WO2022103129A1 - 노화가 감소되고 줄기세포능이 보존된 초기 중간엽 줄기세포, 및 그 배양방법 - Google Patents

노화가 감소되고 줄기세포능이 보존된 초기 중간엽 줄기세포, 및 그 배양방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an early mesenchymal stem cell in which aging is reduced and stem cell ability is preserved, and a method for culturing the same.
  • Stem cells can be differentiated into various cells, and various studies are being conducted on the applicability of cell therapy using the characteristics of these stem cells.
  • Embryonic stem cells with pluripotency have attracted attention as a cell therapy because of their ability to differentiate into various cells, but they have difficulties in practical application due to safety and ethical issues.
  • adult stem cells are cells that self-proliferate in an undifferentiated state and can be multi-differentiated into various types of cells. It is known to be present in various parts of our body.
  • adult stem cells have a low proliferation rate, there is a problem in that the number of cells that can be obtained from one tissue is limited.
  • bone marrow-derived adult stem cells cause pain to the donor during the separation process, and the number of cells that can be obtained at one time is limited, and the differentiation capacity of the actually isolated adult stem cells is limited, so that when bone marrow transplantation is limited. is mainly used for
  • adult stem cells ie, umbilical cord blood or adipose stem cells
  • adipose stem cells are relatively easy to obtain, but like bone marrow-derived adult stem cells, the number and differentiation capacity of cells that can be obtained at once are limited.
  • stem cell therapeutics In general, in order for stem cell therapeutics to be clinically applied, a certain number of cells (at least 1X10 9 cells) is required, and for this, mass culture of stem cells is essential.
  • mass culture of stem cells is essential.
  • stem cell capacity such as proliferative capacity or differentiation capacity and therapeutic efficacy.
  • production cost such as material cost and labor cost increases as the culture period becomes longer, the need for a culture method for proliferating the mesenchymal stem cells while maintaining the stem cell ability is increasing.
  • the present inventors have conducted multifaceted research to solve the above problem, and confirmed that a large number of mesenchymal stem cells with reduced aging can be obtained at an early stage while maintaining the stem cell ability of the mesenchymal stem cells. completed.
  • Another object of the present invention is to provide a method for reducing senescence of mesenchymal stem cells comprising the step of culturing the mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord.
  • Another object of the present invention is to provide the isolated cultured mesenchymal stem cells.
  • Another object of the present invention is to use the isolated cultured mesenchymal stem cells as a cell therapy agent for various diseases by itself or by transforming it.
  • the present invention provides a method for culturing mesenchymal stem cells.
  • the method comprising: initial culturing of the isolated human mesenchymal stem cells in a medium containing cord blood serum; And subculture in a medium containing fetal bovine serum; It provides a mesenchymal stem cell culture method comprising a.
  • the human mesenchymal stem cells are derived from bone marrow matrix, adipose tissue, umbilical cord, cartilage, placenta or umbilical cord blood.
  • the cord blood serum is contained in the medium in a volume ratio of 0.5% to 30%.
  • the fetal bovine serum is included in the medium in a volume ratio of 0.5% to 30%.
  • the subculture is performed until the stem cells of the 20th passage (P20) are obtained.
  • Separating the mesenchymal stem cells using a mixed enzyme solution of collagenase and hyaluronidase from the tissue isolated according to an embodiment of the present invention Initial culturing of the isolated mesenchymal stem cells in a medium containing cord blood serum; and sub-culturing the mesenchymal stem cells in a medium containing fetal bovine serum; It provides a method for reducing mesenchymal stem cell aging.
  • the isolated tissue is bone marrow matrix, adipose tissue, umbilical cord, cartilage or placenta.
  • the cord blood serum is contained in the medium in a volume ratio of 0.5% to 30%.
  • the fetal bovine serum is included in the medium in a volume ratio of 0.5% to 30%.
  • the subculture is performed until the stem cells of the 20th passage are obtained.
  • mesenchymal stem cells with reduced aging according to an embodiment of the present invention.
  • the mesenchymal stem cells are CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227, and CD326.
  • the present invention provides a cell therapy composition comprising the mesenchymal stem cells or a composition for preparing a cell therapy product.
  • the mesenchymal stem cell culture method according to the present invention while maintaining the stem cell ability of the mesenchymal stem cells, increases the cell proliferative capacity and reduces aging, so that the mesenchymal stem cells with reduced aging can be obtained.
  • the mesenchymal stem cells of the present invention can be used as a cell therapy composition for various diseases or a composition for preparing a cell therapy agent.
  • 1 and 2 are results of analysis of the separation yield and initial culture yield (7-day culture) according to the method for isolating mesenchymal stem cells from the tissue and the initial culture method.
  • FIG. 3 and 4 are the results of analysis of stem cell capacity and cell proliferation capacity during subculture of isolated mesenchymal stem cells
  • FIG. 5 is the analysis result of cell surface markers of cultured mesenchymal stem cells.
  • FIG. 6 is a measurement result of the differentiation capacity of cultured mesenchymal stem cells
  • FIG. 7 is a measurement result of the degree of aging.
  • stem cell refers to a cell having the ability to differentiate into two or more types of cells while having self-replication ability, and the stem cell is an adult stem cell, a pluripotent stem cell, an induced pluripotent stem. It includes all types of stem cells, such as cells or embryonic stem cells. Embryonic stem cells are useful as cell therapy agents because they can differentiate into all types of cells, but there are problems in ethics for humans and safety that they can develop into cancer during transplantation.
  • the “adult stem cells” are bone marrow stem cells in an undifferentiated state that can self-renew and can differentiate into various tissue cells such as adipocytes, osteoblasts, chondrocytes, cardiac cells, hepatocytes, and nerve cells.
  • a representative example is bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSC). Bone marrow-derived mesenchymal stem cells are used not only for tissue regeneration of the heart, bone, cartilage, etc., but also as a tool to increase engraftment after transplantation of hematopoietic stem cells (HSC) in clinical practice.
  • HSC hematopoietic stem cells
  • Bone marrow is the most well-known source of mesenchymal stem cells, and as the donor age increases, the number and proliferative capacity of stem cells decreases, and pain is involved in collecting the bone marrow. Accordingly, recently, mesenchymal stem cells, which can be obtained from various tissues including the umbilical cord, fat, and umbilical cord blood, are attracting attention as a source of new cell therapy products.
  • mesenchymal stem cells refers to mesenchymal-derived pluripotent progenitor cells before differentiation into cells of specific organs, such as bone, cartilage, fat, tendon, nerve tissue, fibroblasts, and muscle cells.
  • the mesenchymal stem cells are contained in the composition in an undifferentiated state.
  • the mesenchymal stem cells of the present invention are human umbilical cord, umbilical cord blood, placenta, adipose tissue, bone marrow, tonsil, human embryonic yolk sac, umbilical cord, skin, peripheral blood, muscle, liver, nerve tissue, periosteum , fetal membrane, synovial membrane, synovial fluid, amniotic membrane, meniscus, anterior cruciate ligament, articular chondrocytes, baby teeth, perivascular cells, trabecular bone, subpatellar fat mass, spleen, and thymus.
  • it may be derived from at least one selected from the group consisting of human umbilical cord, umbilical cord blood, placenta, fat, bone marrow and tonsils, and human umbilical cord, umbilical cord (umbilical cord), umbilical cord blood), or adipose tissue (adipose tissue), but the origin is not limited thereto.
  • umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells are known as useful cells for allogeneic transplantation because they are easy to obtain, have a high engraftment rate and have little immune rejection, and are widely used in actual transplantation.
  • the amount of cells that can be obtained is small, there is a problem that when an adult transplants umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells, there must be two or more donors. Reflecting this, attempts have been made to increase the number of mesenchymal stem cells isolated from tissues by culturing them.
  • mesenchymal stem cells from easily obtainable tissues such as umbilical cord, placenta, and fat rather than umbilical cord blood to secure the number of mesenchymal stem cells required for transplantation.
  • Cell culture is still not utilized due to the above-mentioned problems, and even if cultured mesenchymal stem cells are used, only initially passaged cells can be used.
  • the present invention provides a method for culturing mesenchymal stem cells in order to sufficiently secure the number of separated mesenchymal stem cells after isolating the mesenchymal stem cells from the tissue.
  • the mesenchymal stem cells are preferably derived from humans, but may also be derived from fetuses or other mammals other than humans.
  • the mammals other than humans may be canines, felines, monkeys, cattle, sheep, pigs, horses, rats, mice or guinea pigs, and the origin is not limited thereto.
  • the mesenchymal stem cells according to an embodiment of the present invention include mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord.
  • the mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord include all stem cells isolated from the umbilical cord, and the umbilical cord may mean a line connecting the mother and the embryo so that a mammalian fetus can grow in the placenta, in general, Wharton's Jelly ( Wharton's Jelly) refers to a tissue composed of three blood vessels, namely, two umbilical arteries and one umbilical vein.
  • collagenase When separating mesenchymal stem cells from the umbilical cord, collagenase is traditionally treated to isolate connective tissue, but in the present invention, collagenase and hyaluroninase were simultaneously treated.
  • Collagenase is an enzyme that hydrolyzes collagen or gelatin
  • hyaluronidase is an enzyme that hydrolyzes hyaluronic acid.
  • the enzyme used to separate the connective tissue in the mesenchymal stem cell separation is not limited thereto, and dispase capable of decomposing fibronectin and collagen, etc., or trypsin, etc.
  • the enzyme used for separation can be used.
  • the method for culturing mesenchymal stem cells includes two steps of initial culture (P0) and subculture.
  • Primary Culture is to isolate cells from a tissue and culture them for the first time. Since mesenchymal stem cells are adherent culture-based cells, the nutrient medium can be exchanged if necessary in the initial culture, but the culture vessel is not. In the present invention, mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord are first cultured in an incubator.
  • “Initial yield” is the number of cells proliferated by an initial culture. In the present invention, it is the number of cells when the mesenchymal stem cells isolated from the initially cultured umbilical cord are initially cultured.
  • Subculture is to change the existing cultured cells to a new culture vessel to proliferate and maintain. Since the mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord, the cells of the present invention, are adherent culture-based cells, they are removed from the culture vessel by treatment with enzymes such as trypsin, and then transferred to a new culture vessel and subcultured.
  • the mesenchymal stem cells isolated from the umbilical cord are initially cultured (P0) in a culture medium contained in umbilical cord blood serum (UCBS).
  • the cord blood serum is the serum of cord blood present in the umbilical cord during delivery, and is included in the medium in a volume ratio of 0.5% to 30%, 0.5% to 20%, 0.5% to 10%, or 0.5% to 5%.
  • cord blood serum may be included in the culture medium in a volume ratio of 0.5%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, or 30% during initial culture.
  • Mesenchymal stem cells initially cultured in a medium containing umbilical cord blood serum show an initial yield of 5 times or more after 7 days of culture compared to mesenchymal stem cells initially cultured in a medium containing fetal bovine serum.
  • the medium used for culturing the mesenchymal stem cells refers to a culture medium that can support stem cell growth and survival in in vitro culture conditions, and includes all of the conventional media used in the field suitable for culturing stem cells.
  • the medium and culture conditions can be selected according to the type of cell.
  • the medium used for culture is DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, aMEM (a-modified Minimum Essential Media), GMEM ( Glasgow's Minimal essential Medium), or IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium), etc., but are not necessarily limited thereto.
  • the present invention is based on aMEM used for cell culture in the industry.
  • antibiotics In addition, it is preferable to use antibiotics, antifungals, and substances commonly used in the industry for preventing the growth of mycoplasma causing contamination to prevent infections such as bacteria and fungi.
  • Antibiotics such as penicillin-streptomycin are all commonly used antibiotics for cell culture, alporericin B as an antifungal agent, and gentamicin, ciproflolsacin, or azithromycin as mycoplasma inhibitors are generally available. It is preferable to use a used material.
  • the initially cultured mesenchymal stem cells contain 0.5% to 30%, 0.5% to 30%, 0.5% to 20%, 0.5% to 10%, 0.5% to 5% of fetal bovine serum by volume. Subculture using the included medium until the desired number of cells is obtained. In addition, fetal bovine serum may be included in the culture medium in a volume ratio of 0.5%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% or 30% during subculture. As in the initial culture medium, antibiotics and antifungal agents may be additionally included to prevent contamination.
  • Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells like general somatic cells, are known to exhibit characteristic changes such as a decrease in proliferation rate and a decrease in differentiation capacity as the number of passages increases during in vitro culture. Also, in the latter period of subculture, the length of the mean telomere restriction fragment (mTRF) decreases, the number of cells stained with senescence-associated ⁇ -galactosidase (SA ⁇ -gal) increases, and genes and proteins related to cell growth and proliferation and cell cycle. Expression changes were reported.
  • mTRF mean telomere restriction fragment
  • SA ⁇ -gal senescence-associated ⁇ -galactosidase
  • mesenchymal stem cells isolated from the right cells were subcultured in a medium containing fetal bovine serum and proliferated, they started to show a partial morphological change from the p7 passage, and almost all the cells showed a broad and flattened shape at p10. reported to be visible. In addition, it has been reported that the number of cell divisions becomes slower as the number of passages increases.
  • the present invention provides an initial culturing step of culturing mesenchymal stem cells in a medium containing cord blood serum; And subculture in a medium containing fetal bovine serum; It relates to a method for culturing mesenchymal stem cells comprising a, and unlike culturing using conventional fetal bovine serum, after initial culture in a medium containing umbilical cord blood serum, it is characterized by changing to fetal bovine serum in the next subculture step.
  • the mesenchymal stem cells initially cultured in the medium containing the umbilical cord blood serum have a higher stem cell capacity than the mesenchymal stem cells initially cultured in the medium containing the fetal bovine serum, as well as doubling of the cells for each passage.
  • the doubling time was shortened by more than 10 hours on average, and the differentiation ability into mesenchymal cells was increased compared to the mesenchymal stem cells initially cultured in the medium containing fetal bovine serum (adipocyte differentiation, osteoblast differentiation, and chondrocyte differentiation). differentiation).
  • mesenchymal stem cells initially cultured in a medium containing umbilical cord blood serum compared to mesenchymal stem cells initially cultured in a medium containing fetal bovine serum senescence-associated ⁇ -galactosidase (SA ⁇ -gal)
  • SA ⁇ -gal fetal bovine serum senescence-associated ⁇ -galactosidase
  • the cultured mesenchymal stem cells not only express CD73, CD90, CD105, CD166, and CD44, which are mesenchymal stem cell surface markers determined by the International Society for Cellular Therapy (ISCT). Rather, the expression of one or more cell surface markers among CD27, CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227, and CD326 is increased compared to the mesenchymal stem cells cultured by the conventional method.
  • ISCT International Society for Cellular Therapy
  • CD49e and CD105 cell surface markers decreases when the mesenchymal stem cells isolated from the proper are subcultured and proliferated in a medium containing fetal bovine serum.
  • IQGAP2 IQ Motif Containing GTPase Activating Protein 2
  • the mesenchymal stem cells according to an embodiment of the present invention have increased gene transfer efficiency compared to mesenchymal stem cells proliferated by subculture in a medium containing fetal bovine serum.
  • the mesenchymal stem cells of the present invention can be differentiated into desired mesenchymal cells such as chondrocytes and used as a cell therapy agent, and the gene of interest is directly introduced into the mesenchymal stem cells to correct the gene of a problematic patient. It can be used as a carrier for cell therapy.
  • the culture method of the present invention can be applied during the initial culture or subculture of stem cells. Since the proliferation of stem cells is promoted when the stem cells are initially cultured in the method of the present invention, there is an advantage in that a large number of stem cells can be obtained even with a small number of subcultures.
  • the mesenchymal stem cells obtained through the culture method of the present invention have no immunogenicity and do not induce an immune response, as well as have reduced aging and high differentiation potential, so they can be effectively used as a cell therapy for humans.
  • the present invention provides mesenchymal stem cells with reduced aging as well as improved proliferative power, viability, recovery rate, etc. obtained by the above culture method.
  • the present invention provides a cell therapy product comprising the mesenchymal stem cells themselves obtained by the above culture method or the differentiated cells differentiated into the desired mesenchymal cells.
  • the cell therapeutic agent of the present invention can be used for regeneration or protection of adipocytes, osteoblasts, chondrocytes, muscle cells, nerve cells, cardiomyocytes, hepatocytes, islet beta cells, vascular cells or lung cells.
  • the mesenchymal stem cell of the present invention since the mesenchymal stem cell of the present invention has increased gene transfer efficiency, it can be used as a cell therapy vehicle for correcting the gene of a patient with a problem by directly introducing a desired gene into the mesenchymal stem cell.
  • Umbilical cord-derived mesenchymal stem cells were isolated using the method of Peng et al. (Brain Research Bulletin, 84 (2011) 235-243). Specifically, the umbilical cord was washed several times with PBS (Phosphate Buffered Saline), cut to a length of 3 to 4 cm, and the blood vessels and amniotic membrane were removed and then crushed using scissors. The pulverized tissue was treated with collagenase at a temperature of 37 o C for 60 minutes to separate cells. After the enzyme reaction was stopped by treatment with fetal bovine serum (FBS; Fetal Bovine Serum), the enzyme reaction solution was centrifuged at 1,000 g for 10 minutes at room temperature to obtain cells.
  • FBS Fetal Bovine Serum
  • the obtained mesenchymal stem cells were washed with serum-free aMEM (a-modified Minimum Essential Media) medium, and then aMEM medium containing FBS was added to count 50,000 to 100,000 cells per cm 2 , and the initial culture (P0) was performed. carried out.
  • aMEM a-modified Minimum Essential Media
  • the attached cells are suspended using 0.25% trypsin. After the cells obtained by floating were washed with serum-free aMEM medium, the cells were counted at 3,000 to 5,000 cells per cm 2 by adding aMEM medium containing FBS to perform subculture (P1).
  • Example 1 Isolation and initial culture of umbilical cord tissue-derived mesenchymal stem cells (P0)
  • mesenchymal stem cells were prepared in the same manner except for treating a mixture of collagenase and hyaluronidase (collagenase + hyaluronidase mixture) instead of collagenase when separating mesenchymal stem cells from umbilical cord tissue. obtained.
  • the obtained mesenchymal stem cells were washed with serum-free aMEM (a-modified Minimum Essential Media) medium, and then aMEM medium containing umbilical cord blood serum (UCBS) was added to 50,000 to 100,000 per cm 2 .
  • An initial culture (P0) was performed by counting the cells.
  • the attached cells are suspended using trypsin. After the cells obtained by floating were washed with serum-free aMEM medium, the cells were counted at 3,000 to 5,000 cells per cm 2 by adding aMEM medium containing FBS to perform subculture (P1).
  • Example 1 The separation yield of the mesenchymal stem cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed. As shown in FIG. 1 , when a mixed solution of collagenase and hyaluronidase was used compared to the use of collagenase alone when separating mesenchymal stem cells from umbilical cord tissue, a stem cell yield increased by 1.5 times or more compared to the same tissue weight was obtained.
  • FIG. 2A colony formation was promoted when UCBS was used instead of FBS during initial culture by isolating mesenchymal stem cells from umbilical cord tissue, and the yield of mesenchymal stem cells increased by more than 5 times after 7 days of initial culture. was confirmed (FIG. 2B).
  • Example 1 The mesenchymal stem cells isolated in Example 1 were subjected to cell surface marker analysis to confirm that the properties of the mesenchymal stem cells are maintained even after subculture in a medium containing FBS.
  • mesenchymal stem cell-specific cell surface markers CD90, CD105, CD73, CD166 and CD44
  • ISCT International Society for Cellular Therapy
  • Example 1 the mesenchymal stem cells isolated in Example 1 still maintained the phenotype of the mesenchymal stem cells despite subculture.
  • Example 1 The mesenchymal stem cells isolated in Example 1 and the mesenchymal stem cells isolated in Comparative Example 1 were each subcultured in aMEM medium containing FBS at P4, and then each mesenchymal stem cell was transformed into a typical mesenchymal cell, adipocyte. , osteoblasts and chondrocytes were analyzed for differentiation ability when differentiated using a differentiation medium.
  • StemPro Adipogenesis Differentiation Kit was used for adipocyte differentiation
  • StemPro Osteogenesis Differentiation Kit was used for osteoblast differentiation
  • BMP-6, TGF ⁇ 3, ITS (Insulin-transferrin-selenium), and dexamethasone were used in DMEM medium for chondrocyte differentiation.
  • a medium containing ascorbic acid, L-proline, and sodium pyruvate was used.
  • Adipocytes were stained with oil-red O, osteoblasts were stained with Alizarin red S, and chondrocytes were stained with Safranin-O, and the results are shown in FIG. 6 .
  • adipocytes react with PPAR ⁇ (Peroxisome Proliferator-Activated Receptor gamma), osteoblasts with RUNX2 (Runt-Related Transcription Factor 2), and chondrocytes with Col2A1 (Collagen Type II Alpha 1 Chain) reverse transcriptase reaction (RT- PCR) technique was used to analyze the gene expression level, and the results are shown in FIG. 6 .
  • PPAR ⁇ Peroxisome Proliferator-Activated Receptor gamma
  • RUNX2 Raster-Related Transcription Factor 2
  • Col2A1 Collagen Type II Alpha 1 Chain reverse transcriptase reaction
  • the mesenchymal stem cells of Example 1 had an increased ability to differentiate into adipocytes, osteoblasts, and chondrocytes by 1.5 times or more compared to the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1.
  • the mesenchymal stem cells of Example 1 increased the expression of genes related to differentiation ability into adipocytes, osteoblasts and chondrocytes by 1.5 times or more compared to the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1.
  • ⁇ -gal known to be overexpressed or accumulated in senescent cells while subculturing the mesenchymal stem cells of Example 1 and Comparative Example 1 (P3, P6, P9, P15) to analyze the degree of senescence of the isolated mesenchymal stem cells
  • the amount of lactosidase ( ⁇ -galactosidase) expression was analyzed.
  • lactosidase ⁇ -galactosidase
  • the SA ⁇ -gal assay kit (cell signaling) was used, and the experiment was performed according to the manufacturer's manual.
  • the number of aged cells ( ⁇ -gal positive; green) per cell group was measured and graphed through microscopic imaging, and the results are shown in FIG. 7A .
  • Example 1 the mesenchymal stem cells of Example 1 have reduced aging compared to the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1.
  • the expression levels of CD227, CD326, CD27, CD62e are at least two times higher than that of the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1.
  • the expression of IQGAP2 and PTPRN which are genes related to cell adhesion and migration, was increased more than double that of Comparative Example 1, which showed a similar expression pattern to the previously analyzed cell surface markers.
  • the expression of senescence-related genes, IRF6 and FMN2 was decreased compared to that of the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1 compared to those of Comparative Example 1. of the mesenchymal stem cells is a result consistent with the result of reduced aging compared to that of Comparative Example 1.
  • the GFP expression vector encoding the GFP gene was transfected into the mesenchymal stem cells of Example 1 and Comparative Example 1 of P4, P5, P6 passages. Therefore, the transfection efficiency was calculated as the cells expressing the GFP protein compared to the total cells.
  • Example 1 had higher transfection efficiency than the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1 at passages P4 and P5 ( FIG. 9 ).
  • the mesenchymal stem cells of Example 1 have increased gene transfer efficiency compared to the mesenchymal stem cells of Comparative Example 1, the desired gene is directly introduced into the mesenchymal stem cells to correct the gene of the patient It can be used as a carrier for cell therapy for

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Abstract

본 발명은 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양한 후, 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 것을 포함하는 중간엽 줄기세포 배양방법을 제공한다. 본 발명에 따른 중간엽 줄기세포의 배양방법은 줄기세포의 분화 및 노화가 감소됨으로써 줄기세포성을 유지할 수 있고, 특히 현저하게 높은 증식율을 달성할 수 있다.

Description

노화가 감소되고 줄기세포능이 보존된 초기 중간엽 줄기세포, 및 그 배양방법
본 출원은 2020년 11월 11일자 한국 특허 출원 제10-2020-0150504호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함한다.
본 발명은 노화가 감소되고, 줄기세포능이 보존된 초기 중간엽 줄기세포 및 그 배양방법에 관한 것이다.
줄기세포는 다양한 세포로 분화할 수 있고, 이러한 줄기세포의 특성을 이용한 세포치료법의 활용가능성에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 다분화능이 있는 배아줄기세포는 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력때문에 세포치료제로 주목받았지만, 안전성 및 윤리적 문제로 실제 활용되기에는 어려움이 있다.
이러한 안전성 및 윤리적인 문제를 회피하기 위하여 많은 연구자들은 배아줄기세포의 대안으로 성체줄기세포에 관심을 가지게 되었다. 성체 줄기세포는 미분화 상태로 자가 증식하고 다양한 종류의 세포로 다중 분화될 수 있는 세포로서, 가장 먼저 알려진 것은 골수에서 유래한 골수줄기세포(bone marrow stem cells, BMSCs)이나, 이후 탯줄, 혈액, 지방 등 우리 몸의 다양한 부위에 존재한다는 것이 알려져 있다.
이들 성체줄기세포 중 높은 자기복제능력과 더불어 다양한 조직으로 분화할 수 있는 중간엽 줄기세포를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 성체줄기세포는 증식율이 낮기 때문에, 한 조직에서 얻을 수 있는 세포의 수가 한정적이라는 문제가 있다. 일반적으로 골수 유래의 성체줄기세포는 그 분리 과정에서 공여자에게 고통을 야기할 뿐 아니라, 한번에 얻을 수 있는 세포의 수가 제한적이며, 실제 분리된 성체줄기세포의 분화능도 제한적이어서, 골수 이식 등의 제한된 경우에 주로 사용된다.
다른 종류의 성체줄기세포들, 즉 제대혈이나 지방줄기세포는 상대적으로 세포를 얻기는 쉬우나 골수 유래 성체줄기세포와 마찬가지로 한번에 얻을 수 있는 세포의 수 및 분화능이 제한적이다.
일반적으로 줄기세포 치료제가 임상에 적용되기 위해서는 일정 수준 이상의 세포 수(최소 1X109 cells)가 필요하고, 이를 위해서는 줄기세포의 대량 배양이 필수적이다. 하지만, 줄기세포의 배양 기간이 길어질수록 필연적으로 줄기세포의 노화가 발생되고, 이는 증식능 또는 분화능과 같은 줄기세포능과 치료 효능의 감소로 이어진다. 또한, 배양 기간이 길어짐에 따라 재료비, 인건비 등의 생산원가가 높아지는 단점이 있기 때문에 중간엽 줄기세포의 줄기세포능을 유지한 채로 증식시키는 배양 방법에 대한 필요성이 증대되고 있다.
[특허문헌]
1. 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0065338호 (공개일: 2010. 6. 16.) 인간 또는 동물 배아에서 중간엽 줄기세포를 추출 및 그 분비물을 추출하는 방법.
2. 중국 등록특허공보 제102127522호(등록일 2012. 11. 21.) 사람 탯줄 중간엽 줄기세포 및 그 제조방법.
[비특허문헌]
1. 박세아 등 '탯줄유래 줄기세포의 계대 배양에 따른 특성 변화의 분석' 대한생식의학회지, 2009, 36(1) 23-34.
2. Wagner 등 'Replicative senescence of mesenchymal stem cells: a continuous and organized process' PLOS ONE 2008, 3, e2213.
3. Izadpanah 등 'Long-term in vitro expansion alters the biology of adult mesenchymal stem cells' Cancer Research, 2008, 68, 4229-4238.
이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과 중간엽 줄기세포의 줄기세포능을 유지하면서도 노화가 감소된 많은 수의 중간엽 줄기세포를 초기에 얻을 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 중간엽 줄기세포의 배양 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 제대(umbilical cord) 유래의 중간엽 줄기세포를 분리하여 이를 배양하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제대(umbilical cord)에서 분리한 중간엽 줄기세포를 배양하는 단계를 포함하는 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분리 배양된 중간엽 줄기세포를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분리 배양된 중간엽 줄기세포를 그 자체 또는 형질전환시켜 다양한 질환에 대한 세포치료제로 이용하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 중간엽 줄기세포 배양 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따라, 분리된 인간 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양하는 단계; 및 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 단계; 를 포함하는 중간엽 줄기세포 배양 방법을 제공한다.
상기 인간 중간엽 줄기세포의 유래는 골수의 기질, 지방 조직, 탯줄, 연골, 태반 또는 제대혈 유래이다.
상기 제대혈 혈청은 0.5% 내지 30%의 부피비로 배지에 포함된다.
상기 우태아 혈청은 0.5% 내지 30%의 부피비로 배지에 포함된다.
상기 계대 배양은 제20계대(P20)의 줄기세포를 얻을 때까지 수행한다. 본 발명의 일 구현예에 따라 분리된 조직에서 콜라게나제(collagenase) 및 히알루니다제(hyaluronidase)의 혼합 효소액을 이용하여 중간엽 줄기세포를 분리하는 단계; 분리된 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양하는 단계; 및 중간엽 줄기세포를 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 단계를 포함하는; 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법을 제공한다.
상기 분리된 조직은 골수의 기질, 지방 조직, 탯줄, 연골 또는 태반이다.
상기 제대혈 혈청은 0.5% 내지 30%의 부피비로 배지에 포함된다.
상기 우태아 혈청은 0.5% 내지 30%의 부피비로 배지에 포함된다.
상기 계대 배양은 제20계대의 줄기세포를 얻을 때까지 수행한다.
본 발명의 일 구현예에 따라 노화가 감소된 중간엽 줄기세포를 제공한다.
상기 중간엽 줄기세포는 국제 줄기세포 위원회(International Society for Cellular Therapy, ISCT)에서 정한 중간엽 줄기세포 표면마커인 CD73, CD90, CD105, CD166, CD44외에도 CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227, 및 CD326 중 하나 이상의 세포 표면 마커를 발현한다.
아울러 본 발명은 상기 중간엽 줄기세포를 포함하는 세포치료제 조성물 또는 세포치료제 제조용 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 중간엽 줄기세포 배양방법은 중간엽 줄기세포의 줄기세포능은 유지하면서도, 세포 증식능은 높이며, 노화를 감소시키기 때문에, 노화가 감소된 중간엽 줄기세포를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 중간엽 줄기세포는 다양한 질환에 대한 세포치료제 조성물 또는 세포치료제 제조용 조성물로 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 조직에서 중간엽 줄기세포 분리 방법 및 초기 배양 방법에 따른 분리 수율 및 초기 배양 수율(7일 배양)을 분석한 결과이다.
도 3 및 도 4는 분리된 중간엽 줄기세포의 계대 배양시 줄기세포능 및 세포 증식능 분석 결과이고, 도 5는 배양된 중간엽 줄기세포의 세포 표면 마커 분석 결과이다.
도 6은 배양된 중간엽 줄기세포의 분화능 측정 결과이고, 도 7은 노화정도 측정결과이다.
도 8은 배양된 중간엽 줄기세포의 세포 표면 마커 및 유전자 발현 분석결과이다.
도 9는 배양된 중간엽 줄기세포의 유전자 도입 효율 분석 결과이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용하는 용어 "줄기세포(stem cell)"란 자기 복제 능력을 가지면서 두 종 이상의 세포로 분화하는 능력을 갖는 세포를 말하며, 상기 줄기세포는 성체줄기세포, 만능줄기세포, 유도만능줄기세포 또는 배아줄기세 포 등 모든 종류의 줄기세포를 포함한다. 배아줄기세포는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있어 세포치료제로서 유용하지만, 인간에 대한 윤리성 및 이식 시 암으로 발전될 수 있다는 안전성의 문제가 있다.
상기 "성체 줄기세포"는 자가증식(self-renewal)할 수 있으며 지방세포, 조골세포, 연골세포, 심장세포, 간세 포, 신경세포 등 다양한 조직세포로 분화할 수 있는 미분화 상태의 줄기세포로서 골수유래 중간엽 줄기세포(bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BM-MSC)가 그 대표적 예이다. 골수유래 중간엽 줄기세포는 심장, 골, 연골 등의 조직 재생을 위한 뿐만이 아니라 임상에서 조혈 모세포(hematopoietic stem cells, HSC)의 이식 후 생착(engraftment)을 증가시키기 위한 도구로도 이용되고 있다. 중간엽 줄기세포의 공급원으로는 골수가 가장 잘 알려져 있는데 제공자의 나이가 증가함에 따라 줄기세포의 수 및 증식 능력이 감소하며, 골수를 채취하기 위해서는 고통이 수반된다. 이에 따라 최근에는 탯줄, 지방, 제대혈 등을 포함한 다양한 조직 등으로부터 얻을 수 있는 중간엽 줄기세포가 새로운 세포치료제의 공급원으로 관심을 끌고 있다.
본 발명에서 용어 "중간엽 줄기세포"는 뼈, 연골, 지방, 힘줄, 신경 조직, 섬유아세포 및 근육 세포 등 구체적인 장기의 세포로 분화되기 전의 중간엽 유래의 만능 전구 세포를 말한다. 본 발명에서 중간엽 줄기세포는 분화되지 않은 상태로 조성물 중에 함유된다. 본 발명의 중간엽 줄기세포는 인간 탯줄(umbilical cord), 제대혈, 태반, 지방 조직, 골수, 편도, 인간의 배낭(embryonic yolk sac), 제대, 피부, 말초혈액, 근육, 간, 신경 조직, 골막, 태아막, 활액막, 활액, 양막, 반월상연골, 전십자 인대, 관절 연골세포, 유치, 혈관주위세포, 지주 골, 슬개골하 지방괴, 비장 및 흉선 등에서 유래할 수 있다. 바람직하게는 인간 탯줄(umbilical cord), 제대혈, 태반, 지방, 골수 및 편도로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로부터 유래할 수 있고, 인간 탯줄(umbilical cord), 제대(umbilical cord), 제대혈(umbilical cord blood), 또는 지방 조직(adipose tissue)에서 유래하지만, 그 유래를 제한하지 않는다.
중간엽 줄기세포 중에서 제대혈 유래 중간엽 줄기세포는 얻기 쉽고, 높은 생착률과 면역거부 반응이 적어 동종간 이식에 유용한 세포로 알려져 있고, 실제 이식에 많이 이용되고 있다. 하지만, 얻을 수 있는 세포의 양이 적어 성인이 제대혈 유래 중간엽 줄기세포를 이식하는 경우 공여자가 2명 이상이어야 하는 문제점이 있었다. 이를 반영하여 조직에서 분리한 중간엽 줄기세포는 배양하여 세포 수를 늘리려는 시도가 있어 왔다.
하지만, 분리된 중간엽 줄기세포의 배양은 in vitro 상태에서 이루어지므로, 배양 과정에서 바이러스, 박테리아 등의 감염, 계대 배양을 통한 세포 노화, 원치 않는 계열로의 분화, 배양을 위한 비용 등으로 실제 제대혈에서 얻은 중간엽 줄기세포의 배양을 통한 세포 증식은 활용되지 않았다.
따라서, 최근에는 이식에 필요한 중간엽 줄기세포의 수를 확보하기 위해 제대혈보다 탯줄, 태반, 지방 등의 쉽게 얻을 수 있는 조직에서 중간엽 줄기세포를 분리하여 이용하려는 시도가 있었으나, 분리된 중간엽 줄기세포의 배양은 앞서 언급한 문제점으로 인해 여전히 활용되지 않고 있고, 설사 배양된 중간엽 줄기세포를 이용하더라도 초기 계대 배양된 세포만이 사용될 수 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는 조직에서 중간엽 줄기세포를 분리한 후, 분리된 중간엽 줄기세포의 수를 충분히 확보할 수 있기 위한 중간엽 줄기세포의 배양방법을 제공한다.
상기 중간엽 줄기세포는 바람직하게는 인간으로부터 유래하지만, 태아 또는 인간을 제외한 다른 포유동물로부터 유래될 수도 있다. 상기 인간을 제외한 다른 포유동물은 개과 동물, 고양이과 동물, 원숭이과 동물, 소, 양, 돼지, 말, 랫트, 마우스 또는 기니피그 등일 수 있으며, 그 유래를 제한하지 않는다.
본 발명의 일 구현예에 따른 중간엽 줄기세포는 제대(umbilical cord)에서 분리된 중간엽 줄기세포를 포함한다.
상기 제대에서 분리된 중간엽 줄기세포는 제대로부터 분리된 줄기세포를 모두 포함하며, 제대는 포유류의 태아가 태반에서 성장할 수 있도록 모체와 배를 연결해주는 줄을 의미할 수 있으며, 일반적으로 와튼 젤리(Wharton's Jelly)로 둘러싸인 3개의 혈관, 즉 2개의 배꼽 동맥과 1개의 배꼽 정맥으로 구성된 조직을 의미한다.
상기 제대에서 중간엽 줄기세포를 분리할 때 결합조직을 분리하기 위해 전통적으로는 콜라게나제를 처리하지만, 본 발명에서는 콜라게나제 및 히알루로니나제를 동시에 처리하였다. 콜라게나제는 콜라겐이나 젤라틴을 가수분해하는 효소이고, 히알루로니다제는 히알루론산을 가수분해하는 효소로서 이들 효소 처리를 통해 제대의 결합 조직에서 높은 비율로 존재하는 결합조직을 분해함으로써 중간엽 줄기세포를 효율적으로 분리할 수 있다.
하지만, 상기 중간엽 줄기세포 분리에서 결합조직을 분리하기 위해 사용하는 효소는 이에 제한되지는 않고, 피브로넥틴과 콜라겐 등을 분해할 수 있는 디스파제(dispase), 또는 트립신(trypsin) 등 통상적으로 세포를 분리할 때 사용되는 효소를 사용할 수 있다.
상기 제대에서 중간엽 줄기세포를 분리하는 과정에서 콜라게나제 단독 사용보다 콜라게나제 및 히알루로니다제 동시 사용이 1.5배 이상 높은 중간엽 줄기세포 수율을 보였다.
본 발명의 일 구현예에 따른 중간엽 줄기세포의 배양 방법은 초기 배양(P0) 및 계대 배양의 두 단계를 포함한다.
"초기 배양(Primary Culture)"은 조직에서 세포를 분리하여 최초로 배양하는 것이다. 중간엽 줄기세포는 접착 배양계 세포이므로, 초기 배양에서는 필요한 경우 영양배지는 교환할 수 있지만, 배양용기는 교환하지 않는다. 본 발명에서는 탯줄에서 분리된 중간엽 줄기세포를 최초로 배양기에서 배양하는 것이다.
"초기 수율"은 초기 배양에 의해 증식되는 세포의 수이다. 본 발명에서는 초기 배양된 탯줄에서 분리된 중간엽 줄기세포를 초기 배양하였을 때의 세포 수이다.
"계대 배양(subculture)"은 기존의 배양되던 세포를 새로운 배양용기로 바꾸어 증식 및 유지하는 것이다. 본 발명의 세포인 탯줄에서 분리된 중간엽 줄기세포는 접착 배양계 세포이므로, 트립신 등의 효소를 처리하여 배양용기에서 떼어낸 후 새로운 배양용기에 옮겨 계대 배양한다.
상기 제대에서 분리된 중간엽 줄기세포는 제대혈 혈청(umbilical cord blood serum; UCBS)에 포함된 배양배지에서 초기 배양(P0)된다. 상기 제대혈 혈청은 분만 시 제대에 존재하는 제대혈의 혈청으로서, 0.5% 내지 30%, 0.5% 내지 20%, 0.5% 내지 10%, 또는 0.5% 내지 5%의 부피비로 배지에 포함된다. 또한, 제대혈 혈청은 초기 배양시 배양 배지에 0.5%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 또는 30%의 부피비로 포함될 수 있다.
제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포는 우태아 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포에 비해 7일 배양 후 5배 이상의 초기수율을 보인다.
중간엽 줄기세포의 배양에 사용되는 배지는 체외 배양 조건에서 줄기세포 성장 및 생존을 지지할 수 있게 하는 배양액을 의미하고, 줄기세포의 배양에 적절한 해당 분야에서 사용되는 통상의 배지를 모두 포함한다. 또한, 세포의 종류에 따라 배지와 배양 조건을 선택할 수 있다. 배양에 사용되는 배지는 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM(Minimal essential Medium), BME(Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, aMEM(a-modified Minimum Essential Media), GMEM(Glasgow's Minimal essential Medium), 또는 IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Medium) 등이 있지만, 반드시 이에 제한되지 않는데. 본 발명에서는 해당 업계에서 세포배양에 사용되는 aMEM을 기본으로 한다.
추가적으로, 박테리아, 곰팡이 등의 감염을 막기 위해 항생제, 항진균제 및 오염을 야기하는 마이코플라스마의 성장을 예방하는 해당 업계에서 일반적으로 사용하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 항생제로는 페니실린-스트렙토마이신 등 통상적으로 세포배양에 사용되는 항생제 모두 이용 가능하며, 항진균제로는 알포레리신 B, 마이코플라즈마 억제제로는 젠타마이신, 시프로플롤사신, 또는 아지트로마이신 등의 일반적으로 사용하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 초기 배양된 중간엽 줄기세포는 우태아 혈청(fetal bovine serum)이 0.5% 내지 30%, 0.5% 내지 30%, 0.5% 내지 20%, 0.5% 내지 10%, 0.5% 내지 5%의 부피비로 포함된 배지를 이용하여 목적하는 세포 수를 얻을 때까지 계대 배양한다. 또한, 우태아 혈청은 계대 배양시 배양 배지에 0.5%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 또는 30%의 부피비로 포함될 수 있다. 초기 배양 배지와 마찬가지로 오염을 막기 위해 항생제, 항진균제를 추가적으로 포함할 수 있다.
기존에 조직에서 얻을 수 있는 중간엽 줄기세포의 수가 적음에도 불구하고 세포 배양을 하지 않은 이유 중 하나가 계대 배양을 통한 세포 노화이다.
사람의 골수유래 중간엽 줄기세포는 일반 체세포와 마찬가지로 체외 배양 시 계대 배양 횟수가 증가함에 따라 증식률이 감소하며 분화 능력이 감소되는 등의 특성 변화가 나타난다고 알려져 있다. 또한 계대 배양 후반 시기에는 mean telomere restriction fragment(mTRF) 길이가 감소하며 senescence-associated β-galactosidase(SA β-gal)로 염색되는 세포 수가 증가하고, 세포의 성장과 증식 그리고 세포 주기와 관련된 유전자 및 단백질 발현 변화가 보고되었다. 또한, 제대로부터 분리된 중간엽 줄기세포를 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하여 증식하였을 때, p7 계대에서부터 부분적인 형태 변화를 나타내기 시작하고, p10에서는 거의 모든 세포들이 넓고 평평해진 모양을 보인다고 보고되어 있다. 또한, 계대 배양 횟수가 늘어남에 따라 세포 분열 횟수가 느려진다고 보고된 바 있다.
하지만, 본 발명은 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 배양하는 초기 배양 단계; 및 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 단계; 를 포함하는 중간엽 줄기세포의 배양방법에 관한 것으로 종래 우태아 혈청을 사용하여 배양하는 것과는 달리, 제대혈 혈청을 포함하는 배지에서 초기 배양 후, 다음 계대 배양 단계에서 우태아 혈청으로 바꾼 특징이 있다.
상기 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포가 우태아 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포에 비해 줄기세포능이 더 높을 뿐 아니라, 각 계대별로 세포가 두배로 증식하는 시간(doubling time)이 평균 10시간 이상 짧아지고, 중간엽 세포로의 분화능이 우태아 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포에 비해 증가하였다(지방세포 분화, 조골세포 분화 및 연골세포 분화).
추가적으로 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포가 우태아 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양된 중간엽 줄기세포에 비해 세포 노화의 지표인 senescence-associated β-galactosidase (SA β-gal) 양성 세포가 감소되어 있고, 또 다른 세포 노화 마커인 GLB1 및 p53 단백질 발현 역시 감소하였다.
본 발명의 일 구현예에 따른 배양된 중간엽 줄기세포는 국제 줄기세포 위원회(International Society for Cellular Therapy, ISCT)에서 정한 중간엽 줄기세포 표면마커인 CD73, CD90, CD105, CD166, CD44를 발현할 뿐만 아니라, 종래방법으로 배양된 중간엽 줄기세포에 비해 CD27, CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227, CD326 중 하나 이상의 세포 표면 마커의 발현이 증가되어 있다.
종래에는 제대로부터 분리된 중간엽 줄기세포를 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하여 증식하였을 때, CD49e 및 CD105 세포 표면 마커의 발현이 감소한다고 보고된 바 있다. 하지만, 본 발명의 중간엽 줄기세포는 발현이 감소된다고 보고된 CD49e의 발현이 증가 또는 유지되어 있을 뿐 아니라, 세포 부착과 관련된 유전자인 IQGAP2(IQ Motif Containing GTPase Activating Protein 2), 이동에 관련된 유전자인 PTPRN(Protein tyrosine Phosphatase Receptor Type N), 근육세포 재생에 관련된 유전자인 FZD8(Frizzled Class Receptor 8) 및 HGF(Hepatocyte Growth Factor(, 및 말초신경관련 유전자인 STXBP5L(Syntaxin Binding Protein 5L) 등의 발현이 증가되어 있을 뿐 아니라, 세포 노화에 관련된 유전자인 IRF6(Interferon Regulatory Factor 6) 및 FMN2(Formin-2) 유전자의 발현이 감소되어 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 중간엽 줄기세포는 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하여 증식한 중간엽 줄기세포에 비해 유전자 전달 효율이 증가되어 있다.
따라서 본 발명의 중간엽 줄기세포는 연골 세포 등의 목적하는 중간엽 세포로 분화시켜 세포치료제로 사용할 수 있을 뿐 아니라, 목적하는 유전자를 중간엽 줄기세포에 직접 도입하여 문제가 있는 환자의 유전자를 교정하기 위한 세포치료용 전달체로 사용될 수 있다.
본 발명의 배양 방법은 줄기세포 초기 배양 또는 계대 배양시에 적용될 수 있다. 본 발명의 방법에 줄기세포를 초기 배양하는 경우 줄기세포의 증식이 촉진되므로, 적은 횟수의 계대 배양으로도 많은 수의 줄기세포를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 배양 방법을 통해 얻은 중간엽 줄기세포는 면역원성이 없고 면역반응을 유발하지 않을 뿐 아니라, 노화가 감소되어 있고, 분화능이 높으므로 인간을 대상으로 한 세포치료제로 효과적으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 배양 방법에 의해 수득된 증식력, 생존도, 회수율 등이 개선되었을 뿐 아니라, 노화가 감소된 중간엽 줄기세포를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 배양 방법에 의해 수득된 중간엽 줄기세포 자체 또는 목적하는 중간엽 세포로 분화시킨 분화된 세포를 포함하는 세포치료제를 제공한다. 본 발명의 세포치료제는 지방세포, 조골세포, 연골세포, 근육세포, 신경세포, 심근세포, 간세포, 췌도베타세포, 혈관세포 또는 폐세포 등의 재생 또는 보호에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 중간엽 줄기세포는 유전자 전달 효율이 증가되어 있으므로, 목적하는 유전자를 중간엽 줄기세포에 직접 도입하여 문제가 있는 환자의 유전자를 교정하기 위한 세포치료용 전달체로 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
비교예 1: 탯줄 조직 유래 중간엽 줄기세포의 분리 및 초기 배양(P0)
인간 탯줄 및 제대혈은 삼성의료원의 IRB(Institutional Review Board of Samsung Medical Center) 승인 후 산모의 동의를 받아 채취하였다.
탯줄 유래 중간엽 줄기세포는 Peng 등의 방법(Brain Research Bulletin, 84(2011) 235-243)을 이용하여 분리하였다. 구체적으로는 PBS(Phosphate Buffered Saline)로 탯줄을 수 차례 세척한 후 3~4 cm 길이로 자르고, 혈관 및 양막을 제거한 후 가위를 이용하여 잘게 분쇄하였다. 분쇄된 조직은 37oC의 온도에서 콜라게나제(Collagenase)를 60분 동안 처리하여 세포를 분리하였다. 우태아 혈청(FBS; Fetal Bovine Serum)을 처리하여 효소 반응을 멈춘 후, 효소 반응액을 1,000g에서 10분 동안 상온에서 원심분리하여 세포를 수득하였다.
수득된 중간엽 줄기세포는 무혈청의 aMEM(a-modified Minimum Essential Media) 배지로 세척한 후, FBS가 포함된 aMEM 배지를 첨가하여 cm2당 50,000 내지 100,000 세포로 계수하여 초기 배양(P0)을 수행하였다.
또한, 초기 배양(P0) 후, 세포의 밀집도가 70~80% 되었을 때 0.25% 트립신(Trypsin)을 이용하여 부착된 세포를 부유시켜준다. 부유시켜 수득된 세포를 무혈청의 aMEM 배지로 세척한 후, 상기 세포는 FBS가 포함된 aMEM 배지를 첨가하여 cm2당 3,000 내지 5,000 세포로 계수하여 계대 배양(P1)을 수행하였다.
실시예 1: 탯줄 조직 유래 중간엽 줄기세포의 분리 및 초기 배양(P0)
비교예 1의 방법 중 탯줄 조직에서 중간엽 줄기세포 분리 시 콜라게나제 대신에 콜라게나제 및 히알루로니다제 혼합액(collagenase + hyaluronidase mixture)을 처리하는 것만 제외하고는 동일한 방법으로 중간엽 줄기세포를 수득하였다.
수득된 중간엽 줄기세포는 무혈청의 aMEM(a-modified Minimum Essential Media) 배지로 세척한 후, 제대혈 유래 혈청(umbilical cord blood serum; UCBS)이 포함된 aMEM 배지를 첨가하여 cm2당 50,000 내지 100,000 세포로 계수하여 초기 배양(P0)을 수행하였다.
또한, 초기 배양(P0) 후, 세포의 밀집도가 70~80% 되었을 때 트립신(trypsin)을 이용하여 부착된 세포를 부유시켜준다. 부유시켜 수득된 세포를 무혈청의 aMEM 배지로 세척한 후, 상기 세포는 FBS가 포함된 aMEM 배지를 첨가하여 cm2당 3,000 내지 5,000 세포로 계수하여 계대 배양(P1)을 수행하였다.
실험예 1: 분리된 중간엽 줄기세포의 분리 수율 및 초기 배양(PO) 수율 분석
실시예 1 및 비교예 1에 의해 수득된 중간엽 줄기세포의 분리 수율을 분석하였다. 도 1에 나타난 바와 같이 탯줄 조직에서 중간엽 줄기세포 분리 시 콜라게나제 단독 사용 대비 콜라게나제 및 히알루니다제 혼합액을 사용하는 경우 동일 조직 중량 대비 1.5배 이상 증가된 줄기세포 수율을 얻었다.
중간엽 줄기세포 초기 배양시 제대혈 유래 혈청의 효과를 분석하기 위해 실시예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포에 FBS 또는 UCBS를 사용하여 초기 배양시 콜로니 형성(도 2A), 및 7일 초기 배양시 배양 수율을 분석하였다(도 2B).
도 2A에 나타난 바와 같이 탯줄 조직에서 중간엽 줄기세포를 분리하여 초기 배양시, FBS가 아닌 UCBS를 사용하는 경우 콜로니 형성이 촉진되었고, 7일 초기 배양 후 중간엽 줄기세포의 수율이 5배 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다(도 2B).
실험예 2: 중간엽 줄기세포의 콜로니 형성능 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포를 P2 계대 배양하여 수득한 중간엽 줄기세포의 콜로니 형성능을 분석한 결과, 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해, 실시예 1의 중간엽 줄기세포의 콜로니 형성능이 5배 이상 증가하였다(도 3).
실험예 3: 중간엽 줄기세포의 증식능 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포를 FBS가 포함된 aMEM 배지를 이용하여 P1~P20 계대 배양했을 때 각 계대별 Doubling time을 분석한 결과, 비교예 1의 중간엽 줄기세포(비교예 1)에 비해, 실시예 1의 중간엽 줄기세포(실시예 1)의 Doubling time이 평균적으로 10시간 이상 짧아진 것을 확인할 수 있었다(도 4).
실험예 4: 중간엽 줄기세포의 계대 배양 후 세포 표면 마커 분석
실시예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포를 FBS를 포함한 배지에서 계대 배양 후에도 중간엽 줄기세포의 성질이 유지되는지 확인하기 위해 세포표면 마커 분석을 실시하였다.
FBS를 포함하는 aMEM 배지에서 P4 계대 배양된 실시예 1의 세포를 ISCT(International Society for Cellular Therapy)의 요건에 따라 중간엽 줄기세포 특이 세포표면 마커(CD90, CD105, CD73, CD166 및 CD44)의 발현 양상을 분석하였고, 순도 분석을 위해 중간엽 줄기세포의 negative marker(CD34, CD45, CD19, CD11b, CD14 및 HLA-DR)을 발현하는 지를 유세포분석기로 분석하였다.
그 결과 실시예 1에서 분리된, P4 계대 배양된 중간엽 줄기세포는 여전히 99% 이상의 중간엽 줄기세포 특이 세포표면 마커를 발현하였고(도 5A), negative marker는 발현하지 않는 것을 확인할 수 있었다(도 5B).
따라서, 실시예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포는 계대 배양에도 불구하고 여전히 중간엽 줄기세포의 표현형을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 5: 중간엽 줄기세포의 분화능 측정
실시예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포 및 비교예 1에서 분리된 중간엽 줄기세포를 각각 FBS가 포함된 aMEM 배지에서 P4 계대 배양 후 각 중간엽 줄기세포를 대표적인 중간엽세포인 지방세포(adipocyte), 조골세포(osteoblast), 연골세포(chondrocyte)로 분화시키는 분화배지를 이용하여 각각 분화시켰을 때의 분화능을 분석하였다.
지방세포 분화를 위해 StemPro Adipogenesis Differentiation Kit을 사용하였고, 조골세포 분화를 위해 StemPro Osteogenesis Differentiation Kit을 사용하였고, 연골 세포 분화를 위해 DMEM 배지에 BMP-6, TGFβ3, ITS(Insulin-transferrin-selenium), dexamethasone, ascorbic acid, L-proline, sodium pyruvate를 포함한 배지를 사용하였다.
지방세포는 oil-red O로, 조골 세포는 Alizarin red S로, 연골세포는 Safranin-O로 염색하였고 그 결과는 도 6과 같다.
또한, 지방세포는 PPARγ(Peroxisome Proliferator-Activated Receptor gamma)로, 조골 세포는 RUNX2(Runt-Related Transcription Factor 2)로, 연골세포는 Col2A1(Collagen Type II Alpha 1 Chain)로 역전사중합효소반응(RT-PCR) 기법을 이용하여 유전자 발현정도를 분석하였고 그 결과는 도 6과 같다.
도 6의 결과로부터 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 지방세포, 조골세포 및 연골세포로의 분화능은 1.5배 이상 증가하였다.
또한, 도 6의 결과로부터 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 지방세포, 조골세포 및 연골세포로의 분화능 관련 유전자 발현이 1.5배 이상 증가하였다.
실험예 6: 중간엽 줄기세포의 노화 정도 분석
분리된 중간엽 줄기세포의 노화 정도를 분석하기 위해 실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포를 계대 배양하면서 (P3, P6, P9, P15) 노화된 세포에서 과발현되거나 축적된다고 알려진 β-갈락토시다제(β-galactosidase) 발현양을 분석하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포 모두 15계대 이상 계대 배양하였을 때, 각 세포의 형태학적 변화는 관찰되지 않았다.
구체적으로는 SA β-gal 분석키트(cell signaling)를 이용하였으며, 제조사의 매뉴얼에 따라 실험하였다. 현미경 이미징을 통해 세포그룹당 노화된 세포(β-gal positive; 초록색)의 수를 측정하여 그래프화하였으며, 그 결과를 도 7A에 나타내었다.
그 결과 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 실시예 1의 중간엽 줄기세포에서는 동일 계대 기준으로 노화된 세포라 볼 수 있는 β-갈락토시다제 양성 세포가 현저하게 적을 뿐 아니라, 특히 P12 및 P15에서의 비교예 1의 β-갈락토시다제 양성 세포가 각각 40% 이상 및 70% 이상인 반면에, 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 20% 미만, 40% 미만으로 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 것에 비해 노화가 감소되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 7A).
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포에서의 계대별 실제 β-갈락토시다제(GLB1) 및 p53의 단백질 양을 immunoblot법으로 분석한 결과 β-갈락토시다제 활성 분석과 마찬가지로 동일 계대에서 실시예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 비교예 중간엽 줄기세포에서의 GLB1 및 p53 발현양이 증가되어 있다(도 7B).
종합해보면, 실시예 1의 중간엽 줄기세포가 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 노화가 감소되어 있다.
실험예 7: 중간엽 줄기세포의 세포 표면 마커 및 유전자 발현 분석
실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포의 표면에서 발현하는 마커의 종류를 분석하기 위해 BD사의 LyoplateTM을 이용하여 242개의 세포표면 마커를 FACS 방법을 이용하여 분석하였다. 그 결과 실시예 1의 중간엽 줄기세포에서는 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 세포 부착 관련 (CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227), 이동 관련 (CD47), 증식 관련 (CD47, CD227), 면역 조절 (CD27, CD326) 관련 등 표면 마커의 발현 증가를 확인할 수 있었다(도 8A, 표 1).
특히 실시예 1의 중간엽 줄기세포에서는 CD227, CD326, CD27, CD62e의 발현 수준이 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 2배 이상 높은 것을 확인할 수 있다.
Surface marker 실시예 1/비교예1 발현율
CD27 3.34배
CD47 1.59배
CD49e 1.51배
CD56 1.64배
CD62e 2.16배
CD146 1.21배
CD227 8.43배
CD326 4.62배
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포에서 발현하는 유전자 발현 양상을 분석하기 위해 Lexogen 사의 QuantSeq 3'mRNA-sequence를 통하여 양 세포의 유전자발현을 분석하였다. 그 결과 실시예 1의 중간엽 줄기세포에서는 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 세포 부착 (IQGAP2; IQ Motif Containing GTPase Activating Protein 2), 이동 (PTPRN; Protein tyrosine Phosphatase Receptor Type N), 근육세포 재생 (FZD8c; Frizzled Class Receptor 8), 근육세포의 성장인자 (HGF; Hepatocyte Growth Factor), 말초신경 관련 유전자 (STXBP5L; Syntaxin Binding Protein 5L) 등의 발현이 특이적으로 증가하고, 세포 노화 관련 유전자(IRF6; Interferon Regulatory Factor 6, FMN2; Formin-2) 발현 감소를 확인할 수 있었다(도 8B, 표2).
실시예 1의 중간엽 줄기세포에서는 세포접착 및 이동에 관련된 유전자인 IQGAP2, PTPRN이 비교예 1의 것에 비해 2배 이상 발현이 증가하였는데 이는 앞서 분석한 세포표면마커와 유사한 발현 양상을 보였다. 또한, 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 것에 비해 노화 관련 유전자인 IRF6, FMN2의 발현이 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 감소되었는데, 이 결과는 실험예 6의 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 것에 비해 노화가 감소되었다는 결과와 일치하는 결과이다.
Gene 실시예 1/비교예1 발현율
IQGAP2 4.52배
PTPRN 2.43배
FZD8 2.02배
HGF 2.13배
STXBP5L 3.90배
IRF6 0.41배
FMN2 0.49배
실험예 8: 중간엽 줄기세포의 유전자 도입 효율 분석
실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포의 유전자 전달효율을 분석하기 위해 GFP 유전자가 코딩된 GFP 발현 벡터를 P4, P5, P6 계대의 실시예 1 및 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 transfection하여 transfection 효율은 전체 세포 대비 GFP 단백질을 발현하는 세포로 계산하였다.
그 결과 실시예 1의 중간엽 줄기세포가 P4 및 P5 계대에서 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 transfection 효율이 높은 것을 확인할 수 있었다(도 9).
따라서, 실시예 1의 중간엽 줄기세포는 비교예 1의 중간엽 줄기세포에 비해 유전자 전달 효율이 증가되어 있으므로, 목적하는 유전자를 중간엽 줄기세포에 직접 도입하여 문제가 있는 환자의 유전자를 교정하기 위한 세포치료용 전달체로 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (14)

  1. 분리된 인간 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양하는 단계; 및 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 단계; 를 포함하는 중간엽 줄기세포 배양방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인간 중간엽 줄기세포의 유래는 골수의 기질, 지방 조직, 탯줄, 연골, 태반, 또는 제대혈인 중간엽 줄기세포 배양방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인간 중간엽 줄기세포의 유래는 탯줄인, 중간엽 줄기세포 배양방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제대혈 혈청은 0.5%에서 30%의 부피비로 배지에 포함된, 중간엽 줄기세포 배양방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 우태아 혈청은 0.5%에서 30%의 부피비로 배지에 포함된, 중간엽 줄기세포 배양방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계대 배양은 제20계대의 줄기세포를 얻을 때까지 수행하는, 중간엽 줄기세포 배양방법.
  7. 분리된 조직에서 collagenase 및 hyaluronidase의 혼합 효소액을 이용하여 중간엽 줄기세포를 분리하는 단계; 분리된 중간엽 줄기세포를 제대혈 혈청이 포함된 배지에서 초기 배양하는 단계; 및 중간엽 줄기세포를 우태아 혈청이 포함된 배지에서 계대 배양하는 단계를 포함하는; 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리된 조직은 골수의 기질, 지방 조직, 탯줄, 연골, 또는 태반인 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리된 조직은 탯줄인 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제대혈 혈청은 0.5%에서 30%의 부피비로 배지에 포함된, 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 계대 배양은 제20계대의 줄기세포를 얻을 때까지 수행하는, 중간엽 줄기세포 노화 감소 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 노화가 감소된 중간엽 줄기세포.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 중간엽 줄기세포는 CD47, CD49e, CD56, CD62e, CD146, CD227, 및 CD326 중 하나 이상의 세포 표면 마커를 발현하는, 중간엽 줄기세포.
  14. 제12항의 중간엽 줄기세포를 포함하는 세포치료용 전달체.
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