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 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.