Current theory indicates that mitochondria were obtained 1.5 billion years ago from an ancient prokaryote. The mitochondria provided the capacity for aerobic respiration, the creation of the eukaryotic cell, and eventually complex multicellular organisms. Recent reports have found that mitochondria play essential roles in aging and determining lifespan. A variety of heritable and acquired diseases are linked to mitochondrial dysfunction. We report here that mitochondria are more dynamic than previously considered: mitochondria or mtDNA can move between cells. The active transfer from adult stem cells and somatic cells can rescue aerobic respiration in mammalian cells with nonfunctional mitochondria.

We tested the hypothesis that multipotent stromal cells from human bone marrow (hMSCs) can provide a potential therapy for human diabetes mellitus. Severe but nonlethal hyperglycemia was produced in NOD/ scid mice with daily low doses of streptozotocin on days 1–4, and hMSCs were delivered via intracardiac infusion on days 10 and 17. The hMSCs lowered blood glucose levels in the diabetic mice on day 32 relative to untreated controls (18.34 mM ± 1.12 SE vs. 27.78 mM ± 2.45 SE, P = 0.0019). ELISAs demonstrated that blood levels of mouse insulin were higher in the hMSC-treated as compared with untreated diabetic mice, but human insulin was not detected. PCR assays detected human Alu sequences in DNA in pancreas and kidney on day 17 or 32 but not in other tissues, except heart, into which the cells were infused. In the hMSC-treated diabetic mice, there was an increase in pancreatic islets and β cells producing mouse insulin. Rare islets contained human cells that colabeled for human insulin or PDX-1. Most of the β cells in the islets were mouse cells that expressed mouse insulin. In kidneys of hMSC-treated diabetic mice, human cells were found in the glomeruli. There was a decrease in mesangial thickening and a decrease in macrophage infiltration. A few of the human cells appeared to differentiate into glomerular endothelial cells. Therefore, the results raised the possibility that hMSCs may be useful in enhancing insulin secretion and perhaps improving the renal lesions that develop in patients with diabetes mellitus.

To investigate stem cell differentiation in response to tissue injury, human mesenchymal stem cells (hMSCs) were cocultured with heat-shocked small airway epithelial cells. A subset of the hMSCs rapidly differentiated into epithelium-like cells, and they restored the epithelial monolayer. Immunocytochemistry and microarray analyses demonstrated that the cells expressed many genes characteristic of normal small airway epithelial cells. Some hMSCs differentiated directly after incorporation into the epithelial monolayer but other hMSCs fused with epithelial cells. Surprisingly, cell fusion was a frequent rather than rare event, in that up to 1% of the hMSCs added to the coculture system were recovered as binucleated cells expressing an epithelial surface epitope. Some of the fused cells also underwent nuclear fusion.

Professional antigen-presenting dendritic cells (DCs) are critical in regulating T cell immune responses at both systemic and mucosal sites. Many Lactobacillus species are normal members of the human gut microflora and most are regarded as safe when administered as probiotics. Because DCs can naturally or therapeutically encounter lactobacilli, we investigated the effects of several well defined strains, representing three species of Lactobacillus on human myeloid DCs (MDCs) and found that they modulated the phenotype and functions of human MDCs. Lactobacillus -exposed MDCs up-regulated HLA-DR, CD83, CD40, CD80, and CD86 and secreted high levels of IL-12 and IL-18, but not IL-10. IL-12 was sustained in MDCs exposed to all three Lactobacillus species in the presence of LPS from Escherichia coli , whereas LPS-induced IL-10 was greatly inhibited. MDCs activated with lactobacilli clearly skewed CD4 + and CD8 + T cells to T helper 1 and Tc1 polarization, as evidenced by secretion of IFN-γ, but not IL-4 or IL-13. These results emphasize a potentially important role for lactobacilli in modulating immunological functions of DCs and suggest that certain strains could be particularly advantageous as vaccine adjuvants, by promoting DCs to regulate T cell responses toward T helper 1 and Tc1 pathways.

For several decades, multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) have been extensively studied for their therapeutic potential across a wide range of diseases. In the preclinical setting, MSCs demonstrate consistent ability to promote tissue healing, down-regulate excessive inflammation and improve outcomes in animal models. Several proposed mechanisms of action have been posited and demonstrated across an array of in vitro models. However, translation into clinical practice has proven considerably more difficult. A number of prominent well-funded late-phase clinical trial have failed, thus calling out for new efforts to optimize product delivery in the clinical setting. In this review, we discuss novel topics critical to the successful translation of MSCs from pre-clinical to clinical applications. In particular, we focus on the major routes of cell delivery, aspects related to hemocompatibility, and potential safety concerns associated with MSC therapy in the different settings.

Extracellular vesicles (EVs) secreted by mesenchymal stromal cells (MSCs) have been proposed to be a key mechanistic link in the therapeutic efficacy of cells in response to cellular injuries through paracrine effects. We hypothesize that inflammatory stimulation of MSCs results in the release of EVs that have greater anti-inflammatory effects. The present study evaluates the immunomodulatory abilities of EVs derived from inflammation-stimulated and naive MSCs (MSCEv+ and MSCEv, respectively) isolated using a current Good Manufacturing Practice-compliant tangential flow filtration system. Detailed characterization of both EVs revealed differences in protein composition, cytokine profiles, and RNA content, despite similarities in size and expression of common surface markers. MSCEv+ further attenuated release of pro-inflammatory cytokines in vitro when compared to MSCEv, with a distinctly different pattern of EV-uptake by activated primary leukocyte subpopulations. The efficacy of EVs was partially attributed to COX2/PGE2 expression. The present study demonstrates that inflammatory stimulation of MSCs renders release of EVs that have enhanced anti-inflammatory properties partially due to COX2/PGE2 pathway alteration. Stem Cells 2018;36:79-90.

Resection and reconstruction of the esophagus remains fraught with morbidity and mortality. Recently, data from a porcine reconstruction model revealed that segmental esophageal reconstruction using an autologous mesenchymal stromal cell-seeded polyurethane graft (Cellspan esophageal implant [CEI]) can facilitate esophageal regrowth and regeneration. To this end, a patient requiring a full circumferential esophageal segmental reconstruction after a complex multiorgan tumor resection was approved for an investigational treatment under the Food and Drug Administration Expanded Access Use (Investigational New Drug 17402).Autologous adipose-derived mesenchymal stromal cells (Ad-MSCs) were isolated from the Emergency Investigational New Drug patient approximately 4 weeks before surgery from an adipose tissue biopsy specimen. The Ad-MSCs were grown and expanded under current Good Manufacturing Practice manufacturing conditions. The cells were then seeded onto a polyurethane fiber mesh scaffold (Cellspan scaffold) and cultured in a custom bioreactor to manufacture the final CEI graft. The cell-seeded scaffold was then shipped to the surgical site for surgical implantation. After removal of a tumor mass and a full circumferential 4 cm segment of the esophagus that was invaded by the tumor, the CEI was implanted by suturing the tubular CEI graft to both ends of the remaining native esophagus using end-to-end anastomosis.In this case report, we found that a clinical-grade, tissue-engineered esophageal graft can be used for segmental esophageal reconstruction in a human patient. This report reveals that the graft supports regeneration of the esophageal conduit. Histologic analysis of the tissue postmortem, 7.5 months after the implantation procedure, revealed complete luminal epithelialization and partial esophageal tissue regeneration.Autologous Ad-MSC seeded onto a tubular CEI tissue-engineered graft stimulates tissue regeneration following implantation after a full circumferential esophageal resection.

Abstract This work-in-progress study aims to qualitatively examine undergraduate students' understanding of ethical dilemmas in aerospace engineering. Macroethics is particularly relevant within the aerospace industry as engineers are often asked to grapple with multi-faceted issues such as sustainable aviation, space colonization, or the military industrial complex. Macroethical education, the teaching of collective social responsibility within the engineering profession and societal decisions about technology, is traditionally left out of undergraduate engineering curricula. This lack of macroethics material leaves students underprepared to address the broader impacts of their discipline on society. Including macroethical content in the classroom helps novice engineers better understand the real implications of their work on humanity. Previous literature has explored how specific pedagogical interventions impact students' decision-making, but few studies delve into undergraduate students' awareness and perceptions of the issues themselves. Thus, it is essential to examine how students' perceptions of macroethical dilemmas are evolving in order for instructors to effectively meet the needs of their students. This study addresses the need to better understand student awareness of macroethical issues by extending upon previous research to qualitatively analyze responses from an iteration of a macroethical perceptions survey (n = 81) administered to undergraduate aerospace engineers at a large, Midwestern, predominantly white, research-intensive, public university. Our prior work has been used to develop and iterate upon a mixed-methods survey that seeks to understand students' perceptions of ethical issues within the aerospace discipline. In the most recent version of our survey instrument, thirty-one Likert-scale questions asked about students' feelings towards the current state of aerospace engineering and their ideal state of the aerospace field. Within this survey, eight Likert-scale prompts are followed by open-ended questions asking students to explain their answers in-depth. For instance, if students agreed or strongly agreed with the statement 'It is important to me to use my career as an aerospace engineer to make a positive difference in the world.', a follow-up item asked students to explain what positive differences they would like to make in the world. Student responses were analyzed using a combination of a deductive and inductive thematic analyses. Researchers first applied an a priori coding scheme onto responses that was initially developed using constructivist grounded theory, then used inductive analysis to account for new themes that naturally emerged within the data. The analysis delved deeper into students' moral engagement towards ethical issues, their perceptions of who is affected by these dilemmas, and how they have seen these dilemmas addressed in both academic and professional settings. Preliminary results from the study identified that students have a wide spectrum of awareness of relevant issues and express varying levels of acceptance about the state of aerospace engineering.While some students exhibited signs of inattentiveness, or limited ability to consider viewpoints beyond their own, others demonstrated abilities to see multiple perspectives and critically analyze systems of power that influence how macroethical issues are addressed. Similarly, students also demonstrated varying degrees of acceptance, some demonstrating signs of apathy or moral disengagement regarding the field of aerospace engineering, others indicating signs of conflict, or a heightened state of stress about opposing ideals and values, and a final group of students indicating a desire to challenge or reform the existing culture of the discipline. These emergent themes will be used to inform teaching practices concerning engineering ethics education, refine future iterations of macroethics lesson content and survey instruments, and further incentivize the integration of macroethical content throughout aerospace engineering curricula.

Autologous bone marrow mononuclear cells (BMMNCs) infused after severe traumatic brain injury have shown promise for treating the injury. We evaluated their impact in children, particularly their hypothesized ability to preserve the blood-brain barrier and diminish neuroinflammation, leading to structural central nervous system preservation with improved outcomes. We performed a randomized, double-blind, placebo-sham-controlled Bayesian dose-escalation clinical trial at 2 children's hospitals in Houston, TX and Phoenix, AZ, USA (NCT01851083). Patients 5-17 years of age with severe traumatic brain injury (Glasgow Coma Scale ≤ 8) were randomized to BMMNC or placebo (3:2). Bone marrow harvest, cell isolation, and infusion were completed by 48 hours post-injury. Bayesian continuous reassessment method was used with cohorts of size 3 in the BMMNC group to choose the safest between 2 doses. Primary endpoints were quantitative brain volumes using magnetic resonance imaging and microstructural integrity of the corpus callosum (CC; diffusivity and edema measurements) at 6 months and 12 months. Long-term functional outcomes and ventilator days, intracranial pressure monitoring days, intensive care unit days, and therapeutic intensity measures were compared between groups. Forty-seven patients were randomized, with 37 completing 1-year follow-up (23 BMMNC, 14 placebo). BMMNC treatment was associated with an almost 3-day (23%) reduction in ventilator days, 1-day (16%) reduction in intracranial pressure monitoring, and 3-day (14%) reduction in intensive care unit (ICU) days. White matter volume at 1 year in the BMMNC group was significantly preserved compared to placebo (decrease of 19891 vs 40491, respectively; mean difference of -20600, 95% CI: -35868 to -5332; P = 0.01), and the number of CC streamlines was reduced more in placebo than BMMNC, supporting evidence of preserved CC connectivity in the treated groups (-431 streamlines placebo vs. -37 streamlines BMMNC; mean difference of -394, 95% CI: -803 to 15; P = 0.055), but this did not reach statistical significance due to high variability. We conclude that autologous BMMNC infusion in children within 48 hours after severe traumatic brain injury is safe and feasible. Our data show that BMMNC infusion led to 1) shorter intensive care duration and decreased ICU intensity; 2) white matter structural preservation; and 3) enhanced CC connectivity and improved microstructural metrics.

Protein phosphorylation signaling networks have a central role in how cells sense and respond to their environment. We engineered artificial phosphorylation networks in which reversible enzymatic phosphorylation cycles were assembled from modular protein domain parts and wired together to create synthetic phosphorylation circuits in human cells. Our design scheme enabled model-guided tuning of circuit function and the ability to make diverse network connections; synthetic phosphorylation circuits can be coupled to upstream cell surface receptors to enable fast-timescale sensing of extracellular ligands, and downstream connections can regulate gene expression. We engineered cell-based cytokine controllers that dynamically sense and suppress activated T cells. Our work introduces a generalizable approach that allows the design of signaling circuits that enable user-defined sense-and-respond function for diverse biosensing and therapeutic applications.