Isolation of novel multipotent neural crest-derived stem cells from adult human inferior turbinate

Adult human neural crest-derived stem cells (NCSCs) are of extraordinary high plasticity and promising candidates for the use in regenerative medicine. Here we describe for the first time a novel neural crest-derived stem cell population within the respiratory epithelium of human adult inferior turbinate. In contrast to superior and middle turbinates, high amounts of source material could be isolated from human inferior turbinates. Using minimally-invasive surgery methods isolation is efficient even in older patients. Within their endogenous niche, inferior turbinate stem cells (ITSCs) expressed high levels of nestin, p75(NTR), and S100. Immunoelectron microscopy using anti-p75 antibodies displayed that ITSCs are of glial origin and closely related to nonmyelinating Schwann cells. Cultivated ITSCs were positive for nestin and S100 and the neural crest markers Slug and SOX10. Whole genome microarray analysis showed pronounced differences to human ES cells in respect to pluripotency markers OCT4, SOX2, LIN28, and NANOG, whereas expression of WDR5, KLF4, and c-MYC was nearly similar. ITSCs were able to differentiate into cells with neuro-ectodermal and mesodermal phenotype. Additionally ITSCs are able to survive and perform neural crest typical chain migration in vivo when transplanted into chicken embryos. However ITSCs do not form teratomas in severe combined immunodeficient mice. Finally, we developed a separation strategy based on magnetic cell sorting of p75(NTR) positive ITSCs that formed larger neurospheres and proliferated faster than p75(NTR) negative ITSCs. Taken together our study describes a novel, readily accessible source of multipotent human NCSCs for potential cell-replacement therapy.

Adult craniofacial stem cells: sources and relation to the neural crest

During the process of development, neural crest cells migrate out from their niche between the newly formed ectoderm and the neural tube. Thereafter, they give rise not only to ectodermal cell types, but also to mesodermal cell types. Cell types with neural crest ancestry consequently comprise a number of specialized varieties, such as ectodermal neurons, melanocytes and Schwann cells, as well as mesodermal osteoblasts, adipocytes and smooth muscle cells. Numerous recent studies suggest that stem cells with a neural crest origin persist into adulthood, especially within the mammalian craniofacial compartment. This review discusses the sources of adult neural crest-derived stem cells (NCSCs) derived from the cranium, as well as their differentiation potential and expression of key stem cell markers. Furthermore, the expression of marker genes associated with embryonic stem cells and the issue of multi- versus pluripotency of adult NCSCs is reviewed. Stringent tests are proposed, which, if performed, are anticipated to clarify the issue of adult NCSC potency. Finally, current pre-clinical and clinical data are discussed in light of the clinical impact of adult NCSCs.

Culture bag systems for clinical applications of adult human neural crest-derived stem cells

Introduction Facing the challenging treatment of neurodegenerative diseases as well as complex craniofacial injuries such as those common after cancer therapy, the field of regenerative medicine increasingly relies on stem cell transplantation strategies. Here, neural crest-derived stem cells (NCSCs) offer many promising applications, although scale up of clinical-grade processes prior to potential transplantations is currently limiting. In this study, we aimed to establish a clinical-grade, cost-reducing cultivation system for NCSCs isolated from the adult human nose using cGMP-grade Afc-FEP bags. Methods We cultivated human neural crest-derived stem cells from inferior turbinate (ITSCs) in a cell culture bag system using Afc-FEP bags in human blood plasma-supplemented medium. Investigations of viability, proliferation and expression profile of bag-cultured ITSCs were followed by DNA-content and telomerase activity determination. Cultivated ITSCs were introduced to directed in vitro differentiation assays to assess their potential for mesodermal and ectodermal differentiation. Mesodermal differentiation was determined using an enzyme activity assay (alkaline phosphatase, ALP), respective stainings (Alizarin Red S, Von Kossa and Oil Red O), and RT-PCR, while immunocytochemistry and synaptic vesicle recycling were applied to assay neuroectodermal differentiation of ITSCs. Results When cultivated within Afc-FEP bags, ITSCs grew three-dimensionally in a human blood plasma-derived matrix, thereby showing unchanged morphology, proliferation capability, viability and expression profile in comparison to three dimensionally-cultured ITSCs growing in standard cell culture plastics. Genetic stability of bag-cultured ITSCs was further accompanied by unchanged telomerase activity. Importantly, ITSCs retained their potential to differentiate into mesodermal cell types, particularly including ALP-active, Alizarin Red S-, and Von Kossa-positive osteogenic cell types, as well as adipocytes positive in Oil Red O assays. Bag culture further did not affect the potential of ITSCs to undergo differentiation into neuroectodermal cell types coexpressing β-III-tubulin and MAP2 and exhibiting the capability for synaptic vesicle recycling. Conclusions Here, we report for the first time the successful cultivation of human NCSCs within cGMP-grade Afc-FEP bags using a human blood plasma-supplemented medium. Our findings particularly demonstrate the unchanged differentiation capability and genetic stability of the cultivated NCSCs, suggesting the great potential of this culture system for future medical applications in the field of regenerative medicine.

Interaction of adult human neural crest-derived stem cells with a nanoporous titanium surface is sufficient to induce their osteogenic differentiation

Osteogenic differentiation of various adult stem cell populations such as neural crest-derived stem cells is of great interest in the context of bone regeneration. Ideally, exogenous differentiation should mimic an endogenous differentiation process, which is partly mediated by topological cues. To elucidate the osteoinductive potential of porous substrates with different pore diameters (30 nm, 100 nm), human neural crest-derived stem cells isolated from the inferior nasal turbinate were cultivated on the surface of nanoporous titanium covered membranes without additional chemical or biological osteoinductive cues. As controls, flat titanium without any topological features and osteogenic medium was used. Cultivation of human neural crest-derived stem cells on 30 nm pores resulted in osteogenic differentiation as demonstrated by alkaline phosphatase activity after seven days as well as by calcium deposition after 3 weeks of cultivation. In contrast, cultivation on flat titanium and on membranes equipped with 100 nm pores was not sufficient to induce osteogenic differentiation. Moreover, we demonstrate an increase of osteogenic transcripts including Osterix, Osteocalcin and up-regulation of Integrin β1 and α2 in the 30 nm pore approach only. Thus, transplantation of stem cells pre-cultivated on nanostructured implants might improve the clinical outcome by support of the graft adherence and acceleration of the regeneration process.

Intrastriatal transplantation of adult human neural crest-derived stem cells improves functional outcome in parkinsonian rats

Parkinson's disease (PD) is considered the second most frequent and one of the most severe neurodegenerative diseases, with dysfunctions of the motor system and with nonmotor symptoms such as depression and dementia. Compensation for the progressive loss of dopaminergic (DA) neurons during PD using current pharmacological treatment strategies is limited and remains challenging. Pluripotent stem cell-based regenerative medicine may offer a promising therapeutic alternative, although the medical application of human embryonic tissue and pluripotent stem cells is still a matter of ethical and practical debate. Addressing these challenges, the present study investigated the potential of adult human neural crest-derived stem cells derived from the inferior turbinate (ITSCs) transplanted into a parkinsonian rat model. Emphasizing their capability to give rise to nervous tissue, ITSCs isolated from the adult human nose efficiently differentiated into functional mature neurons in vitro. Additional successful dopaminergic differentiation of ITSCs was subsequently followed by their transplantation into a unilaterally lesioned 6-hydroxydopamine rat PD model. Transplantation of predifferentiated or undifferentiated ITSCs led to robust restoration of rotational behavior, accompanied by significant recovery of DA neurons within the substantia nigra. ITSCs were further shown to migrate extensively in loose streams primarily toward the posterior direction as far as to the midbrain region, at which point they were able to differentiate into DA neurons within the locus ceruleus. We demonstrate, for the first time, that adult human ITSCs are capable of functionally recovering a PD rat model.

Mesenchymal stem cells and inorganic bovine bone mineral in sinus augmentation: comparison with augmentation by autologous bone in adult sheep

Our aim was to compare the osteogenic potential of mononuclear cells harvested from the iliac crest combined with bovine bone mineral (BBM) (experimental group) with that of autogenous cancellous bone alone (control group). We studied bilateral augmentations of the sinus floor in 6 adult sheep. BBM and mononuclear cells (MNC) were mixed and placed into one side and autogenous bone in the other side. Animals were killed after 8 and 16 weeks. Sites of augmentation were analysed radiographically and histologically. The mean (SD) augmentation volume was 3.0 (1.0) cm(3) and 2.7 (0.3) cm(3) after 8 and 16 weeks in the test group, and 2.8 (0.3) cm(3) (8 weeks) and 2.8 (1.2) cm(3) (16 weeks) in the control group, respectively. After 8 weeks, histomorphometric analysis showed 24 (3)% BBM, and 19 (11)% of newly formed bone in the test group. The control group had 20 (13%) of newly formed bone. Specimens after 16 weeks showed 29 (12%) of newly formed bone and 19 (3%) BBM in the test group. The amount of newly formed bone in the control group was 16 (6%). The results show that mononuclear cells, including mesenchymal stem cells, in combination with BBM as the biomaterial, have the potential to form bone. (C) 2009 The British Association of Oral and Maxillofacial Surgeons. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Autologous transplantation of adult adipose derived stem cells into rabbit urethral wall

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Expansion in vitro of adult murine hematopoietic stem cells with transplantable lympho-myeloid reconstituting ability

Elucidation of mechanisms that regulate hematopoietic stem cell self-renewal and differentiation would be facilitated by the identification of defined culture conditions that allow these cells to be amplified. We now demonstrate a significant net increase (3-fold, P < 0.001) in vitro of cells that are individually able to permanently and competitively reconstitute the lymphoid and myeloid systems of syngeneic recipient mice when Sca-1+lin− adult marrow cells are incubated for 10 days in serum-free medium with interleukin 11, flt3-ligand, and Steel factor. Moreover, the culture-derived repopulating cells continued to expand their numbers in the primary hosts at the same rate seen in recipients of noncultured stem cells. In the expansion cultures, long-term culture-initiating cells increased 7- ± 2-fold, myeloid colony-forming cells increased 140- ± 36-fold, and total nucleated cells increased 230- ± 62-fold. Twenty-seven of 100 cultures initiated with 15 Sca-1+lin− marrow cells were found to contain transplantable stem cells 10 days later. This frequency of positive cultures is the same as the frequency of transplantable stem cells in the original input suspension, suggesting that most had undergone at least one self-renewal division in vitro. No expansion of stem cells was seen when Sca-1+TER119− CD34+ day 14.5 fetal liver cells were cultured under the same conditions. These findings set the stage for further investigations of the mechanisms by which cytokine stimulation may elicit different outcomes in mitotically activated hematopoietic stem cells during ontogeny and in the adult.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.