/hiPSCs, but were easily reproducible. In this study, we used the hES/hiPS cell lines to standardize the technique. This multiplex RT-PCR assay is flexible and, by selecting appropriate reporter genes, can be designed for characterization of different hESC/hiPSC lines during routine maintenance and directed differentiation.
Human pluripotent stem cells (hPSCs) include human embryonic stem cells (hESCs) derived from blastocysts and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) generated from somatic cell reprogramming. Due to their self-renewal ability and pluripotent differentiation potential, hPSCs serve as an excellent experimental platform for human development, disease modeling, drug screening, and cell therapy. Traditionally, hPSCs were considered to form a homogenous population. However, recent advances in single cell technologies revealed a high degree of variability between individual cells within a hPSC population. Different types of heterogeneity can arise by genetic and epigenetic abnormalities associated with long-term in vitro culture and somatic cell reprogramming. These variations initially appear in a rare population of cells. However, some cancer-related variations can confer growth advantages to the affected cells and alter cellular phenotypes, which raises significant concerns in hPSC applications. In contrast, other types of heterogeneity are related to intrinsic features of hPSCs such as asynchronous cell cycle and spatial asymmetry in cell adhesion. A growing body of evidence suggests that hPSCs exploit the intrinsic heterogeneity to produce multiple lineages during differentiation. This idea offers a new concept of pluripotency with single cell heterogeneity as an integral element. Collectively, single cell heterogeneity is Janus-faced in hPSC function and application. Harmful heterogeneity has to be minimized by improving culture conditions and screening methods. However, other heterogeneity that is integral for pluripotency can be utilized to control hPSC proliferation and differentiation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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