KR101442783B1 - Composition for Inducing Erythroid Differentiation - Google Patents

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KR101442783B1
KR101442783B1 KR1020130059159A KR20130059159A KR101442783B1 KR 101442783 B1 KR101442783 B1 KR 101442783B1 KR 1020130059159 A KR1020130059159 A KR 1020130059159A KR 20130059159 A KR20130059159 A KR 20130059159A KR 101442783 B1 KR101442783 B1 KR 101442783B1
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erythroid
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김현옥
이수홍
박광숙
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연세대학교 산학협력단
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    • A61K38/164Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from bacteria

Abstract

The present invention relates to a composition comprising poly-L-lysine (PLL) as an active ingredient for inducing differentiation of erythrocyte precursor cells and a method for producing in vitro production of erythrocytes. By introducing an amino group to the surface of a cultivation support without toxicity by using PLL which is a polyamino acid, the present invention provides the optimal conditions for the erythrocyte precursor cells to differentiate into mature erythrocytes and efficiently promotes the differentiation into erythrocytes throughout the process of producing the erythrocytes. Accordingly, the present invention can satisfy the clinical demand of blood for transfusion by presenting a safe mass production method of erythrocytes in vitro.

Description

적혈구 분화 유도용 조성물{Composition for Inducing Erythroid Differentiation} [Composition for Inducing Erythroid Differentiation]

본 발명은 PLL(Poly-L-lysine)을 유효성분으로 포함하는 적혈구 전구세포의 적혈구 분화 유도용 조성물에 관한 것이다.
The present invention relates to a composition for inducing erythrocyte differentiation of erythroid precursor cells containing PLL (Poly-L-lysine) as an active ingredient.

외과 수술의 증가로 인하여, 혈액 수혈의 요구는 계속 증가하고 있으나, 불행하게도 기증된 혈액의 양은 부족할 뿐 아니라 면역반응 및 바이러스 감염 등의 잠재적 위험을 가지고 있다. 가장 일반적인 타입의 혈액 세포인 적혈구(RBC)는 산소 전달에 핵심적인 역할을 하며 성공적인 혈액 수혈을 위해 필수적이다. 이에, 수혈 요구를 충족하기 위하여 화학적 혈액 대체물이 적혈구의 대체물로서 개발되고 있다. 그러나, 이들 대체물은 혈관수축, 고혈압, 자유라디칼 생성, 산화 스트레스 등의 심각한 부작용을 일으킬 수 있다[1-2]. 따라서, 환자의 자가 줄기세포에서 유래한 적혈구를 대량생산하는 것이 혈액 수혈 및 혈액 대체물 합성의 장애를 극복하는 유망한 전략이 될 수 있다. Due to the increased number of surgeries, the demand for blood transfusion continues to increase, but unfortunately the amount of donated blood is scarce as well as the potential risks of immune reactions and viral infection. The most common type of blood cells, red blood cells (RBCs), play a key role in oxygen delivery and are essential for successful blood transfusion. Therefore, a chemical blood substitute has been developed as a substitute for red blood cells in order to meet a blood transfusion requirement. However, these alternatives can cause serious adverse effects such as vasoconstriction, hypertension, free radical generation, and oxidative stress [1-2]. Therefore, mass production of red blood cells derived from the patient's own stem cells may be a promising strategy to overcome obstacles to blood transfusion and blood substitute synthesis.

조혈모세포(Hematopoietic stem cell, HSC)는 모든 종류의 혈액 세포(예를 들어 거핵세포, 백혈구계 세포 및 적혈구계 세포 등)로 분화할 수 있는 자가재생 다분화능 세포이다[3]. 일반적으로 조혈모세포는 골수, 말초혈액 및 제대혈에서 얻을 수 있다. 배아줄기세포에서 조혈모세포를 수득하려는 몇몇 시도가 있었으나, 이러한 연구는 아직 완전히 성공하고 있지 못하다[4]. 따라서, 비정상적인 혈액 생성 시스템을 가진 백혈병 환자에 있어 조혈모세포의 이식이 절실한 치료전략이다.Hematopoietic stem cells (HSCs) are self-renewing multipotent cells capable of differentiating into all kinds of blood cells (eg, megakaryocytes, leukocyte and erythroid cells) [3]. Generally, hematopoietic stem cells can be obtained from bone marrow, peripheral blood and cord blood. There have been several attempts to obtain hematopoietic stem cells from embryonic stem cells, but such studies have not yet been fully successful [4]. Therefore, transplantation of hematopoietic stem cells is an urgent treatment strategy for leukemia patients with abnormal blood production system.

골수에서의 조혈모세포의 생산과 분화는 골수내의 조혈모세포성 니치(hematopoietic niche)라 불리는 특수한 미세환경의 물리 화학적 상호작용에 의해 끊임없이 자극을 받는다[5].Production and differentiation of hematopoietic stem cells in the bone marrow are constantly stimulated by physicochemical interactions of specific microenvironment called hematopoietic niche in bone marrow [5].

조혈모세포성 니치는 세포외 기질(extracellular matrix, ECM), 키모카인, 사이토카인 및 조혈모세포를 둘러싼 다양한 형태의 세포에 의해 구성되어 있다. 조혈모세포 및 이들의 니치 조성물간의 상호작용은 줄기세포의 미분화상태, 체외 증식, 이동 및 분화 후 조혈모세포-유래 적혈구계 세포의 세포핵 제거에 중요한 역할을 한다[6].Hematopoietic stem cells are composed of various types of cells surrounding the extracellular matrix (ECM), chymocaine, cytokines and hematopoietic stem cells. The interaction between the hematopoietic stem cells and their niche compositions plays an important role in the undifferentiated state of stem cells, in vitro proliferation, migration and post-differentiation, and the removal of nuclei of hematopoietic stem cell-derived erythroid cells [6].

많은 연구들이 공배양 시스템[7], 사이토카인[8] 및 화합물[9]을 통해 미세환경을 조절함으로써 조혈모세포의 체외 증식을 촉진시키는 시도를 해왔다. 이러한 점에서, Rhodes 등[10]은 조혈모세포의 적혈구계 세포로의 분화는 분화중의 적혈모세포(erythroblast)와 계속적으로 교감하는 중앙 대식세포를 함유하는 적혈모세포섬(erythroblastic island)에서 주로 유도된다고 보고하였다. 최종 결과는 적혈모세포라 불리는 원시 적혈구계 세포의 탈핵을 통한 적혈구의 성숙이다. Many studies have attempted to promote the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells by regulating the microenvironment through co-culture systems [7], cytokines [8] and compounds [9]. In this regard, Rhodes et al. [10] suggested that differentiation of hematopoietic stem cells into erythroid cells is mainly induced in erythroblastic islands containing central macrophages that continue to communicate with erythroblasts during differentiation Respectively. The end result is the maturation of red blood cells through enucleation of primitive erythroid cells called red blood cells.

조혈모세포의 체외 증식 및 적혈구계 세포로의 분화는 물리 또는 화학적으로 변형된 배양기질을 이용하여 달성할 수 있다. 예를 들어, 나노 섬유 및 나노 분절(nanosegment)의 아민화된 표면은 조혈모세포의 체외 증식을 촉진한다[10-12]. 뿐만 아니라, 1차 아민기가 결합된 표면은 조혈모세포의 적혈구계 세포로의 분화 동안 보다 효율적으로 탈핵을 유도하였다[13]. 그러나, 아민기의 결합을 위하여 강한 독성의 APES (cytotoxic 3-aminopropyl trimethoxylsilane)가 사용되었고, 아민기의 밀도가 조혈모세포 팽창 및 탈핵에 최적화되지 않았으며, 조혈모세포 및 기질 간의 상호작용에 관한 기작이 아직 확실히 밝혀지지 않았다. 따라서, 배양 플레이트 표면에 아민기가 독성을 유발하지 않으면서 최적의 결합을 하도록 하는 것이 조혈모세포의 팽창 및 분화에 가장 유용한 수단이 될 것이다. In vitro proliferation of hematopoietic stem cells and differentiation into erythroid cells can be achieved using physiologically or chemically modified culture substrates. For example, the aminated surface of nanofibers and nanosegment facilitates in vitro proliferation of hematopoietic stem cells [10-12]. In addition, the primary amine-bound surface induced more efficient enucleation during hematopoietic differentiation into erythroid cells [13]. However, a strong toxic APES (cytotoxic 3-aminopropyl trimethoxylsilane) was used for binding of amine groups, and the density of amine groups was not optimized for hematopoietic stem cell expansion and enucleation, and the mechanism of interaction between hematopoietic stem cells and substrate It is not clear yet. Therefore, it will be the most useful means for expanding and differentiating hematopoietic stem cells to allow optimal binding without inducing toxicity of amine groups on the culture plate surface.

양이온을 띄는 합성 폴리아미노산인 폴리-L-라이신(PLL)은 단순하고 경제적인 방법으로 지지체에 아민기를 도입할 수 있는 장점이 있으나, 이러한 장점에도 불구하고 조혈모세포의 체외 증식, 적혈구계 세포로의 분화 및 탈핵을 촉진하는 PLL의 능력에 대해 연구된 바가 없다.Poly-L-lysine (PLL), which is a synthetic polyamino acid having a cationic structure, is advantageous in that it can introduce an amine group into a support by a simple and economical method. However, despite these merits, in vitro proliferation of hematopoietic stem cells, The ability of PLLs to promote differentiation and enucleation has not been studied.

이에, 본 발명자들은 PLL-코팅된 기질이 정전기적 인력에 의해 조혈모세포의 체외 증식 및 적혈구계 세포로의 분화를 증가시킬 것이라고 가정하였다. 본 발명에서는 조혈모세포의 팽창 및 분화를 위한 배양조건을 최적화하기 위하여 다양한 농도의 PLL을 도입하였으며, 그 결과 조혈모세포의 적혈구계 세포로의 분화 과정에서 PLL이 적혈구의 최종 탈핵 메카니즘에도 관여함을 확인하였다. Thus, we hypothesized that the PLL-coated substrate would increase the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells and the differentiation into erythroid cells by electrostatic attraction. In the present invention, various concentrations of PLL were introduced to optimize culture conditions for the expansion and differentiation of hematopoietic stem cells. As a result, it was confirmed that PLL was also involved in the final enucleation mechanism of erythrocytes in the differentiation of hematopoietic stem cells into erythroid cells Respectively.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 외과 수술 등에 필요한 혈액의 공급부족을 개선하기 위하여 생체 외(ex vivo)에서 적혈구를 효율적으로 대량생산할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, PLL(poly-L-lysine)을 함유하는 배지에서 조혈모세포 또는 적혈구계 세포 등의 적혈구 전구세포를 배양할 경우 세포의 팽창, 분화 및 탈핵이 효율적으로 일어날 뿐 아니라 독성이 없이 아민기를 도입할 수 있어 성숙된 적혈구를 높은 수율로 생산할 수 있음을 발견함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present inventors have made extensive efforts to develop a method for efficiently mass-producing red blood cells in vitro ( ex vivo ) in order to improve the shortage of blood supply required for surgical operations. As a result, when erythroid precursor cells such as hematopoietic stem cells or erythrocyte-derived cells are cultured in a culture medium containing PLL (poly-L-lysine), expansion, differentiation and denucleation of cells are efficiently performed, and amine groups And the matured red blood cells can be produced with high yield, thus completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)로부터 적혈구(red blood cell) 생성용 조성물을 제공하는데 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for producing red blood cells from erythroid precursor cells.

본 발명의 다른 목적은 적혈구(red blood cell)의 생체 외 생산방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method of in vitro production of red blood cells.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 PLL(poly-L-lysine)을 유효성분으로 포함하는 적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)로부터 적혈구(red blood cell) 생성용 조성물을 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a composition for producing red blood cells from erythroid precursor cells comprising PLL (poly-L-lysine) as an active ingredient.

본 발명자들은 외과 수술 등에 필요한 혈액의 공급부족을 개선하기 위하여 생체 외(ex vivo)에서 적혈구를 효율적으로 대량생산할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, PLL(poly-L-lysine)을 함유하는 배양성분에서 조혈모세포 또는 적혈구계 세포 등의 적혈구 전구세포를 배양할 경우 세포가 기질에 잘 흡착하여 팽창, 분화 및 탈핵이 효율적으로 일어날 뿐 아니라 독성이 없이 아민기를 도입할 수 있어 성숙된 적혈구를 높은 수율로 생산할 수 있음을 발견하였다.The present inventors have made extensive efforts to develop a method for efficiently mass-producing red blood cells in vitro ( ex vivo ) in order to improve the shortage of blood supply required for surgical operations. As a result, when the erythroid precursor cells such as hematopoietic stem cells or erythrocyte-derived cells are cultured in a culture component containing PLL (poly-L-lysine), the cells are well adsorbed to the substrate and not only the expansion, differentiation and denucleation occur efficiently It is possible to introduce amine groups without toxicity, and it has been found that matured red blood cells can be produced with high yield.

본 명세서에서 용어“적혈구(red blood cell) 생성”은 성숙한 적혈구로 최종 분화되기 이전 단계의 미분화 세포(예를 들어 조혈모세포 또는 적혈구계 세포)를 적혈구로 분화시키는 것을 의미하며, 따라서 용어“적혈구 생성”은“적혈구로의 분화”와 동일한 의미를 가진다.As used herein, the term " red blood cell generation " means the differentiation of undifferentiated cells (e. G., Hematopoietic or erythroid cells) prior to final differentiation into mature red blood cells into erythrocytes, "Has the same meaning as" red blood cell differentiation ".

본 명세서에서 사용되는 용어 “적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)”는 성숙이 끝난 적혈구를 제외한 적혈구 형성 과정에 포함된 모든 세포를 의미한다.As used herein, the term " erythroid precursor cell " refers to all cells involved in erythropoiesis, except for matured erythrocytes.

적혈구 전구세포는 다음과 같은 단계로 이루어진 적혈구 형성 과정(erythropoiesis)를 거쳐 성숙한 적혈구(erythrocyte)로 분화한다: (a) 단일분화성 줄기세포(unipotent stem cell, erythroblast로 교정)에서 전적아세포(proerythroblast)로 분화하는 단계; (b) 전적아세포에서 호염기성 적아세포(basophilic erythroblast)로 분화하는 단계; (c) 호염기성 적아세포에서 다염기성 적아세포(polychromatophilic erythroblast)로 분화하는 단계; (d) 다염기성 적아세포에서 정염성 적아세포(orthochromatic erythroblast)로 분화하는 단계; (e) 정염성 적아세포에서 망상적혈구(reticulocyte)로 분화하는 단계; 및 (f) 망상적혈구에서 적혈구(erythrocyte)로 분화하는 단계.Erythrocyte precursor cells differentiate into mature erythrocyte via the following erythropoiesis: (a) proerythroblast in unipotent stem cells (erythroblast) ≪ / RTI > (b) differentiating whole cells into basophilic erythroblasts; (c) differentiating into a polychromatophilic erythroblast in an alkaline basic cell; (d) differentiating into polyclonal erythroblasts from polybasic cells; (e) differentiating into reticulocytes in the cells of the purifying cells; And (f) differentiating the reticulocytes into erythrocytes.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 적혈구 전구세포는 조혈모세포(Hematopoietic stem cell) 또는 적혈구계 세포(erythroid cell)이다.According to a specific embodiment of the present invention, the erythroid precursor cells of the present invention are hematopoietic stem cells or erythroid cells.

본 발명에서 이용되는 조혈모세포(Hematopoietic stem cell, HSC)는 적혈구, 거핵세포, 호중구 및 적혈구계 세포 등 모든 종류의 혈액 세포로 분화할 수 있는 다분화능 줄기세포를 의미하며, 골수, 말초혈액 또는 제대혈에서 수득할 수 있다. 조혈모세포 중 적혈구계 세포로 분화되며, 적혈구계 세포는 전적아세포(proerythroblast) 및 적아세포(basophilic erythroblast)를 거쳐 탈핵된 성숙 적혈구로 분화된다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 조혈모세포의 체외 증식 및 적혈구계 세포로의 분화 뿐 아니라, 적혈구계 세포의 탈핵을 촉진한다. 따라서, 적혈구로의 분화를 위한 출발세포가 조혈모세포인 경우뿐 아니라 적혈구계 세포인 경우에도 본 발명의 조성물을 이용하여 효율적으로 적혈구를 수득할 수 있다. The hematopoietic stem cell (HSC) used in the present invention means a multipotential stem cell capable of differentiating into all kinds of blood cells such as erythrocytes, megakaryocytes, neutrophils and erythrocyte cells, and includes bone marrow, peripheral blood, ≪ / RTI > Hematopoietic stem cells are differentiated into red blood cells. Erythroid cells are differentiated into enucleated erythrocytes through proerythroblast and basophilic erythroblast. According to the present invention, the composition of the present invention promotes not only the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells but also the differentiation into erythroid cells, as well as the enucleation of erythroid cells. Therefore, red blood cells can be efficiently obtained by using the composition of the present invention not only in the case of hematopoietic stem cells for erythrocyte differentiation but also in erythroid cells.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 생체 외에서 조혈모세포의 팽창을 촉진시킨다. According to a specific embodiment of the present invention, the composition of the present invention promotes the expansion of hematopoietic stem cells in vitro.

본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 조혈모세포의 S기 진입을 촉진함으로써 생체 외에서 그 수를 크게 증가시킨다. 이러한 조혈모세포의 수 증가는 임상에서 요구되는 대량의 수혈용 혈액을 확보하기 위한 매우 중요한 특징이 된다.According to the present invention, the composition of the present invention significantly increases the number in vitro by promoting the S-phase entry of hematopoietic stem cells. The increase in the number of hematopoietic stem cells is a very important feature for ensuring a large amount of blood for blood transfusion required in clinical practice.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 GATA-1, ALAS, α-글로빈 및 γ-글로빈으로 구성된 군으로부터 선택되는 적혈구 생성-관련 유전자의 발현을 증가시킨다.According to a specific embodiment of the present invention, the composition of the present invention increases the expression of erythropoiesis-related genes selected from the group consisting of GATA-1, ALAS, alpha-globin and gamma-globin.

본 발명자들은 본 발명의 조성물이 미분화 세포에서 적혈구로의 분화과정 전반에 걸쳐 발현되는 다양한 적혈구 생성-관련 유전자들의 발현을 증가시킴을 관찰하였다. 이를 통해, 본 발명의 조성물이 단계 특이적으로 작용하는 것이 아니라 적혈구계 세포 분화의 전체 과정을 조절할 수 있으며, 구체적으로는 조혈모세포의 초기 팽창 및 분화를 촉진할 뿐 아니라, 조혈모세포-유래 세포의 최종 탈핵도 유도한다는 것을 확인하였다.The present inventors have observed that the composition of the present invention increases the expression of various erythropoietic-related genes expressed throughout the differentiation process from undifferentiated cells to red blood cells. Thus, the composition of the present invention can be used not only as a step-specific but also as an entire process of erythrocyte differentiation. Specifically, it can promote early expansion and differentiation of hematopoietic stem cells, But also induce final enucleation.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 적혈구계 세포의 탈핵(enucleation)을 촉진한다.According to a specific embodiment of the present invention, the composition of the present invention promotes enucleation of erythroid cells.

적혈구는 다른 혈액세포와 달리 핵이 없으며, 원시 전구세포에 존재하던 핵이 분화과정을 거치면서 제거되어 산소전달 기능을 하는 성숙한 적혈구로 최종 분화한다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 높은 효율로 조혈모세포에서 분화된 적혈구계 세포의 탈핵을 유도하여 분화의 초기 뿐 아니라 마지막 단계에 이르기까지 적혈구의 생성을 촉진한다. Unlike other blood cells, erythrocytes are free of nuclei, and nuclei present in primitive progenitor cells are removed through differentiation and finally differentiated into mature red blood cells that carry oxygen transfer function. According to the present invention, the composition of the present invention induces enucleation of erythroid cells differentiated from hematopoietic cells with high efficiency, thereby promoting the generation of erythrocytes from the early stage to the last stage of differentiation.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 적혈구계 세포는 CD34+ 세포이다. (이 항목은 구현예가 아니라 여기서부터 시작하는 것이기 때문에 이 항목은 삭제되어야 합니다) According to a specific embodiment of the present invention, the erythroid cells of the present invention are CD34 + cells. (This entry should be deleted because it is not an implementation example, but starting from here)

본 명세서에서 용어“CD34+ 세포”는 CD34를 발현하는 세포를 의미한다. CD34는 세포-세포 접착 인자(cell-cell adhesion factor)로서 골수의 세포외 기질 또는 기질세포에 줄기세포의 접촉을 매개하는 세포 표면의 당단백질을 인코딩하는 인간유전자의 명칭이다. CD34를 발현하는 세포는 정상적인 혈관의 조혈 세포, 혈관내피 전구세포(endothelial progenitor cell) 및 혈관내피 세포(endothelial cell)와 같이 탯줄(umbilical cord) 및 골수에서 발견되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는, 본 발명의 CD34+세포는 제대혈로부터 유래된 세포이다.As used herein, the term " CD34 + cell " means a cell expressing CD34. CD34 is a cell-cell adhesion factor, which is the name of a human gene that encodes the cell surface glycoprotein that mediates the contact of stem cells to extracellular matrix or stromal cells of the bone marrow. Cells expressing CD34 are found in umbilical cord and bone marrow such as, but not limited to, normal blood vessel hematopoietic cells, endothelial progenitor cells and endothelial cells. Specifically, the CD34 + cells of the present invention are cells derived from cord blood.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 PLL은 배양 지지체 표면에 코팅된 형태로 포함된다.According to a specific embodiment of the present invention, the PLL of the present invention is contained in a form coated on the surface of the culture supporter.

본 명세서에서 용어“배양 지지체”는 배양되는 세포와 물리·화학적인 상호작용을 하면서 동시에 흡착 등을 위한 표면을 제공하는 배양 용기, 배양 기질 기타 일체의 지지물질을 의미한다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 유효성분인 PLL은 배양 플레이트 등의 배양 지지체에 코팅됨으로써 지지체 표면에 아민기를 도입시키며, 이를 통해 배양세포의 흡착, 팽창, 분화 및 탈핵이 효율적으로 일어나도록 한다. 배양 지지체는 반드시 평면의 표면을 가질 필요는 없으며, 세포 흡착을 위해 유의적인 표면을 제공할 수 있는 한도 내에서 구형 기타 다양한 3차원 구조를 가질 수 있다. 따라서, PLL이 코팅되는 배양 지지체는 배양 플레이트 등의 일반적인 배양 용기 뿐 아니라 세포외기질(extracellular matrix, ECM)과 유사한 나노단위의 섬유형태를 갖는 3차원 망상구조의 나노섬유(nanofiber), 당업계에서 세포 배양을 위한 인공기질로서 통상적으로 사용되는 다양한 합성 고분자, 미세패턴화된 고형기질 또는 다공성 기질일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 지지 표면을 제공하는 모든 지지물질을 포함한다. As used herein, the term " culture support " means a culture container, a culture substrate or any supporting material which physically and chemically interacts with the cells to be cultured while simultaneously providing a surface for adsorption. According to the present invention, the PLL, which is an active ingredient of the present invention, is coated on a culture supporter such as a culture plate, thereby introducing an amine group to the surface of the supporter, thereby efficiently adsorbing, expanding, differentiating and enucleating the cultured cells. The culture supporter need not necessarily have a planar surface and may have spherical or other various three dimensional structures to the extent that it can provide a significant surface for cell adsorption. Therefore, the PLL-coated culture supporter is not only a general culture container such as a culture plate, but also a three-dimensional network nanofiber having a nano unit fiber shape similar to an extracellular matrix (ECM) A variety of synthetic polymers commonly used as artificial substrates for cell culture, micropatterned solid substrates or porous substrates, including, but not limited to, any support material that provides a support surface.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 PLL은 0.001-0.1 중량 %이다.According to a specific embodiment of the present invention, the PLL of the present invention is 0.001-0.1 wt%.

본 발명의 조성물은 적혈구 전구세포의 생존율을 향상시키기 위해 PLL 이외에 동물세포의 배양에 통상적으로 이용되는 성분을 포함할 수 있다. 본 발명의 조성물에 포함될 수 있는 동물세포 배양성분으로는 당업계의 통상적인 배지, 예컨대 Eagle’s MEM [Eagle’s minimum essensial medium, Eagle, H. Science 130:142(1959)], α-MEM[Stanner, C.P. et al., NAT. New Biol. 230:52(1971)], Iscove's MEM[Iscove, N. et al., J. Exp. Med. 147:923(1978)], 199 medium [Morgan et al., Proc. Soc. Exp. BioMed., 73:1(1950)], CMRL 1066, RPMI 1640 [Moore et al., J. Amer. Med. Assoc. 199:519(1967)], F12[Ham, Pro. Natl. Acad. Sci. USA 53:288(1965)], F10 [Ham, R.G. Exp. Cell Res. 29:515(1963)], DMEM [Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., virology 8:396(1959)], DMEM 및 F12의 혼합물[Barnes, D. et al., Anal. Biochem. 102:225(1980)], Way-mouth's MB752/1[Waymouth, C. J. Natl. Cancer Inst. 22:1003(1959)], 이스코브 변형 둘베코 배지(Iscove’s modified Dulbecco’s medium), 이스코브 변형 피셔 배지 또는 이스코브 변형 이글 배지, McCoy's 5A [McCoy, T. A., et al, Pro. soc. Exp. Bio. Med. 100:115(1959)], MCDB의 시리즈 [Ham, R.G et al., In Vitro 14:11(1978)], AIM-V 배지, 및 이의 변형배지를 포함한다. 배지의 상세한 설명은 R. Ian Freshney, Culture of Animal Cells, A Manual of Basic Technique, Alan R. Liss, Inc., New York에 기재되어 있다.The composition of the present invention may contain components commonly used for culturing animal cells in addition to PLL to improve the survival rate of erythroid precursor cells. Examples of animal cell culture components that may be included in the composition of the present invention include culture media customary in the art such as Eagle's MEM [Eagle's minimum essence medium, Eagle, H. Science 130: 142 (1959)], α-MEM [Stanner, et al., NAT. New Biol. 230: 52 (1971)], Iscove's MEM [Iscove, N. et al., J. Exp. Med. 147: 923 (1978)], 199 medium [Morgan et al., Proc. Soc. Exp. BioMed., 73: 1 (1950)], CMRL 1066, RPMI 1640 [Moore et al., J. Amer. Med. Assoc. 199: 519 (1967)], F12 [Ham, Pro. Natl. Acad. Sci. USA 53: 288 (1965)], F10 [Ham, R.G. Exp. Cell Res. 29: 515 (1963)], DMEM [Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., Virology 8: 396 (1959)], DMEM and F12 [Barnes, D. et al., Anal. Biochem. 102: 225 (1980)], Way-mouth's MB752 / 1 [Waymouth, C. J. Natl. Cancer Inst. Iscove's modified Dulbecco's medium, Iscove's modified Fisher's medium or Iscove's modified Eagle's medium, McCoy's 5A [McCoy, T. A., et al, Pro. soc. Exp. Bio. Med. 100: 115 (1959)], the series of MCDB [Ham, R. G et al., In Vitro 14:11 (1978)], AIM-V medium and modified medium thereof. A detailed description of the medium is given in R. Ian Freshney, Culture of Animal Cells, A Manual of Basic Technique, Alan R. Liss, Inc., New York.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 PLL(poly-L-lysine)을 포함하는 배양 기질에서 적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)를 배양하는 단계를 포함하는 적혈구(red blood cell)의 생체 외 생산방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an in vitro production of a red blood cell comprising culturing erythroid precursor cells in a culture medium containing PLL (poly-L-lysine) ≪ / RTI >

본 발명에서 이용되는 적혈구 전구세포, PLL 및 기타 배양 성분에 대해서는 이미 상술하였으므로, 과도한 중복을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since erythroid precursor cells, PLL, and other culture components used in the present invention have already been described above, the description thereof is omitted in order to avoid excessive redundancy.

본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 PLL은 배양 지지체 표면에 코팅되어 있다. According to a specific embodiment of the present invention, the PLL of the present invention is coated on the surface of a culture support.

본 발명에서 이용되는 PLL은 미분화 세포에서 적혈구로의 분화과정 전반에 걸쳐 발현되는 다양한 적혈구 생성-관련 유전자들의 발현을 증가시키며, 조혈모세포의 초기 팽창 및 분화를 촉진할 뿐 아니라, 조혈모세포-유래 세포의 최종 탈핵도 유도함은 상술한 바와 같다. 따라서, PLL은 상기 적혈구 형성 과정에 따른 적혈구 전구세포의 배양에서 처음부터 사용될 수도 있고, 중간 단계(예컨대, 탈핵단계, 배양 17일째)에서 추가적으로 배양에 이용될 수도 있다. 적혈구 전구세포는 다양한 소스, 예컨대 말초혈액, 제대혈 또는 골수로부터 얻을 수 있다. 적혈구 전구세포로서의 CD34+세포는 당업계에 공지된 다양한 세포 분리 방법, 예컨대 CD34+항체를 이용하는 면역자기-비드 분리 방법에 따라 분리할 수 있다.
The PLL used in the present invention increases the expression of various erythropoietic-related genes expressed throughout the differentiation process from undifferentiated cells to red blood cells, promotes early expansion and differentiation of hematopoietic stem cells, Lt; RTI ID = 0.0 > enucleation. ≪ / RTI > Thus, PLL may be used initially in the culture of erythrocyte precursor cells following the erythrocyte formation process, or may be used for further culture at an intermediate stage (e. G., A denucleation stage, 17 days of culture). Erythrocyte precursor cells can be obtained from a variety of sources, such as peripheral blood, cord blood, or bone marrow. CD34 + cells as erythroid precursor cells can be isolated according to various cell separation methods known in the art, such as immuno magnetic-bead separation methods using CD34 + antibodies.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 폴리아미노산인 PLL을 이용하여 독성없이 배양 지지체 표면에 아민기를 도입함으로써 적혈구 전구세포가 성숙한 적혈구로 분화할 수 있는 최적의 조건을 제공한다.(a) The present invention provides an optimal condition for erythrocyte precursor cells to differentiate into mature erythrocytes by introducing an amine group on the surface of a culture supporter without toxicity using a polyamino acid PLL.

(b) 본 발명은 적혈구가 생성되는 과정 전반에 걸쳐 적혈구로의 분화를 효율적으로 촉진한다.(b) The present invention efficiently promotes erythrocyte differentiation throughout the process of producing erythrocytes.

(c) 본 발명은 적혈구의 안전한 생체 외 대량생산 방법을 제시함으로써, 수혈용 혈액의 임상적 수요를 충족시킬 수 있다.
(c) The present invention can meet the clinical demand for transfusion blood by presenting a safe in vitro mass production method of erythrocytes.

도 1은 PLL 기질(0.1, 0.01 및 0.001%)이 조혈모세포의 체외 증식을 촉진함을 보여주는 그림이다. PLL 기질 상의 CD34+ 세포의 체외 증식이 대조군에 비하여 3일 째에는 증가하였으나, 1일 째에는 그렇지 않았다(도 1a). CD34+ 세포는 PLL 기질에서 대조군에서보다 높은 세포분열 속도를 보였다(도 1b). CD34+Lin-세포의 비율은 1일째 및 3일째의 모든 기질에서 유사했다(도 1c).
도 2는 PLL 기질(0.01%)이 조혈모세포의 다분화능에 영향을 끼치지 않음을 보여주는 그림이다. 콜로니의 전체 숫자(도 2a) 및 다양한 형태의 콜로니의 비율(도 2b)을 콜로니 형성 분석을 통해 측정하였다. CFU-E, CFU-G 및 CFU-M: 각각 적혈구계 세포, 과립구, 적혈구 및 거핵세포 콜로니의 CFU(colony forming unit).
도 3은 PLL 기질(0.1, 0.01 및 0.001%)이 CD34+ 세포의 적혈구계 세포로의 분화를 촉진시킴을 나타낸 그림이다. 도 3a는 적혈구계 세포 분화 배지에서 PPL 기질 상에서 21일간 배양된 적혈구계 세포의 배수 증가를, 도 3b는 CD71+GPA+ 세포의 비율을 각각 나타낸다. CD71 및 GPA (glycophorin A)는 적혈구계 세포의 적혈구로의 분화를 탐지하기 위한 표면마커로 사용되었다. 도 3c는 항-GPA 항체 및 SYTO64를 이용한 유세포 분석을 통해 탈핵 분석 결과를 나타낸 그림이다. GPA+SYTO64 세포는 탈핵 적혈구로 간주하였다.
도 4는 벤지딘 염색 및 RT-PCR을 통해 적혈구계 세포 분화에 PLL 기질(0.01%)이 미치는 영향을 나타낸 그림이다. 도 4a는 단계 Ⅳ에서 벤지딘 염색 후 헤마톡실린 염색을 통해 PLL 기질 상에서 완전히 분화된 적혈구의 수를 측정한 결과를 나타낸 그림이다. 이들 세포는 벤지딘+/헤마톡실린으로, 핵을 함유하고 있지 않다. 도 4b는 적혈구 생성-관련 유전자의 발현을 각 단계의 마지막 날에 RT-PCR로 측정한 결과를 나타낸 그림이다.
도 5는 조혈모세포와 PLL 기질(0.01%) 간의 상호작용에 의하여 아랫방향으로의 탈핵이 촉진됨을 나타낸 그림이다. 부유물 내 적혈구계 세포를 검출하기 위하여 라이트-김자 염색을 수행하고, 배양 플레이트 바닥의 이탈된 핵을 검출하기 위하여 헤마톡실린 및 DAPI 염색을 수행하였으며(도 5a), mm2 당 부착된 핵을 정량하였다. 도 5b는 탈핵 세포를 Z-섹션의 공초점 이미지를 통해 항-GPA 항체, 팔로이딘 및 DAPI를 이용하여 관찰한 결과를 나타낸다(맨위 패널). 탈핵 기작의 모델은 아래 패널에 나타냈다. 탈핵은 PLL 분자의 양이온 및 적혈구계 세포의 세포막의 음이온 간의 선택적인 상호작용을 매개로 일어나는 것으로 보이며, 이에 의해 아래 방향으로의 탈핵을 촉진한다.
Figure 1 shows that PLL substrates (0.1, 0.01 and 0.001%) promote the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells. In vitro proliferation of CD34 + cells on the PLL substrate was increased at 3 days compared to the control, but not at 1 day (Fig. 1a). CD34 + cells showed a higher rate of cell division in the PLL matrix than in the control (Fig. 1b). The percentage of CD34 + Lin - cells was similar in all of the substrates on day 1 and day 3 (FIG. 1c).
FIG. 2 is a graph showing that the PLL substrate (0.01%) does not affect the pluripotency of hematopoietic stem cells. The total number of colonies (Figure 2a) and the percentage of colonies of various types (Figure 2b) were determined through colony formation analysis. CFU-E, CFU-G and CFU-M: CFU (colony forming unit) of erythroid cells, granulocytes, red blood cells and megakaryocytic colonies, respectively.
Figure 3 is a graph showing that the PLL substrate (0.1, 0.01 and 0.001%) promotes the differentiation of CD34 + cells into erythroid cells. FIG. 3A shows the increase in the number of erythroid cells cultured on the PPL substrate for 21 days in erythroid cell differentiation medium, and FIG. 3B shows the ratio of CD71 + GPA + cells, respectively. CD71 and GPA (glycophorin A) were used as surface markers to detect erythrocyte differentiation of erythroid cells. FIG. 3c is a graph showing the results of the enucleation analysis by flow cytometry analysis using anti-GPA antibody and SYTO64. GPA + SYTO64 Cells were considered to be denucleated erythrocytes.
Figure 4 shows the effect of PLL substrate (0.01%) on erythroid cell differentiation through benzidine staining and RT-PCR. FIG. 4A is a graph showing the results of measurement of the number of erythrocytes completely differentiated on the PLL substrate through hematoxylin staining after benzidine staining in step IV. FIG. These cells are benzidine + / hematoxylin and do not contain nuclei. FIG. 4B is a graph showing the results of RT-PCR measurement of the expression of erythropoiesis-related genes at the end of each step. FIG.
FIG. 5 is a graph showing that denucleation in the downward direction is promoted by the interaction between the hematopoietic stem cells and the PLL substrate (0.01%). Light in order to detect the suspensions in erythroid cells perform gimja dyeing and, to detect the departure nucleus of the bottom culture plate hematoxylin and was performed for DAPI staining (Fig. 5a), mm determination of the nuclear attached per second Respectively. Figure 5b shows the results of observing the enucleated cells using the anti-GPA antibody, paloidin and DAPI through the confocal image of the Z-section (top panel). A model of the enucleation mechanism is shown in the panel below. Enucleation appears to be mediated by selective interactions between the anion of the cell membrane of the PLL molecule and the cell membrane of the erythrocyte cell, thereby promoting downward enucleation.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험방법Experimental Method

제대혈 CD34Cord blood CD34 ++ 세포의 분리 Isolation of cells

CPDA-1(citrate phosphate dextrose A-1) 45ml를 함유하는 백(Green Cross Corp., Yong-in, Korea)에 정상만기 임산부의 제대혈 시료를 서면 동의서를 받은 후 수집하였다. 본 연구는 한국 차의과대학의 윤리 위원회(Institutional Review Board)의 승인을 받았다. 단핵세포(MNC) 분획은 Ficoll paque PLUS (GE Healthcare Biosciences, Pittsburgh, PA)를 이용하여 제조자의 설명에 따라 분리하였다. CD34+ 세포는 면역-자기 마이크로비드 분별기(MACS CD34 isolation kit, Miltenyi Biotech, Auburn, CA)를 이용하여 제조자의 지시에 따라 분리하였다[15].The cord blood samples from normal pregnant women were collected in bags (Green Cross Corp., Yong-in, Korea) containing 45 ml of CPDA-1 (citrate phosphate dextrose A-1) This study was approved by the Institutional Review Board of the Korean Medical School. Mononuclear cell (MNC) fractions were separated using Ficoll paque PLUS (GE Healthcare Biosciences, Pittsburgh, Pa.) According to manufacturer's instructions. CD34 + cells were isolated according to the manufacturer's instructions using an immuno-magnetic microbead separator (MACS CD34 isolation kit, Miltenyi Biotech, Auburn, Calif.) [15].

PLL 기질을 제작하기 위하여, PLL을 2시간 동안 상온에서 조직배양 플레이트에 코팅하고, 증류수로 2번 세척하였다. 분리한 CD34+ 세포는 PLL로 표면 처리된 플레이트에 각각 cm2 당 1 x 104개의 세포를 씨딩하였다.
To prepare the PLL substrate, the PLL was coated onto the tissue culture plate at room temperature for 2 hours and washed twice with distilled water. The isolated CD34 + cells seeded 1 x 10 4 cells per cm 2 onto PLL-treated plates, respectively.

CD34CD34 ++ 세포의 체외 증식 In vitro proliferation of cells

분리된 CD34+ 세포의 체외 증식을 유도하기 위하여, Holst 등이 보고한 방법대로 세포들을 20% FBS, 1% 페니실린/스트렙토마이신, 50 ng/ml 줄기세포 인자(SCF; Peprotech, Rehovot, Israel), 20 ng/ml IL-3 (Peprotech), 50 ng/ml IL-6 (Peprotech)에서 배양하였다. CFSE(carboxy fluorescein succinimidyl ester) 표지를 위하여, DMEM 내 1×106 cells/ml를 5 μM CFSE로 처리하고, 10분간 37℃에서 배양한 후, 차가운 DMEM에서 4회 세척하였다. In order to induce the in vitro proliferation of isolated CD34 + cells, cells were cultured in the presence of 20% FBS, 1% penicillin / streptomycin, 50 ng / ml stem cell factor (SCF; Peprotech, Rehovot, Israel) 20 ng / ml IL-3 (Peprotech) and 50 ng / ml IL-6 (Peprotech). For labeling CFSE (carboxy fluorescein succinimidyl ester), 1 × 10 6 cells / ml in DMEM was treated with 5 μM CFSE, incubated for 10 min at 37 ° C, and washed 4 times in cold DMEM.

인간 사이토카인을 함유한 메틸 셀룰로오스 기반 배양액에 동일한 수의 세포를 세 번 플레이팅하여 제조자의 지시(R&D systems, Minneapolis, MN)에 따라 콜로니 어세이를 수행하였다. 30개 이상의 세포를 함유한 콜로니를 나열한 뒤 14일 후 광학 현미경을 이용하여 분류하였다.
The same number of cells were plated three times in a methylcellulose-based culture medium containing human cytokines and colony assays were performed according to the manufacturer's instructions (R & D systems, Minneapolis, MN). Colonies containing 30 or more cells were sorted and classified using an optical microscope 14 days later.

CD34CD34 ++ 세포의 적혈구계 세포 분화 Erythroid cell differentiation of cells

분리된 CD34+ 세포의 적혈구계 세포로의 분화를 유도하기 위하여, 세포들을 Baek이 보고한 방법[18]을 조금 변형하여 배양하였다. 몇몇 시약이 첨가된 Iscove의 DMEM에 기반하여, 적혈구계 세포 분화를 위한 배지에 무혈청 배지의 몇몇 사이토카인을 첨가하였다. 기본적인 분화 방법은 4 단계로 이루어진다. 단계 I(0-7일)에서, 1 μM 하이드로코르티손(HC, Sigma), 100 ng/ml SCF, 10 ng/ml IL-3 및 6 IU/ml EPO(erythropoietin; R&D systems)가 첨가된 배지에서 CD34+ 세포를 배양하였다. 4일 째에 상등액을 제거하고 동일한 양의 배양액을 첨가함으로써 배지의 절반을 교체하였다.To induce the differentiation of isolated CD34 + cells into erythroid cells, cells were cultured with a slight modification of the method reported by Baek [18]. Based on Iscove's DMEM supplemented with several reagents, several cytokines in serum-free medium were added to the medium for erythrocyte cell differentiation. The basic differentiation method consists of four steps. In the medium supplemented with 1 μM hydrocortisone (HC, Sigma), 100 ng / ml SCF, 10 ng / ml IL-3 and 6 IU / ml EPO (erythropoietin; R & D systems) in step I (0-7 days) CD34 + cells were cultured. On the fourth day, the supernatant was removed and half of the medium was replaced by adding the same amount of culture medium.

단계 Ⅱ(7-13일)에서, 팽창된 적혈구계 세포를 50 ng/ml SCF, 10ng/ml IL-3 및 3 IU/ml EPO 하에서 24-웰 플레이트에서 1x105/cm2의 밀도로 배양하였다. 세포는 3일 또는 4일 마다 2-4배로 희석하였다. 단계 Ⅲ(13-17일)에서, 50 ng/ml SCF 및 2 IU/ml EPO를 첨가하였다. 마지막으로 단계 Ⅳ(탈핵단계, 17-21일)에서, 적혈구계 세포를 사이토카인이 없는 새로운 배지에 옮겼다. P188 0.05%를 13일째부터 마지막 날까지 첨가하였다. 각각의 단계 마지막에서, 배양된 세포는 수집되어 적혈구계 세포의 숫자를 혈구계(hemocytometer)를 이용하여 측정하였다. 모든 배양물은 가습(humidified)의 37℃, 5% CO2의 환경을 유지시켰다.
In step II (7-13 days), the expanded erythroid cells were cultured at a density of 1x10 5 / cm 2 in 24-well plates under 50 ng / ml SCF, 10 ng / ml IL-3 and 3 IU / ml EPO . Cells were diluted 2-4 times every 3 or 4 days. In step III (13-17 days), 50 ng / ml SCF and 2 IU / ml EPO were added. Finally, in step IV (enucleation phase, 17-21 days), erythroid cells were transferred to fresh medium without cytokines. 0.05% of P188 was added from the 13th day to the last day. At the end of each step, cultured cells were collected and the number of erythroid cells was measured using a hemocytometer. All cultures were maintained in humidified 37 ° C, 5% CO 2 environment.

유세포 분석Flow cytometry

체외 증식된 조혈모세포의 표면 단백질 마커의 발현을 분석하기 위하여, 배양된 세포를 1일 또는 3일 째에 FITC(fluorescein isothiocyanate)이 접합된 항-계통 특이적 항원 칵테일(LinFITC; Biolegend) 및 항-CD34-페리디닌 클로로필 단백질(CD34-PerCP; Biolegend)과 함께 배양하였다. CD71 및 글리코포린 A(GPA; Biolegend)와 같은 분화 표면마커의 발현을 측정하기 위하여, 각 단계의 마지막 날에 배양된 세포를 항-CD71-피코에리트린(CD71-PE; Biolegend) 및 항-GPA-알로피코시아닌 (GPAAPC; Biolegend)으로 염색하였다. 특히, 탈핵 분석에 있어서, 적혈구계 세포는 항-GPA-FITC와 함께 배양하였으며, 결합하지 않은 항체를 제거하기 위해 부드럽게 세척하였다. 세포들은 탈핵을 위해 40 mM NaCl 및 5 mM MgCl2를 함유하는 pH 7.4의 10 mM HEPES 완충액에서 0.5 μM SYTO64 (Invitrogen), 세포 투과성 적색 형광염료와 함께 재부유하였다. 세포들은 2% FBS와 함께 PBS에서 두 번 세척하고 FACSCalibur System(BD Bioscience, Heidelberg, Germany)으로 측정하였다. 유세포 분석의 데이터는 CellQuest 소프트웨어(BD Bioscience) 및 WinMDI2.9 소프트웨어를 이용하여 분석하였다.
To analyze the expression of the surface protein markers of the in vitro proliferating stem cells, the cultured cells were cultured on day 1 or day 3 with an anti-lineage specific antigen cocktail (LinFITC; Biolegend) conjugated with FITC (fluorescein isothiocyanate) CD34-Peridin chlorophyll protein (CD34-PerCP; Biolegend). To measure the expression of differentiation surface markers such as CD71 and glycophorin A (GPA), cells cultured on the last day of each step were incubated with anti-CD71-picoerythrin (CD71-PE; Biolegend) and anti- - < / RTI > allophycocyanin (GPAAPC; Biolegend). Specifically, in the enucleation assay, erythroid cells were incubated with anti-GPA-FITC and gently washed to remove unbound antibodies. Cells were resuspended with 0.5 μM SYTO64 (Invitrogen), a cell permeable red fluorescent dye in 10 mM HEPES buffer, pH 7.4, containing 40 mM NaCl and 5 mM MgCl 2 for enucleation. Cells were washed twice in PBS with 2% FBS and measured with a FACSCalibur System (BD Bioscience, Heidelberg, Germany). Flow cytometry data were analyzed using CellQuest software (BD Bioscience) and WinMDI2.9 software.

라이트-김자(Wright-giemsa) 염색 및 벤지딘 염색Wright-giemsa staining and benzidine staining

세포의 형태 및 적혈구계 세포의 적혈구로의 분화 정도를 관찰하기 위하여, 각 단계마다 적혈구계 세포를 슬라이드에 수집하여 사이토스핀(cytospin)을 하였다. 슬라이드는 건조 후 라이트-김자 염료로 5분간 로 염색하고 증류수로 3번 세척하였다. To observe the morphology of the cells and the degree of differentiation of erythroid cells into erythrocytes, erythrocyte cells were collected on each slide and cytospin was performed. The slides were dried, stained with a light-gum dye for 5 minutes, and washed three times with distilled water.

전체 헤모글로빈 염색을 위하여, 공기-건조 사이토스핀 염료 시료를 100% 메탄올에서 4분간 고정하였다. 10분 간 PBS로 세척 후, 세포를 제조자의 지시에 따라 3’3’-디아미노벤지딘 시약(Sigma-Aldrich)으로 염색하였다. 헤모글로빈을 함유하는 적혈구와 같은 세포는 갈색으로 염색되었으며, 세포의 핵은 헤마톡실린으로 보라색으로 염색되었다.
For total hemoglobin staining, air-dried cytosine dye samples were fixed in 100% methanol for 4 minutes. After washing for 10 minutes with PBS, cells were stained with 3'3'-diaminobenzidine reagent (Sigma-Aldrich) according to the manufacturer's instructions. Cells such as red blood cells containing hemoglobin were stained brown, and the nuclei of the cells were stained with hematoxylin in purple.

면역세포화학Immune cell chemistry

조혈모세포를 PLL 기질의 존재 또는 부재 하에서 배양한 뒤, PBS로 세 번 세척 후 10% 포르말린에 고정하고 0.3% Triton X-100으로 5분 간 투과화시켰다. 이들 세포를 PBS를 함유하는 1% 소혈청 알부민에서 1시간 동안 상온 배양하여 비-특이적 단백질 결합을 차단하였다. 이후 세포들을 라이트프루프(lightproof) 박스에서 제작한 항-GPA로 염색하고, 항-마우스 FITC- 접합 2차 항체(Abcam)를 이용하여 검출하였다. 핵을 DAPI(4,6- diamidino-2-phenylindole) 및 디하이드로클로라이드(Molecular Probes)로 염색하고 Gel/Mount(Biomedia)로 유리 커버슬립에 마운팅하였다. 시료를 Zeiss LSM 510 Meta 레이저 스캐닝 공초점 현미경(Carl Zeiss Microimaging GmbH)을 이용하여 조사하였다.
Hematopoietic stem cells were cultured in the presence or absence of PLL substrate, washed three times with PBS, fixed in 10% formalin, and permeabilized with 0.3% Triton X-100 for 5 minutes. These cells were incubated with 1% bovine serum albumin containing PBS for 1 hour at room temperature to block non-specific protein binding. Cells were then stained with anti-GPA produced in a lightproof box and detected using an anti-mouse FITC-conjugated secondary antibody (Abcam). The nuclei were stained with DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole) and dihydrochloride (Molecular Probes) and mounted on a glass cover slip with Gel / Mount (Biomedia). Samples were examined using a Zeiss LSM 510 Meta laser scanning confocal microscope (Carl Zeiss Microimaging GmbH).

역전사 중합효소 연쇄반응(PCR) 및 실시간 PCRReverse transcription polymerase chain reaction (PCR) and real-time PCR

배양된 ASC에서 수득한 총 RNA를 TRIzol 시약(Gibco BRL)을 이용하여 제조자의 지시에 따라 분리하고, RNA 침전물을 재부유시킨 후 RNA 농도를 측정하였다. RNA를 TOPscript™cDNA 합성 킷(Enzynomics)을 이용하여 각 시료별로 두 번씩 역전사를 수행하였다. PCR을 AccuPowerGreenStar qPCR premix(Bioneer) 및 xiCycler™96 Real-time Quantitative Thermal Block (Bioneer)를 이용하여 수행하였다. PCR 조건은 다음과 같다: 94℃, 10분 및 95℃, 10초로 40 사이클, 58℃, 30초 및 72℃, 30초. 형광 역가는 Exicycler3 분석 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 적혈구계 세포 분화와 관련된 프라이머 서열은 표 1에 나타내었다.
The total RNA obtained in the cultured ASC was separated using the TRIzol reagent (Gibco BRL) according to the manufacturer's instructions, and the RNA concentration was determined after resuspension of the RNA precipitate. RNA was reverse transcribed twice for each sample using the TOPscript ™ cDNA synthesis kit (Enzynomics). PCR was performed using AccuPowerGreenStar qPCR premix (Bioneer) and xiCycler 96 Real-time Quantitative Thermal Block (Bioneer). The PCR conditions were as follows: 94 ° C for 10 minutes and 95 ° C for 40 cycles of 10 seconds, 58 ° C for 30 seconds, and 72 ° C for 30 seconds. Fluorescence intensity was calculated using Exicycler3 analysis software. Primer sequences associated with erythroid cell differentiation are shown in Table 1.

적혈구 분화의 분석을 위한 정량적 PCR에 사용된 프라이머 서열The primer sequences used for quantitative PCR for the analysis of erythrocyte differentiation 유전자gene 서열order GATA-1GATA-1 정방향Forward 5'-ATCACACTGAGCTTGCCACA-3'5'-ATCACACTGAGCTTGCCACA-3 ' 역방향Reverse 5'-CAGGCCAGGGAACTCCA-3'5'-CAGGCCAGGGAACTCCA-3 ' Globin, alpha 1Globin, alpha 1 정방향Forward 5'-CCGGTCAACTTCAAGCTCCT-3'5'-CCGGTCAACTTCAAGCTCCT-3 ' 역방향Reverse 5'-AAGAAGCATGGCCACCGAG-3'5'-AAGAAGCATGGCCACCGAG-3 ' Globin, gamma 1Globin, gamma 1 정방향Forward 5'-GCTGCATGTGGATCCTGAGA-3'5'-GCTGCATGTGGATCCTGAGA-3 ' 역방향Reverse 5'-GCCACTGCAGTCACCATCT-3'5'-GCCACTGCAGTCACCATCT-3 ' ALASALAS 정방향Forward 5'-TGCAGGGCAACAGGACTTTA-3'5'-TGCAGGGCAACAGGACTTTA-3 ' 역방향Reverse 5'-GGGACAGCGTCCAATACCAA-3'5'-GGGACAGCGTCCAATACCAA-3 ' GAPDHGAPDH 정방향Forward 5'-ACATCGCTCAGACACCATG-35'-ACATCGCTCAGACACCATG-3 역방향Reverse 5'-TGTAGTTGAGGTCAATGAAGGG-3'5'-TGTAGTTGAGGTCAATGAAGGG-3 '

실험결과Experiment result

PLL 기질에서 조혈모세포의 체외 증식 및 분화  In vitro proliferation and differentiation of hematopoietic stem cells in PLL matrix

조직 배양 플레이트를 다양한 농도의 PLL(0.0001, 0.01 및 0.1 중량 %)로 코팅하고, 코팅 표면의 산소, 질소 및 탄소 함량을 X-레이 광전자 분광기(XPS, Table1)로 정량하였다. 기질의 질소 함량은 PLL 농도가 증가할수록 함께 증가하였으며, 이를 통해 흡착된 PLL의 양이 많을수록 배양 표면의 아민기 수도 늘어남을 알 수 있었다. Tissue culture plates were coated with various concentrations of PLL (0.0001, 0.01 and 0.1 wt.%) And the oxygen, nitrogen and carbon contents of the coating surface were quantified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Table 1). Nitrogen content of the substrate increased with increasing PLL concentration. As the amount of PLL adsorbed increased, the number of amine groups on the culture surface increased.

PLL이 조혈모세포의 자가재생 및 체외 증식에 미치는 효과를 조사하기 위하여, CD34+ 세포를 인간 제대혈로부터 분리하여 증식 배지에서 1 또는 3일 간 배양하였다(도 1). PLL-코팅 표면(0.001, 0.01 및 0.1%)을 이용하여 1일 및 3일 째의 조혈모세포의 체외 증식을 조사하였다(도 1). 도 1a에서 보는 바와 같이, 3일 째에 코팅되지 않은 대조군에 비하여 더 많은 수의 조혈모세포가 관찰되었으나, 1일 째는 그렇지 않았다. PLL 농도가 높을수록(0.01 및 0.1%) 이러한 경향은 명확하였으나, 낮은 농도(0.001%)에서는 유의한 차이가 없었다. 유사한 용량-의존적인 결과가 4차 세포분열에서의 세포분열 속도에서 관찰되었다(도 1b). 그러나, CD34+Lin세포의 비율은 모든 비율에서 유사하였다(도 1c).To investigate the effect of PLL on the self-renewal and extracellular proliferation of hematopoietic stem cells, CD34 + cells were separated from human umbilical cord blood and cultured in the proliferation medium for 1 or 3 days (Fig. 1). The in vitro proliferation of hematopoietic stem cells on days 1 and 3 was examined using PLL-coated surfaces (0.001, 0.01 and 0.1%) (Fig. 1). As shown in FIG. 1A, on the third day, a larger number of hematopoietic stem cells were observed than on the uncoated control group, but not on the first day. The higher the PLL concentration (0.01 and 0.1%), the more pronounced this trend was, but the lower the concentration (0.001%), the more significant the difference was. Similar dose-dependent results were observed in cell division rates in the fourth cell division (Fig. 1B). However, the proportion of CD34 + Lin cells was similar at all ratios (Figure 1c).

CD34+ 세포의 분화 잠재력을 측정하기 위하여, 본 발명자들은 0.01% PLL 기질을 선택하여 메틸셀룰로오스에서의 배양 14일 후 콜로니 형성을 분석하였다(도 2). 강력하게 분화하는 세포들(CFU-E, BFU-E, CFU-G, CFU-M, CFU-GM 및 CFU-GEMM, 각 세포의 정의는 도면의 간단한 설명 참조)로부터 형성된 전체 콜로니의 수(도 2a) 및 각 타입이 콜로니의 비율(도 2b)은 PLL 기질 및 대조군 기질 간 유의한 차이를 보이지 않았다. 이를 종합할 때, 0.01% 또는 그 이상의 코팅 농도에서, PLL은 세포 분열을 증가시킴으로써 CD34+Lin표면마커의 발현패턴을 가지는 조혈모세포의 비율이나 CD34+ 세포의 분화 잠재력을 변화시키지 않으면서 전체 CD34+ 세포의 수를 증가시킴을 알 수 있다.
To determine the differentiation potential of CD34 + cells, we selected a 0.01% PLL substrate and analyzed the formation of colonies after 14 days in culture on methylcellulose (FIG. 2). The number of total colonies formed from strongly differentiating cells (CFU-E, BFU-E, CFU-G, CFU-M, CFU-GM and CFU-GEMM, 2a) and the ratio of each type of colonies (FIG. 2b) did not show any significant difference between the PLL and control substrates. When synthesis this, 0.01% or in more coating concentrations, PLL is increased by whole without changing the differentiation potential of the proportion of the stem cells with the expression pattern of CD34 + Lin surface marker or CD34 + cells, CD34 cell division + The number of cells is increased.

PLL 기질 상에서의 적혈구계 세포 분화 및 RBC 생성Erythrocyte cell differentiation and RBC generation on PLL substrate

다음으로, 0.001, 0.01 및 0.1% 농도(도 3) 및 0.01% 농도(도 4)의 PLL에서 조혈모세포의 적혈구계 세포로의 분화를 조사하였다. CD34+ 세포를 21일 간 원하는 분화 단계(단계Ⅰ-단계Ⅳ)에 따라 사이토카인 및 그 밖의 인자(하이드로코르티손(HC), 줄기세포 인자(SCF), IL-3 및 EPO(erythropoietin))의 서로 다른 조합을 가지는 4 종류의 분화 배지에서 배양하였다(도 3). 적혈구계 세포의 수는 각 단계가 종료되는 시점에 세포를 카운팅하여 측정하였다(도 3a). 0.01% PLL 기질에서 배양된 조혈모세포와 대조군 기질, 0.001 또는 0.1% PLL 기질에서 배양된 조혈모세포를 측정한 결과, 단계 Ⅰ에서 가장 높은 배수의 증가가 관찰된 반면, 단계Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ에서는 기질 특이적인 변화가 관찰되지 않았다(도 3a). 한편, FACS(fluorescence-activated cell sorting) 분석결과 0.01% PLL 기질에서 배양한 적혈구계 세포(CD71+GPA+ 세포)의 비율은 대조군에 비하여 단계 Ⅱ에서만 높다는 사실을 알 수 있었다. 이들 결과는 0.01% PLL 기질이 초기에만 분화하는 조혈모세포의 팽창을 촉진하며, 후기 단계에서는 그렇지 않음을 보여준다. Next, the differentiation of hematopoietic stem cells into erythroid cells was examined in PLL of 0.001, 0.01 and 0.1% concentration (FIG. 3) and 0.01% concentration (FIG. 4). CD34 + cells were treated with cytokines and other factors (hydrocortisone (HC), stem cell factor (SCF), IL-3 and EPO (erythropoietin)) in accordance with the desired differentiation stage (Step I- And cultured in four kinds of differentiation medium having different combinations (Fig. 3). The number of erythroid cells was measured by counting cells at the end of each step (Fig. 3A). Measurements of hematopoietic stem cells cultured on a 0.01% PLL substrate and in a control substrate, 0.001 or 0.1% PLL substrate showed the highest increase in stage I, whereas in stage II, III and IV, No specific changes were observed (Fig. 3a). On the other hand, the fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis showed that the ratio of erythroid cells (CD71 + GPA + cells) cultured on 0.01% PLL substrate was higher only in step II than in the control group. These results demonstrate that 0.01% PLL substrate promotes the expansion of hematopoietic stem cells that initially differentiate only in the early stages, but not in later stages.

도 3c에서 보는 바와 같이, 단계 Ⅲ 및 Ⅳ에서 적혈구계 세포 중 탈핵된 세포(적혈구)의 비율을 GPA(glycophorin A, 적혈구 표면 마커) 및 SYTO64 (핵 마커)에 대한 항체를 이용하여 측정하였다. 단계 Ⅲ에서, 0.01 및 0.1% PLL 기질은 대조군 및 0.001% PLL 기질에 비하여 더 높은 적혈구(GPA+SYTO64세포) 비율을 보였다. 그러나, 단계 Ⅳ에서는 이러한 차이가 관찰되지 않아 PLL 기질은 주로 단계 Ⅳ가 아닌 단계 Ⅲ에서 적혈구계 세포의 탈핵을 유도함을 보여주었다. 따라서, 조직 배양에 있어 지지체에 대한 0.01% PLL 코팅이 체외에서 조혈모세포로부터 탈핵된 적혈구를 생성하기 위한 가장 이상적인 조건을 제공한다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 3C, the percentage of enucleated cells (erythrocytes) in erythroid cells in steps III and IV was measured using antibodies against GPA (glycophorin A, erythrocyte surface marker) and SYTO64 (nuclear marker). In step III, 0.01 and 0.1% PLL substrates showed higher erythrocyte (GPA + SYTO64 cells) ratios relative to the control and 0.001% PLL substrate. However, this difference was not observed in step IV, indicating that the PLL substrate induces enucleation of erythroid cells in step III, rather than step IV. Thus, it can be seen that 0.01% PLL coatings on supports in tissue culture provide the ideal conditions for generating enucleated erythrocytes from hematopoietic cells in vitro.

대조군 및 0.01% PLL 기질에서의 적혈구계 세포 분화의 정도를 비교하기 위하여, 헤모글로빈을 검출하는 벤지딘 염색을 통해 적혈구를 이미지화하고(도 4a), 적혈구 생성-관련 유전자 발현을 분석하였다(도 4b). 단계 Ⅳ의 적혈구(화살표)를 benzidine+/hematoxylin 세포로 표시하였다(도 4a). 이들 세포는 대조군에서보다 PLL 기질에서 더 많이 발견되었다. 단계 Ⅰ-Ⅲ에서의 정량적 실시간 PCR(RT-PCR) 분석 결과(도 4b)에 따르면, 적혈구계 세포 분화 마커(GATA-1(globin transcription factor-1), α-글로빈, γ-글로빈 및 적혈구계 세포 ALA 신타아제(ALAS))의 발현 수준은 PLL 기질에서 보다 높았으며, 특히 단계 Ⅲ에서 그러하였다. 이러한 분석을 통해 0.01% PLL 기질이 적혈구계 세포의 탈핵을 촉진하고, 적혈구계 세포 분화 동안 적혈구 생성-관련 유전자의 발현을 증가시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
To compare the degree of erythrocyte cell differentiation in the control and 0.01% PLL substrate, erythrocytes were imaged by benzidine staining to detect hemoglobin (FIG. 4A) and analyzed for erythropoiesis-related gene expression (FIG. 4B). The red blood cells (arrows) of step IV were incubated with benzidine + / hematoxylin Cells (Fig. 4A). These cells were found more in the PLL substrate than in the control group. According to the results of the quantitative real-time PCR (RT-PCR) analysis (Fig. 4B) in step I-III, the erythrocyte cell differentiation markers (GATA-1, globin transcription factor- Cell ALA synthase (ALAS)) was higher than that of PLL substrate, especially in step III. These analyzes confirm that the 0.01% PLL substrate promotes the enucleation of erythrocyte cells and increases the expression of erythropoiesis-related genes during erythroid cell differentiation.

PLL 기질 상에서 탈핵의 효율 및 방향 Efficiency and direction of enucleation on PLL substrate

도 5a는 단계 Ⅲ 적혈구계 세포(화살표)에서 탈핵의 정도가 대조군(왼쪽 패널)에서보다 0.01% PLL 기질(오른쪽 패널)에서 더 높음을 보여준다. 흥미롭게도, 헤마톡실린 및 DAPI 염색 역시 탈핵과정을 거친 후에도 배양액 바닥, 특히 PLL 기질에 많은 핵이 남아있음을 보여준다(도 5a). 실제로, 이러한 핵의 수는 대조군과 비교하였을 때 PLL 기질에서 약 3배가 많았다. 탈핵의 방향을 조사하기 위하여, 세포를 적혈구계 세포 분화 동안 항-GPA 항체, 팔로이딘 및 DAPI로 염색하였다(도 5b). 공초점 이미지에서 녹색은 GPA를, 적색은 액틴 필라멘트를, 파란색은 핵을 나타낸다. 핵을 밀어내는 GPA 및 액틴 필라멘트는 공분포(co-localized)되어 있었으며, 대부분의 적혈구계 세포에서 핵을 밀어내는 방향은 옆방향 또는 아래방향이었다. 그러나, 흡착된 핵의 정량결과, 아래 방향의 탈핵은 대조군보다는 PLL 기질에서 훨씬 빈번하게 일어났다(도 5b). 따라서, PLL 기질은 PLL 분자의 양이온 및 탈핵되는 세포 간의 선택적인 상호작용을 통해 아랫방향으로 핵을 밀어내도록 자극함으로써 적혈구계 세포의 탈핵을 촉진하는 것으로 보인다(도 5, 모식도).
Figure 5a shows that the degree of enucleation in Stage III erythroid cells (arrows) is higher in the 0.01% PLL substrate (right panel) than in the control (left panel). Interestingly, hematoxylin and DAPI staining also show that many nuclei remain in the bottom of the culture medium, especially the PLL substrate, even after the enucleation process (Fig. 5A). In fact, the number of these nuclei was about three times higher in the PLL substrate when compared to the control group. To examine the direction of enucleation, cells were stained with anti-GPA antibody, paloidin and DAPI during erythrocyte differentiation (Fig. 5b). In the confocal image, green indicates GPA, red indicates actin filament, and blue indicates nuclei. GPA and actin filaments pushing nuclei were co-localized, and the direction of pushing nuclei in most erythroid cells was lateral or downward. However, as a result of quantitation of the adsorbed nuclei, downward enucleation occurred more frequently in the PLL substrate than in the control (Figure 5b). Therefore, the PLL substrate promotes the enucleation of erythrocyte cells by stimulating the nucleus to be downward through selective interaction between the cations of the PLL molecule and the enucleated cells (FIG. 5, schematic diagram).

추가논의Further discussion

조혈모세포 및 배양기질 간의 상호작용은 줄기세포의 체외 증식 및 분화를 조절하는 데에 매우 중요하다. 많은 연구에서 조혈모세포 팽창 및 분화를 개선시키기 위하여 매트릭스 단백질(예를 들어 트로포엘라스틴 [14], 피브로넥틴[15] 및 피브린[16])로 코팅된 다양한 기질을 사용하였다. 이들 중에서, 트로포엘라스틴은 특히 효율적인 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 트로포엘라스틴-코팅된 배양 기질은 대조군에 비하여 인간 및 마우스 조혈모세포를 약 3배 팽창시켰다. 그 밖의 연구는 조혈모세포의 체외 증식 및 분화를 위해 배양 기질을 물리적 및 화학적으로 변형하는 데에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 아민기를 가진 나노섬유를 화학적 변형시킬 경우 변형되지 않은 대조군에 조혈모세포의 체외 증식을 증가시킨다[11]-[12]. 그러나, 불행하게도, 대부분의 조혈모세포는 특징적인 표면 마커인 CD34+를 체외 증식 동안 70% 이상 상실한다. 이와 달리, 본 발명자들은 PLL 기질이 조혈모세포의 최초 수를 3배 가까이 증가시키고, 이들 중 80% 이상이 CD34에 대하여 양성임을 확인하였다(도 6). 이러한 결과는 트로포엘라스틴에 의한 결과와 비교된다(도 6). Interactions between hematopoietic stem cells and cultured matrices are crucial for controlling in vitro proliferation and differentiation of stem cells. Many studies have used various substrates coated with matrix proteins (eg, tropoelastin [14], fibronectin [15] and fibrin [16]) to improve hematopoietic cell expansion and differentiation. Of these, tropoelastin has been found to be particularly efficient. For example, the tropoelastin-coated culture substrate expanded human and mouse hematopoietic cells about 3-fold compared to the control. Other studies have focused on physically and chemically modifying the culture medium for in vitro proliferation and differentiation of hematopoietic stem cells. For example, chemical modification of nanofibers with amine groups increases the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells in unmodified controls [11] - [12]. Unfortunately, however, most hematopoietic cells lose more than 70% of the CD34 + characteristic surface marker during in vitro proliferation. In contrast, the present inventors confirmed that the PLL substrate increased the original number of hematopoietic stem cells by three times, and that more than 80% of them were positive for CD34 (FIG. 6). These results are compared with the results by tropoelastin (Fig. 6).

본 발명자들은 PLL 기질(0.01 및 0.1%)이 조혈모세포를 대조군에 비하여 약 30% 증가시켰음을 확인하였다(도 1a). 또한, 더 빠른 세포분열 속도를 가지는 조혈모세포가 PLL 기질 상에서 대조군에 비하여 유의하게 증가하였다(도 1b). 따라서, PLL 기질은 세포가 S기로 진입하는 것을 촉진함으로써 조혈모세포의 체외 증식을 증가시킨다. The present inventors confirmed that the PLL substrate (0.01 and 0.1%) increased the hematopoietic stem cells by about 30% as compared with the control (Fig. 1A). In addition, hematopoietic cells having a faster cell division rate were significantly increased on the PLL substrate as compared with the control group (Fig. 1B). Thus, the PLL substrate increases the in vitro proliferation of hematopoietic stem cells by promoting the entry of cells into the S phase.

조혈모세포가 적혈구계 세포로 분화하는 동안, 조혈모세포에서 생성된 세포는 ECM 및 다양한 종류의 세포들로 이루어진 미세환경 또는 니치와 상호작용한다[6]. 이러한 상호작용은 적혈구계 세포의 증식, 분화 및 탈핵을 촉진하여 궁극적으로 적혈구를 생성시킨다. Lazar-Karsten 등은 콜라겐 Ⅳ, 라미닌, 피브로넥틴 및 라미닌, 콜라겐 Ⅳ, 헤파란 설페이트 프로테오글리칸 및 엔탁틴으로 구성된 혼합 단백질 ECM 젤을 포함하는 분리된 ECM 단백질에서 배양한 조혈모세포가 적혈구계 세포로 분화함을 확인하였다[22]. ECM 젤은 다른 기질에 비하여 가장 높은 세포 생존성을 제공한 반면, 라미닌 기질은 15% 더 높은 탈핵율을 보였다. 그러나, 피브로넥틴 기질은 대조군에 비해 40% 낮은 적혈구계 세포의 팽창을 보였으며, 콜라겐 기질은 적혈구계 세포 분화에 명확한 영향을 끼치지 않았다. During hematopoietic differentiation into hematopoietic cells, cells generated from hematopoietic cells interact with the microenvironment or niche consisting of ECM and various types of cells [6]. These interactions promote the proliferation, differentiation and enucleation of erythroid cells, ultimately producing red blood cells. Lazar-Karsten et al. Have shown that hematopoietic stem cells cultured in isolated ECM proteins containing a mixed protein ECM gel consisting of collagen IV, laminin, fibronectin and laminin, collagen IV, heparan sulfate proteoglycan and entatin are differentiated into erythroid cells . The ECM gel provided the highest cell viability compared to other substrates, whereas the laminin substrate showed a 15% higher denucleation rate. However, the fibronectin substrate showed 40% lower expansion of erythroid cells than the control, and the collagen substrate did not have a definite effect on erythroid cell differentiation.

본 발명에서 PLL 기질은 적혈구계 세포 분화의 단계 Ⅰ에서 전체 분화 세포의 수를, 단계 Ⅱ에서 적혈구계 세포의 수를, 단계 Ⅲ에서 탈핵된 세포의 수를 각각 유의하게 증가시켰다(도 3). 뿐만 아니라, PLL은 단계 Ⅲ에서 GATA-1, ALAS 및 γ-글로빈과 같은 적혈구 생성-관련 유전자의 발현을 증가시켰다. 이러한 결과는 PLL 기질이 적혈구계 세포 분화의 전체 과정을 조정할 수 있으며, 조혈모세포의 초기 팽창 및 분화를 촉진하고, 조혈모세포-유래 세포의 최종 탈핵을 유도한다는 것을 보여준다. 실제로, PLL은 대조군에 비하여 적혈구계 세포의 팽창을 28%, 이들의 탈핵을 35% 증가시켰다(도 3).In the present invention, the PLL substrate significantly increased the number of total differentiated cells in stage I of erythroid cell differentiation, the number of erythroid cells in stage II, and the number of enucleated cells in stage III respectively (FIG. 3). In addition, PLL increased the expression of erythropoietic-associated genes such as GATA-1, ALAS and gamma-globin in step III. These results show that the PLL substrate can regulate the whole process of erythrocyte cell differentiation, promote the initial expansion and differentiation of hematopoietic stem cells, and induce the final enucleation of hematopoietic stem cell-derived cells. Indeed, PLL increased the expansion of erythroid cells by 28% and their enucleation by 35% compared to the control (Fig. 3).

Denisov 등은 정전기적 반응이 막의 재배열을 야기하여 접촉부위에서 특정한 막의 변형을 일으킬 수 있다고 보고하였다. 본 발명은 PLL의 코팅 농도를 조절함으로써 세포 배양 표면에서 아민기에 의해 부가된 양이온의 밀도를 조절하고자 하였다. XPS 분석 결과 본 발명에서 적용한 가장 고농도의 PLL(0.1%)이 배양기질에 가장 높은 질소 함량을 제공할 뿐 아니라(표 2), 단계Ⅲ에서 가장 많은 탈핵 세포를 제공한다는 사실을 확인하였다(도 3c).
Denisov et al. Reported that electrostatic reactions can cause rearrangement of the membrane and cause deformation of a specific membrane on the contact surface. The present invention aims to control the density of the cation added by the amine group on the cell culture surface by controlling the coating concentration of the PLL. As a result of XPS analysis, it was confirmed that the highest concentration PLL (0.1%) applied in the present invention not only provides the highest nitrogen content in the culture substrate (Table 2), but also provides the largest number of enucleated cells in step III ).

다양한 농도의 PLL 코팅에 의한 산소질소 및 탄소농도 Oxygen nitrogen and carbon concentration by PLL coating of various concentration 농도density 산소Oxygen 질소nitrogen 탄소carbon Non-coatedNon-coated 10.6710.67 미검출Not detected 89.3389.33 0.001%0.001% 11.3811.38 3.303.30 85.3185.31 0.01%0.01% 12.8612.86 3.553.55 83.6083.60 0.1%0.1% 10.9710.97 3.973.97 85.0685.06

본 발명자들은 이전의 연구에서 제안된 바와 같이[17] 많은 세포들이 탈핵되는 것이 세포막의 음이온과 PLL 분자의 양이온간 정전기적 작용 이외에 세포막 변형에도 기인할 것이라 가정하였다. 종래의 보고에서는 아민기가 풍부한 기질 및 전하를 띄지 않는 기질을 비교하였을 때 전자의 경우가 더 많은 탈핵 적혈구계 세포를 생성하였으며, 이에 세포막과 양이온의 기질 간 정전지적 인력이 원인일 것이라 가정한 바 있다. 뿐만 아니라, 탈핵의 방향이 위쪽 방향일 것이라고 예상하였으며, 이에 대한 직접적인 증거는 없었다. 한편, 본 발명에서는 적혈구계 세포 탈핵 후 PLL 기질 상에 대조군의 3배에 달하는 핵이 남아있음을 확인하였다(도 5a). 나아가, 공초점 현미경 관찰 결과 탈핵된 세포의 핵이 위쪽이 아닌 아래쪽으로 제거되며, 이후 PLL 기질에 흡착된다는 사실을 알 수 있었다(도 5b).As suggested in previous studies, the present inventors assumed that enucleation of many cells would be due to cell membrane deformation in addition to the electrostatic action between the anions of the cell membrane and the cations of the PLL molecules. In the previous report, it was hypothesized that electrons produced more denucleated erythroid cells when compared to substrates rich in amines and electrons, resulting in electrostatic attraction between cell membranes and cationic substrates . In addition, we anticipated that the direction of enucleation would be upward, and there was no direct evidence of this. Meanwhile, in the present invention, it was confirmed that three times as many nuclei as the control group remained on the PLL substrate after erythrocyte enucleation (Fig. 5A). Furthermore, observations of confocal microscopy revealed that the nuclei of the enucleated cells were removed downward rather than upwards, and then adsorbed to the PLL substrate (FIG. 5b).

적혈구계 세포의 탈핵동안, 제거된 핵은 양이온을 띄고 라이신- 및 알기닌이 풍부한 N-말단 세포외 도메인을 가지는 세포표면 단백질인 Emp(erythroblast macrophage protein) 주변에 위치하게 된다[18-19]. 따라서, 양이온을 띄는 PLL 아민 부위는 Emp의 역할을 하며, 적혈구계 세포 핵이 세포표면 아래쪽으로 이동하도록 촉진하는 것처럼 보인다. 그러나, 조혈모세포/조혈모세포-유래 세포와 PLL 간의 상호작용 메카니즘을 완전히 이해하기 위해서는 막 단백질 및 관련 신호전달 경로가 규명되어야 할 것이다.
During the enucleation of erythrocyte cells, the removed nuclei are located around Emp (erythroblast macrophage protein), a cell surface protein with cations and lysine- and arginine-rich N-terminal extracellular domains [18-19]. Thus, the positive PLL amine moiety acts as Emp and appears to promote red cell nuclei to move down the cell surface. However, in order to fully understand the mechanism of interaction between hematopoietic stem cells / hematopoietic stem cell-derived cells and PLL, membrane proteins and related signaling pathways must be identified.

결론conclusion

본 발명은 PLL 기질이 줄기세포 특성과 관련된 표면 마커의 발현을 변화시키지 않으면서 전체 조혈모세포 숫자를 증가시킴을 보였다. 아울러, PLL 코팅의 농도가 높을수록 CD34+Lin세포의 비율에 영향을 미치지 않으면서 CD34+ 세포의 체외 증식을 크게 증가시켰다. 나아가, 적혈구계 세포 분화 후 탈핵과정을 거치는 세포의 수는 PLL 상에서 대조군보다 증가하였다. 종합하면, 본 발명자들의 연구는 PLL이 조혈모세포의 체외 증식, 적혈구계 세포로의 분화 및 적혈구계 세포의 탈핵을 촉진하여 적혈구를 생성하도록 하는 유효한 조성물로 이용될 수 있음을 보여준다.
The present invention shows that PLL substrates increase the number of total hematopoietic cells without altering the expression of surface markers associated with stem cell characteristics. In addition, the higher the concentration of PLL coating, the greater the in vitro proliferation of CD34 + cells without affecting the proportion of CD34 + Lin cells. Furthermore, the number of cells undergoing enucleation after erythrocyte differentiation was increased over PLL compared to the control group. Taken together, our studies show that PLL can be used as an effective composition for promoting in vitro proliferation of hematopoietic stem cells, differentiation into erythroid cells, and enucleation of erythrocyte cells to produce erythrocytes.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

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Claims (12)

PLL(poly-L-lysine)을 유효성분으로 포함하는 적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)로부터 적혈구(red blood cell)로의 분화 유도용 조성물.
A composition for inducing the differentiation of erythroid precursor cells into erythrocytes (red blood cells) containing PLL (poly-L-lysine) as an active ingredient.
제 1 항에 있어서, 상기 적혈구 전구세포는 조혈모세포(Hematopoietic stem cell) 또는 적혈구계 세포(erythroid cell)인 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the erythroid precursor cells are hematopoietic stem cells or erythroid cells.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 생체 외에서 조혈모세포의 팽창을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the composition promotes the expansion of hematopoietic stem cells in vitro.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 GATA-1, ALAS, α-글로빈 및 γ-글로빈으로 구성된 군으로부터 선택되는 적혈구 생성-관련 유전자의 발현을 증가시키는 것을 특징으로 하는 조성물.
2. The composition of claim 1, wherein the composition increases expression of an erythropoietic-related gene selected from the group consisting of GATA-1, ALAS, alpha globin and gamma globin.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 적혈구계 세포의 탈핵(enucleation)을 촉진하는 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the composition promotes enucleation of erythroid cells.
제 1 항에 있어서, 상기 적혈구 전구세포는 CD34+ 세포인 것을 특징으로 하는 조성물.
2. The composition of claim 1, wherein the erythroid precursor cells are CD34 + cells.
제 1 항에 있어서, 상기 PLL은 배양 지지체 표면에 코팅된 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 조성물.
2. The composition of claim 1, wherein the PLL is coated on the surface of the culture support.
제 1 항에 있어서, 상기 PLL은 0.001-0.1 중량 %인 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the PLL is 0.001-0.1 wt%.
PLL(poly-L-lysine)을 포함하는 배지에서 적혈구 전구세포(erythroid precursor cell)를 배양하는 단계를 포함하는 적혈구 전구세포로부터 적혈구(red blood cell)로의 생체 외 분화 유도 방법.
A method of inducing in vitro differentiation of erythroid precursor cells into red blood cells comprising culturing erythroid precursor cells in a medium containing poly-L-lysine (PLL).
제 9 항에 있어서, 상기 적혈구 전구세포는 조혈모세포(Hematopoietic stem cell) 또는 적혈구계 세포(erythroid cell)인 것을 특징으로 하는 방법.
10. The method according to claim 9, wherein the erythroid precursor cells are hematopoietic stem cells or erythroid cells.
제 9 항에 있어서, 상기 PLL은 배양 지지체 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
10. The method of claim 9, wherein the PLL is coated on a culture support surface.
제 9 항에 있어서, 상기 PLL은 0.001-0.1 중량 %인 것을 특징으로 하는 배양 기질 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
10. The method of claim 9, wherein the PLL is coated on the surface of the culture substrate.
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