Background and Objectives: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a common, frequently-occurring disease and poses a major health concern. Unfortunately, there is current no effective treatment for COPD, particularly emphysema. Recently, experimental treatment of COPD using mesenchymal stem cells (MSCs) mainly focused on bone marrow-derived MSCs (BM-MSCs). Human umbilical cord-derived MSCs (hUC-MSCs) have more advantages compared to BM-MSCs. However, studies on the role of hUC-MSCs in management of COPD are limited. This study sought to explore the role of hUC-MSCs and its action mechanisms in a rat model of VEGF receptor blocker SU5416-injured emphysema. Methods and Results: hUC-MSCs were characterized by immunophenotype and differentiation analysis. Rats were divided into four groups: Control, Control+MSC, SU5416 and SU5416+MSC. Rats in model group were administered with SU5416 for three weeks. At the end of the second week after SU5416 administration, model group were infused with 3×106 hUC-MSCs through tail vein. After 14 days from hUC-MSCs transplantation, rats were euthanized and data were analyzed. HE staining and mean linear intercepts showed that SU5416-treated rats exhibited typical emphysema while emphysematous changes in model rats after hUC-MSCs transplantation disappeared completely and were restored to normal phenotype. Furthermore, hUC-MSCs inhibited apoptosis as shown by TUNEL and Western blotting. ELISA and Western blotting showed hUC-MSCs rescued VEGF-VEGFR2-AKT pathway in emphysematous lungs. Conclusions: The findings show that hUC-MSCs effectively repair the emphysema injury. This study provides the first evidence that hUC-MSCs inhibit apoptosis via rescuing VEGF- VEGFR2-AKT pathway in a rat model of emphysema.
Although asthma is a common chronic airway disease that responds well to anti-inflammatory agents, some patients with asthma are unresponsive to conventional treatment. Mesenchymal stem cells (MSCs) have therapeutic potential for the treatment of inflammatory diseases owing to their immunomodulatory properties. However, the target cells of MSCs are not yet clearly known. This study aimed to determine the effect of human umbilical cord-derived MSCs (hUC-MSCs) on asthmatic lungs by modulating innate immune cells and effector T cells using a murine asthmatic model. Intravenously administered hUC-MSCs reduced airway resistance, mucus production, and inflammation in the murine asthma model. hUC-MSCs attenuated not only T helper (Th) 2 cells and Th17 cells but also augmented regulatory T cells (Tregs). As for innate lymphoid cells (ILC), hUC-MSCs effectively suppressed ILC2s by downregulating master regulators of ILC2s, such as Gata3 and Tcf7. Finally, regarding lung macrophages, hUC-MSCs reduced the total number of macrophages, particularly the proportion of the enhanced monocyte-derived macrophage population. In a closer examination of monocyte-derived macrophages, hUC-MSCs reduced the M2a and M2c populations. In conclusion, hUC-MSCs can be considered as a potential anti-asthmatic treatment given their therapeutic effect on the asthmatic airway inflammation in a murine asthma model by modulating innate immune cells, such as ILC2s, M2a, and M2c macrophages, as well as affecting Tregs and effector T cells.
사람의 골수 또는 제대정맥에서 유래된 중간엽 줄기 세포 (hBM-MSC 또는 hUC-MSC)는 임상적 치료 적용에 매우 유용한 세포유형으로 알려져 왔다. 우리는 이러한 세포에서 two-pore 도메인 포타슘 (K2P)채널을 조사하였다. K2P 채널은 다양한 세포유형들에서 안정막 전위를 형성하는데 중요한 역할을 한다. 그들 중 TREK1은 수소, 저산소증, 다불포화 지방산, 항우울제 및 신경전달물질들의 표적이다. 우리는 RT-PCR 분석과 팻취고정기법을 이용하여 hBM-MSCs와 hUC-MSC가 기능적인 TREK1 채널을 발현하는지 조사했다. hBM-MSCs와 hUC-MSCs에서 100 pS 단일 채널 전도도를 가진 포타슘채널이 발견되었고, 그 채널은 세포막 신전 (-5 mmHg ~ -15 mmHg), 아라키도닉산 ($10{\mu}M$), 세포내 산성화 (pH 6.0)에 의해 활성화 되었다. 이러한 전기생리학적 성질은 TREK1과 유사하였다. 우리의 결과는 안정막 전위에 기여하는 TREK1 채널이 hBM-MSC와 hUC-MSC에 기능적으로 존재하고 있음을 제시한다.
Gang Tian;Chuanjie Liu;Qi Gong;Zhiping Yu;Haitao Wang;Daoqiang Zhang;Haibo Cong
International Journal of Stem Cells
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제15권2호
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pp.195-202
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2022
Background and Objectives: Apoptosis is an outstanding determinant of glucocorticoid (GC)-induced osteonecrosis of the femoral head (ONFH). Human umbilical cord mesenchymal stem cells (hUC-MSCs) have been demonstrated to be associated with apoptosis in diseases models. However, the role of hUC-MSCs in GC-induced ONFH via regulating apoptosis still needs further study. Methods and Results: In the present study, a GC-induced ONFH model was built in vivo through a consecutive injection with lipopolysaccharide (LPS) and methylprednisolone. The necrosis and apoptosis of the femoral head was evaluated by histological and Terminal-deoxynucleoitidyl Transferase Mediated Nick End Labeling (TUNEL) assay. The level of collagen and TRAP positive cells were determined by Masson and TRAP staining, respectively. M1 macrophage polarization was assessed using immunofluorescence assay. The level of proinflammatory cytokines including tumor necrosis factor (TNF)-α, Interleukin (IL)-1β and IL-6 of femoral head was determined by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) kits. The protein expression of AKT, mTOR, p-AKT and p-mTOR was detected using western blot assay. The results showed that hUC-MSCs treatment prominently promoted the GC-induced the decrease of the collagen level and the increase of TRAP positive cells. Besides, hUC-MSCs treatment decreased necrosis and apoptosis, macrophage polarization, the level of TNF-α, IL-1β and IL-6, the protein expression of p-AKT and p-mTOR, and the radio of p-AKT to AKT and p-mTOR to mTOR of femoral head in vivo. Conclusions: Therefore, the present study revealed that hUC-MSCs improved the necrosis and osteocyte apoptosis in GC-induced ONFH model through reducing the macrophage polarization, which was associated with the inhibition of AKT/mTOR signaling pathway.
Resveratrol (RES) plays a critical role in the fate of cells and longevity of animals via activation of the sirtuins1 (SIRT1) gene. In the present study, we intend to investigate whether RES could promote the self-renewal and neural-lineage differentiation in human umbilical cord derived MSCs (hUC-MSCs) in vitro at concentrations ranging from 0.1 to $10{\mu}M$, and whether it exerts the effects by modulating the SIRT1 signaling. Herein, we demonstrated that RES at the concentrations of 0.1, 1 and $2.5{\mu}M$ could promote cell viability and proliferation, mitigate senescence and induce expression of SIRT1 and Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA) while inhibit the expression of p53 and p16. However, the effects were reversed by 5 and $10{\mu}M$ of RES. Furthermore, RES could promote neural differentiation in a dose-dependent manner as evidenced by morphological changes and expression of neural markers (Nestin, ${\beta}III-tubulin$ and NSE), as well as pro-neural transcription factors Neurogenin (Ngn)1, Ngn2 and Mash1. Taken together, RES exerts a dosage-dependent effect on the self-renewal and neural differentiation of hUC-MSCs via SIRT1 signaling. The current study provides a new strategy to regulate the fate of hUC-MSCs and suggests a more favorable in vitro cell culture conditions for hUCMSCs-based therapies for some intractable neurological disorders.
Mesenchymal stem cells (MSCs) are often known to have a therapeutic potential in the cell-mediated repair for fatal or incurable diseases. In this study, canine umbilical cord MSCs (cUC-MSCs) were isolated from umbilical cord matrix (n = 3) and subjected to proliferative culture for 5 consecutive passages. The cells at each passage were characterized for multipotent MSC properties such as proliferation kinetics, expression patterns of MSC surface markers and self-renewal associated markers, and chondrogenic differentiation. In results, the proliferation of the cells as determined by the cumulative population doubling level was observed at its peak on passage 3 and stopped after passage 5, whereas cell doubling time dramatically increased after passage 4. Expression of MSC surface markers (CD44, CD54, CD61, CD80, CD90 and Flk-1), molecule (HMGA2) and pluripotent markers (sox2, nanog) associated with self-renewal was negatively correlated with the number of passages. However, MSC surface marker (CD105) and pluripotent marker (Oct3/4) decreased with increasing the number of subpassage. cUC-MSCs at passage 1 to 5 underwent chondrogenesis under specific culture conditions, but percentage of chondrogenic differentiation decreased with increasing the number of subpassage. Collectively, the present study suggested that sequential subpassage could affect multipotent properties of cUC-MSCs and needs to be addressed before clinical applications.
Patients with severe asthma have unmet clinical needs for effective and safe therapies. One possibility may be mesenchymal stem cell (MSC) therapy, which can improve asthma in murine models. However, it remains unclear how MSCs exert their beneficial effects in asthma. Here, we examined the effect of human umbilical cord blood-derived MSCs (hUC-MSC) on two mouse models of severe asthma, namely, Alternaria alternata-induced and house dust mite (HDM)/diesel exhaust particle (DEP)-induced asthma. hUC-MSC treatment attenuated lung type 2 (Th2 and type 2 innate lymphoid cell) inflammation in both models. However, these effects were only observed with particular treatment routes and timings. In vitro co-culture showed that hUC-MSC directly downregulated the interleukin (IL)-5 and IL-13 production of differentiated mouse Th2 cells and peripheral blood mononuclear cells from asthma patients. Thus, these results showed that hUC-MSC treatment can ameliorate asthma by suppressing the asthmogenic cytokine production of effector cells. However, the successful clinical application of MSCs in the future is likely to require careful optimization of the route, dosage, and timing.
Park, Eu-Gene;Cho, Tae-Jun;Oh, Keun-Hee;Kwon, Soon-Keun;Lee, Dong-Sup;Park, Seung-Bum;Cho, Jae-Jin
International Journal of Oral Biology
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제37권2호
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pp.43-50
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2012
The use of high throughput screening (HTS) in drug development is principally for the selection new drug candidates or screening of chemical toxicants. This system minimizes the experimental environment and allows for the screening of candidates at the same time. Umbilical cord-derived stem cells have some of the characteristics of fetal stem cell and have several advantages such as the ease with which they can be obtained and lack of ethical issues. To establish a HTS system, optimized conditions that mimic typical cell culture conditions in a minimal space such as 96 well plates are needed for stem cell growth. We have thus established a novel HTS system using human umbilical cord derived-mesenchymal stem cells (hUC-MSCs). To determine the optimal cell number, hUC-MSCs were serially diluted and seeded at 750, 500, 200 and 100 cells per well on 96 well plates. The maintenance efficiencies of these dilutions were compared for 3, 7, 9, and 14 days. The fetal bovine serum (FBS) concentration (20, 10, 5 and 1%) and the cell numbers (750, 500 and 200 cells/well) were compared for 3, 5 and 7 days. In addition, we evaluated the optimal conditions for cell cycle block. These four independent optimization experiments were conducted using an MTT assay. In the results, the optimal conditions for a HTS system using hUC-MSCs were determined to be 300 cell/well cultured for 8 days with 1 or 5% FBS. In addition, we demonstrated that the optimal conditions for a cell cycle block in this culture system are 48 hours in the absence of FBS. In addition, we selected four types of novel small molecule candidates using our HTS system which demonstrates the feasibility if using hUC-MSCs for this type of screen. Moreover, the four candidate compounds can be tested for stem cell research application.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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