Background and Objectives: Endothelial progenitor cells (EPCs) and endothelial cells (ECs) have been applied in the clinic to treat pulmonary arterial hypertension (PAH), a disease characterized by disordered pulmonary vasculature. However, the lack of sufficient transplantable cells before the deterioration of disease condition is a current limitation to apply cell therapy in patients. It is necessary to differentiate pluripotent stem cells (PSCs) into EPCs and identify their characteristics. Methods and Results: Comparing previously reported methods of human PSCs-derived ECs, we optimized a highly efficient differentiation protocol to obtain cells that match the phenotype of isolated EPCs from healthy donors. The protocol is compatible with chemically defined medium (CDM), it could produce a large number of clinically applicable cells with low cost. Moreover, we also found PSCs-derived EPCs express CD133, have some characteristics of mesenchymal stem cells and are capable of homing to repair blood vessels in zebrafish xenograft assays. In addition, we further revealed that IPAH PSCs-derived EPCs have higher expression of proliferation-related genes and lower expression of immune-related genes than normal EPCs and PSCs-derived EPCs through microarray analysis. Conclusions: In conclusion, we optimized a highly efficient differentiation protocol to obtain PSCs-derived EPCs with the phenotypic and molecular characteristics of EPCs from healthy donors which distinguished them from EPCs from PAH.
In recent years, many researchers and clinicians found interest in regenerative medicine using induced pluripotent stem cells (iPSCs) with biomaterials due to their pluripotency, which is able to differentiate into any type of cells without human embryo, which of use is ethically controversial. However, there are limitations to make iPSCs from adult somatic cells due to their low stemness and donor site morbidity. Recently, to overcome above drawbacks, dental tissue-derived iPSCs have been highlighted as a type of alternative sources for their high stemness, easy gathering, and their complex (ectomesenchymal) origin, which easily differentiate them to various cell types for nerve, vessel, and other dental tissue regeneration. In other part, utilizing biomaterials for regenerative medicine using cell is recently highlighted because they can modulate cell adhesion, proliferation and (de)differentiation. Therefore, this paper will convey the overview of advantages and drawbacks of dental tissue-derived iPSCs and their future application with biomaterials.
Pluripotent stem cells (PSCs) have lots of potential in biomedical sciences owing to its potential to differentiate into any kind of cells in the body. However, it is still a challenge to culture PSCs on a large scale for application to regenerative medicine. Herein, we introduce a synthetic polymer that enables large-scale suspension culture of human PSCs. By employing suspension culture, it became unnecessary to use conventional substrata such as mouse embryonic fibroblast (MEF) or Matrigel$^{TM}$, which are believed to be main causative sources of xenogeneic contamination in cultured human PSCs in vitro. Human PSCs were cultured in the medium in which elastin-like polypeptide (ELP) dissolved. The ELP in the medium became harden as temperature increases by transforming the medium into a semi-solid gel that supported growth of human PSCs in suspension. Gel-sol transition temperature of ELP can be adjusted by modifying the peptide sequence in which 5 amino acids, Val-Pro-Gly-Xaa-Gly, repeated sequentially. We constructed 3D suspension media having transition temperature around $33{\sim}35^{\circ}C$ using an ELP consisted of 40, 60, or 80 repeats of a monomer, which was Val-Pro-Gly-Val-Gly. Among the ELPs, ELP80 was chosen as the best ELP to support growth of human PSCs in suspension culture. This result suggests that the ELP80 can be a medium component for culturing human PSCs in large-scale.
Park, Jumi;Lee, Yeonmi;Shin, Joosung;Lee, Hyeon-Jeong;Son, Young-Bum;Park, Bong-Wook;Kim, Deokhoon;Rho, Gyu-Jin;Kang, Eunju
BMB Reports
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v.52
no.12
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pp.689-694
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2019
Ethical and safety issues have rendered mesenchymal stem cells (MSCs) popular candidates in regenerative medicine, but their therapeutic capacity is lower than that of induced pluripotent stem cells (iPSCs). This study compared original, dental tissue-derived MSCs with re-differentiated MSCs from iPSCs (iPS-MSCs). CD marker expression in iPS-MSCs was similar to original MSCs. iPS-MSCs expressed higher in pluripotent genes, but lower levels in mesodermal genes than MSCs. In addition, iPS-MSCs did not form teratomas. All iPSCs carried mtDNA mutations; some shared with original MSCs and others not previously detected therein. Shared mutations were synonymous, while novel mutations were non-synonymous or located on RNA-encoding genes. iPS-MSCs also harbored mtDNA mutations transmitted from iPSCs. Selected iPS-MSCs displayed lower mitochondrial respiration than original MSCs. In conclusion, screening for mtDNA mutations in iPSC lines for iPS-MSCs can identify mutation-free cell lines for therapeutic applications.
The differentiation of pluripotent stem cells has been used to study disease mechanisms and development. We previously described a method for differentiating human pluripotent stem cells (hPSCs) into salivary gland epithelial progenitors (SGEPs). Here, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) knockout hPSCs were differentiated into SGEPs derived from CFTR knockout hESCs (CF-SGEPs) using the same protocol to investigate whether the hPSC-derived SGEPs can model the characteristics of CF. CF-a disease that affects salivary gland (SG) function-is caused by mutations of the CFTR gene. Firstly, we successfully generated CFTR knockout hPSCs with reduced CFTR protein expression using the CRISPR-Cas9 system. After 16 days of differentiation, the protein expression of CFTR decreased in SGEPs derived from CFTR knockout hESCs (CF-SGEPs). RNA-Seq revealed that multiple genes modulating SG development and function were down-regulated, and positive regulators of inflammation were up-regulated in CF-SGEPs, correlating with the salivary phenotype of CF patients. These results demonstrated that CFTR suppression disrupted the differentiation of hPSC-derived SGEPs, which modeled the SG development of CF patients. In summary, this study not only proved that the hPSC-derived SGEPs could serve as manipulable and readily accessible cell models for the study of SG developmental diseases but also opened up new avenues for the study of the CF mechanism.
Kim, Youngkyu;Kim, Tae-Keun;Shin, Yeonhee;Tak, Eunyoung;Song, Gi-Won;Oh, Yeon-Mok;Kim, Jun Ki;Pack, Chan-Gi
Molecules and Cells
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v.44
no.11
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pp.851-860
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2021
Label-free optical diffraction tomography (ODT), an imaging technology that does not require fluorescent labeling or other pre-processing, can overcome the limitations of conventional cell imaging technologies, such as fluorescence and electron microscopy. In this study, we used ODT to characterize the cellular organelles of three different stem cells-namely, human liver derived stem cell, human umbilical cord matrix derived mesenchymal stem cell, and human induced pluripotent stem cell-based on their refractive index and volume of organelles. The physical property of each stem cell was compared with that of fibroblast. Based on our findings, the characteristic physical properties of specific stem cells can be quantitatively distinguished based on their refractive index and volume of cellular organelles. Altogether, the method employed herein could aid in the distinction of living stem cells from normal cells without the use of fluorescence or specific biomarkers.
The CRISPR system has revolutionized gene editing field. Cas9-mediated gene editing such as Indel induction or HDR enable targeted gene disruption or precise correction of mutation. Moreover, CRISPR-based new editing tools have been developed such as base editors. In this review, we focus on gene editing in human pluripotent stem cells, which is principal technique for gene correction therapy and disease modeling. Pluripotent stem cell-specific drug YM155 enabled selection of target gene-edited pluripotent stem cells. Also, we discussed base editing for treatment of congenital retina disease. Adenine base editor delivery as RNP form provide an approach for genetic disease treatment with safe and precise in vivo gene correction.
Kwon, Seong Gyu;Kwon, Yang Woo;Lee, Tae Wook;Park, Gyu Tae;Kim, Jae Ho
Biomaterials Research
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v.22
no.4
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pp.311-318
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2018
Background: Tissue regeneration includes delivering specific types of cells or cell products to injured tissues or organs for restoration of tissue and organ function. Stem cell therapy has drawn considerable attention since transplantation of stem cells can overcome the limitations of autologous transplantation of patient's tissues; however, it is not perfect for treating diseases. To overcome the hurdles associated with stem cell therapy, tissue engineering techniques have been developed. Development of stem cell technology in combination with tissue engineering has opened new ways of producing engineered tissue substitutes. Several studies have shown that this combination of tissue engineering and stem cell technologies enhances cell viability, differentiation, and therapeutic efficacy of transplanted stem cells. Main body: Stem cells that can be used for tissue regeneration include mesenchymal stem cells, embryonic stem cells, and induced pluripotent stem cells. Transplantation of stem cells alone into injured tissues exhibited low therapeutic efficacy due to poor viability and diminished regenerative activity of transplanted cells. In this review, we will discuss the progress of biomedical engineering, including scaffolds, biomaterials, and tissue engineering techniques to overcome the low therapeutic efficacy of stem cells and to treat human diseases. Conclusion: The combination of stem cell and tissue engineering techniques overcomes the limitations of stem cells in therapy of human diseases, and presents a new path toward regeneration of injured tissues.
The announcement of the US Environmental Protection Agency that it will stop conducting or funding experimental studies on mammals by 2035 should prioritize ongoing efforts to develop and use alternative toxicity screening methods to animal testing. Toxicity screening is likely to be further developed considering the combination of human-induced pluripotent-stem-cell-derived organ-on-a-chip and multielectrode array (MEA) technologies. We briefly review the current status of MEA technology and MEA-based neuropharmacological drug screening using various cellular model systems. Highlighting the coronavirus disease pandemic, we shortly comment on the importance of early prediction of toxicity by applying artificial intelligence to the development of rapid screening methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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