Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMMSCs) must differentiate into osteogenic cells to allow for successful bone regeneration. In this study, we investigated the effects of different combinations of three soluble osteogenic differentiation-inducing factors [L-ascorbic acid (AC), ${\beta}$-glycerophosphate (${\beta}G$), and bone morphogenic protein-2 (BMP-2)] and the presence of a hydroxyapatite (HA) substrate on hBMMSC osteogenic differentiation in vitro. hBMMSCs were cultured in medium containing various combinations of the soluble factors on culture plates with or without HA coating. After 7 days of culture, alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, and osteoprotegerin (OPG) and osteopontin (OPN) expression were measured. The effects of individual and combined factors were evaluated using a factorial analysis method. BMP-2 predominantly affected expression of early markers of osteogenic differentiation (ALP and OPG). HA had the highest positive effect on OPN expression and calcium deposition. The interaction between AC, ${\beta}G$, and HA had the second highest positive effect on ALP activity.
Mesenchymal stem cells (MSCs) have greater potential for immediate clinical and toxicological applications, due to their ability to self-renew, proliferate, and differentiate into a variety of cell types. To identify novel candidate genes that were specifically expressed during transdifferentiation of human MSCs to neuronal cells, we performed a differential expression analysis with random priming approach using annealing control primer-based differential display reverse transcription-polymerase chain reaction approach. We identified genes for acyl-CoA thioesterase, tissue inhibitor of metalloproteinases-1, brain glycogen phosphorylase, ubiquitin C-terminal hydrolase and aldehyde reductase were up-regualted, whereas genes for transgelin and heparan sulfate proteoglycan were down-regulated in MSC-derived neurons. These differentially expressed genes may have potential role in regulation of neurogenesis. This study could be applied to environmental toxicology in the field of testing the toxicity of a chemical or a physical agent.
Mo, Won Min;Kwon, Yang Woo;Jang, Il Ho;Choi, Eun Jung;Kwon, Sang Mo;Kim, Jae Ho
Biomolecules & Therapeutics
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v.25
no.4
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pp.354-361
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2017
Transcriptional co-activator with a PDZ-binding motif (TAZ) is an important factor in lysophosphatidic acid (LPA)-induced promotion of migration and proliferation of human mesenchymal stem cells (MSCs). The expression of TAZ significantly increased at 6 h after LPA treatment, and TAZ knockdown inhibited the LPA-induced migration and proliferation of MSCs. In addition, embryonic fibroblasts from TAZ knockout mice exhibited the reduction in LPA-induced migration and proliferation. The LPA1 receptor inhibitor Ki16425 blocked LPA responses in MSCs. Although TAZ knockdown or knockout did not reduce LPA-induced phosphorylation of ERK and AKT, the MEK inhibitor U0126 or the ROCK inhibitor Y27632 blocked LPA-induced TAZ expression along with the reduction in the proliferation and migration of MSCs. Our data suggest that TAZ is an important mediator of LPA signaling in MSCs in the downstream of MEK and ROCK signaling.
Kim, Youngkyu;Kim, Tae-Keun;Shin, Yeonhee;Tak, Eunyoung;Song, Gi-Won;Oh, Yeon-Mok;Kim, Jun Ki;Pack, Chan-Gi
Molecules and Cells
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v.44
no.11
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pp.851-860
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2021
Label-free optical diffraction tomography (ODT), an imaging technology that does not require fluorescent labeling or other pre-processing, can overcome the limitations of conventional cell imaging technologies, such as fluorescence and electron microscopy. In this study, we used ODT to characterize the cellular organelles of three different stem cells-namely, human liver derived stem cell, human umbilical cord matrix derived mesenchymal stem cell, and human induced pluripotent stem cell-based on their refractive index and volume of organelles. The physical property of each stem cell was compared with that of fibroblast. Based on our findings, the characteristic physical properties of specific stem cells can be quantitatively distinguished based on their refractive index and volume of cellular organelles. Altogether, the method employed herein could aid in the distinction of living stem cells from normal cells without the use of fluorescence or specific biomarkers.
Kang, Sun-Woong;Lee, Jae-Sun;Park, Min Sun;Park, Jung-Ho;Kim, Byung-Soo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.5
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pp.975-982
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2008
We investigated whether transplantation of osteogenically differentiated bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMMSCs) and the use of an hydroxyapatite (HAp) scaffold can enhance the in vivo bone formation efficacy of human BMMSCs. Three months after implantation to the subcutaneous dorsum of athymic mice, transplantation of osteogenically differentiated human BMMSCs increased the bone formation area and calcium deposition to 7.1- and 6.2-folds, respectively, of those of transplantation of undifferentiated BMMSCs. The use of the HAp scaffold increased the bone formation area and calcium deposition to 3.7- and 3.5-folds, respectively, of those of a polymer scaffold. Moreover, a combination of transplantation of osteogenically differentiated BMMSCs and HAp scaffold further increased the bone formation area and calcium deposition to 10.6- and 9.3-folds, respectively, of those of transplantation of undifferentiated BMMSCs seeded onto polymer scaffolds. The factorial experimental analysis showed that osteogenic differentiation of BMMSCs prior to transplantation has a stronger positive effect than the HAp scaffold on in vivo bone formation.
Park, Hwan-Woo;Oh, Soonyi;Lee, Kyung Hee;Lee, Bae Hwan;Chang, Mi-Sook
International Journal of Stem Cells
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v.11
no.2
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pp.177-186
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2018
Background and Objectives: Glial scarring and inflammation after spinal cord injury (SCI) interfere with neural regeneration and functional recovery due to the inhibitory microenvironment of the injured spinal cord. Stem cell transplantation can improve functional recovery in experimental models of SCI, but many obstacles to clinical application remain due to concerns regarding the effectiveness and safety of stem cell transplantation for SCI patients. In this study, we investigated the effects of transplantation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) that were genetically modified to express Olig2 in a rat model of SCI. Methods: Bone marrow-derived hMSCs were genetically modified to express Olig2 and transplanted one week after the induction of contusive SCI in a rat model. Spinal cords were harvested 7 weeks after transplantation. Results: Transplantation of Olig2-expressing hMSCs significantly improved functional recovery in a rat model of contusive SCI model compared to the control hMSC-transplanted group. Transplantation of Olig2-expressing hMSCs also attenuated glial scar formation in spinal cord lesions. Immunohistochemical analysis showed that transplanted Olig2-expressing hMSCs were partially differentiated into Olig1-positive oligodendrocyte-like cells in spinal cords. Furthermore, NF-M-positive axons were more abundant in the Olig2-expressing hMSC-transplanted group than in the control hMSC-transplanted group. Conclusions: We suggest that Olig2-expressing hMSCs are a safe and optimal cell source for treating SCI.
Spinal cord injury (SCI) is one of the most devastating conditions and many SCI patients suffer neurological sequelae. Stem cell therapies are expected to be beneficial for many patients with central nervous system injuries, including SCI. Adult stem cells (ASCs) are not associated with the risks which embryonic stem cells have such as malignant transformation, or ethical problems, and can be obtained relatively easily. Consequently, many researchers are currently studying the effects of ASCs in clinical trials. The environment of transplanted cells applied in the injured spinal cord differs between the phases of SCI; therefore, many researchers have investigated these phases to determine the optimal time window for stem cell therapy in animals. In addition, the results of clinical trials should be evaluated according to the phase in which stem cells are transplanted. In general, the subacute phase is considered to be optimal for stem cell transplantation. Among various candidates of transplantable ASCs, mesenchymal stem cells (MSCs) are most widely studied due to their clinical safety. MSCs are also less immunogenic than neural stem/progenitor cells and consequently immunosuppressants are rarely required. Attempts have been made to enhance the effects of stem cells using scaffolds, trophic factors, cytokines, and other drugs in animal and/or human clinical studies. Over the past decade, several clinical trials have suggested that transplantation of MSCs into the injured spinal cord elicits therapeutic effects on SCI and is safe; however, the clinical effects are limited at present. Therefore, new therapeutic agents, such as genetically enhanced stem cells which effectively secrete neurotrophic factors or cytokines, must be developed based on the safety of pure MSCs.
Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSC) are a multipotent cell population that can differentiate into neuron-like cells. Previously it has been reported that murine BM-MSC can differentiate into neuron-like cells by co-treatment with a Rho-associated kinase (ROCK) inhibitor -Y27632 and $CoCl_2$. In this study, we compared several ROCK inhibitors for the ability to induce human BM-MSCs to differentiate into neuron-like cells in the presence of $CoCl_2$. Y27632 with high specificity for ROCK at 1-30 ${\mu}M$ was best at inducing neuronal differentiation of MSCs. Compared to HA1077 and H1152, which also effectively induced morphological change into neuron-like cells, Y27632 showed less toxicity even at 100 ${\mu}M$, and resulted in longer multiple branching processes at a wide range of concentrations at 6 h and 72 h post-induction. H89, however, which has less specificity by inhibition of protein kinase A, S6 kinase 1 and MSK1 with similar or greater potency, was less effective at inducing neuronal differentiation of MSCs. Simvastatin, which can inhibit Rho, Ras, and Rac by blocking the synthesis of isoprenoid intermediates, showed little activity for inducing morphological changes of MSCs into neuron-like cells. Accordingly, the expression patterns for neuronal cell markers,including ${\beta}$-tubulin III, neuron-specific enolase, neurofilament, and microtubule-associated protein, were consistent with the pattern of the morphological changes. The data suggest that the ROCK inhibitors with higher specificity are more effective at inducing neuronal differentiation of MSCs.
Propyl gallate (PG) used as an additive in various foods has antioxidant and anti-inflammatory effects. Although the functional roles of PG in various cell types are well characterized, it is unknown whether PG has effect on stem cell differentiation. In this study, we demonstrated that PG could inhibit adipogenic differentiation in human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (hAMSCs) by decreasing the accumulation of intracellular lipid droplets. In addition, PG significantly reduced the expression of adipocyte-specific markers including peroxisome proliferator-activated receptor-${\gamma}$ (PPAR-${\gamma}$), CCAAT enhancer binding protein-${\alpha}$ (C/EBP-${\alpha}$), lipoprotein lipase (LPL), and adipocyte fatty acid-binding protein 2 (aP2). PG inhibited adipogenesis in hAMSCs through extracellular regulated kinase (ERK) pathway. Decreased adipogenesis following PG treatment was recovered in response to ERK blocking. Taken together, these results suggest a novel effect of PG on adipocyte differentiation in hAMSCs, supporting a negative role of ERK1/2 pathway in adipogenic differentiation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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