It is here reported that mesenchymal stem cells known to give rise to limb-bud mesoderm can, at the single-cell level, also differentiate into cells of visceral mesoderm and can be expanded extensively by means of clinically applicable methods. These cells were named mesodermal progenitor cells (MPCs). MPCs were selected by depleting bone marrow mononuclear cells from more than 30 healthy human donors of CD45(+)/glycophorin-A (GlyA)(+) cells. Cells were cultured on fibronectin with epidermal growth factor and platelet-derived growth factor BB and 2% or less fetal calf serum. It was found that 1/5 x 10(3) CD45(-)GlyA(-) cells, or 1/10(6) bone marrow mononuclear cells, gave rise to clusters of small adherent cells. Cell-doubling time was 48 to 72 hours, and cells have been expanded in culture for more than 60 cell doublings. MPCs are CD34(-), CD44(low), CD45(-), CD117 (cKit)(-), class I-HLA(-), and HLA-DR(-). MPCs differentiated into cells of limb-bud mesoderm (osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, stroma cells, and skeletal myoblasts) as well as visceral mesoderm (endothelial cells). Retroviral marking was used to definitively prove that single MPCs can differentiate into cells of limb bud and visceral mesoderm. Thus, MPCs that proliferate without obvious senescence under clinically applicable conditions and differentiate at the single-cell level not only into mesenchymal cells but also cells of visceral mesoderm may be an ideal source of stem cells for treatment of genetic or degenerative disorders affecting cells of mesodermal origin.

This study demonstrates that a CD34–, vascular endothelial cadherin– (VE-cadherin–), AC133+, and fetal liver kinase+ (Flk1+) multipotent adult progenitor cell (MAPC) that copurifies with mesenchymal stem cells from postnatal human bone marrow (BM) is a progenitor for angioblasts. In vitro, MAPCs cultured with VEGF differentiate into CD34+, VE-cadherin+, Flk1+ cells — a phenotype that would be expected for angioblasts. They subsequently differentiate into cells that express endothelial markers, function in vitro as mature endothelial cells, and contribute to neoangiogenesis in vivo during tumor angiogenesis and wound healing. This in vitro model of preangioblast-to-endothelium differentiation should prove very useful in studying commitment to the angioblast and beyond. In vivo, MAPCs can differentiate in response to local cues into endothelial cells that contribute to neoangiogenesis in tumors. Because MAPCs can be expanded in culture without obvious senescence for more than 80 population doublings, they may be an important source of endothelial cells for cellular pro- or anti-angiogenic therapies.

We have derived from normal human, mouse, and rat postnatal bone marrow primitive, multipotent adult progenitor cells (MAPCs) that can differentiate into most mesodermal cells and neuroectodermal cells in vitro and into all embryonic lineages in vivo. Here, we show that MAPCs can also differentiate into hepatocyte-like cells in vitro. Human, mouse, and rat MAPCs, cultured on Matrigel with FGF-4 and HGF, differentiated into epithelioid cells that expressed hepatocyte nuclear factor-3beta (HNF-3beta), GATA4, cytokeratin 19 (CK19), transthyretin, and alpha-fetoprotein by day 7, and expressed CK18, HNF-4, and HNF-1alpha on days 14-28. Virtually all human, as well as a majority of rodent cells stained positive for albumin and CK18 on day 21; 5% (rodent) to 25% (human) cells were binucleated by day 21. These cells also acquired functional characteristics of hepatocytes: they secreted urea and albumin, had phenobarbital-inducible cytochrome p450, could take up LDL, and stored glycogen. MAPCs, which can be expanded in vitro and maintained in an undifferentiated state for more than 100 population doublings, can thus differentiate into cells with morphological, phenotypic, and functional characteristics of hepatocytes. MAPCs may therefore be an ideal cell for in vivo therapies for liver disorders or for use in bioartificial liver devices.

This study demonstrates that a CD34–, vascular endothelial cadherin– (VE-cadherin–), AC133+, and fetal liver kinase+ (Flk1+) multipotent adult progenitor cell (MAPC) that copurifies with mesenchymal stem cells from postnatal human bone marrow (BM) is a progenitor for angioblasts. In vitro, MAPCs cultured with VEGF differentiate into CD34+, VE-cadherin+, Flk1+ cells — a phenotype that would be expected for angioblasts. They subsequently differentiate into cells that express endothelial markers, function in vitro as mature endothelial cells, and contribute to neoangiogenesis in vivo during tumor angiogenesis and wound healing. This in vitro model of preangioblast-to-endothelium differentiation should prove very useful in studying commitment to the angioblast and beyond. In vivo, MAPCs can differentiate in response to local cues into endothelial cells that contribute to neoangiogenesis in tumors. Because MAPCs can be expanded in culture without obvious senescence for more than 80 population doublings, they may be an important source of endothelial cells for cellular pro- or anti-angiogenic therapies.

ObjectiveRecent studies have shown that cells from bone marrow (BM), muscle, and brain may have greater plasticity than previously known. We have identified multipotent adult progenitor cells (MAPC) in postnatal human and rodent BM that copurify with mesenchymal stem cells (MSC). BM MAPC proliferate without senescence and differentiate into mesodermal, neuroectodermal, and endodermal cell types. We hypothesized that cells with characteristics similar to BM MAPC can be selected and cultured from tissues other than BM.Materials and MethodsBM, whole brain, and whole muscle tissue was obtained from mice. Cells were plated on Dulbecco modified Eagle medium supplemented with 2% fetal calf serum and 10 ng/mL epidermal growth factor (EGF), 10 ng/mL platelet-derived growth factor (PDGF-BB), and 1000 units/mL leukemia inhibitory factor (LIF) for more than 6 months. Cells were maintained between 0.5 and 1.5 × 103 cells/cm2. At variable time points, we tested cell phenotype by FACS and evaluated their differentiation into endothelial cells, neuroectodermal cells, and endodermal cells in vitro. We also compared the expressed gene profile in BM, muscle, and brain MAPC by Affimetrix gene array analysis.ResultsCells could be cultured from BM, muscle, and brain that proliferated for more than 70 population doublings (PDs) and were negative for CD44, CD45, major histocompatibility complex class I and II, and c-kit. Cells from the three tissues differentiated to cells with morphologic and phenotypic characteristics of endothelium, neurons, glia, and hepatocytes. The expressed gene profile of cells derived from the three tissues was identical (r2 > 0.975).ConclusionsThis study shows that cells with MAPC characteristics can be isolated not only from BM, but also from brain and muscle tissue. Whether MAPC originally derived from BM are circulating or all organs contain stem cells with MAPC characteristics currently is being studied. Presence of MAPC in multiple tissues may help explain the "plasticity" found in multiple adult tissues.

There is now evidence to suggest that bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) not only differentiate into mesodermal cells, but can also adopt the fate of endodermal and ectodermal cell types. In this study, we addressed the hypotheses that human MSCs can differentiate into neural cells when implanted in the brain and restore sensorimotor function after experimental stroke. Purified human MSCs were grafted into the cortex surrounding the area of infarction 1 week after cortical brain ischemia in rats. Two and 6 weeks after transplantation animals were assessed for sensorimotor function and then sacrificed for histological examination. Ischemic rats that received human MSCs exhibited significantly improved functional performance in limb placement test. Histological analyses revealed that transplanted human MSCs expressed markers for astrocytes (GFAP+), oligodendroglia (GalC+), and neurons (βIII+, NF160+, NF200+, hNSE+, and hNF70+). The morphological features of the grafted cells, however, were spherical in nature with few processes. Therefore, it is unlikely that the functional recovery observed by the ischemic rats with human MSC grafts was mediated by the integration of new “neuronal” cells into the circuitry of the host brain. The observed functional improvement might have been mediated by proteins secreted by transplanted hMSCs, which could have upregulated host brain plasticity in response to experimental stroke.

We have derived from normal human, mouse, and rat postnatal bone marrow primitive, multipotent adult progenitor cells (MAPCs) that can differentiate into most mesodermal cells and neuroectodermal cells in vitro and into all embryonic lineages in vivo. Here, we show that MAPCs can also differentiate into hepatocyte-like cells in vitro. Human, mouse, and rat MAPCs, cultured on Matrigel with FGF-4 and HGF, differentiated into epithelioid cells that expressed hepatocyte nuclear factor-3β (HNF-3β), GATA4, cytokeratin 19 (CK19), transthyretin, and α-fetoprotein by day 7, and expressed CK18, HNF-4, and HNF-1α on days 14–28. Virtually all human, as well as a majority of rodent cells stained positive for albumin and CK18 on day 21; 5% (rodent) to 25% (human) cells were binucleated by day 21. These cells also acquired functional characteristics of hepatocytes: they secreted urea and albumin, had phenobarbital-inducible cytochrome p450, could take up LDL, and stored glycogen. MAPCs, which can be expanded in vitro and maintained in an undifferentiated state for more than 100 population doublings, can thus differentiate into cells with morphological, phenotypic, and functional characteristics of hepatocytes. MAPCs may therefore be an ideal cell for in vivo therapies for liver disorders or for use in bioartificial liver devices.