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.
Kidney disease affects a significant portion of the global population, yet effective therapies are lacking despite advancements in identifying genetic causes. This limitation can be attributed to the absence of adequate in vitro models that accurately mimic human kidney disease, hindering targeted therapeutic development. However, the emergence of human induced pluripotent stem cells (PSCs) and the development of organoids using them have opened up a way to model kidney development and disease in humans, as well as validate the effects of new drugs. To fully leverage their capabilities in these fields, it is crucial for kidney organoids to closely resemble the structure and functionality of adult human kidneys. In this review, we aim to discuss the potential of using human PSCs or adult kidney stem cell-derived kidney organoids to model genetic kidney disease and renal cancer.
Hyun Mi Kang;Dong Sung Kim;Yong Kyun Kim;Kunyoo Shin;Sun-Ju Ahn;Cho-Rok Jung
International Journal of Stem Cells
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v.17
no.2
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pp.141-146
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2024
Recent advancements in organoid technology have led to a vigorous movement towards utilizing it as a substitute for animal experiments. Organoid technology offers versatile applications, particularly in toxicity testing of pharmaceuticals or chemical substances. However, for the practical use in toxicity testing, minimal guidance is required to ensure reliability and relevance. This paper aims to provide minimal guidelines for practical uses of kidney organoids derived from human pluripotent stem cells as a toxicity evaluation model in vitro.
In general, cloned pigs have been produced using the somatic cell nuclear transfer (SCNT) technique with various types of somatic cells; however, the SCNT technique has disadvantages not only in its low efficiency but also in the development of abnormal clones. This study aimed to compare early embryonic development and quality of SCNT embryos with those of induced pluripotent stem cells (iPSCs) NT embryos (iPSC-NTs). Ear fibroblast cells were used as donor cells and iPSCs were generated from these cells by lentiviral transduction with human six factors (Oct4, Sox2, c-Myc, Nanog, Klf4 and Lin28). Blastocyst formation rate in iPSC-NT (23/258, 8.9%) was significantly lower than that in SCNT (46/175, 26.3%; p < 0.05). Total cell number in blastocysts was similar between two groups, but blastocysts in iPSC-NT had a lower number of apoptotic cells than in SCNT (2.0 ± 0.6 vs. 9.8 ± 2.9, p < 0.05). Quantitative PCR data showed that apoptosis-related genes (bax, caspase-3, and caspase-9) were highly expressed in SCNT than iPSC-NT (p < 0.05). Although an early development rate was low in iPSC-NT, the quality of cloned embryos from porcine iPSC was higher than that of embryos from somatic cells. Therefore, porcine iPSCs could be used as a preferable cell source to create a clone or transgenic animals by using the NT technique.
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, Si-Jun;Shin, Mi-Jung;Seo, Byoung-Boo;Park, Hum-Dai;Yoon, Du-Hak;Ryoo, Zae-Young
Reproductive and Developmental Biology
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v.35
no.4
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pp.449-455
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2011
Induced pluripotent stem (iPS) cells have been generated from mouse and human somatic cells by etopic expression of transcription factors. iPS cells are indistinguishable from ES cells in terms of morphology and stem cell marker expression. Moreover, mouse iPS cells give rise to chimeric mice that are competent for germline transmission. However, mice derived from iPS cells often develop tumors. Furthermore, the low efficiency of iPS cell generation is a big disadvantage for mechanistic studies. Nonviral plasmid.based vectors are free of many of the drawbacks that constrain viral vectors. The histone deacetylase inhibitor valproic acid (VPA) has been shown to improve the efficiency of mouse and human iPS cell generation, and vitamin C (Vc) accelerates gene expression changes and establishment of the fully reprogrammed state. The MEK inhibitor PD0325901 (Stemgent) has been shown to increase the efficiency of the reprogramming of human primary fibroblasts into iPS cells. In this report, we described the generation of mouse iPS cells devoid of exogenous DNA by the simple transient transfection of a nonviral vector carrying 2A-peptide-linked reprogramming factors. We used VPA, Vc, and the MEK inhibitor PD0325901 to increase the reprogramming efficiency. The reprogrammed somatic cells expressed pluripotency markers and formed EBs.
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.
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.
Human cardiomyocytes (CMs) cease to proliferate and remain terminally differentiated thereafter, when humans reach the mid-20s. Thus, any damages sustained by myocardium tissue are irreversible, and they require medical interventions to regain functionality. To date, new surgical procedures and drugs have been developed, albeit with limited success, to treat various heart diseases including myocardial infarction. Hence, there is a pressing need to develop more effective treatment methods to address the increasing mortality rate of the heart diseases. Functional CMs are not only an important in vitro cellular tool to model various types of heart diseases for drug development, but they are also a promising therapeutic agent for cell therapy. However, the limited proliferative capacity entails difficulties in acquiring functional CMs in the scale that is required for pathological studies and cell therapy development. Stem cells, human pluripotent stem cells (hPSCs) in particular, have been considered as an unlimited cellular source for providing functional CMs for various applications. Notable progress has already been made: the first clinical trials of hPSCs derived CMs (hPSC-CMs) for treating myocardial infarction was approved in 2015, and their potential use in disease modeling and drug discovery is being fully explored. This concise review gives an account of current development of differentiation, purification and maturation techniques for hPSC-CMs, and their application in cell therapy development and pharmaceutical industries will be discussed with the latest experimental evidence.
Cho, Sung Woo;Kim, Hyoung Kyu;Sung, Ji Hee;Han, Jin
BMB Reports
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v.54
no.9
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pp.464-469
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2021
Cardiomyocyte differentiation occurs through complex and finely regulated processes including cardiac lineage commitment and maturation from pluripotent stem cells (PSCs). To gain some insight into the genome-wide characteristics of cardiac lineage commitment, we performed transcriptome analysis on both mouse embryonic stem cells (mESCs) and human induced PSCs (hiPSCs) at specific stages of cardiomyocyte differentiation. Specifically, the gene expression profiles and the protein-protein interaction networks of the mESC-derived platelet-derived growth factor receptor-alpha (PDGFRα)+ cardiac lineage-committed cells (CLCs) and hiPSC-derived kinase insert domain receptor (KDR)+ and PDGFRα+ cardiac progenitor cells (CPCs) at cardiac lineage commitment were compared with those of mesodermal cells and differentiated cardiomyocytes. Gene Ontology and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway analyses revealed that the genes significantly upregulated at cardiac lineage commitment were associated with responses to organic substances and external stimuli, extracellular and myocardial contractile components, receptor binding, gated channel activity, PI3K-AKT signaling, and cardiac hypertrophy and dilation pathways. Protein-protein interaction network analysis revealed that the expression levels of genes that regulate cardiac maturation, heart contraction, and calcium handling showed a consistent increase during cardiac differentiation; however, the expression levels of genes that regulate cell differentiation and multicellular organism development decreased at the cardiac maturation stage following lineage commitment. Additionally, we identified for the first time the protein-protein interaction network connecting cardiac development, the immune system, and metabolism during cardiac lineage commitment in both mESC-derived PDGFRα+ CLCs and hiPSC-derived KDR+PDGFRα+ CPCs. These findings shed light on the regulation of cardiac lineage commitment and the pathogenesis of cardiometabolic diseases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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