Bone marrow stromal cells (MSCs) have the capability under specific conditions of differentiating into various cell types such as osteocytes, chondrocytes, and adipocytes. Here we demonstrate a highly efficient and specific induction of cells with neuronal characteristics, without glial differentiation, from both rat and human MSCs using gene transfection with Notch intracellular domain (NICD) and subsequent treatment with bFGF, forskolin, and ciliary neurotrophic factor. MSCs expressed markers related to neural stem cells after transfection with NICD, and subsequent trophic factor administration induced neuronal cells. Some of them showed voltage-gated fast sodium and delayed rectifier potassium currents and action potentials compatible with characteristics of functional neurons. Further treatment of the induced neuronal cells with glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) increased the proportion of tyrosine hydroxylase–positive and dopamine-producing cells. Transplantation of these GDNF-treated cells showed improvement in apomorphine-induced rotational behavior and adjusting step and paw-reaching tests following intrastriatal implantation in a 6-hydroxy dopamine rat model of Parkinson disease. This study shows that a population of neuronal cells can be specifically generated from MSCs and that induced cells may allow for a neuroreconstructive approach.

Bone marrow stromal cells (MSCs) have great potential as therapeutic agents. We report a method for inducing skeletal muscle lineage cells from human and rat general adherent MSCs with an efficiency of 89%. Induced cells differentiated into muscle fibers upon transplantation into degenerated muscles of rats and mdx-nude mice. The induced population contained Pax7-positive cells that contributed to subsequent regeneration of muscle upon repetitive damage without additional transplantation of cells. These MSCs represent a more ready supply of myogenic cells than do the rare myogenic stem cells normally found in muscle and bone marrow.

Bone marrow stromal cells (MSCs) have the capability under specific conditions of differentiating into various cell types such as osteocytes, chondrocytes, and adipocytes. Here we demonstrate a highly efficient and specific induction of cells with neuronal characteristics, without glial differentiation, from both rat and human MSCs using gene transfection with Notch intracellular domain (NICD) and subsequent treatment with bFGF, forskolin, and ciliary neurotrophic factor. MSCs expressed markers related to neural stem cells after transfection with NICD, and subsequent trophic factor administration induced neuronal cells. Some of them showed voltage-gated fast sodium and delayed rectifier potassium currents and action potentials compatible with characteristics of functional neurons. Further treatment of the induced neuronal cells with glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) increased the proportion of tyrosine hydroxylase–positive and dopamine-producing cells. Transplantation of these GDNF-treated cells showed improvement in apomorphine-induced rotational behavior and adjusting step and paw-reaching tests following intrastriatal implantation in a 6-hydroxy dopamine rat model of Parkinson disease. This study shows that a population of neuronal cells can be specifically generated from MSCs and that induced cells may allow for a neuroreconstructive approach.

Bone marrow stromal cells (MSCs) are multipotent stem cells that have the potential to differentiate into bone, cartilage, fat and muscle. We now demonstrate that MSCs can be induced to differentiate into cells with Schwann cell characteristics, capable of eliciting peripheral nervous system regeneration in adult rats. MSCs treated with beta-mercaptoethanol followed by retinoic acid and cultured in the presence of forskolin, basic-FGF, PDGF and heregulin, changed morphologically into cells resembling primary cultured Schwann cells and expressing p75, S-100, GFAP and O4. The MSCs were genetically engineered by transduction with retrovirus encoding green fluorescent protein (GFP), and then differentiated by treatment with factors described above. They were transplanted into the cut ends of sciatic nerves, which then responded with vigorous nerve fibre regeneration within 3 weeks of the operation. Myelination of regenerated fibers by GFP-expressing MSCs was recognized using confocal and immunoelectron microscopy. The results suggest that MSCs are able to differentiate into myelinating cells, capable of supporting nerve fibre re-growth, and they can therefore be applied to induce nerve regeneration.

We found adult human stem cells that can generate, from a single cell, cells with the characteristics of the three germ layers. The cells are stress-tolerant and can be isolated from cultured skin fibroblasts or bone marrow stromal cells, or directly from bone marrow aspirates. These cells can self-renew; form characteristic cell clusters in suspension culture that express a set of genes associated with pluripotency; and can differentiate into endodermal, ectodermal, and mesodermal cells both in vitro and in vivo. When transplanted into immunodeficient mice by local or i.v. injection, the cells integrated into damaged skin, muscle, or liver and differentiated into cytokeratin 14-, dystrophin-, or albumin-positive cells in the respective tissues. Furthermore, they can be efficiently isolated as SSEA-3(+) cells. Unlike authentic ES cells, their proliferation activity is not very high and they do not form teratomas in immunodeficient mouse testes. Thus, nontumorigenic stem cells with the ability to generate the multiple cell types of the three germ layers can be obtained through easily accessible adult human mesenchymal cells without introducing exogenous genes. These unique cells will be beneficial for cell-based therapy and biomedical research.

The stochastic and elite models have been proposed for the mechanism of induced pluripotent stem (iPS) cell generation. In this study we report a system that supports the elite model. We previously identified multilineage-differentiating stress-enduring (Muse) cells in human dermal fibroblasts that are characterized by stress tolerance, expression of pluripotency markers, self-renewal, and the ability to differentiate into endodermal-, mesodermal-, and ectodermal-lineage cells from a single cell. They can be isolated as stage-specific embryonic antigen-3/CD105 double-positive cells. When human fibroblasts were separated into Muse and non-Muse cells and transduced with Oct3/4 , Sox2 , Klf4 , and c-Myc , iPS cells were generated exclusively from Muse cells but not from non-Muse cells. Although some colonies were formed from non-Muse cells, they were unlike iPS cells. Furthermore, epigenetic alterations were not seen, and some of the major pluripotency markers were not expressed for the entire period during iPS cell generation. These findings were confirmed further using cells transduced with a single polycistronic virus vector encoding all four factors. The results demonstrate that in adult human fibroblasts a subset of preexisting adult stem cells whose properties are similar in some respects to those of iPS cells selectively become iPS cells, but the remaining cells make no contribution to the generation of iPS cells. Therefore this system seems to fit the elite model rather than the stochastic model.

Abstract Multi‐lineage differentiating stress‐enduring (Muse) cells, identified as pluripotent surface marker SSEA‐3(+) cells, are stress tolerant endogenous pluripotent‐like stem cells, and are involved in tissue repair. However, the significance of Muse cells in acute myocarditis has not been evaluated. In the present study, we counted Muse cells/area in biopsied myocardial tissue samples from 17 patients with fulminant myocarditis, and 6 with non‐inflammatory myocardial disease as controls. Compared with controls, patients with fulminant myocarditis had significantly more Muse cells ( p = 0.00042). Patients with mechanical circulatory support ( p = 0.006) and myocardial degeneration ( p = 0.023) had significantly more Muse cells than those without them. The Muse cell number was correlated with acute phase CK‐MB level ( ρ = 0.547, p = 0.029), indicating the severity of myocardial injury, and was also correlated with acute/recovery phase ratio of CK‐MB ( ρ = 0.585, p = 0.023) and cardiac troponin I ( ρ = 0.498, p = 0.047) levels, indicating resilience of myocardial injury. In fulminant myocarditis, the Muse cell number was associated with the severity of clinical features in the acute phase, and also with the recovery from myocardial damage in the chronic phase. Endogenous Muse cells might be mobilized and accumulate to the myocardial tissues in fulminant myocarditis, and might participate in the repair of injured myocardium.

Abstract In embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs), the expression of an RNA-binding pluripotency-relevant protein, LIN28, and the absence of its antagonist, the tumor-suppressor microRNA (miRNA) let-7, play a key role in maintaining pluripotency. Muse cells are non-tumorigenic pluripotent-like stem cells residing in the bone marrow, peripheral blood, and organ connective tissues as pluripotent surface marker SSEA-3(+). They express pluripotency genes, differentiate into triploblastic-lineage cells, and self-renew at the single cell level. Muse cells do not express LIN28 but do express let-7 at higher levels than in iPSCs. In Muse cells, we demonstrated that let-7 inhibited the PI3K-AKT pathway, leading to sustainable expression of the key pluripotency regulator KLF4 as well as its downstream genes, POU5F1 , SOX2 , and NANOG . Let-7 also suppressed proliferation and glycolysis by inhibiting the PI3K-AKT pathway, suggesting its involvement in non-tumorigenicity. Furthermore, the MEK/ERK pathway is not controlled by let-7 and may have a pivotal role in maintaining self-renewal and suppression of senescence. The system found in Muse cells, in which the tumor suppressor let-7, but not LIN28, tunes the expression of pluripotency genes, might be a rational cell system conferring both pluripotency-like properties and a low risk for tumorigenicity.