The use of human mesenchymal stem cells (hMSCs) in cell-based therapy has attracted extensive interest in the field of regenerative medicine, and it shows applications to numerous incurable diseases. hMSCs show several superior properties for therapeutic use compared to other types of stem cells. Different cell types are discussed in terms of their advantages and disadvantages, with focus on the characteristics of hMSCs. hMSCs can proliferate readily and produce differentiated cells that can substitute for the targeted affected tissue. To maximize the therapeutic effects of hMSCs, a substantial number of these cells are essential, requiring extensive ex vivo cell expansion. However, hMSCs have a limited lifespan in an in vitro culture condition. The senescence of hMSCs is a double-edged sword from the viewpoint of clinical applications. Although their limited cell proliferation potency protects them from malignant transformation after transplantation, senescence can alter various cell functions including proliferation, differentiation, and migration, that are essential for their therapeutic efficacy. Numerous trials to overcome the limited lifespan of mesenchymal stem cells are discussed.
In most clinical applications, human mesenchymal stem cells (hMSCs) are expanded in large scale before their administration. Prolonged culture in vitro results in cellular senescence-associated phenotypes, including accumulation of reactive oxygen species (ROS) and decreased cell viabilities. Profiling of stem cell-related genes during in vitro expansion revealed that numerous canonical pathways were significantly changed. To determine the effect of selenocysteine (Sec), a rare amino acid found in several antioxidant enzymes, on the replicative senescence in hMSCs, we treated senescent hMSCs with Sec. Supplementation of Sec in the culture medium in late-passage hMSCs reduced ROS levels and improved the survival of hMSCs. In addition, a subset of key antioxidant genes and Sec-containing selenoproteins showed increased mRNA levels after Sec treatment. Furthermore, ROS metabolism and inflammation pathways were predicted to be downregulated. Taken together, our results suggest that Sec has antioxidant effects on the replicative senescence of hMSCs.
Stem cells can be applied usefully in basic research and clinical field due to their differentiation and self-renewal capacity. The aim of this study was to establish an effective novel therapeutic cellular source and create its molecular expression profile map to elucidate the possible therapeutic mechanism and signaling pathway. We successfully obtained a mesenchymal stem cell population from human embryonic stem cells (hESCs) cultured on chemically defined feeder-free conditions and treated with connective tissue growth factor (CTGF) and performed the expressive proteomic approach to elucidate the molecular basis. We further selected 12 differentially expressed proteins in CTGF-induced hESC-derived mesenchymal stem cells (C-hESC-MSCs), which were found to be involved in the metabolic process, immune response, cell signaling, and cell proliferation, as compared to bone marrow derived-MSCs(BM-MSCs). Moreover, these up-regulated proteins were potentially related to the Wnt/β-catenin pathway. These results suggest that C-hESC-MSCs are a highly proliferative cell population, which can interact with the Wnt/β-catenin signaling pathway; thus, due to the upregulated cell survival ability or downregulated apoptosis effects of C-hESC-MSCs, these can be used as an unlimited cellular source in the cell therapy field for a higher therapeutic potential. Overall, the study provided valuable insights into the molecular functioning of hESC derivatives as a valuable cellular source.
Mesenchymal stem cells (MSCs) hold great promise as a source of stem cells for therapy, but several limitations remain. We previously proposed that human embryonic stem cell-derived MSCs (hE-MSCs) expressing higher hepatocyte growth factor (HGF) levels were better alternatives, exhibiting greater expandability in vitro and greater therapeutic capacity in vivo. In this study, we aimed to examine the regulation of OCT4 expression in stem cells and to elucidate its underlying mechanism of transcriptional regulation of OCT4. We detected higher expression of OCT4, a stemness-associated gene in hE-MSCs than in human bone marrow-derived MSCs (hBM-MSCs). To determine the underlying regulatory mechanism of OCT4 expression in human MSCs (hMSCs), ELISA was performed using cell culture supernatants of hMSCs. Unlike fibroblast growth factor 2 or vascular endothelial growth factor, HGF was strongly expressed in hE-MSCs, also HGF treatment significantly increased OCT4 expression in hBM-MSC. Moreover, senescence-associated heterochromatin foci were decreased in HGF-treated hBM-MSCs compared with those in the HGF non-treated group. HGF increased Rb phosphorylation, and we confirmed the increased binding of E2F1 to the OCT4 promoter region at -233 from the transcription start point in the presence of HGF. Taken together, these results suggest that HGF-mediated regulation of OCT4 via E2F1 can help enhance the lifespan of hBM-MSCs during in vitro expansion.
Background and Objectives: Many preclinical studies have been conducted using animal disease models to determine the effectiveness of human mesenchymal stem cells (hMSCs) for treating immune and inflammatory diseases based on the belief that hMSCs are not immunogenic across species. However, several researchers have suggested xenogeneic immune responses to hMSCs in animals, still without detailed features. This study aimed to investigate a xenogeneic humoral immune response to hMSCs in mice in detail. Methods and Results: Balb/c mice were intraperitoneally injected with adipose tissue-derived or Wharton's jelly-derived hMSCs. Sera from these mice were titrated for each isotype. To confirm specificity of the antibodies, hMSCs were stained with the sera and subjected to a flow cytometic analysis. Spleens were immunostained for proliferating cell nuclear antigen to verify the germinal center formation. Additionally, splenocytes were subjected to a flow cytometric analysis for surface markers including GL-7, B220, CD4, CD8, CD44, and CD62L. Similar experiments were repeated in C57BL/6 mice. The results showed increased IgG1 and IgG2a titers in the sera from Balb/c mice injected with hMSCs, and the titers were much higher in the secondary sera than in the primary sera. These antibodies were specifically stained the hMSCs. Germinal centers were observed in the spleen, and flow cytometric analysis of the splenocytes showed higher frequencies of centroblasts (B220+ GL7+) and memory T cells (CD62L+ CD44+) both in CD4+ and CD8+ subsets. Similar results were obtained for C57BL/6 mice. Conclusions: hMSCs induced a humoral immune response in mice, with characters of T cell-dependent immunity.
Namhee Jung;TaeHo Kong;Yeonsil Yu;Hwanhee Park;Eunjoo Lee;SaeMi Yoo;SongYi Baek;Seunghee Lee;Kyung-Sun Kang
International Journal of Stem Cells
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제15권3호
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pp.311-323
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2022
Background and Objectives: Human mesenchymal stem cells (MSCs) are emerging as a treatment for atopic dermatitis (AD), a chronic inflammatory skin disorder that affects a large number of people across the world. Treatment of AD using human umbilical cord blood-derived MSCs (hUCB-MSCs) has recently been studied. However, the mechanism underlying their effect needs to be studied continuously. Thus, the objective of this study was to investigate the immunomodulatory effect of epidermal growth factor (EGF) secreted by hUCB-MSCs on AD. Methods and Results: To explore the mechanism involved in the therapeutic effect of MSCs for AD, a secretome array was performed using culture medium of hUCB-MSCs. Among the list of genes common for epithelium development and skin diseases, we focused on the function of EGF. To elucidate the effect of EGF secreted by hUCB-MSCs, EGF was downregulated in hUCB-MSCs using EGF-targeting small interfering RNA. These cells were then co-cultured with keratinocytes, Th2 cells, and mast cells. Depletion of EGF disrupted immunomodulatory effects of hUCB-MSCs on these AD-related inflammatory cells. In a Dermatophagoides farinae-induced AD mouse model, subcutaneous injection of hUCB-MSCs ameliorated gross scoring, histopathologic damage, and mast cell infiltration. It also significantly reduced levels of inflammatory cytokines including interleukin (IL)-4, tumor necrosis factor (TNF)-α, thymus and activation-regulated chemokine (TARC), and IL-22, as well as IgE levels. These therapeutic effects were significantly attenuated at all evaluation points in mice injected with EGF-depleted hUCB-MSCs. Conclusions: EGF secreted by hUCB-MSCs can improve AD by regulating inflammatory responses of keratinocytes, Th2 cells, and mast cells.
Adipocyte differentiation in human bone marrow mesenchymal stem cells (hBM-MSCs) is not as efficient as that in murine pre-adipocytes when induced by adipogenic agents including insulin, dexamethasone, and 3-isobutyl-1-methylxanthine (IDX condition). Therefore, the promotion of adipocyte differentiation in hBM-MSCs has been used as a cell culture model to evaluate insulin sensitivity for anti-diabetic drugs. In hBM-MSCs, $PPAR{\gamma}$ agonists or sulfonylurea anti-diabetic drugs have been added to IDX conditions to promote adipocyte differentiation. Here we show that troglitazone, a peroxisome proliferator-activated receptor-gamma ($PPAR{\gamma}$) agonist, significantly reduced the levels of anti-adipogenic $PGE_2$ in IDX-conditioned hBM-MSC culture supernatants when compared to $PGE_2$ levels in the absence of $PPAR{\gamma}$ agonist. However, there was no difference in the mRNA levels of cyclooxygenases (COXs) and the activities of COXs and prostaglandin synthases during adipocyte differentiation in hBM-MSCs with or without troglitazone. In hBM-MSCs, troglitazone significantly increased the mRNA level of 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase (HPGD) which can act to decrease $PGE_2$ levels in culture. These results suggest that the role of $PPAR{\gamma}$ activation in promoting adipocyte differentiation in hBM-MSCs is to reduce anti-adipogenic $PGE_2$ levels through the up-regulation of HPGD expression.
Kim, You-Sun;Kokturk, Nurdan;Kim, Ji-Young;Lee, Sei Won;Lim, Jaeyun;Choi, Soo Jin;Oh, Wonil;Oh, Yeon-Mok
Molecules and Cells
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제39권10호
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pp.728-733
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2016
Mesenchymal stem cells (MSCs) effectively reduce airway inflammation and regenerate the alveolus in cigarette- and elastase-induced chronic obstructive pulmonary disease (COPD) animal models. The effects of stem cells are thought to be paracrine and immune-modulatory because very few stem cells remain in the lung one day after their systemic injection, which has been demonstrated previously. In this report, we analyzed the gene expression profiles to compare mouse lungs with chronic exposure to cigarette smoke with non-exposed lungs. Gene expression profiling was also conducted in a mouse lung tissue with chronic exposure to cigarette smoke following the systemic injection of human cord blood-derived mesenchymal stem cells (hCB-MSCs). Globally, 834 genes were differentially expressed after systemic injection of hCB-MSCs. Seven and 21 genes, respectively, were up-and downregulated on days 1, 4, and 14 after HCB-MSC injection. The Hbb and Hba, genes with oxygen transport and antioxidant functions, were increased on days 1 and 14. A serine protease inhibitor was also increased at a similar time point after injection of hCB-MSCs. Gene Ontology analysis indicated that the levels of genes related to immune responses, metabolic processes, and blood vessel development were altered, indicating host responses after hCB-MSC injection. These gene expression changes suggest that MSCs induce a regeneration mechanism against COPD induced by cigarette smoke. These analyses provide basic data for understanding the regeneration mechanisms promoted by hCB-MSCs in cigarette smoke-induced COPD.
Background: Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are, due to their pluripotency, useful sources of cells for stem cell therapy and tissue regeneration. The phenotypes of hMSCs are strongly influenced by their microenvironment, in particular the extracellular matrix (ECM), the composition and structure of which are important in regulating stem cell fate. In reciprocal manner, the properties of ECM are remodeled by the hMSCs, but the mechanism involved in ECM remodeling by hMSCs under topographical stimulus is unclear. In this study, we therefore examined the effect of nanotopography on the expression of ECM proteins by hMSCs by analyzing the quantity and structure of the ECM on a nanogrooved surface. Methods: To develop the nanoengineered, hMSC-derived ECM, we fabricated the nanogrooves on a coverglass using a UV-curable polyurethane acrylate (PUA). Then, hMSCs were cultivated on the nanogrooves, and the cells at the full confluency were decellularized. To analyze the effect of nanotopography on the hMSCs, the hMSCs were re-seeded on the nanoengineered, hMSC-derived ECM. Results: hMSCs cultured within the nano-engineered hMSC-derived ECM sheet showed a different pattern of expression of ECM proteins from those cultured on ECM-free, nanogrooved surface. Moreover, hMSCs on the nano-engineered ECM sheet had a shorter vinculin length and were less well-aligned than those on the other surface. In addition, the expression pattern of ECM-related genes by hMSCs on the nanoengineered ECM sheet was altered. Interestingly, the expression of genes for osteogenesis-related ECM proteins was downregulated, while that of genes for chondrogenesis-related ECM proteins was upregulated, on the nanoengineered ECM sheet. Conclusions: The nanoengineered ECM influenced the phenotypic features of hMSCs, and that hMSCs can remodel their ECM microenvironment in the presence of a nanostructured ECM to guide differentiation into a specific lineage.
Gangliosides are complex glycosphingolipids that are the major component of cytoplasmic cell membranes, and play a role in the control of biological processes. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have received considerable attention as alternative sources of adult stem cells because of their potential to differentiate into multiple cell lineages. In this study, we focus on various functional roles of gangliosides in the differentiation of hMSCs into osteoblasts or neuronal cells. A relationship between gangliosides and epidermal growth factor receptor (EGFR) activation during osteoblastic differentiation of hMSCs was observed, and the gangliosides may play a major role in the regulation of the differentiation. The roles of gangliosides in osteoblast differentiation are dependent on the origin of hMSCs. The reduction of ganglioside biosynthesis inhibited the neuronal differentiation of hMSCs during an early stage of the differentiation process, and the ganglioside expression can be used as a marker for the identification of neuronal differentiation from hMSCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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