Researches for stem cells have been focused on scientists in biomedical sciences as well as clinical application for its great therapeutic potentials. Stem cells have two distinct characteristics: self-renewal and differentiation. In this short review, the links between stem cell research and biomedical engineering is discussed based on the basic characteristics of stem cells. This concept can be extended to the fundamental questions of biological sciences for cells such as proliferation, apoptosis, differentiation, and migration. For understanding proliferation and apoptosis of stem cells, techniques from biomedical engineering such as surface patterning, MEMS, nanotechnologies have been used. The advanced technologies such as microfluidic technologies, three dimensional scaffold fabrication, and mechanical/electrical stimulation have also been used in cell differentiation and migration. Basic and unsolved questions in the stem cell research field have limitations by studying conventional technologies. Therefore, the strategic fusion between stem cell biology and novel biomedical engineering field will break the barriers for understanding fundamental questions of stem cells, which can open the window for the clinical applications of stem cell based therapeutics as well as regeneration of damaged tissues.
Dayem, Ahmed Abdal;Lee, Soo Bin;Kim, Kyeongseok;Lim, Kyung Min;Jeon, Tak-il;Cho, Ssang-Goo
BMB Reports
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v.52
no.5
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pp.295-303
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2019
Breakthroughs in stem cell technology have contributed to disease modeling and drug screening via organoid technology. Organoid are defined as three-dimensional cellular aggregations derived from adult tissues or stem cells. They recapitulate the intricate pattern and functionality of the original tissue. Insulin is secreted mainly by the pancreatic ${\beta}$ cells. Large-scale production of insulin-secreting ${\beta}$ cells is crucial for diabetes therapy. Here, we provide a brief overview of organoids and focus on recent advances in protocols for the generation of pancreatic islet organoids from pancreatic tissue or pluripotent stem cells for insulin secretion. The feasibility and limitations of organoid cultures derived from stem cells for insulin production will be described. As the pancreas and gut share the same embryological origin and produce insulin, we will also discuss the possible application of gut organoids for diabetes therapy. Better understanding of the challenges associated with the current protocols for organoid culture facilitates development of scalable organoid cultures for applications in biomedicine.
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.
Leukemia stem cells (LSCs) play important roles in leukemia initiation, progression and relapse, and thus represent a critical target for therapeutic intervention. Hence, it is extremely urgent to explore new therapeutic strategies directly targeting LSCs for acute myelogenous leukemia (AML) therapy. We show here that Angelica sinensis polysaccharide (ASP), a major active component in Dong quai (Chinese Angelica sinensis), effectively inhibited human AML $CD34^+CD38^-$ cell proliferation in vitro culture in a dose-dependent manner while sparing normal hematopoietic stem and progenitor cells at physiologically achievable concentrations. Furthermore, ASP exerted cytotoxic effects on AML K562 cells, especially LSC-enriched $CD34^+CD38^-$ cells. Colony formation assays further showed that ASP significantly suppressed the formation of colonies derived from AML $CD34^+CD38^-$ cells but not those from normal $CD34^+CD38^-$ cells. Examination of the underlying mechanisms revealed that ASP induced $CD34^+CD38^-$ cell senescence, which was strongly associated with a series of characteristic events, including up-regulation of p53, p16, p21, and Rb genes and changes of related cell cycle regulation proteins P16, P21, cyclin E and CDK4, telomere end attrition as well as repression of telomerase activity. On the basis of these findings, we propose that ASP represents a potentially important agent for leukemia stem cell-targeted therapy.
Dayem, Ahmed Abdal;Song, Kwonwoo;Lee, Soobin;Kim, Aram;Cho, Ssang-Goo
BMB Reports
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v.55
no.5
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pp.205-212
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2022
Interstitial cystitis/bladder pain syndrome (IC/BPS) is a debilitating chronic disorder characterized by suprapubic pain and urinary symptoms such as urgency, nocturia, and frequency. The prevalence of IC/BPS is increasing as diagnostic criteria become more comprehensive. Conventional pharmacotherapy against IC/BPS has shown suboptimal effects, and consequently, patients with end-stage IC/BPS are subjected to surgery. The novel treatment strategies should have two main functions, anti-inflammatory action and the regeneration of glycosaminoglycan and urothelium layers. Stem cell therapy has been shown to have dual functions. Mesenchymal stem cells (MSCs) are a promising therapeutic option for IC/BPS, but they come with several shortcomings, such as immune activation and tumorigenicity. MSC-derived extracellular vesicles (MSC-EVs) hold numerous therapeutic cargos and are thus a viable cell-free therapeutic option. In this review, we provide a brief overview of IC/BPS pathophysiology and limitations of the MSC-based therapies. Then we provide a detailed explanation and discussion of therapeutic applications of EVs in IC/BPS as well as the possible mechanisms. We believe our review will give an insight into the strengths and drawbacks of EV-mediated IC/BPS therapy and will provide a basis for further development.
Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is the most common and severe type of idiopathic interstitial pneumonias (IIP), and which is currently no method was developed to restore normal structure and function. There are several reports on therapeutic effects of adult stem cell transplantations in animal models of pulmonary fibrosis. However, little is known about how mesenchymal stem cell (MSC) can repair the IPF. In this study, we try to provide the evidence to show that transplanted mesenchymal stem cells directly replace fibrosis with normal lung cells using IPF model mice. As results, transplanted MSC successfully integrated and differentiated into type II lung cell which express surfactant protein. In the other hand, we examine the therapeutic effects of microvesicle treatment, which were released from mesenchymal stem cells. Though the therapeutic effects of MV treatment is less than that of MSC treatment, MV treat-ment meaningfully reduced the symptom of IPF, such as collagen deposition and inflammation. These data suggest that stem cell transplantation may be an effective strategy for the treatment of pulmonary fibrosis via replacement and cytoprotective effect of microvesicle released from MSCs.
Regenerative medicine is a research field that develops methods to restore damaged cell or tissue function by regeneration, repair or replacement. Stem cells are the raw material of the body that is ultimately used from the point of view of regenerative medicine, and stem cell therapy uses cells themselves or their derivatives to promote responses to diseases and dysfunctions, the ultimate goal of regenerative medicine. Stem cell-derived extracellular vesicles (EVs) are recognized as an attractive source because they can enrich exogenous microRNAs (miRNAs) by targeting pathological recipient cells for disease therapy and can overcome the obstacles faced by current cell therapy agents. However, there are some limitations that need to be addressed before using miRNA-enriched EVs derived from stem cells for multiplexed therapeutic targeting in many diseases. Here, we review various roles on miRNA-based stem cell EVs that can induce effective and stable functional improvement of stem cell-derived EVs. In addition, we introduce and review the implications of several miRNA-enriched EV therapies improved by multiplexed targeting in diseases involving the circulatory system and nervous system. This systemic review may offer potential roles for stem cell-derived therapeutics with multiplexed targeting.
Chang, So-Young;Carpena, Nathaniel T.;Kang, Bong Jin;Lee, Min Young
Medical Lasers
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v.9
no.2
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pp.134-141
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2020
The use of stem cell therapy to treat various diseases has become a promising approach. The ability of stem cells to self-renew and differentiate can contribute significantly to the success of regenerative medical treatments. In line with these expectations, there is a great need for an efficient research methodology to differentiate stem cells into their specific targets. Photobiomodulation (PBM), formerly known as low-level laser therapy (LLLT), is a relatively non-invasive technique that has a therapeutic effect on damaged tissue or cells. Recent advances in adapting PBM to stem cell therapy showed that stem cells and progenitor cells respond favorably to light. PBM stimulates different types of stem cells to enhance their migration, proliferation, and differentiation in vitro and in vivo. This review summarizes the effects of PBM on targeted differentiation across multiple stem cell lineages. The analytical expertise gained can help better understand the current state and the latest findings in PBM and stem cell therapy.
Kim, Young-Sil;Lee, Hye-jin;Pack, Jung-Eun;Kim, Jin-Hwi
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.17
no.3
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pp.178-183
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2014
The objective of this study is to find out the effect of yeast on hair loss treatment and the role of hair follicle stem cell activator, which is important in hair growth. The authors have recently produced a substance, which has no disgusting odor, does not precipitates and does not easily corrupt, to use instead of yeast acquired from raw rice wine(Makgeolli). The substance is named Yeast Constituent Extract(YCE). In this research, the Produced YCE was applied on the hair loss area of 10 Androgenic alopecia patients, twice every day for 6 months, in order to test the effect of hair loss treatment and the role of stem cell activator. As a result, all of the patients showed a significant growth of hair after 3 months of test, and showed much more growing, thickening and strengthening of hair after 6 months. As a result of measuring the number of hair strings in the same scalp region of the patients after 6 months, it is found that the density of hair has increased, indicating that the hair loss treatment was effective. Also the hair follicle stem cell was isolated from the patients and the contents of growth factors (IGF, VEGF, FGF, HGF) derived from hair follicle stem cell were measured with ELISA. As result, the amount is found to be about 10 times greater than before the test. The hair follicle stem cell contains many growth factors that affect growth of hair, so it takes a highly important role in hair loss treatment. The YCE that the authors have produced was found to be effective in increasing the contents of growth factors that are derived from hair follicle stem cell. Thus it can be inferred that the YCE plays a role as a stem cell activator that activates the hair follicle stem cells. In conclusion, the YCE is considered to be highly effective for hair loss treatment and to have a role as a stem cell activator.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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