Dentinal repair in the postnatal organism occurs through the activity of specialized cells, odontoblasts, that are thought to be maintained by an as yet undefined precursor population associated with pulp tissue. In this study, we isolated a clonogenic, rapidly proliferative population of cells from adult human dental pulp. These DPSCs were then compared with human bone marrow stromal cells (BMSCs), known precursors of osteoblasts. Although they share a similar immunophenotype in vitro, functional studies showed that DPSCs produced only sporadic, but densely calcified nodules, and did not form adipocytes, whereas BMSCs routinely calcified throughout the adherent cell layer with clusters of lipid-laden adipocytes. When DPSCs were transplanted into immunocompromised mice, they generated a dentin-like structure lined with human odontoblast-like cells that surrounded a pulp-like interstitial tissue. In contrast, BMSCs formed lamellar bone containing osteocytes and surface-lining osteoblasts, surrounding a fibrous vascular tissue with active hematopoiesis and adipocytes. This study isolates postnatal human DPSCs that have the ability to form a dentin/pulp-like complex.

In this study, we characterized the self-renewal capability, multi-lineage differentiation capacity, and clonogenic efficiency of human dental pulp stem cells (DPSCs). DPSCs were capable of forming ectopic dentin and associated pulp tissue in vivo. Stromal-like cells were reestablished in culture from primary DPSC transplants and re-transplanted into immunocompromised mice to generate a dentin-pulp-like tissue, demonstrating their self-renewal capability. DPSCs were also found to be capable of differentiating into adipocytes and neural-like cells. The odontogenic potential of 12 individual single-colony-derived DPSC strains was determined. Two-thirds of the single-colony-derived DPSC strains generated abundant ectopic dentin in vivo, while only a limited amount of dentin was detected in the remaining one-third. These results indicate that single-colony-derived DPSC strains differ from each other with respect to their rate of odontogenesis. Taken together, these results demonstrate that DPSCs possess stem-cell-like qualities, including self-renewal capability and multi-lineage differentiation.

Previous studies have provided evidence for the existence of adult human bone marrow stromal stem cells (BMSSCs) or mesenchymal stem cells. Using a combination of cell separation techniques, we have isolated an almost homogeneous population of BMSSCs from adult human bone marrow. Lacking phenotypic characteristics of leukocytes and mature stromal elements, BMSSCs are non-cycling and constitutively express telomerase activity in vivo. This mesenchymal stem cell population demonstrates extensive proliferation and retains the capacity for differentiation into bone, cartilage and adipose tissue in vitro. In addition, clonal analysis demonstrated that individual BMSSC colonies exhibit a differential capacity to form new bone in vivo. These data are consistent with the existence of a second population of bone marrow stem cells in addition to those for the hematopoietic system. Our novel selection protocol provides a means to generate purified populations of BMSSCs for use in a range of different tissue engineering and gene therapy strategies.

Abstract Aside from the well-established self-renewal and multipotent differentiation properties, mesenchymal stem cells exhibit both immunomodulatory and anti-inflammatory roles in several experimental autoimmune and inflammatory diseases. In this study, we isolated a new population of stem cells from human gingiva, a tissue source easily accessible from the oral cavity, namely, gingiva-derived mesenchymal stem cells (GMSCs), which exhibited clonogenicity, self-renewal, and multipotent differentiation capacities. Most importantly, GMSCs were capable of immunomodulatory functions, specifically suppressed peripheral blood lymphocyte proliferation, induced expression of a wide panel of immunosuppressive factors including IL-10, IDO, inducible NO synthase (iNOS), and cyclooxygenase 2 (COX-2) in response to the inflammatory cytokine, IFN-γ. Cell-based therapy using systemic infusion of GMSCs in experimental colitis significantly ameliorated both clinical and histopathological severity of the colonic inflammation, restored the injured gastrointestinal mucosal tissues, reversed diarrhea and weight loss, and suppressed the overall disease activity in mice. The therapeutic effect of GMSCs was mediated, in part, by the suppression of inflammatory infiltrates and inflammatory cytokines/mediators and the increased infiltration of regulatory T cells and the expression of anti-inflammatory cytokine IL-10 at the colonic sites. Taken together, GMSCs can function as an immunomodulatory and anti-inflammatory component of the immune system in vivo and is a promising cell source for cell-based treatment in experimental inflammatory diseases.

Systemic infusion of bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) yields therapeutic benefit for a variety of autoimmune diseases, but the underlying mechanisms are poorly understood. Here we show that in mice systemic infusion of BMMSCs induced transient T cell apoptosis via the FAS ligand (FASL)-dependent FAS pathway and could ameliorate disease phenotypes in fibrillin-1 mutated systemic sclerosis (SS) and dextran-sulfate-sodium-induced experimental colitis. FASL(-/-) BMMSCs did not induce T cell apoptosis in recipients, and could not ameliorate SS and colitis. Mechanistic analysis revealed that FAS-regulated monocyte chemotactic protein 1 (MCP-1) secretion by BMMSCs recruited T cells for FASL-mediated apoptosis. The apoptotic T cells subsequently triggered macrophages to produce high levels of TGFβ, which in turn led to the upregulation of CD4(+)CD25(+)Foxp3(+) regulatory T cells and, ultimately, immune tolerance. These data therefore demonstrate a previously unrecognized mechanism underlying BMMSC-based immunotherapy involving coupling via FAS/FASL to induce T cell apoptosis.

Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMMSCs) have so far failed to live up to their potential as a treatment for the repair of large bone defects. Songtao Shi and his colleagues now show that this may be due to their apoptosis mediated by resident T cells in the wound as a result of excess IFN-γ and TNF-α signaling. They show that reducing the levels of these cytokines, including through the local administration of aspirin, markedly increases the survival of implanted BMMSCs and improves bone wound healing in a mouse model. Stem cell–based regenerative medicine is a promising approach in tissue reconstruction. Here we show that proinflammatory T cells inhibit the ability of exogenously added bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) to mediate bone repair. This inhibition is due to interferon γ (IFN-γ)–induced downregulation of the runt-related transcription factor 2 (Runx-2) pathway and enhancement of tumor necrosis factor α (TNF-α) signaling in the stem cells. We also found that, through inhibition of nuclear factor κB (NF-κB), TNF-α converts the signaling of the IFN-γ–activated, nonapoptotic form of TNF receptor superfamily member 6 (Fas) in BMMSCs to a caspase 3– and caspase 8–associated proapoptotic cascade, resulting in the apoptosis of these cells. Conversely, reduction of IFN-γ and TNF-α concentrations by systemic infusion of Foxp3+ regulatory T cells, or by local administration of aspirin, markedly improved BMMSC-based bone regeneration and calvarial defect repair in C57BL/6 mice. These data collectively show a previously unrecognized role of recipient T cells in BMMSC-based tissue engineering.

The ultimate goal of this study is to regenerate lost dental pulp and dentin via stem/progenitor cell–based approaches and tissue engineering technologies. In this study, we tested the possibility of regenerating vascularized human dental pulp in emptied root canal space and producing new dentin on existing dentinal walls using a stem/progenitor cell–mediated approach with a human root fragment and an immunocompromised mouse model. Stem/progenitor cells from apical papilla and dental pulp stem cells were isolated, characterized, seeded onto synthetic scaffolds consisting of poly-D,L-lactide/glycolide, inserted into the tooth fragments, and transplanted into mice. Our results showed that the root canal space was filled entirely by a pulp-like tissue with well-established vascularity. In addition, a continuous layer of dentin-like tissue was deposited onto the canal dentinal wall. This dentin-like structure appeared to be produced by a layer of newly formed odontoblast-like cells expressing dentin sialophosphoprotein, bone sialoprotein, alkaline phosphatase, and CD105. The cells in regenerated pulp-like tissue reacted positively to anti-human mitochondria antibodies, indicating their human origin. This study provides the first evidence showing that pulp-like tissue can be regenerated de novo in emptied root canal space by stem cells from apical papilla and dental pulp stem cells that give rise to odontoblast-like cells producing dentin-like tissue on existing dentinal walls.

Abstract Human adult dental pulp stem cells (DPSCs) reside within the perivascular niche of dental pulp and are thought to originate from migrating cranial neural crest (CNC) cells. During embryonic development, CNC cells differentiate into a wide variety of cell types, including neurons of the peripheral nervous system. Previously, we have demonstrated that DPSCs derived from adult human third molar teeth differentiate into cell types reminiscent of CNC embryonic ontology. We hypothesized that DPSCs exposed to the appropriate environmental cues would differentiate into functionally active neurons. The data demonstrated that ex vivo-expanded human adult DPSCs responded to neuronal inductive conditions both in vitro and in vivo. Human adult DPSCs, but not human foreskin fibroblasts (HFFs), acquired a neuronal morphology, and expressed neuronal-specific markers at both the gene and protein levels. Culture-expanded DPSCs also exhibited the capacity to produce a sodium current consistent with functional neuronal cells when exposed to neuronal inductive media. Furthermore, the response of human DPSCs and HFFs to endogenous neuronal environmental cues was determined in vivo using an avian xenotransplantation assay. DPSCs expressed neuronal markers and acquired a neuronal morphology following transplantation into the mesencephalon of embryonic day-2 chicken embryo, whereas HFFs maintained a thin spindle fibroblastic morphology. We propose that adult human DPSCs provide a readily accessible source of exogenous stem/precursor cells that have the potential for use in cell-therapeutic paradigms to treat neurological disease. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

The difference between stem-cell-mediated bone and dentin regeneration is not yet well-understood. Here we use an in vivo stem cell transplantation system to investigate differential regulation mechanisms of bone marrow stromal stem cells (BMSSCs) and dental pulp stem cells (DPSCs). Elevated expression of basic fibroblast growth factor (bFGF) and matrix metalloproteinase 9 (MMP-9, gelatinase B) was found to be associated with the formation of hematopoietic marrow in BMSSC transplants, but not in the connective tissue of DPSC transplants. The expression of dentin sialoprotein (DSP) specifically marked dentin synthesis in DPSC transplants. Moreover, DPSCs were found to be able to generate reparative dentin-like tissue on the surface of human dentin in vivo. This study provided direct evidence to suggest that osteogenesis and dentinogenesis mediated by BMSSCs and DPSCs, respectively, may be regulated by distinct mechanisms, leading to the different organization of the mineralized and non-mineralized tissues.