Stem cells are the foundational cells for every organ and tissue in our body. Cell-based therapeutics using stem cells in regenerative medicine have received attracting attention as a possible treatment for various diseases caused by congenital defects. Stem cells such as induced pluripotent stem cells (iPSCs) as well as embryonic stem cells (ESCs), mesenchymal stem cells (MSCs), and neuroprogenitors stem cells (NSCs) have recently been studied in various ways as a cell-based therapeutic agent. When various stem cells are transplanted into a living body, they can differentiate and perform complex functions. For stem cell transplantation, it is essential to determine the suitability of the stem cell-based treatment by evaluating the origin of stem, the route of administration, in vivo bio-distribution, transplanted cell survival, function, and mobility. Currently, these various stem cells are being imaged in vivo through various molecular imaging methods. Various imaging modalities such as optical imaging, magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound (US), positron emission tomography (PET), and single-photon emission computed tomography (SPECT) have been introduced for the application of various stem cell imaging. In this review, we discuss the principles and recent advances of in vivo molecular imaging for application of stem cell research.
Embryonic stem (ES) cells are known to have an infinite proliferation and pluripotency that are associated with complex processes. The objective of this study was to examine expression of genes differentially regulated during differentiation of human ES cells by suppression subtractive hybridization (SSH). Human ES cells were induced to differentiate into neural precursor cells via embryoid body. Neural precursor cells were isolated physically based on morphological criteria. Immunocytochemical analysis showed expression of pax6 in neural precursor cells, confirming that the isolated cells were neural precursor cells. Undifferentiated human ES cells and neural precursor cells were subject to the SSH. TPX2 (Targeting Protein for Xklp2 (Xenopus centrosomal kinesin-like protein 2)) was identified, cloned and analyzed during differentiation of human ES cells into neural lineages. Expression of TPX2 was gradually down-regulated in embryoid bodies and neural precursor cells relative to undifferentiated ES cells. Targeting Protein for Xklp2 has been shown to be involved in cell division by interaction with microtubule development in cancer cells. Taken together, result of this study suggests that TPX2 may be involved in proliferation and differentiation of human ES cells.
Background: Coating a culture plate with molecules that aid in cell adhesion is a technique widely used to produce animal cell cultures. Extracellular matrix (ECM) is known for its efficiency in promoting adhesion, survival, and proliferation of adherent cells. Gelatin, a cost-effective type of ECM, is widely used in animal cell cultures including feeder-free embryonic stem (ES) cells. However, the optimal concentration of gelatin is a point of debate among researchers, with no studies having established the optimal gelatin concentration. Methods: In this study, we coated plastic plates with gelatin in a concentration-dependent manner and assessed Young's modulus using atomic force microscopy (AFM) to investigate the microstructure of the surface of each plastic plate. The adhesion, proliferation, and differentiation of the ESCs were compared and analyzed revealing differences in surface microstructure dependent on coating concentration. Results: According to AFM analysis, there was a clear difference in the microstructure of the surface according to the presence or absence of the gelatin coating, and it was confirmed that there was no difference at a concentration of 0.5% or more. ES cell also confirmed the difference in cell adhesion, proliferation, and differentiation according to the presence or absence of gelatin coating, and also it showed no difference over the concentration of 0.5%. Conclusions: The optimum gelatin-coating for the maintenance and differentiation of ES cells is 0.5%, and the gelatin concentration-mediated microenvironment and ES cell signaling are closely correlated.
Kim, Sun Jong;Lee, Jeoung Eun;Park, Jong Hyuk;Lee, Jung Bok;Kim, Jin Mee;Yoon, Byung Sun;Song, Ji Min;Roh, Sung Il;Kim, Chul Geun;Yoon, Hyun Soo
Molecules and Cells
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v.19
no.1
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pp.46-53
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2005
Human embryonic stem (hES) cells, unlike most cells derived from adult or fetal human tissues, represent a potentially unlimited source of various cell types for basic clinical research. To meet the increased demand for characterized hES cell lines, we established and characterized nine new lines obtained from frozen-thawed pronucleus-stage embryos. In addition, we improved the derivation efficiency from inner cell masses (to 47.4%) and optimized culture conditions for undifferentiated hES cells. After these cell lines had been maintained for over a year in vitro, they were characterized comprehensively for expression of markers of undifferentiated hES cells, karyotype, and in vitro/in vivo differentiation capacity. All of the cell lines were pluripotent, and one cell line was trisomic for chromosome 3. Improved culture techniques for hES cells should make them a good source for diverse applications in regenerative medicine, but further investigation is needed of their basic biology.
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.
Reproductive biotechnology has developed rapidly and is now able to overcome many birth difficulties due to infertility or the transmission of genetic diseases. Here we introduce the next generation of assisted reproductive technologies (ART), such as mitochondrial replacement technique (MRT) or genetic correction in eggs with micromanipulation. Further, we suggest that the transmission of genetic information from somatic cells to subsequent generations without gametes should be useful for people who suffer from infertility or genetic diseases. Pluripotent stem cells (PSCs) can be converted into germ cells such as sperm or oocytes in the laboratory. Notably, germ cells derived from nuclear transfer embryonic stem cells (NT-ESCs) or induced pluripotent stem cells (iPSCs) inherit the full parental genome. The most important issue in this technique is the generation of a haploid chromosome from diploid somatic cells. We hereby examine current science and limitations underpinning these important developments and provide recommendations for moving forward.
Park, Geon Tae;Seo, You-Mi;Lee, Su-Yeon;Lee, Kyung-Ah
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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v.39
no.2
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pp.87-93
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2012
Objective: Lin28 has been known to control the proliferation and pluripotency of embryonic stem cells. The purpose of this study was to determine the downstream effectors of Lin28 in mouse embryonic stem cells (mESCs) by RNA interference and microarray analysis. Methods: The control siRNA and Lin28 siRNA (Dharmacon) were transfected into mESCs. Total RNA was prepared from each type of transfected mESC and subjected to reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) analysis to confirm the downregulation of Lin28. The RNAs were labeled and hybridized with an Affymetrix Gene-Chip Mouse Genome 430 2.0 array. The data analysis was accomplished by GenPlex 3.0 software. The expression levels of selected genes were confirmed by quantitative real-time RT-PCR. Results: According to the statistical analysis of the cDNA microarray, a total of 500 genes were altered in Lin28-downregulated mESCs (up-regulated, 384; down-regulated, 116). After differentially expressed gene filtering, 31 genes were selected as candidate genes regulated by Lin28 downregulation. Among them, neuropeptide Y5 receptor and oocyte-specific homeobox 5 genes were significantly upregulated in Lin28-downregulated mESCs. We also showed that the families of neuropeptide Y receptor (Npyr) and oocyte-specific homeobox (Obox) genes were upregulated by downregulation of Lin28. Conclusion: Based on the results of this study, we suggest that Lin28 controls the characteristics of mESCs through the regulation of effectors such as the Npyr and Obox families.
Neural stem cells (NSCs), with self-renewal and neuronal differentiation capacity, are a feasible resource in cell-based therapies for various neurodegenerative diseases and neural tissue injuries. In this study, we investigated the effects of Schisandrae Fructus (SF) on proliferation and differentiation of human embryonic NSCs. Treatment with 70% ethanol extract of SF increased the viability of NSCs derived from human embryonic stem cells, which was accompanied by increased mRNA expression of cyclin D1. Whereas 70% ethanol extract of SF also decreased the mRNA expression of nestin, it increased class III ${\beta}$-tublin (Tuj-1) and MAP2 in both growth and differentiation media. Lastly, we found increased mRNA expression of BDNF in SF-treated NSCs. In conclusion, our study demonstrates for the first time that SF induced proliferation and neuronal differentiation of NSCs and increased mRNA expression of BDNF, suggesting its potential as a regulator of NSC fate in NSC-based therapy for neuronal injuries from various diseases.
Skin-derived precursor cells (SKPs) are multipotent, sphere-forming and embryonic neural crest-related precursor cells that can be isolated from dermis. It is known that the properties of porcine SKPs can be enhanced by leukemia inhibitory factor (LIF) which is an essential factor for the generation of embryonic stem cells in mice. In our present study, to enhance or maintain the properties of murine SKPs, LIF was added to the culture medium. SKPs were treated with 1,000 IU LIF for 72 hours after passage 3. Quantitative real time RT-PCR was then performed to quantify the expression of the pluripotent stem cell specific genes Oct4, Nanog, Klf4 and c-Myc, and the neural crest specific genes Snai2 and Ngfr. The results show that the expression of Oct4 is increased in murine SKPs by LIF treatment whereas the level of Ngfr is decreased under these conditions. Interestingly, LIF treatment reduced Nanog expression which is also important for cell proliferation in adult stem cells and for osteogenic induction in mesenchymal stem cells. These findings implicate LIF in the maintenance of stemness in SKPs through the suppression of lineage differentiation and in part through the control of cell proliferation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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