Bone marrow stem cells develop into hematopoietic and mesenchymal lineages but have not been known to participate in production of hepatocytes, biliary cells, or oval cells during liver regeneration. Cross-sex or cross-strain bone marrow and whole liver transplantation were used to trace the origin of the repopulating liver cells. Transplanted rats were treated with 2-acetylaminofluorene, to block hepatocyte proliferation, and then hepatic injury, to induce oval cell proliferation. Markers for Y chromosome, dipeptidyl peptidase IV enzyme, and L21-6 antigen were used to identify liver cells of bone marrow origin. From these cells, a proportion of the regenerated hepatic cells were shown to be donor-derived. Thus, a stem cell associated with the bone marrow has epithelial cell lineage capability.

In vivo and in vitro studies indicate that a subpopulation of human marrow-derived stromal cells (MSCs, also known as mesenchymal stem cells) has potential to differentiate into multiple cell types, including osteoblasts. In this study, we tested the hypothesis that there are intrinsic effects of age in human MSCs (17-90 years). We tested the effect of age on senescence-associated beta-galactosidase, proliferation, apoptosis, p53 pathway genes, and osteoblast differentiation in confluent monolayers by alkaline phosphatase activity and osteoblast gene expression analysis. There were fourfold more human bone MSCs (hMSCs) positive for senescence-associated beta-galactosidase in samples from older than younger subjects (P < 0.001; n = 17). Doubling time of hMSCs was 1.7-fold longer in cells from the older than the younger subjects, and was positively correlated with age (P = 0.002; n = 19). Novel age-related changes were identified. With age, more cells were apoptotic (P = 0.016; n = 10). Further, there were age-related increases in expression of p53 and its pathway genes, p21 and BAX. Consistent with other experiments, there was a significant age-related decrease in generation of osteoblasts both in the STRO-1+ cells (P = 0.047; n = 8) and in adherent MSCs (P < 0.001; n = 10). In sum, there is an age-dependent decrease in proliferation and osteoblast differentiation, and an increase in senescence-associated beta-galactosidase-positive cells and apoptosis in hMSCs. Up-regulation of the p53 pathway with age may have a critical role in mediating the reduction in both proliferation and osteoblastogenesis of hMSCs. These findings support the view that there are intrinsic alterations in human MSCs with aging that may contribute to the process of skeletal aging in humans.

Adhesion molecules are probably required for retention of maturing lymphocyte precursors in bone marrow, where they closely interact with and are dependent on stromal cells. Lymphomyeloid cell lines avidly adhere to cloned stromal cell lines in culture and screening pairs of these resulted in a selection strategy for a new monoclonal antibody to a leukocyte adhesion molecule. Immunoprecipitation analyses and comparison to a previously described antibody showed that it recognizes the alpha 4 chain of the integrin, VLA-4. This antibody totally inhibited lymphopoiesis and retarded myelopoiesis in long-term bone marrow cultures. A similar selection strategy resulted in two additional antibodies which define a single 100-kD species on stromal cells. This stromal cell adhesion molecule is a potential counter-receptor/ligand for VLA-4 on murine lympho-myeloid cells. Our findings suggest a new role for VLA-4 in lymphoid progenitor-microenvironment interactions. Recognition molecules that function in cell migration and inflammation in peripheral tissues may be important for steady-state lymphopoiesis within bone marrow.

Multipotential hematopoietic progenitor cell lines have been established from nonadherent cell populations removed from continuous mouse bone marrow cultures. Clonal sublines of lines B6SUtA or B6JUt derived from single cells formed mixed colonies containing erythroid cells, neutrophil-granulocytes, and basophil/mast cells in semisolid medium containing erythropoietin and conditioned medium from pokeweed mitogen-stimulated spleen cells. Each of several subclones of cell line Ro cl formed colonies containing eosinophils, neutrophil-granulocytes, and basophil/mast cells in semisolid medium. Multipotentiality was maintained in vitro for over 2 1/2 years. In contrast, cell line 32D formed basophil/mast cell colonies with no detectable differentiation to other pathways. Multipotential cell lines did not produce detectable spleen colonies (CFUs) in vivo, nor did intravenous inoculation of up to 5 X 10(7) cells protect lethally irradiated mice from bone marrow failure. Newborn and adult mice inoculated with 5 X 10(7) cells showed no detectable leukemia or solid tumors after one year. Both multipotential and committed basophil/mast cell lines demonstrated absolute dependence upon a source of a growth factor(s) found in medium conditioned by WEHI-3 cells. These cell lines should be of value in studies of the regulation of hematopoietic stem cell differentiation in vitro.

Ferroptotic death is the penalty for losing control over three processes—iron metabolism, lipid peroxidation and thiol regulation—that are common in the pro-inflammatory environment where professional phagocytes fulfill their functions and yet survive. We hypothesized that redox reprogramming of 15-lipoxygenase (15-LOX) during the generation of pro-ferroptotic signal 15-hydroperoxy-eicosa-tetra-enoyl-phosphatidylethanolamine (15-HpETE-PE) modulates ferroptotic endurance. Here, we have discovered that inducible nitric oxide synthase (iNOS)/NO•-enrichment of activated M1 (but not alternatively activated M2) macrophages/microglia modulates susceptibility to ferroptosis. Genetic or pharmacologic depletion/inactivation of iNOS confers sensitivity on M1 cells, whereas NO• donors empower resistance of M2 cells to ferroptosis. In vivo, M1 phagocytes, in comparison to M2 phagocytes, exert higher resistance to pharmacologically induced ferroptosis. This resistance is diminished in iNOS-deficient cells in the pro-inflammatory conditions of brain trauma or the tumour microenvironment. The nitroxygenation of eicosatetraenoyl (ETE)-PE intermediates and oxidatively truncated species by NO• donors and/or suppression of NO• production by iNOS inhibitors represent a novel redox mechanism of regulation of ferroptosis in pro-inflammatory conditions. Susceptibility to ferroptosis can be modulated by nitric oxide (NO•) and NO synthase iNOS and through enrichment of activated M1 macrophages. NO inhibits the lipoxygenase 15-LOX that drives production of pro-ferroptotic lipids in macrophages.

Hematopoietic stem cell interaction with elements of the underlying stroma is essential for sustained normal hematopoiesis. Here we have determined that adhesion receptors in the integrin family play a role in promoting adhesion of human hematopoietic stem cells to cultured human marrow stromal cells. Enriched CD34hi progenitor cells expressed VLA-4, VLA-5, and at least one or more beta 2 integrins. Homogeneous marrow stromal cell monolayers capable of supporting proliferation of cocultivated CD34hi cells expressed VCAM-1 and fibronectin (ligands for VLA-4 and VLA-5) as well as ICAM-1 (ligand for LFA-1 and Mac-1). Adhesion-blocking experiments indicated that VLA-4/VCAM-1, VLA-5/fibronectin, and beta 2-integrin/ICAM-1 pathways all are important for CD34hi cell attachment to stromal cells. Consistent with this suggestion, IL-1 stimulation of stromal cells caused both increased VCAM-1 and ICAM-1 expression and increased attachment by CD34hi bone marrow cells. In addition, CD34hi cells utilized VLA-4 to adhere to purified VCAM-1 and employed VLA-5 (and to a lesser extent VLA-4) to adhere to purified fibronectin. Together these results suggest that CD34hi stem cells may utilize multiple integrin-mediated adhesion pathways to localize within specialized microenvironmental niches created by marrow stromal cells.

Background/Aim: There is concern that people who had COVID-19 will develop pulmonary fibrosis. Using mouse models, we compared pulmonary inflammation following injection of the spike protein of SARS-CoV-2 (COVID-19) to radiation-induced inflammation to demonstrate similarities between the two models. SARS-CoV-2 (COVID-19) induces inflammatory cytokines and stress responses, which are also common to ionizing irradiation-induced acute pulmonary damage. Cellular senescence, which is a late effect following exposure to SARS-CoV-2 as well as radiation, was investigated. Materials and Methods: We evaluated the effect of SARS-CoV-2 spike protein compared to ionizing irradiation in K18-hACE2 mouse lung, human lung cell lines, and in freshly explanted human lung. We measured reactive oxygen species, DNA double-strand breaks, stimulation of transforming growth factor-beta pathways, and cellular senescence following exposure to SARS-CoV-2 spike protein, irradiation or SARS-COV-2 and irradiation. We also measured the effects of the antioxidant radiation mitigator MMS350 following irradiation or exposure to SARS-CoV-2. Results: SARS-CoV-2 spike protein induced reactive oxygen species, DNA double-strand breaks, transforming growth factor-β signaling pathways, and senescence, which were exacerbated by prior or subsequent ionizing irradiation. The water-soluble radiation countermeasure, MMS350, reduced spike protein-induced changes. Conclusion: In both the SARS-Co-2 and the irradiation mouse models, similar responses were seen indicating that irradiation or exposure to SARS-CoV-2 virus may lead to similar lung diseases such as pulmonary fibrosis. Combination of irradiation and SARS-CoV-2 may result in a more severe case of pulmonary fibrosis. Cellular senescence may explain some of the late effects of exposure to SARS-CoV-2 spike protein and to ionizing irradiation.

ABSTRACT Victims of a radiation terrorist event will include pregnant women and unborn fetuses. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress are key pathogenic factors of fetal irradiation injury. The goal of this preclinical study is to investigate the efficacy of mitigating fetal irradiation injury by maternal administration of the mitochondrial-targeted gramicidin S (GS)- nitroxide radiation mitigator, JP4-039. Pregnant female C57BL/6NTac mice received 3 Gy total body ionizing irradiation (TBI) at mid-gestation embryonic day 13.5 (E13.5). Using novel time- and-motion-resolved 4D in utero magnetic resonance imaging (4D-uMRI), we found TBI caused extensive injury to the fetal brain that included cerebral hemorrhage, loss of cerebral tissue, and hydrocephalus with excessive accumulation of cerebrospinal fluid (CSF). Histopathology of the fetal mouse brain showed broken cerebral vessels and elevated apoptosis. Further use of novel 4D Oxy-wavelet MRI capable of probing in vivo mitochondrial function in intact brain revealed significant reduction of mitochondrial function in the fetal brain after 3Gy TBI. This was validated by ex vivo Oroboros mitochondrial respirometry. Maternal administration JP4-039 one day after TBI (E14.5), which can pass through the placental barrier, significantly reduced fetal brain radiation injury and improved fetal brain mitochondrial respiration. This also preserved cerebral brain tissue integrity and reduced cerebral hemorrhage and cell death. As JP4-039 administration did not change litter sizes or fetus viability, together these findings indicate JP4-039 can be deployed as a safe and effective mitigator of fetal radiation injury from mid-gestational in utero ionizing radiation exposure. One Sentence Summary Mitochondrial-targeted gramicidin S (GS)-nitroxide JP4-039 is safe and effective radiation mitigator for mid-gestational fetal irradiation injury.