Cardiovascular and neurodegenerative diseases are major health threats in many developed countries. Recently, target tissues derived from human embryonic stem (hES) cells and induced pluripotent stem cells (iPSCs), such as cardiomyocytes (CMs) or neurons, have been actively mobilized for drug screening. Knowledge of drug toxicity and efficacy obtained using stem cell-derived tissues could parallel that obtained from human trials. Furthermore, iPSC disease models could be advantageous in the development of personalized medicine in various parts of disease sectors. To obtain the maximum benefit from iPSCs in disease modeling, researchers are now focusing on aging, maturation, and metabolism to recapitulate the pathological features seen in patients. Compared to pediatric disease modeling, adult-onset disease modeling with iPSCs requires proper maturation for full manifestation of pathological features. Herein, the success of iPSC technology, focusing on patient-specific drug treatment, maturation-based disease modeling, and alternative approaches to compensate for the current limitations of patient iPSC modeling, will be further discussed. [BMB Reports 2015; 48(5): 256-265]
In the present study, embryoid bodies (EBs) obtained from induced pluripotent stem cells (iPSCs) were induced to differentiate into germ lineage cells by treatment with bone morphogenetic protein 4 (BMP4) and retinoic acid (RA). The results were compared to the results for embryonic stem cells (ESCs) and multipotent spermatogonial stem cells (mSSCs) and quantified using immunocytochemical analysis of germ cell-specific markers (integrin-${\alpha}6$, GFR-${\alpha}1$, CD90/Thy1), fluorescence activating cell sorting (FACS), and real time-RT-PCR. We show that the highest levels of germ cell marker-expressing cells were obtained from groups treated with 10 ng/$m{\ell}$ BMP4 or 0.01 ${\mu}M$ RA. In the BMP4-treated group, GFR-${\alpha}1$ and CD90/Thy-1 were highly expressed in the EBs of iPSCs and ESCs compared to EBs of mSSCs. The expression of Nanog was much lower in iPSCs compared to ESCs and mSSCs. In the RA treated group, the level of GFR-${\alpha}1$ and CD90/Thy-1 expression in the EBs of mSSCs Induced pluripotent stem cells, Mouse embryonic stem cells, Multipotent spermatogonial stem cells, Germ cell lineage, Differentiation potential. was much higher than the levels found in the EBs of iPSCs and similar to the levels found in the EBs of ESCs. FACS analysis using integrin-${\alpha}6$, GFR-${\alpha}1$, CD90/Thy1 and immunocytochemistry using GFR-${\alpha}1$ antibody showed similar gene expression results. Therefore our results show that iPSC has the potential to differentiate into germ cells and suggest that a protocol optimizing germ cell induction from iPSC should be developed because of their potential usefulness in clinical applications requiring patient-specific cells.
Sang Eun Kim;Jun Sung Lee;Keon Bong Oh;Jeong Ho Hwang
한국동물생명공학회지
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제38권4호
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pp.199-208
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2023
Background: Canine induced pluripotent stem cells (iPSCs) are an attractive source for veterinary regenerative medicine, disease modeling, and drug development. Here we used vitamin C (Vc) to improve the reprogramming efficiency of canine iPSCs, and its functions in the reprogramming process were elucidated. Methods: Retroviral transduction of Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc (OSKM), and GFP was employed to induce reprogramming in canine fetal fibroblasts. Following transduction, the culture medium was subsequently replaced with ESC medium containing Vc to determine the effect on reprogramming activity. Results: The number of AP-positive iPSC colonies dramatically increased in culture conditions supplemented with Vc. Vc enhanced the efficacy of retrovirus transduction, which appears to be correlated with enhanced cell proliferation capacity. To confirm the characteristics of the Vc-treated iPSCs, the cells were cultured to passage 5, and pluripotency markers including Oct4, Sox2, Nanog, and Tra-1-60 were observed by immunocytochemistry. The expression of endogenous pluripotent genes (Oct4, Nanog, Rex1, and telomerase) were also verified by PCR. The complete silencing of exogenously transduced human OSKM factors was observed exclusively in canine iPSCs treated with Vc. Canine iPSCs treated with Vc are capable of forming embryoid bodies in vitro and have spontaneously differentiated into three germ layers. Conclusions: Our findings emphasize a straightforward method for enhancing the efficiency of canine iPSC generation and provide insight into the Vc effect on the reprogramming process.
Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are capable of unlimited self-renewal and can give rise to all three germ layers, thereby providing a new platform with which to study mammalian development and epigenetic reprogramming. However, iPSC generation may result in subtle epigenetic variations, such as the aberrant methylation of the Dlk1-Dio3 locus, among the clones, and this heterogeneity constitutes a major drawback to harnessing the full potential of iPSCs. Vitamin C has recently emerged as a safeguard to ensure the normal imprinting of the Dlk1-Dio3 locus during reprogramming. Here, we show that vitamin C exerts its effect in a manner that is independent of the reprogramming kinetics. Moreover, we demonstrate that reprogramming cells under 2i conditions leads to the early upregulation of Prdm14, which in turn results in a highly homogeneous population of authentic pluripotent colonies and prevents the abnormal silencing of the Dlk1-Dio3 locus.
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.
Myunghyun Kim;Junmyeong Park;Sujin Kim;Dong Wook Han;Borami Shin;Hans Robert Scholer;Johnny Kim;Kee-Pyo Kim
International Journal of Stem Cells
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제16권1호
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pp.36-43
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2023
Background and Objectives: Lymphoblastoid cell lines (LCLs) deposited from disease-affected individuals could be a valuable donor cell source for generating disease-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs). However, generation of iPSCs from the LCLs is still challenging, as yet no effective gene delivery strategy has been developed. Methods and Results: Here, we reveal an effective gene delivery method specifically for LCLs. We found that LCLs appear to be refractory toward retroviral and lentiviral transduction. Consequently, lentiviral and retroviral transduction of OCT4, SOX2, KFL4 and c-MYC into LCLs does not elicit iPSC colony formation. Interestingly, however we found that transfection of oriP/EBNA-1-based episomal vectors by electroporation is an efficient gene delivery system into LCLs, enabling iPSC generation from LCLs. These iPSCs expressed pluripotency makers (OCT4, NANOG, SSEA4, SALL4) and could form embryoid bodies. Conclusions: Our data show that electroporation is an effective gene delivery method with which LCLs can be efficiently reprogrammed into iPSCs.
Jooyoung Lim;Heeju Han;Se In Jung;Yeri Alice Rim;Ji Hyeon Ju
International Journal of Stem Cells
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제17권3호
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pp.284-297
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2024
Acetaldehyde dehydrogenase 2 (ALDH2) is the second enzyme involved in the breakdown of acetaldehyde into acetic acid during the process of alcohol metabolism. Roughly 40% of East Asians carry one or two ALDH2*2 alleles, and the presence of ALDH2 genetic mutations in individuals may affect the bone remodeling cycle owing to accumulation of acetaldehyde in the body. In this study, we investigated the effects of ALDH2 mutations on bone remodeling. In this study, we examined the effects of ALDH2 polymorphisms on in vitro osteogensis using human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). We differentiated wild-type (ALDH2*1/*1-) and ALDH2*1/*2-genotyped hiPSCs into osteoblasts (OBs) and confirmed their OB characteristics. Acetaldehyde was administered to confirm the impact caused by the mutation during OB differentiation. Calcium deposits formed during osteogenesis were significantly decreased in ALDH2*1/*2 OBs. The expression of osteogenic markers were also decreased in acetaldehyde-treated OBs differentiated from the ALDH2*1/*2 hiPSCs. Furthermore, the impact of ALDH2 polymorphism and acetaldehyde-induced stress on inflammatory factors such as 4-hydroxynonenal and tumor necrosis factor α was confirmed. Our findings suggest that individuals with ALDH2 deficiency may face challenges in acetaldehyde breakdown, rendering them susceptible to disturbances in normal bone remodeling therefore, caution should be exercised regarding alcohol consumption. In this proof-of-concept study, we were able to suggest these findings as a result of a disease-in-a-dish concept using hiPSCs derived from individuals bearing a certain mutation. This study also shows the potential of patient-derived hiPSCs for disease modeling with a specific condition.
Narae Park;Yeri Alice Rim;Hyerin Jung;Yoojun Nam;Ji Hyeon Ju
International Journal of Stem Cells
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제15권3호
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pp.233-246
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2022
Background and Objectives: Systemic lupus erythematosus (SLE) is a chronic autoimmune disease mainly affecting young women of childbearing age. SLE affects the skin, joints, muscles, kidneys, lungs, and heart. Cardiovascular complications are common causes of death in patients with SLE. However, the complexity of the cardiovascular system and the rarity of SLE make it difficult to investigate these morbidities. Patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) serve as a novel tool for drug screening and pathophysiological studies in the absence of patient samples. Methods and Results: We differentiated CMs from HC- and SLE-iPSCs using 2D culture platforms. SLE-CMs showed decreased proliferation and increased levels of fibrosis and hypertrophy marker expression; however, HC-and SLE-monolayer CMs reacted differently to SLE serum treatment. HC-iPSCs were also differentiated into CMs using 3D spheroid culture and anti-Ro autoantibody was treated along with SLE serum. 3D-HC-CMs generated more mature CMs compared to the CMs generated using 2D culture. The treatment of anti-Ro autoantibody rapidly increased the gene expression of fibrosis, hypertrophy, and apoptosis markers, and altered the calcium signaling in the CMs. Conclusions: iPSC derived cardiomyocytes with patient-derived serum, and anti-Ro antibody treatment could serve in effective autoimmune disease modeling including SLE. We believe that the present study might briefly provide possibilities on the application of a combination of patient-derived materials and iPSCs in disease modeling of autoimmune diseases.
이 연구는 단일 세포로 분리된 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)에 anoikis 세포사멸을 억제할 수 있는 Rho-associated protein kinase (ROCK)의 억제제를 처리하여 iPSCs의 세포 생존성을 향상하고자 하였다. Episomal plasmid 방법으로 확립된 iPSCs를 단일세포로 분리한 후, ROCK 억제제 Y-27632 dihydrochloride (Y-27632)를 0 uM, 0.5 uM, 1 uM, 2.5 uM, 5 uM, 7.5 uM 및 10 uM 농도별로 5주일 동안 각각 처리하였을 때, 5 uM 이상의 농도에서 세포의 생존율이 유의적으로 향상되었고, 10 uM의 Y-27632을 0일, 1일, 2일, 3일, 4일 및 5일 동안 처리하였을 때, Y-27632의 노출 기간이 길어질수록 세포의 생존율이 유의적으로 향상되는 것을 관찰하였다. 그러나, Y-27632의 노출 후, iPSCs의 형태학적 분화가 관찰되어 10 uM의 Y-27632에서 5일 동안 iPSCs에 처리 한 후, 줄기세포학적인 특성을 비교 조사하였다. 우선, octamer-binding transcription factor 4 (OCT-4), homeobox protein NANOG (NONOG) 및 SRY-box 2 (SOX-2) 줄기세포 특이 유전자의 발현은 Y-27632를 처리한 실험군은 Y-27632를 처리하지 않은 대조군에서 서로 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 또한, Y-27632를 처리한 실험군은 Y-27632를 처리하지 않은 대조군과 비교하여 telomerase 활성과 이것의 활성과 관련된 telomerase reverse transcriptase (TERT) 및 telomerase RNA component (TERC)의 유전자 발현에는 유의적인 차이가 없었다. 이상의 결과로 보아, iPSCs에 Y-27632를 처리하였을 때, iPSCs의 줄기세포의 특정을 유지하면서 anoikis에 의한 세포사멸을 감소시켜 세포 생존율이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
Diabetes mellitus (DM) is a serious disease in which blood sugar levels rise abnormally because of failed insulin production or decreased insulin sensitivity. Although many studies are being conducted for the treatment or early diagnosis of DM, it is not fully understood how mitochondrial genome (mtDNA) abnormalities appear in patients with DM. Here, we induced iPSCs from fibroblasts, PBMCs, or pancreatic cells of three patients with type 2 DM (T2D) and three patients with non-diabetes counterpart. The mtDNA mutations were detected randomly without any tendency among tissues or patients. In T2D patients, 62% (21/34) of iPSC clones harbored multiple mtDNA mutations, of which 37% were homoplasmy at the 100% mutation level compared to only 8% in non-diabetes. We next selected iPSC clones that were a wild type or carried mutations and differentiated into pancreatic cells. Oxygen consumption rates were significantly lower in cells carrying mutant mtDNA. Additionally, the mutant cells exhibited decreased production of insulin and reduced secretion of insulin in response to glucose. Overall, the results suggest that screening mtDNA mutations in iPSCs from patients with T2D is an essential step before pancreatic cell differentiation for disease modeling or autologous cell therapy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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