Choi, He Yun;Park, Ji Hye;Jang, Woong Bi;Ji, Seung Taek;Jung, Seok Yun;Kim, Da Yeon;Kang, Songhwa;Kim, Yeon Ju;Yun, Jisoo;Kim, Jae Ho;Baek, Sang Hong;Kwon, Sang-Mo
Biomolecules & Therapeutics
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v.24
no.4
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pp.363-370
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2016
Cardiovascular disease is the most common cause of death in diabetic patients. Hyperglycemia is the primary characteristic of diabetes and is associated with many complications. The role of hyperglycemia in the dysfunction of human cardiac progenitor cells that can regenerate damaged cardiac tissue has been investigated, but the exact mechanism underlying this association is not clear. Thus, we examined whether hyperglycemia could regulate mitochondrial dynamics and lead to cardiac progenitor cell dysfunction, and whether blocking glucose uptake could rescue this dysfunction. High glucose in cardiac progenitor cells results in reduced cell viability and decreased expression of cell cycle-related molecules, including CDK2 and cyclin E. A tube formation assay revealed that hyperglycemia led to a significant decrease in the tube-forming ability of cardiac progenitor cells. Fluorescent labeling of cardiac progenitor cell mitochondria revealed that hyperglycemia alters mitochondrial dynamics and increases expression of fission-related proteins, including Fis1 and Drp1. Moreover, we showed that specific blockage of GLUT1 improved cell viability, tube formation, and regulation of mitochondrial dynamics in cardiac progenitor cells. To our knowledge, this study is the first to demonstrate that high glucose leads to cardiac progenitor cell dysfunction through an increase in mitochondrial fission, and that a GLUT1 blocker can rescue cardiac progenitor cell dysfunction and downregulation of mitochondrial fission. Combined therapy with cardiac progenitor cells and a GLUT1 blocker may provide a novel strategy for cardiac progenitor cell therapy in cardiovascular disease patients with diabetes.
Attaur Rahman;Yuhao Li;Nur Izzah Ismail;To-Kiu Chan;Yuzhen Li;Dachun Xu;Hao Zhou;Sang-Bing Ong
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.2
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pp.123-134
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2023
Objective: The heart contains a pool of c-kit+ progenitor cells which is believed to be able to regenerate. The differentiation of these progenitor cells is reliant on different physiological cues. Unraveling the underlying signals to direct differentiation of progenitor cells will be beneficial in controlling progenitor cell fate. In this regard, the role of the mitochondria in mediating cardiac progenitor cell fate remains unclear. Specifically, the association between changes in mitochondrial morphology with the differentiation status of c-kit+ CPCs remains elusive. In this study, we investigated the relationship between mitochondrial morphology and the differentiation status of c-kit+ progenitor cells. Methods and Results: c-kit+ CPCs were isolated from 2-month-old male wild-type FVB mice. To activate differentiation, CPCs were incubated in α-minimal essential medium containing 10 nM dexamethasone for up to 7 days. To inhibit Drp1-mediated mitochondrial fragmentation, either 10 μM or 50 μM mdivi-1 was administered once at Day 0 and again at Day 2 of differentiation. To inhibit calcineurin, either 1 μM or 5 μM ciclosporin-A (CsA) was administered once at Day 0 and again at Day 2 of differentiation. Dexamethasone-induced differentiation of c-kit+ progenitor cells is aligned with fragmentation of the mitochondria via a calcineurin-Drp1 pathway. Pharmacologically inhibiting mitochondrial fragmentation retains the undifferentiated state of the c-kit+ progenitor cells. Conclusions: The findings from this study provide an alternative view of the role of mitochondrial fusion-fission in the differentiation of cardiac progenitor cells and the potential of pharmacologically manipulating the mitochondria to direct progenitor cell fate.
Jung, Seok Yun;Choi, Sung Hyun;Yoo, So Young;Baek, Sang Hong;Kwon, Sang Mo
Biomolecules & Therapeutics
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v.21
no.3
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pp.196-203
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2013
Recent accumulating studies have reported that hypoxic preconditioning during ex vivo expansion enhanced the self-renewal or differentiation of various stem cells and provide an important strategy for the adequate modulation of oxygen in culture conditions, which might increase the functional bioactivity of these cells for cardiac regeneration. In this study, we proposed a novel priming protocol to increase the functional bioactivity of cardiac progenitor cells (CPCs) for the treatment of cardiac regeneration. Firstly, patient-derived c-$kit^+$ CPCs isolated from the atrium of human hearts by enzymatic digestion and secondly, pivotal target molecules identified their differentiation into specific cell lineages. We observed that hCPCs, in response to hypoxia, strongly activated ERK phosphorylation in ex vivo culture conditioning. Interestingly, pre-treatment with an ERK inhibitor, U0126, significantly enhanced cellular proliferation and tubular formation capacities of CPCs. Furthermore, we observed that hCPCs efficiently maintained the expression of the c-kit, a typical stem cell marker of CPCs, under both hypoxic conditioning and ERK inhibition. We also show that hCPCs, after preconditioning of both hypoxic and ERK inhibition, are capable of differentiating into smooth muscle cells (SMCs) and cardiomyocytes (CMs), but not endothelial cells (ECs), as demonstrated by the strong expression of ${\alpha}$-SMA, Nkx2.5, and cTnT, respectively. From our results, we conclude that the functional bioactivity of patient-derived hCPCs and their ability to differentiate into SMCs and CMs can be efficiently increased under specifically defined culture conditions such as short-term hypoxic preconditioning and ERK inhibition.
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.
Molecular nuclear cardiac imaging has included Tc-99m Annexin imaging to visualize myocardial apoptosis, but is now usually associated with gene therapy and cell-based therapy. Cardiac gene therapy was not successful so far but cardiac reporter gene imaging was made possible using HSV-TK (herpes simplex virus thymidine kinase) and F-18 FHBG (fluoro-hydroxymethylbutyl guanine) or I-124 FIAU (fluoro-deoxyiodo-arabino-furanosyluracil). Gene delivery was performed by needic injection with or without catheter guidance. Tk expression did not last longer than 2 weeks in myocardium. Cell-based therapy of ischemic heart or failing heart looks promising, but biodistribution and differentiation of transplanted cells are not known. Reporter genes can be transfected to the stem/progenitor cells and cells containing these genes can be transplanted to the recipients using catheter-based purging or injection. Repeated imaging should be available and if promoter are varied to let express reporter transgenes, cellular (trans)differentiation can be studied. NIS (sodium iodide symporter) or D2R receptor genes are promising in this aspect.
Kim, Da Yeon;Kim, Bo Min;Kim, So Jung;Choi, Jin Hee;Kwon, Sang-Mo
Journal of Life Science
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v.30
no.7
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pp.651-659
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2020
Cardiovascular disease is one of the leading causes of death across the world, and gold-standard treatments such as percutaneous coronary intervention and artery bypass grafting have various limitations including myocardial damage and subsequent maladaptive cardiac remodeling. To overcome this, stem-cell therapies are emerging as a promising strategy for cardiovascular regeneration. Endothelial progenitor cells (EPCs) have high potential to proliferate and differentiate into endothelial cells for vascularization and tissue regeneration, and several clinical trials have explored EPC function in tissue repair in relation to clinical safety and improving cardiac function. Consequently, EPC has been suggested as a feasible stem-cell therapy. However, autologous EPC transplantation in cardiovascular disease patients is restricted by risk factors such as age, smoking status, and hypertension that lead to reduced bioactivity in the EPCs. New approaches for improving EPC function and stem-cell efficacy have therefore been suggested, including cell priming, organoid culture systems, and enhancing transplantation efficiency through 3D bioprinting methods. In this review, we provide a comprehensive understanding of EPC characteristics, therapeutic approaches, and the current state of clinical research into EPCs as stem-cell therapy for cardiovascular disease.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.4
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pp.366-379
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2017
In this study, we performed a systematic review and meta-analysis to identify the effects of exercise on endothelial progenitor cells (EPCs) in patients with cardiovascular disease (CVD). We conducted database searches (Cochrane Library, PubMed, EMBASE, ScienceDirect, CINAHL, Scopus, KoreaMed, KISS, RISS, KMBASE) for the effect of exercise on cardiovascular disease, using heart disease, coronary artery disease, heart failure, cardiovascular disease, exercise, motor activity, rehabilitation, and endothelial progenitor cells as the keywords. Of the 539 studies identified, 9 met the inclusion and exclusion criteria. Comprehensive Meta-Analysis version 2.0 was used to analyze the effect size and the publication bias was checked with a funnel plot. Exercise was found to improve the VEGF (vascular endothelial growth factor), CD34+KDR+, and endothelial function, assessed via FMD (flow-mediated dilation), in the exercise vs. control groups, viz. 2.008 (95% CI 0.204-3.812), 1.399 (95% CI 0.310-2.489), and 1.881 (95% CI 0.848-2.914), respectively. Exercise improved the VEGF, number of EPCs, and endothelial function in the CVD patients. Considering the increasing prevalence and mortality rates for cardiovascular disease in Korea, the findings of this study that analyzed the effects of exercise on EPCs might provide guidelines for planning exercise interventions for patients with CVD.
Park, Yun-Gwi;Son, Yeo-Jin;Moon, Sung-Hwan;Park, Soon-Jung
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.37
no.2
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pp.67-79
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2022
Currently, there is no treatment to reverse or cure heart failure caused by ischemic heart disease and myocardial infarction despite the remarkable advances in modern medicine. In addition, there is a lack of evidence regarding the existence of stem cells involved in the proliferation and regeneration of cardiomyocytes in adult hearts. As an alternative solution to overcome this problem, protocols for differentiating human pluripotent stem cell (hPSC) into cardiomyocyte have been established, which further led to the development of cell therapy in major leading countries in this field. Recently, clinical studies have confirmed the safety of hPSC-derived cardiac progenitor cells (CPCs). Although several institutions have shown progress in their research on cell therapy using hPSC-derived cardiomyocytes, the functions of cardiomyocytes used for transplantation remain to be those of immature cardiomyocytes, which poses a risk of graft-induced arrhythmias in the early stage of transplantation. Over the last decade, research aimed at achieving maturation of immature cardiomyocytes, showing same characteristics as those of mature cardiomyocytes, has been actively conducted using various approaches at leading research institutes worldwide. However, challenges remain in technological development for effective generation of mature cardiomyocytes with the same properties as those present in the adult hearts. Therefore, in this review, we provide an overview of the technological development status for maturation methods of hPSC-derived cardiomyocytes and present a direction for future development of maturation techniques.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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