Neural cell survival is an essential concern in the aging brain and many diseases of the central nervous system. Neural transplantation of the stem cells are already applied to clinical trials for many degenerative neurological diseases, including Huntington's disease, Parkinson's disease, and strokes. A critical problem of the neural transplantation is how to reduce their apoptosis and improve cell survival. Neurotrophic factors generally contribute as extrinsic cues to promote cell survival of specific neurons in the developing mammalian brains, but the survival factor for neural stem cell is poorly defined. To understand the mechanism controlling stem cell death and improve cell survival of the transplanted stem cells, we investigated the effect of plausible neurotrophic factors on stem cell survival. The neural stem cell, HiB5, when treated with PDGF prior to transplantation, survived better than cells without PDGF. The resulting survival rate was two fold for four weeks and up to three fold for twelve weeks. When transplanted into dorsal hippocampus, they migrated along hippocampal alveus and integrated into pyramidal cell layers and dentate granule cell layers in an inside out sequence, which is perhaps the endogenous pathway that is similar to that in embryonic neurogenesis. Promotion of the long term-survival and differentiation of the transplanted neural precursors by PDGF may facilitate regeneration in the aging adult brain and probably in the injury sites of the brain.
Microfluidics can provide unique experimental tools to visualize the development of neural structures within a microscale device, which is followed by guidance of neurite growth in the axonal isolation compartment. We utilized microfluidics technology to monitor the differentiation and migration of neural cells derived from human embryonic stem cells (hESCs). We co-cultured hESCs with PA6 stromal cells, and isolated neural rosette-like structures, which subsequently formed neurospheres in suspension culture. Tuj1-positive neural cells, but not nestin-positive neural precursor cells (NPCs), were able to enter the microfluidics grooves (microchannels), suggesting that neural cell-migratory capacity was dependent upon neuronal differentiation stage. We also showed that bundles of axons formed and extended into the microchannels. Taken together, these results demonstrated that microfluidics technology can provide useful tools to study neurite outgrowth and axon guidance of neural cells, which are derived from human embryonic stem cells.
Bong Jong Seo;Tae Kyung Hong;Sang Hoon Yoon;Jae Hoon Song;Sang Jun Uhm;Hyuk Song;Kwonho Hong;Hans Robert Scholer;Jeong Tae Do
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.1
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pp.44-51
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2023
Background and Objectives: DNA methyltransferases (Dnmts) play an important role in regulating DNA methylation during early developmental processes and cellular differentiation. In this study, we aimed to investigate the role of Dnmts in neural differentiation of embryonic stem cells (ESCs) and in maintenance of the resulting neural stem cells (NSCs). Methods and Results: We used three types of Dnmt knockout (KO) ESCs, including Dnmt1 KO, Dnmt3a/3b double KO (Dnmt3 DKO), and Dnmt1/3a/3b triple KO (Dnmt TKO), to investigate the role of Dnmts in neural differentiation of ESCs. All three types of Dnmt KO ESCs could form neural rosette and differentiate into NSCs in vitro. Interestingly, however, after passage three, Dnmt KO ESC-derived NSCs could not maintain their self-renewal and differentiated into neurons and glial cells. Conclusions: Taken together, the data suggested that, although deficiency of Dnmts had no effect on the differentiation of ESCs into NSCs, the latter had defective maintenance, thereby indicating that Dnmts are crucial for self-renewal of NSCs.
Neural stem cells (NSCs) can proliferate and differentiate into multiple cell types that constitute the nervous system. NSCs can be derived from developing fetuses, embryonic stem cells, or induced pluripotent stem cells. NSCs provide a good platform to screen drugs for neurodegenerative diseases and also have potential applications in regenerative medicine. Natural products have long been used as compounds to develop new drugs. In this review, natural products that control NSC fate and induce their differentiation into neurons or glia are discussed. These phytochemicals enable promising advances to be made in the treatment of neurodegenerative diseases.
Moon, Byoung-San;Ammothumkandy, Aswathy;Zhang, Naibo;Peng, Lei;Ibrayeva, Albina;Bay, Maxwell;Pratap, Athira;Park, Hong Ju;Bonaguidi, Michael Anthony;Lu, Wange
Clinical and Experimental Otorhinolaryngology
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v.11
no.4
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pp.224-232
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2018
Objectives. Spiral ganglion neurons (SGNs) include potential endogenous progenitor populations for the regeneration of the peripheral auditory system. However, whether these populations are present in adult mice is largely unknown. We examined the presence and characteristics of SGN-neural stem cells (NSCs) in mice as a function of age. Methods. The expression of Nestin and Ki67 was examined in sequentially dissected cochlear modiolar tissues from mice of different ages (from postnatal day to 24 weeks) and the sphere-forming populations from the SGNs were isolated and differentiated into different cell types. Results. There were significant decreases in Nestin and Ki67 double-positive mitotic progenitor cells in vivo with increasing mouse age. The SGNs formed spheres exhibiting self-renewing activity and multipotent capacity, which were seen in NSCs and were capable of differentiating into neuron and glial cell types. The SGN spheres derived from mice at an early age (postnatal day or 2 weeks) contained more mitotic stem cells than those from mice at a late age. Conclusion. Our findings showed the presence of self-renewing and proliferative subtypes of SGN-NSCs which might serve as a promising source for the regeneration of auditory neurons even in adult mice.
Human embryonic stem (ES) cells are derived from the inner cell mass of the preimplantation embryo and have the capacity to differentiate into various types of cells in the body. Hence, these cells may potentially be an indefinite source of cells for cell therapy in various degenerative diseases including neuronal disorders. For clinical applications of human ES cells, directed differentiation of these cells would be necessary. The objective of this study is to develop the culture condition for the expansion of neural precursor cells derived from human ES cells. Human ES cells were able to differentiate into neural precursor cells upon a stepwise culture condition. Neural precursor cells were propagated up to 5000-fold in cell numbers over 12-week period of culture and evaluated for their characteristics. Expressions of sox1 and pax6 transcripts were dramatically up-regulated along the differentiation stages by RT-PCR analysis. In contrast, expressions of oct4 and nanog transcripts were completely disappeared in neural precursor cells. Expressions of nestin, pax6 and sox1 were also confirmed in neural precursor cells by immunocytochemical analysis. Upon differentiation, the expanded neural precursor cells differentiated into neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. In immunocytochemical analysis, expressions of type III ${\beta}$-tubulin and MAP2ab were observed Presence of astrocytes and oligodendrocytes were also confirmed by expressions of GFAP and O4, respectively. Results of this study demonstrate the feasibility of long-term expansion of human ES cell-derived neural precursor cells in vitro, which can be a potential source of the cells for the treatment of neurodegenerative disorders.
Jo, Jung-Youn;Kang, Sung-Keun;Choi, In-Su;Ra, Jeong-Chan
Development and Reproduction
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v.13
no.4
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pp.227-237
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2009
Recently, adipose mesenchymal stem cells (AdMSC) that are similar to bone marrow MSC and blood derived MSC are thought to be another source for stem cell therapy. However, the diseases that can be applied for stem cells therapy are age-dependent degenerative diseases. Accordingly, the present study investigated the growth and differentiation potential to neural cells of human AdMSC (hAdMSC) obtained from aged thirty, forty and fifty. The growth of cells and cell viability were measured by passage and neural differentiation of hAdMSC was induced in neural differentiation condition for 10 days. Our results demonstrated that cell number, viability and morphology were not different from hAdMSC by age and passage. Immunofluorescence analysis of neural cell marker (TuJ1, NSE, Sox2, GFAP or MAP2) demonstrated no significant differences in neural cell differentiation by age and passage. As the number of passage was increased, the mRNA level of MAP2 and Sox2 was decreased in hAdMSC from age of 50 compared to hAdMSC from age of 30. In conclusion, the present study demonstrated that ability of neural cell differentiation of hAdMSC was maintained with ages, suggesting that autologous stem cells from aged people can be applied for stem cell therapy with age-dependent neural disease with the same stem cell quality and ability as stem cell derived from young age.
The ultrastructural change of sciatic nerve and immunohistochemical changes of NGF, PCNA were studied at the transplanted segment of intravascular cultured neural stem cell in the rat sciatic nerve by 5 months after the sciatic nerve transection. The transplanted intravascular neural stem cells were differentiated into Schwann reals at the 20th day and these cells began to regenerate by the proliferation and hypertrophy. There were many remyelinating Schwann cells in the transplanted nerve in term of stimulation. According to NGF finding, we suggest preexisting Schwann cells may induce the differentiation of neural stem cells into regenerating Schwann cells. Electron microscopic changes were the remyelinating appearance, the increase of intraaxonal microtubules and enlarged mitochondria and contacting tell processes each other.
Kim, Woosuk;Kim, Ji Hyeon;Kong, Sun-Young;Park, Min-Hye;Sohn, Uy Dong;Kim, Hyun-Jung
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.17
no.1
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pp.23-30
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2013
Neural stem cells (NSCs) have the ability to proliferate and differentiate into various types of cells that compose the nervous system. To study functions of genes in stem cell biology, genes or siRNAs need to be transfected. However, it is difficult to transfect ectopic genes into NSCs. Thus to identify the suitable method to achieve high transfection efficiency, we compared lipid transfection, electroporation, nucleofection and retroviral transduction. Among the methods that we tested, we found that nucleofection and retroviral transduction showed significantly increased transfection efficiency. In addition, with retroviral transduction of Ngn2 that is known to induce neurogenesis in various types of cells, we observed facilitated final cell division in rat NSCs. These data suggest that nucleofection and retroviral transduction provide high efficiency of gene delivery system to study functions of genes in rat NSCs.
Yean Ju Hong;So been Lee;Joonhyuk Choi;Sang Hoon Yoon;Jeong Tae Do
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.95-103
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2022
Background and Objectives: In recent years, brain organoid technologies have been the most innovative advance in neural differentiation research. In line with this, we optimized a method to establish cerebral organoids from feeder-free cultured human pluripotent stem cells. In this study, we focused on the consistent and robust production of cerebral organoids comprising neural progenitor cells and neurons. We propose an optimal protocol for cerebral organoid generation that is applicable to both human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells. Methods and Results: We investigated formation of neuroepithelium, neural tube, and neural folding by observing the morphology of embryoid bodies at each stage during the cerebral organoid differentiation process. Furthermore, we characterized the cerebral organoids via immunocytochemical staining of sectioned organoid samples, which were prepared using a Cryostat and Vibratome. Finally, we established a routine method to generate early cerebral organoids comprising a cortical layer and a neural progenitor zone. Conclusions: We developed an optimized methodology for the generation of cerebral organoids using hESCs and hiPSCs. Using this protocol, consistent and efficient cerebral organoids could be obtained from hiPSCs as well as hESCs. Further, the morphology of brain organoids could be analyzed through 2D monitoring via immunostaining and tissue sectioning, or through 3D monitoring by whole tissue staining after clarification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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