Chambers et al. present an improved method for neural differentiation of human pluripotent stem cells that avoids the use of stromal feeder cells and embryoid bodies. By combining two inhibitors of SMAD signaling, the protocol generates neural cells with an efficiency of >80%. Current neural induction protocols for human embryonic stem (hES) cells rely on embryoid body formation, stromal feeder co-culture or selective survival conditions. Each strategy has considerable drawbacks, such as poorly defined culture conditions, protracted differentiation and low yield. Here we report that the synergistic action of two inhibitors of SMAD signaling, Noggin and SB431542, is sufficient to induce rapid and complete neural conversion of >80% of hES cells under adherent culture conditions. Temporal fate analysis reveals the appearance of a transient FGF5+ epiblast-like stage followed by PAX6+ neural cells competent to form rosettes. Initial cell density determines the ratio of central nervous system and neural crest progeny. Directed differentiation of human induced pluripotent stem (hiPS) cells into midbrain dopamine and spinal motoneurons confirms the robustness and general applicability of the induction protocol. Noggin/SB431542-based neural induction should facilitate the use of hES and hiPS cells in regenerative medicine and disease modeling and obviate the need for protocols based on stromal feeders or embryoid bodies.

Human pluripotent stem cells (PSCs) are a promising source of cells for applications in regenerative medicine. Directed differentiation of PSCs into specialized cells such as spinal motoneurons or midbrain dopamine (DA) neurons has been achieved. However, the effective use of PSCs for cell therapy has lagged behind. Whereas mouse PSC-derived DA neurons have shown efficacy in models of Parkinson's disease, DA neurons from human PSCs generally show poor in vivo performance. There are also considerable safety concerns for PSCs related to their potential for teratoma formation or neural overgrowth. Here we present a novel floor-plate-based strategy for the derivation of human DA neurons that efficiently engraft in vivo, suggesting that past failures were due to incomplete specification rather than a specific vulnerability of the cells. Midbrain floor-plate precursors are derived from PSCs 11 days after exposure to small molecule activators of sonic hedgehog (SHH) and canonical WNT signalling. Engraftable midbrain DA neurons are obtained by day 25 and can be maintained in vitro for several months. Extensive molecular profiling, biochemical and electrophysiological data define developmental progression and confirm identity of PSC-derived midbrain DA neurons. In vivo survival and function is demonstrated in Parkinson's disease models using three host species. Long-term engraftment in 6-hydroxy-dopamine-lesioned mice and rats demonstrates robust survival of midbrain DA neurons derived from human embryonic stem (ES) cells, complete restoration of amphetamine-induced rotation behaviour and improvements in tests of forelimb use and akinesia. Finally, scalability is demonstrated by transplantation into parkinsonian monkeys. Excellent DA neuron survival, function and lack of neural overgrowth in the three animal models indicate promise for the development of cell-based therapies in Parkinson's disease.

Human embryonic stem (hES) cells are defined by their extensive self-renewal capacity and their potential to differentiate into any cell type of the human body. The challenge in using hES cells for developmental biology and regenerative medicine has been to direct the wide differentiation potential toward the derivation of a specific cell fate. Within the nervous system, hES cells have been shown to differentiate in vitro into neural progenitor cells, neurons, and astrocytes. However, to our knowledge, the selective derivation of any given neuron subtype has not yet been demonstrated. Here, we describe conditions to direct hES cells into neurons of midbrain dopaminergic identity. Neuroectodermal differentiation was triggered on stromal feeder cells followed by regional specification by means of the sequential application of defined patterning molecules that direct in vivo midbrain development. Progression toward a midbrain dopamine (DA) neuron fate was monitored by the sequential expression of key transcription factors, including Pax2, Pax5, and engrailed-1 (En1), measurements of DA release, the presence of tetrodotoxin-sensitive action potentials, and the electron-microscopic visualization of tyrosinehydroxylase-positive synaptic terminals. High-yield DA neuron derivation was confirmed from three independent hES and two monkey embryonic stem cell lines. The availability of unlimited numbers of midbrain DA neurons is a first step toward exploring the potential of hES cells in preclinical models of Parkinson's disease. This experimental system also provides a powerful tool to probe the molecular mechanisms that control the development and function of human midbrain DA neurons.

Familial dysautonomia is a rare and fatal peripheral neuropathy caused by a mutation in the gene IKBKAP that encodes a protein involved in transcriptional elongation. Lee et al. report the derivation of patient-specific iPS (induced pluripotent stem) cells and the directed differentiation into cells of all three germ layers including peripheral neurons. Gene expression analysis revealed tissue-specific mis-splicing of IKBKAP in vitro, with the patients' neural crest precursors expressing particularly low levels of normal IKBKAP transcript, suggesting a mechanism for disease specificity. Transcriptome analysis and cell-based assays showed defects in neurogenic differentiation and migration behaviour. This work is a step towards using iPS technology to produce relevant human disease models, and in functional assays for the identification of candidate drugs. The derivation and differentiation of disease-specific human induced pluripotent stem cells (iPSCs) offers a new strategy for modelling disease. Familial dysautonomia (FD) is a rare but fatal peripheral neuropathy caused by a mutation in the IKBKAP gene. Here, patient-specific FD-iPSCs are derived and differentiated into cells of all three germ layers, including peripheral neurons; the cells are then analysed for mechanism of disease specificity and response to candidate drugs. The isolation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs)1,2,3 offers a new strategy for modelling human disease. Recent studies have reported the derivation and differentiation of disease-specific human iPSCs4,5,6,7. However, a key challenge in the field is the demonstration of disease-related phenotypes and the ability to model pathogenesis and treatment of disease in iPSCs. Familial dysautonomia (FD) is a rare but fatal peripheral neuropathy, caused by a point mutation in the IKBKAP8 gene involved in transcriptional elongation9. The disease is characterized by the depletion of autonomic and sensory neurons. The specificity to the peripheral nervous system and the mechanism of neuron loss in FD are poorly understood owing to the lack of an appropriate model system. Here we report the derivation of patient-specific FD-iPSCs and the directed differentiation into cells of all three germ layers including peripheral neurons. Gene expression analysis in purified FD-iPSC-derived lineages demonstrates tissue-specific mis-splicing of IKBKAP in vitro. Patient-specific neural crest precursors express particularly low levels of normal IKBKAP transcript, suggesting a mechanism for disease specificity. FD pathogenesis is further characterized by transcriptome analysis and cell-based assays revealing marked defects in neurogenic differentiation and migration behaviour. Furthermore, we use FD-iPSCs for validating the potency of candidate drugs in reversing aberrant splicing and ameliorating neuronal differentiation and migration. Our study illustrates the promise of iPSC technology for gaining new insights into human disease pathogenesis and treatment.

Standard cell culture systems impose environmental oxygen (O(2)) levels of 20%, whereas actual tissue O(2) levels in both developing and adult brain are an order of magnitude lower. To address whether proliferation and differentiation of CNS precursors in vitro are influenced by the O(2) environment, we analyzed embryonic day 12 rat mesencephalic precursor cells in traditional cultures with 20% O(2) and in lowered O(2) (3 +/- 2%). Proliferation was promoted and apoptosis was reduced when cells were grown in lowered O(2), yielding greater numbers of precursors. The differentiation of precursor cells into neurons with specific neurotransmitter phenotypes was also significantly altered. The percentage of neurons of dopaminergic phenotype increased to 56% in lowered O(2) compared with 18% in 20% O(2). Together, the increases in total cell number and percentage of dopaminergic neurons resulted in a ninefold net increase in dopamine neuron yield. Differential gene expression analysis revealed more abundant messages for FGF8, engrailed-1, and erythropoietin in lowered O(2). Erythropoietin supplementation of 20% O(2) cultures partially mimicked increased dopaminergic differentiation characteristic of CNS precursors cultured in lowered O(2). These data demonstrate increased proliferation, reduced cell death, and enhanced dopamine neuron generation in lowered O(2), making this method an important advance in the ex vivo generation of specific neurons for brain repair.

Reprogramming somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) resets their identity back to an embryonic age and, thus, presents a significant hurdle for modeling late-onset disorders. In this study, we describe a strategy for inducing aging-related features in human iPSC-derived lineages and apply it to the modeling of Parkinson’s disease (PD). Our approach involves expression of progerin, a truncated form of lamin A associated with premature aging. We found that expression of progerin in iPSC-derived fibroblasts and neurons induces multiple aging-related markers and characteristics, including dopamine-specific phenotypes such as neuromelanin accumulation. Induced aging in PD iPSC-derived dopamine neurons revealed disease phenotypes that require both aging and genetic susceptibility, such as pronounced dendrite degeneration, progressive loss of tyrosine hydroxylase (TH) expression, and enlarged mitochondria or Lewy-body-precursor inclusions. Thus, our study suggests that progerin-induced aging can be used to reveal late-onset age-related disease features in hiPSC-based disease models.

Neural stem cells (NSCs) yield both neuronal and glial progeny, but their differentiation potential toward multiple region-specific neuron types remains remarkably poor. In contrast, embryonic stem cell (ESC) progeny readily yield region-specific neuronal fates in response to appropriate developmental signals. Here we demonstrate prospective and clonal isolation of neural rosette cells (termed R-NSCs), a novel NSC type with broad differentiation potential toward CNS and PNS fates and capable of in vivo engraftment. R-NSCs can be derived from human and mouse ESCs or from neural plate stage embryos. While R-NSCs express markers classically associated with NSC fate, we identified a set of genes that specifically mark the R-NSC state. Maintenance of R-NSCs is promoted by activation of SHH and Notch pathways. In the absence of these signals, R-NSCs rapidly lose rosette organization and progress to a more restricted NSC stage. We propose that R-NSCs represent the first characterized NSC stage capable of responding to patterning cues that direct differentiation toward region-specific neuronal fates. In addition, the R-NSC-specific genetic markers presented here offer new tools for harnessing the differentiation potential of human ESCs.

SARS-CoV-2 has caused the COVID-19 pandemic. There is an urgent need for physiological models to study SARS-CoV-2 infection using human disease-relevant cells. COVID-19 pathophysiology includes respiratory failure but involves other organ systems including gut, liver, heart, and pancreas. We present an experimental platform comprised of cell and organoid derivatives from human pluripotent stem cells (hPSCs). A Spike-enabled pseudo-entry virus infects pancreatic endocrine cells, liver organoids, cardiomyocytes, and dopaminergic neurons. Recent clinical studies show a strong association with COVID-19 and diabetes. We find that human pancreatic beta cells and liver organoids are highly permissive to SARS-CoV-2 infection, further validated using adult primary human islets and adult hepatocyte and cholangiocyte organoids. SARS-CoV-2 infection caused striking expression of chemokines, as also seen in primary human COVID-19 pulmonary autopsy samples. hPSC-derived cells/organoids provide valuable models for understanding the cellular responses of human tissues to SARS-CoV-2 infection and for disease modeling of COVID-19.