Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) are a rare population of undifferentiated cells that have the capacity of self renewal and the ability to differentiate into mesodermal phenotypes, including osteocytes, chondrocytes, and adipocytes in vitro. Recently, MSCs have been shown to reside within the connective tissue of most organs, and their surface phenotype has been well analyzed. Many reports showed that transplanted MSCs enhanced regeneration as well as functional improvement of damaged organs and tissues. The wide differentiation plasticity of MSCs was expected to contribute to their demonstrated efficacy in a wide variety of experimental animal models and in human clinical trials. However, new findings suggest that the ability of MSCs to alter the tissue microenvironment via secretion of soluble factors may contribute more significantly than their capacity for differentiation in tissue repair. This review describes what is known about the cellular characteristics and differentiation potential of MSCs, which represent a promising stem cell population for further applications in regenerative medicine.
Human mesenchymal stem cell (hMSCs) isolated from human adult bone marrow have self-renewal capacity and can differentiate into multiple cell types in vitro and in vivo. A number of studies have now demonstrated that MSCs can differentiate into various neuronal populations. Due to their autologous characteristics, replacement therapy using MSCs is considered to be safe and does not involve immunological complications. The basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor Olig2 is necessary for the specification of both oligodendrocytes and motor neurons during vertebrate embryogenesis. To develop an efficient method for inducing neuronal differentiation from MSCs, we attempted to optimize the culture conditions and combination with Olig2 gene overexpression. We observed neuron-like morphological changes in the hMSCs under these induction conditions and examined neuronal marker expression in these cells by RTPCR and immunocytochemistry. Our data demonstrate that the combination of Olig2 overexpression and neuron-specific conditioned medium facilitates the neuronal differentiation of hMSCs in vitro. These results will advance the development of an efficient stem cell-mediated cell therapy for human neurodegenerative diseases.
Objective : This study was designed to validate the cell trafficking efficiency of the in vivo bioluminescence image (BLI) study in the setting of transplantation of the luciferase expressing bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSC), which were delivered at each different time after transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) in a mouse model. Methods : Transplanting donor BMSC were prepared by primary cell culture from transgenic mouse expressing luciferase (LUC). Transient focal infarcts were induced in 4-6-week-old male nude mice. The experiment mice were divided into five groups by the time of MSC transplantation : 1) sham-operation group, 2) 2-h group, 3) 1-day group, 4) 3-day group, and 5) 1-week group. BLI for detection of spatial distribution of transplanted MSC was performed by detecting emitted photons. Migration of the transplanted cells to the infarcted area was confirmed by histological examinations. Differences between groups were evaluated by paired t-test. Results : A focal spot of bioluminescence was observed at the injection site on the next day after transplantation by Signal intensity of bioluminescence. After 4 weeks, the mean signal intensities of 2-h, 1-day, 3-day, and 1-week group were $2.6{\times}10^7{\pm}7.4{\times}10^6$. $6.1{\times}10^6{\pm}1.2{\times}10^6$, $1.7{\times}10^6{\pm}4.4{\times}10^5$, and $8.9{\times}10^6{\pm}9.5{\times}10^5$, respectively. The 2-h group showed significantly higher signal intensity (p<0.01). The engrafted BMSC showed around the infarct border zones on immunohistochemical examination. The counts of LUC-positive cells revealed the highest number in the 2-h group, in agreement with the results of BLI experiments (p<0.01). Conclusion : In this study, the results suggested that the transplanted BMSC migrated to the infarct border zone in BLI study and the higher signal intensity of LUC-positive cells seen in 2 hrs after MSC transplantation in MCAO mouse model. In addition, noninvasive imaging in real time is an ideal method for tracking stem cell transplantation. This method can be widely applied to various research fields of cell transplantation therapy.
Adult stem cell transplantation has been increased every year, because of the lack of organ donors for regenerative medicine. Therefore, development of reliable and safety cryopreservation and bio-baking method for stem cell therapy is urgently needed. The present study investigated safety of dimethyl sulfoxide (DMSO) such as common cryoprotectant on porcine bone marrow derived mesenchymal stem cells (pBM-MSCs) by evaluating the activation of Caspase-3 and -7, apoptosis related important signal pathway. pBM-MSCs used for the present study were isolated density gradient method by Ficoll-Paque Plus and cultured in A-DMEM supplemented 10% FBS at $38.5^{\circ}C$ in 5% $CO_2$ incubator. pBM-MSCs were cryopreserved in A-DMEM supplemented either with 5%, 10% or 20% DMSO by cooling rate at $-1^{\circ}C$/min in a Kryo 360 (planner 300, Middlesex, UK) and kept into $LN_2$. Survival rate of cells after thawing did not differ between 5% and 10% DMSO but was lowest in 20% DMSO by 0.4% trypan blue exclusion. Activation of Caspase-3 and -7 by Vybrant FAM Caspase-3 and -7 Assay Assay Kit (Molecular probes, Inc.OR, USA) was analyzed with a flow cytometer. Both of cryopreserved and control groups (fresh pBM-MSCs) were observed after the activation of Caspase-3 and -7. The activation did not differ between 5% and 10% DMSO, but was observed highest in 20% DMSO. Therefore 5% DMSO can be possibly used for cell cryopreservation instead of 10% DMSO.
Kim, Sun-Hwa;Moon, Hyung-Ho;Chung, Bong-Genn;Choi, Dong-Hoon
Journal of Pharmaceutical Investigation
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v.40
no.6
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pp.333-337
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2010
Combining cell- and gene-based therapy is a promising therapeutic strategy in regenerative medicine. The aim of this study was to develop genetically modified mesenchymal stem cell (MSC) aggregates using a poly(ethylene glycol) (PEG) hydrogel micro-well array technique. Stable PEG hydrogel micro-well arrays with diameters of 200 to $500\;{\mu}m$ were fabricated and used to generate genetically engineered MSC aggregates. Rat bone marrow-derived MSCs were transfected with a green fluorescent protein (GFP) plasmid as a reporter gene, and aggregated by culturing in the PEG hydrogel micro-well arrays. The resultant cell aggregates had a mean diameter of less than $200\;{\mu}m$, and maintained the mesenchymal phenotype even after genetic modification and cell aggregation. Transplantation of MSC aggregates that are genetically modified to express therapeutic or cell-survival genes may be a potential therapeutic approach for regenerative medicine.
Park, Jae-Hyun;Ryu, Chung Heon;Kim, Mi Jin;Jeun, Sin-Soo
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.57
no.5
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pp.323-328
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2015
Objective : Malignant gliomas are the most common primary tumors of the central nervous system and the prognosis of patients with gliomas is poor. The combination of interferon-bata (IFN-${\beta}$) and temozolomide (TMZ) has shown significant additive antitumor effects in human glioma xenograft models. Considering that the poor survival of patients with human malignant gliomas relates partly to the inability to deliver therapeutic agents to the tumor, the tropism of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSC) for malignant gliomas can be exploited to therapeutic advantages. We investigated the combination effects of TMZ and MSCs that secrete IFN-${\beta}$ on gliomas. Methods : We engineered human MSCs to secret mouse IFN-${\beta}$ (MSC-IFN-${\beta}$) via adenoviral transduction and confirmed their secretory capacity using enzyme-linked immunosorbent assays. In vitro and in vivo experiments were performed to determine the effects of the combined TMZ and MSC-IFN-${\beta}$ treatment. Results : In vitro, the combination of MSC-IFN-${\beta}$ and TMZ showed significantly enhanced antitumor effects in GL26 mouse glioma cells. In vivo, the combined MSC-IFN-${\beta}$ and TMZ therapy significantly reduced the tumor size and improved the survival rates compared to each treatment alone. Conclusion : These results suggest that MSCs can be used as an effective delivery vehicle so that the combination of MSC-IFN-${\beta}$ and TMZ could be considered as a new option for the treatment of malignant gliomas.
Kim, Hyun Hee;Kim, Seung Mo;Kim, Kyung Soon;Kwak, Min A;Kim, Sang Gyung;Kim, Byung Seok;Lee, Chang Hyeong
The Journal of Korean Medicine
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v.37
no.4
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pp.36-44
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2016
Objectives: Granulocyte-colony-stimulating factor (G-CSF) mobilized bone marrow (BM)-derived hematopoietic stem cells could contribute to improvement of liver function. In addition, liver fibrosis can reportedly be prevented by the Rg 1 component of red ginseng. This study investigated the combined effect of G-CSF and red ginseng on decompensated liver cirrhosis. Methods: Four patients with decompensated liver cirrhosis were injected with G-CSF to proliferate BM stem cells for 4 days ($5{\mu}g/kg$ bid subcutaneously) and followed-up for 3 months. The patients also received red ginseng for 4 days (2 tablets tid per os). We analyzed Child-Pugh scores, Model for End-Stage Liver Disease (MELD) scores and cirrhotic complications. Results: All patients showed marked increases in White blood cell (WBC) and CD34+ cells in the peripheral blood, with a peak time of 4 days after G-CSF injection. Spleen size also increased after G-CSF injection, but not severely. At end of the study, 2 patients showed improvement in Child-Pugh scores, hepatic encephalopathy, and refractory ascites. During the clinical trial period, none of the 4 patients showed any other adverse events or deterioration of liver function. Conclusions: We conclude that G-CSF/red ginseng combination therapy is relatively effective in improving liver function and major complications of decompensated liver cirrhosis without adverse effects. Further clinical trials are warranted to assess the clinical effects of G-CSF for decompensated liver cirrhosis.
Several studies have investigated the various effects of dexamethasone (Dex) on the proliferation and differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs). Previously, we reported that co-treatment with L-ascorbic acid 2-phosphate and fibroblast growth factor (FGF)-2 maintained differentiation potential in MSCs through expression of hepatocyte growth factor (HGF). In this study, we investigated the effects of co-treatment with FGF-2 and Dex on the proliferation and differentiation potential of MSCs during a 2-month culture period. Co-treatment with FGF-2 and Dex increased approximately a 4.7-fold higher accumulation rate of MSC numbers than that by FGF-2 single treatment during a 2-month culture period. Interestingly, co-treatment with FGF-2 and Dex increased expression of HGF and maintained adipogenic differentiation potential during this culture period. These results suggest that co-treatment with FGF-2 and Dex preserves the proliferation and differentiation potential during long-term culture.
Natural killer (NK) cells play a crucial role in innate immune system and tumor surveillance. NK cells are derived from $CD34^+$hematopoietic stem cells and undergo differentiation via precursor NK cells in bone marrow (BM) through sequential acquisition of functional surface receptors. During differentiation of NK cells, many factors are involved including cytokines, membrane factors and transcription factors as well as microenvironment of BM. NK cells express their own repertoire of receptors including activating and inhibitory receptors that bind to major histocompatibility complex (MHC) class I or class I-related molecules. The balance between activating and inhibitory receptors determines the function of NK cells to kill targets. Binding of NK cell inhibitory receptors to their MHC class I-ligand renders the target cells to be protected from NK cell-mediated cytotoxicity. Thus, NK cells are able to discriminate self from non-self through MHC class I-binding inhibitory receptor. Using intrinsic properties of NK cells, NK cells are emerging to apply as therapeutic agents against many types of cancers. Recently, NK cell alloactivity has also been exploited in killer cell immunoglobulin-like receptor mismatched haploidentical stem cell transplantation to reduce the rate of relapse and graft versus host disease. In this review, we discuss the basic mechanisms of NK cell differentiation, diversity of NK cell receptors, and clinical applications of NK cells for anti-cancer immunotherapy.
Yi, Hyeon Gyu;Yahng, Seung-Ah;Kim, Inho;Lee, Je-Hwan;Min, Chang-Ki;Kim, Jun Hyung;Kim, Chul Soo;Song, Sun U.
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.20
no.1
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pp.63-67
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2016
Severe graft-versus-host disease (GVHD) is an often lethal complication of allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). The safety of clinical-grade mesenchymal stem cells (MSCs) has been validated, but mixed results have been obtained due to heterogeneity of the MSCs. In this phase I study, the safety of bone marrow-derived homogeneous clonal MSCs (cMSCs) isolated by a new subfractionation culturing method was evaluated. cMSCs were produced in a GMP facility and intravenously administered to patients who had refractory GVHD to standard treatment resulting after allogeneic HSCT for hematologic malignancies. After administration of a single dose ($1{\times}10^6cells/kg$), 11 patients were evaluated for cMSC treatment safety and efficacy. During the trial, nine patients had 85 total adverse events and the rate of serious adverse events was 27.3% (3/11 patients). The only one adverse drug reaction related to cMSC administration was grade 2 myalgia in one patient. Treatment response was observed in four patients: one with acute GVHD (partial response) and three with chronic GVHD. The other chronic patients maintained stable disease during the observation period. This study demonstrates single cMSC infusion to have an acceptable safety profile and promising efficacy, suggesting that we can proceed with the next stage of the clinical trial.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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