The early steps of neural development in the vertebrate embryo are regulated by sets of transcription factors that control the induction of proliferative, pluripotent neural precursors, the expansion of neural plate stem cells, and their transition to differentiating neural progenitors. These early events are critical for producing a pool of multipotent cells capable of giving rise to the multitude of neurons and glia that form the central nervous system. In this review we summarize findings from gain- and loss-of-function studies in embryos that detail the gene regulatory network responsible for these early events. We discuss whether this information is likely to be similar in mammalian embryonic and induced pluripotent stem cells that are cultured according to protocols designed to produce neurons. The similarities and differences between the embryo and stem cells may provide important guidance to stem cell protocols designed to create immature neural cells for therapeutic uses.
Microfluidics can provide unique experimental tools to visualize the development of neural structures within a microscale device, which is followed by guidance of neurite growth in the axonal isolation compartment. We utilized microfluidics technology to monitor the differentiation and migration of neural cells derived from human embryonic stem cells (hESCs). We co-cultured hESCs with PA6 stromal cells, and isolated neural rosette-like structures, which subsequently formed neurospheres in suspension culture. Tuj1-positive neural cells, but not nestin-positive neural precursor cells (NPCs), were able to enter the microfluidics grooves (microchannels), suggesting that neural cell-migratory capacity was dependent upon neuronal differentiation stage. We also showed that bundles of axons formed and extended into the microchannels. Taken together, these results demonstrated that microfluidics technology can provide useful tools to study neurite outgrowth and axon guidance of neural cells, which are derived from human embryonic stem cells.
Millions of individuals worldwide are currently afflicted with neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease and multiple sclerosis which are caused by the death of specific types of specialized cells in the Central Nervous System (CNS). Recently, Neural Stem Cells (NSCs) are able to replace these dead cells with new functional cells, thereby providing a cure for devastating neural diseases. The clinical use of neural stem cells (NSCs) for the treatment of neurological diseases requires overcoming the scarcity of the initial in vivo NSC population. Thus, we developed a novel 3-dimentional cellular automata model for optimum production of neural stem cells and their derivatives in large scale to treat neurodegenerative disorder patients.
Human embryonic stem (ES) cells are derived from the inner cell mass of the preimplantation embryo and have the capacity to differentiate into various types of cells in the body. Hence, these cells may potentially be an indefinite source of cells for cell therapy in various degenerative diseases including neuronal disorders. For clinical applications of human ES cells, directed differentiation of these cells would be necessary. The objective of this study is to develop the culture condition for the expansion of neural precursor cells derived from human ES cells. Human ES cells were able to differentiate into neural precursor cells upon a stepwise culture condition. Neural precursor cells were propagated up to 5000-fold in cell numbers over 12-week period of culture and evaluated for their characteristics. Expressions of sox1 and pax6 transcripts were dramatically up-regulated along the differentiation stages by RT-PCR analysis. In contrast, expressions of oct4 and nanog transcripts were completely disappeared in neural precursor cells. Expressions of nestin, pax6 and sox1 were also confirmed in neural precursor cells by immunocytochemical analysis. Upon differentiation, the expanded neural precursor cells differentiated into neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. In immunocytochemical analysis, expressions of type III ${\beta}$-tubulin and MAP2ab were observed Presence of astrocytes and oligodendrocytes were also confirmed by expressions of GFAP and O4, respectively. Results of this study demonstrate the feasibility of long-term expansion of human ES cell-derived neural precursor cells in vitro, which can be a potential source of the cells for the treatment of neurodegenerative disorders.
Neural stem cells (NSCs) can proliferate and differentiate into multiple cell types that constitute the nervous system. NSCs can be derived from developing fetuses, embryonic stem cells, or induced pluripotent stem cells. NSCs provide a good platform to screen drugs for neurodegenerative diseases and also have potential applications in regenerative medicine. Natural products have long been used as compounds to develop new drugs. In this review, natural products that control NSC fate and induce their differentiation into neurons or glia are discussed. These phytochemicals enable promising advances to be made in the treatment of neurodegenerative diseases.
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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제16권1호
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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.
Yean Ju Hong;So been Lee;Joonhyuk Choi;Sang Hoon Yoon;Jeong Tae Do
International Journal of Stem Cells
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제15권1호
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pp.95-103
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2022
Background and Objectives: In recent years, brain organoid technologies have been the most innovative advance in neural differentiation research. In line with this, we optimized a method to establish cerebral organoids from feeder-free cultured human pluripotent stem cells. In this study, we focused on the consistent and robust production of cerebral organoids comprising neural progenitor cells and neurons. We propose an optimal protocol for cerebral organoid generation that is applicable to both human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells. Methods and Results: We investigated formation of neuroepithelium, neural tube, and neural folding by observing the morphology of embryoid bodies at each stage during the cerebral organoid differentiation process. Furthermore, we characterized the cerebral organoids via immunocytochemical staining of sectioned organoid samples, which were prepared using a Cryostat and Vibratome. Finally, we established a routine method to generate early cerebral organoids comprising a cortical layer and a neural progenitor zone. Conclusions: We developed an optimized methodology for the generation of cerebral organoids using hESCs and hiPSCs. Using this protocol, consistent and efficient cerebral organoids could be obtained from hiPSCs as well as hESCs. Further, the morphology of brain organoids could be analyzed through 2D monitoring via immunostaining and tissue sectioning, or through 3D monitoring by whole tissue staining after clarification.
Mesenchymal stem cells (MSCs) can differentiate into neural cells to treat nervous system diseases. Magnetic resonance is an ideal means for cell tracking through labeling cells with superparamagnetic iron oxide (SPIO). However, no studies have described the neural differentiation ability of SPIO-labeled MSCs, which is the foundation for cell therapy and cell tracking in vivo. Our results showed that bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) labeled in vitro with SPIO can be induced into neural-like cells without affecting the viability and labeling efficiency. The cellular uptake of SPIO was maintained after labeled BM-MSCs differentiated into neural-like cells, which were the basis for transplanted cells that can be dynamically and non-invasively tracked in vivo by MRI. Moreover, the SPIO-labeled induced neural-like cells showed neural cell morphology and expressed related markers such as NSE, MAP-2. Furthermore, whole-cell patch clamp recording demonstrated that these neural-like cells exhibited electrophysiological properties of neurons. More importantly, there was no significant difference in the cellular viability and $[Ca^{2+}]_i$ between the induced labeled and unlabeled neural-like cells. In this study, we show for the first time that SPIO-labeled MSCs retained their differentiation capacity and could differentiate into neural-like cells with high cell viability and a good cellular state in vitro.
Kim, Jong Deog;Bhardwaj, Jyoti;Chaudhary, Narendra;Seo, Hyo Jin
KSBB Journal
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제28권5호
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pp.269-274
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2013
Motor neuron disease (MND) is a fatal neurodegenerative disorder caused by progressive and selective degeneration of motor neurons (MNs). Because of the versatile nature, stem cells have the potential to repair or replace the degenerated cells. In this review, we discussed stem cell based therapies including the use of embryonic stem cells (ESCs), neural stem cells (NSCs), induced pluripotent stem cells (iPSCs) and genetically engineered cells to produce the neurotrophic factors for the treatment of MND. To achieve this goal, the knowledge of specificity of the cell target, homing and special markers are required.
Kim Eun-Yeong;Jo Hyeon-Jeong;Choe Gyeong-Hui;An So-Yeon;Jeong Gil-Saeng;Park Se-Pil;Im Jin-Ho
한국동물번식학회:학술대회논문집
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한국동물번식학회 2002년도 춘계학술발표대회 발표논문초록집
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pp.18-18
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2002
This study was to investigate the effect of neurotrophic factors on neural cell differentiation in vitro derived from human embryonic stem (hES, MB03) cells. For neural progenitor cell formation derived from hES cells, we produced embryoid bodies (EB: for 5 days, without mitogen) from hES cells and then neurospheres (for 7 - 10 days, 20 ng/㎖ of bFGF added N2 medium) from EB. And then finally for the differentiation into mature neuron cells, neural progenitor cells were cultured in ⅰ) N2 medium (without bFGF), ⅱ) N2 supplemented with brain derived neurotrophic factor (BDNF, 5ng/㎖) or ⅲ) N2 supplemented with platelet derived growth factor-bb (PDGF-bb, 20ng/㎖) for 2 weeks. (omitted)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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