Yang, Jungyun;Kwon, Jihye;Kim, Miyeon;Bae, Yunkyung;Jin, Hyejin;Park, Hohyun;Eom, Young Woo;Rhee, Ki-Jong
Biomedical Science Letters
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v.21
no.1
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pp.40-49
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2015
Mesenchymal stem cells (MSCs) have the ability to self-renew and differentiate into multi-lineage cells, thus highlighting the feasibility of using umbilical cord blood-derived MSCs (UCB-MSCs) for cell-therapy and tissueengineering. However, the low numbers of UCB-MSC derived from clinical samples requires that an ex vivo expansion step be implemented. As most stem cells reside in low oxygen tension environments (i.e., hypoxia), we cultured the UCBMSCs under 3% $O_2$ or 21% $O_2$ and the following parameters were examined: proliferation, senescence, differentiation and stem cell specific gene expression. UCB-MSCs cultured under hypoxic conditions expanded to significantly higher levels and showed less senescence compared to UCB-MSCs cultured under normoxic conditions. In regards to differentiation potential, UCB-MSCs cultured under hypoxic and normoxic conditions both underwent similar levels of osteogenesis as determined by ALP and von Kossa assay. Furthermore, UCB-MSCs cultured under hypoxic conditions exhibited higher expression of OCT4, NANOG and SOX2 genes. Moreover, cells expanded under hypoxia maintained a stem cell immnunophenotype as determined by flow cytometry. These results demonstrate that the expansion of human UCB-MSCs under a low oxygen tension microenvironment significantly improved cell proliferation and differentiation. These results demonstrate that hypoxic culture can be rapidly and easily implemented into the clinical-scale expansion process in order to maximize UCB-MSCs yield for application in clinical settings and at the same time reduce culture time while maintaining cell product quality.
Background: Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic inflammatory disease characterized by synovial hyperplasia and joint destruction. The synovial fibroblasts express cell adhesion molecules and have a role in adhesive interation with inflammatory cells in synovial tissue. It has been suggested that hypoxic conditioins are thought to exist in arthritic joints, and several studies indicate that reactive oxygen species (ROS) produced in hypoxic condition can initiate events that lead to pro-adhesive changes via increased expression of adhesion molecules. So, this study wsa designed to examine whether antioxidant can inhibit hypoxia-induced expression of ICAM-1 in cultured human synovial fibroblasts. Methods: Synovial fibroblasts were isolated from synovial tissue in patients with RA and cultured at hypoxic condition. Antioxidant, PDTC (pyrrolidine dithiocarbamate) were pre-treated for an hour before the hypoxic culture and synovial fibroblasts were harvested at 0, 6, 12, 24, 48 hours time points. Cell surface ICAM-1 expression in synovial fibroblasts was examined by the flow cytometric analysis. To analyse the expression of ICAM-1 mRNA, reverse-transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) was performed. The levels of cytokines in culture supernatants were measured by ELISA, and activation of NF-${\kappa}B$ was analysed by electrophoretic mobility shift assay. The adhesive reaction between synovial fibroblasts and lymphocytes was assayed by measurement of fluorescent intensity of BCECF-AM in lymphocytes. Results: Hypoxic stimuli up-regulated the ICAM-1 expression as well as the adhesive interaction of human synvial fibroblasts to lymphocytes in a time-dependent manner, and PDTC inhibited hpyoxia-induced ICAM-1 expression and cell-cell interaction. PDTC also inhibited the hypoxia-induced activation of intracellular transcription factor, NF-${\kappa}B$. PDTC decreased the amount of hypoxia-induced production of IL-$1{\beta}$ and TNF-${\alpha}$. Conclusion: These studies demonstrate that PDTC inhibit the hypoxia-induced expression of the adhesion molecule, ICAM-1 and activation of NF-${\kappa}B$ in cultured human synovial fibroblasts.
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.
Kim, Jun;Goo, Yong-Sook;Kim, Sang-Jeong;Park, Sang-Chul;Koh, Chang-Soon
The Korean Journal of Physiology
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v.26
no.1
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pp.89-97
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1992
In hypoxic tissue conditions, pyruvate can not enter the Krebs cycle and lactic acid, produced from pyruvate, accumulates to induce lactic acidosis. Pyruvate, However, can also be converted to alanine by glutamate pyruvate transaminase, that could be enhanced by glutamate. Therefore, it would be a fundamental measure to treat the lactic acidosis in tissue hypoxic conditions when one can convert the accumulated lactic acid, through pyruvate, to alanine. To test the above hypothesis, we induced a lactic acidosis in cats and the effect of glutamate on recovery of acid base state and removal of the lactic acid from blood were assessed and the results were compared with those of bicarbonate administration, which is one of the most frequently used conventional measure for correction of the acid base state during lactic acidosis. The results were that glutamate and combined glutamate bicarbonate solutions not only restored the acid base status completely from the lactic acidosis in an hour or two, but also restored the blood level of lactate partially. We concluded that administration of glutamate solution to convert pyruvate into alanine is effective in preventing lactic acid accumulation and treating lactic acidosis.
The effects of ginseng total saponins (GTS) on hypoxic damage of primary cultures of astrocytes were studied. Hypoxia was created by placing cultures in an air tight chamber that was flushed with 95% $N_2/5%CO_2$ for 15 min before being sealed. Cultures showed evidence of significant cell injury after 24 h of hypoxia (increased lactate dehydrogenase (LDH) content in the culture medium, cell swelling and decreased glutamate uptake and protein content). Addition of GTS (0.1, 0.3 mg/ml) to the cultures during the exposure to hypoxic conditions produced dose-dependent inhibition of the LDH efflux. GTS (0.1, 0.3 mg/ml) also produced significant inhibition of the increased cell volume of astrocytes measured by $[^3H]$ O-methyl-D-glucose uptake under the hypoxic conditions. Decreased glutamate uptake and protein content was inhibited by GTS. These data suggest that GTS prevents astrocytic cell injury induced by severe hypoxia in vitro.
Bae, Hyun Cheol;Park, Hee Jung;Wang, Sun Young;Yang, Ha Ru;Lee, Myung Chul;Han, Hyuk-Soo
Biomaterials Research
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v.22
no.4
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pp.271-278
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2018
Background: The chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) is regulated by many factors, including oxygen tensions, growth factors, and cytokines. Evidences have suggested that low oxygen tension seems to be an important regulatory factor in the proliferation and chondrogenic differentiation in various MSCs. Recent studies report that synovium-derived mesenchymal stem cells (SDSCs) are a potential source of stem cells for the repair of articular cartilage defects. But, the effect of low oxygen tension on the proliferation and chondrogenic differentiation in SDSCs has not characterized. In this study, we investigated the effects of hypoxia on proliferation and chondrogenesis in SDSCs. Method: SDSCs were isolated from patients with osteoarthritis at total knee replacement. To determine the effect of oxygen tension on proliferation and colony-forming characteristics of SDSCs, A colony-forming unit (CFU) assay and cell counting-based proliferation assay were performed under normoxic (21% oxygen) or hypoxic (5% oxygen). For in vitro chondrogenic differentiation, SDSCs were concentrated to form pellets and subjected to conditions appropriate for chondrogenic differentiation under normoxia and hypoxia, followed by the analysis for the expression of genes and proteins of chondrogenesis. qRT-PCR, histological assay, and glycosoaminoglycan assays were determined to assess chondrogenesis. Results: Low oxygen condition significantly increased proliferation and colony-forming characteristics of SDSCs compared to that of SDSCs under normoxic culture. Similar pellet size and weight were found for chondrogensis period under hypoxia and normoxia condition. The mRNA expression of types II collagen, aggrecan, and the transcription factor SOX9 was increased under hypoxia condition. Histological sections stained with Safranin-O demonstrated that hypoxic conditions had increased proteoglycan synthesis. Immunohistochemistry for types II collagen demonstrated that hypoxic culture of SDSCs increased type II collagen expression. In addition, GAG deposition was significantly higher in hypoxia compared with normoxia at 21 days of differentiation. Conclusion: These findings show that hypoxia condition has an important role in regulating the synthesis ECM matrix by SDSCs as they undergo chondrogenesis. This has important implications for cartilage tissue engineering applications of SDSCs.
Natural killer (NK) cell dysfunctions against hepatocellular carcinoma (HCC) in a hypoxic environment. Many solid tumors are present in a hypoxic condition, which changes the effector function of various immune cells. The transcription of hypoxic-inducible factors (HIFs) in cancer cells make it possible to adapt to their hypoxic environment and to escape the immune surveillance of NK cells. Recently, the correlation between the transcription of HIF-1α and pro-inflammatory cytokines has been reported. Interleukin (IL)-6 is higher in cancers with a highly invasive ability, and is closely related to the metastasis of cancers. This study showed that the expression of HIF-1α in HCC cells was associated with the presence of IL-6 in the environment of HCC-NK cells. Blocking of IL-6 by antibody in the HCC-NK interaction changed the production of several cytokines including TGF-β, IL-1, IL-18 and IL-21. Interestingly, in a co-culture of HIF-1α-expressed HCC cells and NK cells, blocking of IL-6 increased the production of IL-21 in their supernatants. In addition, the absence of IL-6 significantly enhanced the cytotoxic ability and the expression of the activating receptors (NKG2D, NKp44, and NKG2C) in NK cells to HIF-1α-expressed HCC cells. These effects might be made by the decreased expression of HIF-1α in HCC cells through the inhibited phosphorylation of STAT3. In conclusion, the absence of IL-6 in the interaction of HIF-1α-expressed HCC cells and NK cells could enhance the antitumor activity of NK cells to HCC cells.
In Mycobacterium tuberculosis H37Rv 16 adenylyl cyclase (AC) genes have been identified, while 10 AC genes have been found in non-pathogenic Mycobacterium smegmatis. Expression of 6 AC genes (MSMEG_0218, MSMEG_3243, MSMEG_3780, MSMEG_4279, MSMEG_4477, and MSMEG_6154) among 10 AC genes in M. smegmatis was increased when M. smegmatis was subjected to hypoxic growth conditions. On the other hand, only MSMEG_3780 and MSMEG_4279 were slightly induced in the presence of NO. The cAMP levels in cells and culture media were 450- and 9.8-fold increased, respectively, when M. smegmatis was grown under hypoxic conditions relative to those grown aerobically. Intracellular levels of cAMP were increased 5.8-fold on the exposure to NO. The DevSR two-component system is known to be involved in the induction of many genes whose expression is induced under hypoxic conditions and in the presence of NO. Expression of 6 hypoxically induced AC genes was observed to be induced in a devR deletion mutant grown under hypoxic conditions, indicating that the induction of the 6 AC genes under hypoxic conditions is independent of the DevSR two-component system. In order to identify a trans-acting regulatory element that is pertinent in the hypoxic induction of MSMEG_3780, ligand-fishing analysis was performed using the upstream DNA of MSMEG_3780 and MSMEG_5136 protein was identified.
Objectives : The purpose of this study was to investigate the effect of FS for the modulation of ROS and MMP in a hypoxic model of cultured rat cortical cells. Methods : For the effect of FS on the viability, FS was added to culture media (neurobasal supplemented with B27) and cell viability was measured by LDH assay. To investigate the effects of FS on ROS generation and MMP preservation, cells grown in FS-containing media were given a hypoxic shock(2% $O_2/5%$$CO_2$, $37^{\circ}C$, 3 hrs) on DIV 10, stained with $H_2DCF-DA$(10 nM) and JC-1, respectively, and observed by fluorescent microscope. Results : 1. FS has a protective effect of cortical cells in both normoxia and hypoxia. 2. FS reduced the generation of ROS and this reduction was especially significant at 3 days after hypoxia. 3. FS was effective for the maintenance of MMP in hypoxia, and this efficacy was especially significant at 3 days after hypoxia. Conclusions : Taken together, these results indicate that FS attenuates ROS generation and MMP dissipation, which eventually protects from neuronal cell death in hypoxia.
Hypoxic culture is widely recognized as a method to efficiently expand human mesenchymal stem cells (MSCs) without loss of stem cell properties. However, the molecular basis of how hypoxia priming benefits MSC expansion remains unclear. In this report, our systemic quantitative proteomic and RT-PCR analyses revealed the involvement of hypoxic conditioning activated genes in the signaling process of the mitotic cell cycle. Introduction of screened two mitotic cyclins, CCNA2 and CCNB1, significantly extended the proliferation lifespan of MSCs in normoxic condition. Our results provide important molecular evidence that multipotency of human MSCs by hypoxic conditioning is determined by the mitotic cell cycle duration. Thus, the activation of mitotic cyclins could be a potential strategy to the application of stem cell therapy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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