KR101344719B1 - The method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with strain and tissue engineering complex containing the smooth muscle cells - Google Patents

The method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with strain and tissue engineering complex containing the smooth muscle cells Download PDF

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Abstract

본 발명은 줄기세포가 접종된 탄성 스캐폴드에 응력(Strain)을 가하면서 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법 및 상기 방법에 의해 분화된 평활근세포를 함유하는 혈관 질환 또는 창상 치료를 위한 조직공학용 평활근세포 패치에 관한 것이다. 본 발명은 기계적 응력과 생화학 인자의 인간 지방줄기세포의 평활근세포 분화에 미치는 시너지 효과를 증명하였고 기계-활성 조직 공학에 있어서 줄기 세포의 유용한 응용법을 제공한다.The present invention provides a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells while applying stress to the elastic scaffold inoculated with stem cells, and smooth muscle for tissue engineering for the treatment of vascular diseases or wounds containing smooth muscle cells differentiated by the method. Cell patch. The present invention demonstrates the synergistic effect of mechanical stress and biochemical factors on smooth muscle cell differentiation of human adipose stem cells and provides a useful application of stem cells in mechanical-active tissue engineering.

Description

응력을 가하여 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법 및 평활근세포를 함유하는 조직공학용 복합체 {The method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with strain and tissue engineering complex containing the smooth muscle cells}The method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with strain and tissue engineering complex containing the smooth muscle cells}

본 발명은 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법 및 상기 방법에 의하여 분화된 평활근세포를 함유하는 조직공학용 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells and a complex for tissue engineering containing smooth muscle cells differentiated by the above method.

최근에 인간 지방조직(adipose tissue)에 자가 재생능력이 뛰어나고, 간, 골, 연골, 지방, 혈관, 심장, 신경계 등과 같은 다양한 세포로 분화될 수 있는 미분화 세포군이 포함되어 있음이 보고되었다(B. Cousin 등, BBRC 301: 1016, 2003; Miranville 등, Circulation 110: 349, 2004; S. Gronthos 등, J. Cell Physiol. 189: 54, 2001; M.J. Seo 등, BBRC 328: 258, 2005). 이러한 지방조직 유래 다분화능 줄기세포로서 지방줄기세포(adipose-derived stem cells; ASCs)는 중간엽계 줄기세포와 비교하여 지방조직에서 대량으로 추출할 수 있다는 점에서 취득과정이 용이하고 안전하며, 조직수급상의 제한이 없는 장점과 체외배양이 용이하여 조직 접근성, 안정성, 유효성, 그리고 경제적 측면에서 이점을 가지고 있어 다분화능 줄기세포의 새로운 공급원으로서 주목받고 있다.Recently, it has been reported that human adipose tissue contains an undifferentiated cell population which is excellent in self-renewal and can be differentiated into various cells such as liver, bone, cartilage, fat, blood vessels, heart and nervous system (B. Cousin et al., BBRC 301: 1016, 2003; Miranville et al., Circulation 110: 349, 2004; S. Gronthos et al., J. Cell Physiol. 189: 54, 2001; MJ Seo et al., BBRC 328: 258, 2005). Adipose-derived stem cells (ASCs), which are derived from adipose tissue-derived multipotent stem cells, are easily and securely obtained in that they can be extracted from adipose tissue in large quantities compared with mesenchymal stem cells. It is attracting attention as a new source of multipotent stem cells because it has advantages in terms of tissue accessibility, stability, efficacy, and economics due to its unlimited limitations and easy in vitro culture.

생물학적 대체재(biological substitutes) 개발은 조직기능을 향상시키거나 보존 유지할 수 있는 안정적인 세포원, 최적의 생화학적 환경, 생리적 조건과 생물학적으로 안정된 스캐폴드(scaffold)를 기본적으로 요구한다. Development of biological substitutes fundamentally requires stable cell sources that can improve or preserve tissue function, optimal biochemical environments, physiological conditions and biologically stable scaffolds.

락틴산과 카프로락톤의 공중합체(PLCL)는 이들 성분비에 의해 기계적 물성 범위가 결정되고, 이들 성분의 물리적인 가교 결합된 구조에 의해 고무와 같은 탄성력을 가진다. 또한 전기방사를 통해 나노미터 굵기의 섬유형 스캐폴드의 제조가 가능하고, 세포 성장, 증식 그리고 분화를 유도하며, 나노섬유 스캐폴드는 기계적 안정성, 구조적 유도, 그리고 세포외기질(ECM) 단백질 재결합 같은 생물학적 생리적 변화에 순조롭게 반응하기 위하여 세포와 주변 조직과의 상호작용에 적합한 장소(anchorage)를 제공한다. 조직공학 제재를 위한 스캐폴드 물질은 디자인, 폴리머의 기계적 물성이 적합하여, 생체적합성이 우수한 소재여야 한다. 본 발명에서는 전기방사 방법으로 만들어진 PLCL 나노섬유 스캐폴드를 지방줄기세포를 평활근세포로 분화시키기 위한 스캐폴드 개발을 위해 활용할 것이다.The copolymer of lactic acid and caprolactone (PLCL) has a mechanical property range determined by these component ratios, and has a rubber-like elastic force by the physical crosslinked structure of these components. Electrospinning also enables the fabrication of nanometer-thick fibrous scaffolds and induces cell growth, proliferation and differentiation. Nanofibrous scaffolds are characterized by mechanical stability, structural induction, and extracellular matrix (ECM) protein recombination. It provides an anchor suitable for interaction of cells with surrounding tissues in order to respond smoothly to biological and physiological changes. Scaffold materials for tissue engineering materials should be suitable materials for the mechanical properties of the design, polymer, and excellent biocompatibility. In the present invention, the PLCL nanofiber scaffold made by the electrospinning method will be utilized for scaffold development for differentiating fat stem cells into smooth muscle cells.

예를 들어 관상동맥증을 치료하기 위해 골수나 혈액에서 추출한 성체줄기세포(adult stem cell)를 이용하는 등 생명공학분야의 발달로 줄기세포(stem cell)를 이용하여 조직 및 장기를 재생시켜 그 기능을 복원하기 위한 방법들이 활발히 시도되고 있다. 줄기세포란 자기 복제 능력을 가지면서 2종 이상의 세포로 분화하는 능력을 갖는 세포를 말하며, 만능 줄기세포(totipotent stem cell), 전분화능 줄기세포(pluripotent stem cells), 및 다분화능 줄기세포(multipotent stem cells)로 분류할 수 있다. 평활근세포의 분화 연구의 대부분은 전환성장인자-β-1(TGF-β-1), 혈소판유래성장인자-BB(PDGF-BB), 아스코르브산(AA), 레티노산(RA), 안지오텐신 II(Ang II)와 같은 분화인자를 유도하기 위하여 액상 생화학 인자를 사용하였고, 다양한 평활근세포 분화 유도 정도를 보였다.
For example, the development of biotechnology, such as the use of adult stem cells extracted from bone marrow or blood to treat coronary artery disease, regenerates tissues and organs using stem cells to restore their function. Methods for restoration are actively being attempted. Stem cells are cells that have the ability of self-replicating and differentiate into two or more types of cells. Totipotent stem cells, pluripotent stem cells, and multipotent stem cells cells). Most of the differentiation studies of smooth muscle cells include conversion growth factor-β-1 (TGF-β-1), platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB), ascorbic acid (AA), retinoic acid (RA), and angiotensin II ( Liquid biochemical factors were used to induce differentiation factors such as Ang II), and various smooth muscle cell differentiation induction levels were shown.

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 고효율로 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법의 개발을 위하여 예의 연구 노력하였고 그 결과 생화학 인자와 더불어 응력을 가하여 줄기세포를 분화시키는 방법을 착안함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors earnestly researched for the development of a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with high efficiency. As a result, the present invention has been completed by devising a method for differentiating stem cells by applying stress with biochemical factors.

따라서 본 발명의 목적은 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법을 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 줄기세포를 분화시키는 방법에 의해 분화된 평활근세포를 함유하는 혈관 질환 또는 창상 치료를 위한 조직공학용 평활근세포 패치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention to provide a smooth muscle cell patch for tissue engineering for the treatment of vascular diseases or wounds containing smooth muscle cells differentiated by the method of differentiating stem cells of the present invention.

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

본 발명은 줄기세포가 접종된 탄성 스캐폴드에 응력(Strain)을 가하면서 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells while applying stress to the stem cells inoculated with the elastic scaffold.

본 발명자들은 고효율로 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법의 개발을 위하여 예의 연구 노력하였고 그 결과 성장 인자와 같은 생화학 인자 및 응력으로 표현될 수 있는 기계적 자극을 복합적으로 적용하여 줄기세포로부터 평활근세포를 고효율로 분화시키는 방법을 제공함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made intensive studies to develop a method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with high efficiency. As a result, biochemical factors such as growth factors and mechanical stimuli that can be expressed by stresses are applied to smooth muscle cells from stem cells. By providing a method for differentiation with high efficiency, the present invention has been completed.

줄기세포(stem cell)란 특정한 세포로 분화가 진행되지 않은 채 유지되다가, 필요한 경우 신경, 혈액, 연골 등 신체를 구성하는 모든 종류의 세포로 분화할 능력을 가진, 각 세포로 분화 (differentiation)되기 전 단계의 미분화 세포들을 총칭하며, 특정 분화 자극 (환경)에 의해 특정 세포로 분화가 진행된다. 줄기세포는 세포분열이 정지된 분화된 세포와는 달리 세포분열에 의해 자신과 동일한 세포를 생산 (self-renewal)할 수 있어 증식(proliferation; expansion)하는 특성이 있으며, 또한 분화 자극이 가해지면 특정 세포로 분화되는데 다른 환경 또는 다른 분화 자극에 의해 다른 세포로도 분화될 수 있어 분화에 유연성 (plasticity)을 가지고 있는 것이 특징이다.Stem cells are those that remain undifferentiated into specific cells and then differentiate into each cell, if necessary, with the ability to differentiate into all kinds of cells that make up the body, including nerves, blood, and cartilage. Undifferentiated cells of all stages are collectively, and differentiation proceeds to specific cells by specific differentiation stimulus (environment). Stem cells, unlike differentiated cells that have ceased cell division, have the property of proliferation (expansion) by being able to self-renewal their own cells by cell division. It is characterized by having plasticity in differentiation because it can be differentiated into other cells by different environment or differentiation stimulus.

줄기세포는 그 분화능에 따라, 만능 줄기세포, 전분화능 줄기세포, 다분화능 줄기세포로 분류할 수 있다.Stem cells can be classified into pluripotent stem cells, pluripotent stem cells, and multipotent stem cells according to their differentiation ability.

한편, 이러한 줄기세포는 그 유래에 따라 분류할 수도 있다. 첫째는 수정란으로부터 발생한 배아로부터 유래하는 것(배아줄기세포)이고 둘째는 발생과정이 진행되어 배아의 각 장기가 형성되는 단계 혹은 성체단계에서 나타나는 줄기세포(성체줄기세포)이다. 기능적인 면에서 차이는 있지만 배아줄기세포나 성체줄기세포는 모두 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 특징을 가지고 있다.On the other hand, such stem cells may be classified according to their origin. The first is derived from embryos from embryos (embryonic stem cells) and the second is stem cells (adult stem cells) that appear during the development of each organ in the embryo or during adult development. Although functionally different, embryonic stem cells and adult stem cells are characterized by differentiation into various cell types.

본 발명의 일 실시상태로서, 본 발명에 의해 분화될 수 있는 줄기세포는 제한이 없으며, 줄기세포의 특성, 즉 미분화, 무한정 증식 및 특정세포로의 분화능을 갖는 세포는 본 발명이 적용될 수 있는 세포이다. 줄기세포는 배아줄기세포, 성체줄기세포, 유도만능줄기세포, 배아생식세포 및 배아종양세포를 포함하며, 바람직하게는 지방줄기세포, 중간엽줄기세포, 골수줄기세포, 제대혈줄기세포, 신경줄기세포 및 유도만능줄기세포이고, 더욱 바람직하게는 지방줄기세포이다.As an exemplary embodiment of the present invention, the stem cells that can be differentiated by the present invention is not limited, and the cells having the characteristics of stem cells, that is, undifferentiated, infinite proliferation and differentiation into specific cells are cells to which the present invention can be applied. to be. Stem cells include embryonic stem cells, adult stem cells, induced pluripotent stem cells, embryonic germ cells and embryonic tumor cells, preferably adipose stem cells, mesenchymal stem cells, bone marrow stem cells, cord blood stem cells, neural stem cells and Induced pluripotent stem cells, more preferably fat stem cells.

본 발명에서 사용하는 용어 "지방조직 유래 줄기세포"는 지방 조직으로부터 분리해 낸 미분화된 성체 줄기세포로서, 본 명세서에서는 축약하여 "지방줄기세포"라고 지칭하기도 한다. 이는 지방흡입술로부터 얻어지는 생리 식염수에, 부유된 지방 함유 현탁액을 배양한 다음 플라스크 등 배양용기에 부착된 줄기세포 층을 트립신으로 처리한 다음 회수하거나, 스크래퍼로 긁어서 소량의 생리 식염수에 부유되는 것을 직접 회수하거나 하는 방법 등을 통해 수득한다.  The term "fat tissue-derived stem cell" used in the present invention is an undifferentiated adult stem cell isolated from adipose tissue, and may be abbreviated herein as "fat stem cell". This can be recovered by culturing suspension containing fats containing saline derived from liposuction followed by trypsin treatment of the stem cell layer attached to the culture vessel, such as a flask, or by directly scraping off a small amount of saline by scraping with a scraper. It is obtained through the method or the like.

본 발명의 일 실시상태로, 바람직하게는 인간 지방줄기세포를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, preferably human adipose stem cells can be used.

한편, 세포 치료제로서의 줄기세포의 유용성을 높이기 위해서는 줄기세포를 효율적으로 특정세포, 예컨대 평활근 세포로 분화시키는 기술이 필요하다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기계적 응력을 가할 수 있는 탄성 나노섬유(스캐폴드)를 제공한다. On the other hand, in order to increase the usefulness of stem cells as a cell therapeutic agent, a technique for efficiently differentiating stem cells into specific cells such as smooth muscle cells is required. In order to achieve the above object, the present invention provides an elastic nanofiber (scaffold) capable of applying mechanical stress.

많은 심혈관 질환은 막힌 혈관을 우회하는 합성 그라프트로 치료된다; 그러나, 많은 경우 조직 대체용으로 사용되는 합성 물질의 저조한 기능으로 인하여 성공적인 치료가 제한적이었다. 대안이 되는 접근법이 세포와 스캐폴드의 조합을 이용하여 조직 공학 처리된 컨스트럭트를 설계하는 것이다. Many cardiovascular diseases are treated with synthetic grafts that bypass blocked blood vessels; However, in many cases successful treatment has been limited due to the poor functioning of the synthetic materials used for tissue replacement. An alternative approach is to design tissue engineered constructs using a combination of cells and scaffolds.

공학 처리된 조직의 제작을 위한 스캐폴드 물질의 설계에서, 후보 중합체는 적당한 기계적 성질을 가져야하는데, 그것은 표적 응용에 적합하고, 이식 과정 중 그 분해 산물이 비독성인 생분해성 고분자여야 한다. 상기 생분해성 고분자는 생체 내에서 일정 기간 후 자발적으로 서서히 분해되는 것으로, 생체적합성, 혈액친화성, 항(抗)석회화 특성, 세포의 영양성분 및 세포간 기질 형성 중에서 하나 이상의 특성을 갖춘 고분자를 말한다. 이러한 생분해성 고분자는 본 발명에서 특별히 그 종류를 한정하지는 않으나, 대표적으로 피브린, 콜라겐, 젤라틴, 키토산, 알지네이트, 히알루론산, 덱스트란, 폴리락트산, 폴리글리콜산(poly(glycolic acid),PGA), 폴리(락트산-co-글리콜산)(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA), 폴리-ε-(카프로락톤), 폴리(락트산-co-ε-카프로락톤)(poly(L-lactide-co-ε-caprolactone), PLCL), 폴리안하이드리드, 폴리오르토에스테르, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리우레탄, 폴리아크릴산, 폴리-N-이소프로필아크릴아마이드, 폴리(에틸렌옥사이드)-폴리(프로필렌옥사이드)-폴리(에틸렌옥사이드) 공중합체, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 락트산 및 카프로락톤의 공중합체(PLCL)를 사용할 수 있다. PLCL은 그들의 상대적인 조성에 따라 일정 범위의 기계적 특성 및 그 물리적 가교 구조상의 고무 유사 탄성을 나타낸다.In the design of scaffold materials for the fabrication of engineered tissue, candidate polymers must have adequate mechanical properties, which are suitable for target applications and should be biodegradable polymers whose degradation products are nontoxic during the implantation process. The biodegradable polymer is spontaneously degraded after a certain period of time in a living body, and refers to a polymer having at least one of biocompatibility, blood affinity, anti-calcification properties, cellular nutrients, and intercellular matrix formation. . Such biodegradable polymers are not particularly limited in the present invention, but typically, fibrin, collagen, gelatin, chitosan, alginate, hyaluronic acid, dextran, polylactic acid, polyglycolic acid (poly (glycolic acid), PGA), Poly (lactic-co-glycolic acid), PLGA, poly-ε- (caprolactone), poly (lactic acid-co-ε-caprolactone) (poly (L-lactide- co-ε-caprolactone), PLCL), polyanhydride, polyorthoester, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyurethane, polyacrylic acid, poly-N-isopropylacrylamide, poly (ethylene oxide) -poly (propylene Oxide) -poly (ethylene oxide) copolymers, copolymers thereof, mixtures thereof and the like can be used. Preferably a copolymer of lactic acid and caprolactone (PLCL) can be used. PLCL exhibits a range of mechanical properties and rubber-like elasticity on its physical crosslinked structure, depending on their relative composition.

이때 스캐폴드 중의 생분해성 고분자의 함량은 5 내지 100 중량% 인 것이 바람직하다. At this time, the content of the biodegradable polymer in the scaffold is preferably 5 to 100% by weight.

스캐폴드와 같은 상기 복합 지지체는 기존의 공지된 방법, 예를 들어, 염 침출법(solvent-casting and particle-leaching technique), 가스발포법(gas forming technique), 고분자 섬유를 부직포로 만들어 고분자 메쉬(mesh)로 제조하는 방법(fiber extrusion and fabric forming process), 상분리법(thermally induced phase separation technique), 유화 동결 건조법(emulsion freeze drying method), 고압 기체 팽창법(high pressure gas expansion), 전기방사법(electrospinning) 등에 따라 생분해성 고분자를 성형하여 제조할 수 있다. 바람직하게는 전기방사법이 좋다.The composite scaffold, such as a scaffold, may be formed by a known method, for example, a salt-casting and particle-leaching technique, a gas forming technique, a polymer fiber into a nonwoven fabric, and a polymer mesh ( fiber extrusion and fabric forming process, thermally induced phase separation technique, emulsion freeze drying method, high pressure gas expansion, electrospinning The biodegradable polymer may be manufactured by molding). Preferably, the electrospinning method is good.

전기방사법에 의하여 표면적 대 부피비가 높고, 섬유 지름이 나노미터 범위 아래인, 세포의 생장, 증식 및 분화에 충분한 기공을 갖는 나노섬유 스캐폴드를 생산할 수 있다. 상기 나노섬유 스캐폴드 상에서 줄기세포를 분화시킴으로써 본 발명은 종래 줄기세포 분화에 사용되었던 부유배양(floating culture) 및 부착배양(attachment culture)등 방법에 비하여 줄기세포를 더 효율적으로 평활근세포로 분화시킬 수 있는 장점이 있다. 전기방사로 제조된 생분해성 나노섬유 스캐폴드는 조직공학용 소재로서 각광을 받고 있으며, 일반적인 배양용기가 아닌 나노섬유 스케폴드에서 지방줄기세포의 평활근세포로의 고효율적 분화 기술은 심혈관계 질병의 생물학적나노물질-세포 이식 치료를 위한 큰 잠재력을 가질 수 있다.Electrospinning allows the production of nanofiber scaffolds with high pores for cell growth, proliferation and differentiation, with high surface area to volume ratios and fiber diameters below the nanometer range. By differentiating stem cells on the nanofiber scaffold, the present invention can differentiate stem cells into smooth muscle cells more efficiently than the floating culture and attachment culture methods used in the conventional stem cell differentiation. There is an advantage. Biodegradable nanofiber scaffolds manufactured by electrospinning have been spotlighted as materials for tissue engineering, and high-efficiency differentiation of fat stem cells into smooth muscle cells from nanofiber scaffolds, which is not a general culture vessel, is a biological nano-analysis of cardiovascular diseases. It can have great potential for substance-cell transplantation treatment.

상기 나노섬유 스캐폴드를 구성하는 나노섬유의 평균 섬유 지름은 500~1000 nm 범위 인 것이 바람직할 수 있다.The average fiber diameter of the nanofibers constituting the nanofiber scaffold may be in the range of 500 ~ 1000 nm.

본 발명의 일 실시 상태로 상기 나노섬유 스캐폴드는 줄기세포의 부착을 용이하게 하기 위하여 세포외기질(ECM, extra cellular matrix) 단백질을 추가로 코팅한 것일 수 있다. 세포외기질 단백질은 콜라겐, 엘라스틴,프로테오글리칸, 글리코사미노글리칸, 피브로넥틴, 라미닌, 비트로넥틴 등을 포함한다. 이들 중 나노섬유 스캐폴드에 코팅되는 단백질로는 바람직하게는 타입 1 콜라겐, 타입 4 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌이 좋다. 더욱 바람직하게는 타입 1 콜라겐이 줄기세포 부착용 코팅제로서 좋다.In one embodiment of the present invention, the nanofiber scaffold may be further coated with an extra cellular matrix (ECM) protein to facilitate the attachment of stem cells. Extracellular matrix proteins include collagen, elastin, proteoglycans, glycosaminoglycans, fibronectin, laminin, vitronectin and the like. Among these, proteins coated on the nanofiber scaffold are preferably type 1 collagen, type 4 collagen, fibronectin, laminin. More preferably, type 1 collagen may be used as a coating for stem cell adhesion.

본 발명에서 사용되는 용어 줄기세포 “분화”는 줄기세포에서 특정세포로 완전히 분화된 경우뿐만 아니라 줄기세포에서 특정세포로의 완전 분화되기 전 중간 단계도 포함한다.The term stem cell “differentiation” as used in the present invention includes not only the case of fully differentiated stem cells from specific cells, but also an intermediate step before the complete differentiation of stem cells from specific cells.

또한 본 발명은 상기 나노섬유에 지방줄기세포를 접종하여 지방줄기세포를 나노섬유 표면에 접착된 상태로 배양하면서 분화인자와 함께 기계적 응력을 복합적으로 가하는 단계를 포함하는, 지방줄기세포의 평활근세포로의 분화방법을 제공한다.In another aspect, the present invention to inoculate the fat stem cells to the nanofibers, and incubating the fat stem cells in the state adhered to the surface of the nanofibers, including the step of applying a mechanical stress in combination with the differentiation factors, smooth muscle cells of the fat stem cells It provides a differentiation method.

상기 지방줄기세포 분화 방법에 사용되는 배지로서는 당업계에서 줄기세포 배양에 적합하다고 알려져있는 통상적인 배지를 사용할 수 있는데, 바람직하게는 DMEM(Dulbecco modified Eagle medium) 또는 Keratinocyte-SFM (Keratinocyte serum free medium)을 사용할 수 있다.As a medium used in the method for differentiating adipose stem cells, a conventional medium known in the art to be suitable for culturing stem cells may be used. Preferably, DMEM (Dulbecco modified Eagle medium) or Keratinocyte-SFM (Keratinocyte serum free medium) Can be used.

또한, 배지는 일반적으로, 등장액 중의 중성 완충제(예컨대 인산염 및/또는 고농도 중탄산염) 및 단백질 영양분 (예를 들면 혈청, 예컨대 FBS, 혈청 대체물, 알부민, 또는 필수 아미노산 및 비필수 아미노산, 예컨대 글루타민)을 함유할 수 있다. 나아가, 지질(지방산, 콜레스테롤, 혈청의 HDL 또는 LDL 추출물) 및 이 종류의 대부분의 보존액 배지에서 발견되는 기타 성분(예컨대 인슐린 또는 트랜스페린, 뉴클레오시드 또는 뉴클레오티드, 피루빈산염, 임의의 이온화 형태 또는 염인 당원, 예컨대 글루코스, 셀레늄, 글루코코르티코이드, 예컨대 히드로코르티존 및/또는 환원제, 예컨대 β-메르캅토에탄올)을 함유할 수 있다. In addition, the medium generally contains neutral buffers (such as phosphates and / or high concentration bicarbonates) and protein nutrients (such as serum, such as FBS, serum substitutes, albumin, or essential and non-essential amino acids, such as glutamine) in isotonic solutions. can do. Furthermore, lipids (fatty acids, cholesterol, HDL or LDL extracts of serum) and other components found in most preservative media of this kind (such as insulin or transferrin, nucleosides or nucleotides, pyruvate salts, any ionized form or salt) Sugar sources such as glucose, selenium, glucocorticoids such as hydrocortisone and / or reducing agents such as β-mercaptoethanol.

또한, 배지는 세포가 서로 유착하거나, 너무 큰 다발을 형성하는 것을 방지할 목적으로, 항응집제 (anti-clumping agent), 예컨대 Invitrogen이 판매하는 것들(Cat # 0010057AE)을 포함하는 것이 유익할 수 있다.It may also be advantageous to include anti-clumping agents, such as those sold by Invitrogen (Cat # 0010057AE), for the purpose of preventing the cells from adhering to each other or forming too large a bundle. .

생체 외 실험들에서 인간유래 지방줄기세포는 다양한 생화학적 인자와 반응하여 평활근세포로 분화된다고 보고되었다. 상기 생화학적 인자는 성장인자, 예를 들어 산성 섬유아세포 성장인자(acidic FGF), 염기성 섬유아세포 성장인자(basic FGF), 인슐린-유사 성장인자-1(IGF-1), 인슐린-유사 성장인자-2(IGF-2), 각질형성세포 성장인자(KGF),혈소판유래 성장인자(PDGF), 인간형질전환 성장인자-알파(TGF-α), 인간형질전환 성장인자-베타(TGF-β), 맥관내피세포 성장인자(VEGF), 표피세포 성장인자(EGF), 신경세포 성장인자(NGF) 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 생화학 인자는 아스코르브산(AA), 레티노산(RA), 안지오텐신 II(Ang II) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 그들의 낮은 분화 효율은 임상 치료에 지방줄기세포의 적용을 제한하고 있다.In vitro experiments, human-derived adipocytes have been reported to differentiate into smooth muscle cells in response to various biochemical factors. The biochemical factors include growth factors such as acidic fibroblast growth factor (acidic FGF), basic fibroblast growth factor (basic FGF), insulin-like growth factor-1 (IGF-1), insulin-like growth factor- 2 (IGF-2), keratinocyte growth factor (KGF), platelet derived growth factor (PDGF), human transformation growth factor-alpha (TGF-α), human transformation growth factor-beta (TGF-β), Vascular endothelial growth factor (VEGF), epidermal cell growth factor (EGF), neuronal growth factor (NGF) and the like. In addition, the biochemical factors may include ascorbic acid (AA), retinoic acid (RA), angiotensin II (Ang II) and the like. However, their low differentiation efficiency limits the application of adipose stem cells to clinical treatment.

본 발명은 탄력성의 나노섬유 이식체 위에서 지방줄기세포의 증식과 평활근세포로의 효율적인 분화를 위해 기계적 응력 장치를 이용하여 응력을 부여하고 이러한 응력하에 다양한 분화인자와의 시너지효과의 검토를 통해 최적의 배양 방법 및 평활근세포/스캐폴드 복합체를 개발하고자 한 것이다. The present invention provides the optimal stress by applying a mechanical stress device for the proliferation of adipose stem cells and efficient differentiation into smooth muscle cells on the elastic nanofiber implants and examining the synergistic effects with various differentiation factors under such stress. To develop culture methods and smooth muscle cell / scaffold complex.

본 발명에서는 응력을 부여하기 위하여 전자부와 기계부로 이루어지는 인장치를 설계하여 주문제작하였고, 배양기 내에 일반적인 생리 조건범위내의 응력을 가할 수 있도록 하였다. 응력은 1~10% 범위 에서, 0.5~10 Hz 주파수 범위로 장력을 적용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5% 응력, 1 Hz 주파수를 적용하는 것이 좋다.In the present invention, the tension value consisting of the electronic portion and the mechanical portion is designed and customized to give a stress, it was possible to apply a stress within the general physiological conditions in the incubator. It is preferable to apply the tension in the range of 0.5 to 10 Hz, the stress is in the range of 1 to 10%, more preferably 5% stress, 1 Hz frequency.

본 발명에서 발명자들은 생화학적 인자들과 응력의 복합 자극에 의해 만들어지는 상승 효과가 한 가지 자극을 사용하였을 때보다 지방줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 과정에 더 효과적이라는 것을 탄성 스캐폴드에서 입증하였다.In the present invention, the inventors have demonstrated in the elastic scaffold that the synergistic effect produced by the combined stimulation of biochemical factors and stress is more effective in the process of differentiating fat stem cells into smooth muscle cells than when using one stimulus. .

평활근세포로의 분화를 입증하기 위하여 평활근세포 알파-액틴(α-SMA)과 미오신 헤비 체인(MHC)과 같은 평활근세포 표지인자를 이용하였다 .Smooth muscle cell markers such as smooth muscle cell alpha-actin (α-SMA) and myosin heavy chain (MHC) were used to demonstrate differentiation into smooth muscle cells.

α-SMA는 평활근세포 발달의 초기 표지인자이지만, 이것만의 발현은 평활근 계열인지 확실한 증거를 제공해주지는 못한다. 그러나 MHC는 어떠한 다른 세포 계열에서는 인지되지 않으며 오직 수축성 평활근세포에서만 발현된다. 따라서, 평활근세포의 분화를 특징짓기 위해서, 본 발명에서는 α-SMA의 발현뿐만 아니라, MHC의 발현도 평가하였다. α-SMA is an early marker of smooth muscle cell development, but its expression alone does not provide clear evidence that it is a smooth muscle line. However, MHC is not recognized in any other cell line and is expressed only in contractile smooth muscle cells. Therefore, in order to characterize the differentiation of smooth muscle cells, not only the expression of α-SMA but also the expression of MHC was evaluated in the present invention.

본 발명에서 이용된 분화인자들은 정치배양에서는 평활근세포 α-액틴(SMA)과 미오신 헤비 체인(MHC) 등 평활근세포의 표지 인자 발현에 영향을 미치지 않았다. 그러나, 응력 배양환경에서는 분화인자에 의해 영향을 받았다. 특히 RA 혹은 AA가 첨가된 배지에서 응력 환경 하에서 배양한 지방줄기세포는 응력만 가해주었을 때 혹은 분화 인자만 첨가하였을 때와 비교하여 SMA(3배)와 MHC(2배)의 발현이 크게 증가하였다. 본 발명을 통해 분화 효율은 RA 혹은 AA를 함유한 배지에서 응력을 동시에 가하였을 때 가장 좋았다. Differentiation factors used in the present invention did not affect the expression of markers of smooth muscle cells, such as smooth muscle cells α-actin (SMA) and myosin heavy chain (MHC) in political culture. However, it was influenced by the differentiation factor in the stress culture environment. In particular, adipose stem cells cultured under stress conditions in medium supplemented with RA or AA significantly increased the expression of SMA (3-fold) and MHC (2-fold) compared with stress-only or differentiation factor. . Differentiation efficiency through the present invention was the best when the stress at the same time in the medium containing RA or AA.

특히 바람직하게는 생화학적 인자 RA를 더해준 경우 지방줄기세포의 증식 및 분화가 크게 증가하였다. Particularly preferably, the addition of the biochemical factor RA significantly increased the proliferation and differentiation of adipose stem cells.

그러므로 본 발명에서는 탄성을 가지는 생분해성 나노섬유 스캐폴드 위에서 지방줄기세포를 평활근세포로 고효율로 분화시킬 수 있는 방법 및 스캐폴드와 분화된 평활근세포로 이루어진 복합체를 제공한다.Therefore, the present invention provides a method for highly efficient differentiation of adipose stem cells into smooth muscle cells on a biodegradable nanofiber scaffold having elasticity, and provides a complex consisting of a scaffold and differentiated smooth muscle cells.

또한 본 발명은 상기 방법에 의해 줄기세포로부터 분화된 평활근세포를 유효성분으로 함유하는 혈관 재생을 위한 조직공학용 복합체를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a tissue engineering complex for regeneration of blood vessels containing smooth muscle cells differentiated from stem cells by the above method as an active ingredient.

본 발명에 따른 조직공학용 복합체는 생분해성 고분자를 성형하여 만든 스캐폴드에 줄기세포로부터 분화된 평활근세포가 파종(loading)되어 있는 것을 특징으로 한다.The tissue engineering complex according to the present invention is characterized in that smooth muscle cells differentiated from stem cells are seeded in a scaffold made by molding a biodegradable polymer.

상기와 같이 성형 제조된 스캐폴드는 파종된 평활근세포를 이식된 조직 내로 전달하고, 스캐폴드 표면에 세포가 부착 성장하여 새로운 조직이 형성되도록 하는 역할을 한다. 한편, 스캐폴드의 평균 두께는 50~500 μm, 인장 강도는 2~10 Mpa, 탄성률은 5~15 Kpa, 파단시 연신률은 100~1000%인 것이 바람직하다.The scaffold manufactured as described above serves to deliver the seeded smooth muscle cells into the transplanted tissue, and the cells adhere to and grow on the scaffold surface to form new tissue. On the other hand, it is preferable that the average thickness of a scaffold is 50-500 micrometers, tensile strength is 2-10 Mpa, elastic modulus is 5-15 Kpa, and elongation at break is 100-1000%.

본 발명에 따른 조직공학용 스캐폴드에는 유효성분인 줄기세포로부터 분화된 평활근세포가 스캐폴드에 대하여 1× 104 내지 1× 106 세포/㎠ 로 파종되는 것이 바람직하다. 만약 평활근세포의 농도가 상기 범위 미만이면 평활근세포의 혈관 재생을 자극하는 효과가 미미한 반면, 이의 농도가 상기 범위를 초과하면 영양분과 산소의 부족으로 접종된 세포가 사멸하는 문제가 발생할 수 있다.In the scaffold for tissue engineering according to the present invention, it is preferable that smooth muscle cells differentiated from stem cells as an active ingredient are seeded at 1 × 10 4 to 1 × 10 6 cells / cm 2 with respect to the scaffold. If the smooth muscle cell concentration is less than the above range, the effect of stimulating blood vessel regeneration of the smooth muscle cell is insignificant, whereas if the concentration exceeds the above range, the cells inoculated due to the lack of nutrients and oxygen may occur.

한편, 본 발명에 따른 평활근세포-스캐폴드 복합체는 유효성분으로서 평활근세포-스캐폴드 복합체와 약학적으로 허용가능한 담체 및/또는 첨가물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 멸균수, 생리식염수, 관용의 완충제(인산, 구연산, 그 밖의 유기산 등), 안정제, 염, 산화방지제(아스코르브산 등), 계면활성제, 현탁제, 등장화제, 또는 보존제 등을 포함할 수 있다. 국소 투여를 위해, 생체고분자(biopolymer) 등의 유기물, 하이드록시아파타이트 등의 무기물, 구체적으로는 콜라겐 매트릭스, 폴리락트산 중합체 또는 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 중합체 또는 공중합체 및 그의 화학적 유도체 등과 조합시키는 것도 바람직하다. Meanwhile, the smooth muscle cell-scaffold complex according to the present invention may include the smooth muscle cell-scaffold complex and a pharmaceutically acceptable carrier and / or additive as an active ingredient. Examples include sterile water, physiological saline, conventional buffers (phosphate, citric acid, other organic acids, etc.), stabilizers, salts, antioxidants (ascorbic acid, etc.), surfactants, suspending agents, isotonic agents, or preservatives. can do. For topical administration, it is also preferable to combine organic substances such as biopolymers, inorganic substances such as hydroxyapatite, specifically collagen matrix, polylactic acid polymers or copolymers, polyethylene glycol polymers or copolymers, and chemical derivatives thereof. .

본 발명에 따른 평활근세포-스캐폴드 복합체는 그 제형에 따라 필요한 경우, 현탁제, 용해보조제, 안정화제, 등장화제, 보존제, 흡착방지제, 계면활성화제, 희석제, 부형제, pH 조정제, 무통화제, 완충제, 함황(含硫)환원제, 산화방지제 등을 적절히 포함할 수 있다. 상기에 예시된 것들을 비롯하여 본 발명에 적합한 약학적으로 허용되는 담체 및 제제는 문헌[Remington's Pharmaceutical Sciences, 19th ed., 1995]에 상세히 기재되어 있다.Smooth muscle cell-scaffold complex according to the present invention, if necessary according to the formulation, suspensions, solubilizers, stabilizers, tonicity agents, preservatives, adsorption agents, surfactants, diluents, excipients, pH adjusters, analgesics, buffers , Sulfur-containing reducing agents, antioxidants and the like may be appropriately included. Pharmaceutically acceptable carriers and formulations suitable for the present invention, including those exemplified above, are described in detail in Remington's Pharmaceutical Sciences, 19th ed., 1995.

본 발명의 평활근세포-스캐폴드 복합체는 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 방법에 따라, 약학적으로 허용되는 담체 및/또는 부형제를 이용하여 제제화함으로써 단위 용량 형태로 제조되거나 또는 다용량 용기 내에 내입시켜 제조될 수 있다. The smooth muscle cell-scaffold complex of the present invention may be formulated with a pharmaceutically acceptable carrier and / or excipient according to a method which can be easily carried out by those skilled in the art. It may be made in the form or prepared by incorporation into a multi-dose container.

이처럼 줄기세포로부터 분화된 평활근세포를 유효성분으로 함유하는 본 발명의 평활근세포-스캐폴드 복합체는 창상치료, 심혈관 질환, 뇌혈관 질환, 허혈성질환 등의 치료에 매우 유용하게 사용될 수 있다.The smooth muscle cell-scaffold complex of the present invention containing smooth muscle cells differentiated from stem cells as an active ingredient can be very useful for the treatment of wound treatment, cardiovascular disease, cerebrovascular disease, ischemic disease and the like.

본 발명에서 혈관 질환은 심혈관 질환, 뇌혈관 질환, 허혈성 질환 등을 포함하고, 예를 들면, 동맥경화증, 안정형 및 불안정형 협심증, 말초 심혈관 질환, 고혈압, 심부전증, 말초 순환장애, 심근경색증, 뇌졸중, 일과성 및 허혈성 발작, 지주막하 출혈 등을 포함한다.Vascular diseases in the present invention include cardiovascular disease, cerebrovascular disease, ischemic disease and the like, for example, atherosclerosis, stable and unstable angina, peripheral cardiovascular disease, hypertension, heart failure, peripheral circulation disorders, myocardial infarction, stroke, Transient and ischemic attacks, subarachnoid hemorrhage, and the like.

이처럼 스캐폴드에 접종된 줄기세포는 평활근세포로 분화하여 본 발명에 따른 조직공학용 평활근세포-스캐폴드 복합체가 이식된 조직에서 효과적으로 조직의 재생을 유도할 수 있다.As such, stem cells inoculated into the scaffold may be differentiated into smooth muscle cells to effectively induce tissue regeneration in a tissue in which the smooth muscle cell-scaffold complex for tissue engineering according to the present invention is transplanted.

또한, 본 발명의 방법에 의하여 제조된 스캐폴드/평활근세포 복합체는 심근경색 질환 치료를 위한 패치 혹은 조직공학혈관을 위한 평활근세포 시트로 활용할 수 있다. In addition, the scaffold / smooth muscle cell complex prepared by the method of the present invention can be utilized as a patch for the treatment of myocardial infarction or smooth muscle cell sheet for tissue engineering vessels.

지방조직 유래 줄기세포는 그 다양한 잠재성에 기인하여 많은 조직 공학 연구의 주된 관심이 되어왔다. 우리는 심혈관 조직 공학에 있어서 인간 지방줄기세포의 평활근세포 분화에 대한 잠재성에 포커스를 맞추었다. 본 발명에서, 탄성 나노섬유 스캐폴드 상에서 인간 지방줄기세포 증식과 그 결과 평활근세포로의 분화에 대한, 응력 및 분화 인자의 조합된 효과를 조사하였다. 세포 증식은 기계적으로 응력을 준 배양에서 증가하였고 정치배양에서와 비교하여 배지 조성에 의한 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 분화 인자는 정치 배양에서 평활근세포 α-SMA 및 MHC 발현에 영향을 주지 않았다. 그러나, α-SMA 및 MHC 발현은 응력 배양에서 분화 인자에 의하여 영향을 받았고, 특히, 레티노산을 처리한 경우 기계자극만 준 경우와 비교하여 α-SMA(3배) 및 MHC(2배)의 발현이 유의하게 증가함을 보여주었다. 본 발명은 기계적 응력과 생화학 인자의 인간 지방줄기세포의 평활근세포 분화에 미치는 시너지 효과를 증명하였고 기계-활성 조직 공학에 있어서 줄기 세포의 유용한 응용법을 제공하였다. Adipose tissue-derived stem cells have been of primary interest in many tissue engineering studies due to their various potentials. We focused on the potential for smooth muscle cell differentiation of human adipose stem cells in cardiovascular tissue engineering. In the present invention, the combined effects of stress and differentiation factors on human adipose stem cell proliferation on elastic nanofiber scaffolds and resulting differentiation into smooth muscle cells were investigated. Cell proliferation was increased in mechanically stressed cultures, and it was found that the effect of medium composition was greater than that in stationary culture. Differentiation factor did not affect smooth muscle cell α-SMA and MHC expression in stationary culture. However, the expression of α-SMA and MHC was influenced by differentiation factors in stress cultures, especially the treatment of α-SMA (3 times) and MHC (2 times) in the treatment of retinoic acid as compared to the mechanical stimulation alone. It showed a significant increase in expression. The present invention demonstrates the synergistic effect of mechanical stress and biochemical factors on smooth muscle cell differentiation of human adipose stem cells and provides a useful application of stem cells in mechanical-active tissue engineering.

본 발명에 따라 지방줄기세포는 나노섬유 스캐폴드 상에서 RA 혹은 AA, 바람직하게는 RA와 함께 기계적 응력을 복합적으로 가했을 때 시너지 효과에 의해 α-SMA와 MHC 같은 평활근세포 표지 인자가 한 가지 자극을 사용하였을 때 보다 크게 증가된 상태로 증식이 가능하였다.According to the present invention, adipose stem cells use a single stimulus of smooth muscle cell markers such as α-SMA and MHC due to synergistic effect when a combination of mechanical stress is applied in combination with RA or AA on the nanofiber scaffold, preferably RA. Proliferation was possible in a significantly increased state.

도 1은 간 피하 지방조직으로부터 분리된 다분화능 지방줄기세포를 조직 배양 플레이트에서 평활근 분화 배지 혹은 일반 배양 배지에서 2주간 배양한 후, 지방줄기세포의 α-SMA에 대한 면역형광 염색 결과이고,
도 2A는 다양한 단백질(타입 1 콜라겐, 타입 4 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌)로 코팅된 전기방사 PLCL 패치 표면에 대한 지방줄기세포의 점착을 DAPI 염색으로 확인한 면역학적 형광염색 결과이고, 도 2B는 세포 점착률을 WST(Water-soluble Tetrazolium Salts) 분석법으로 측정하여 정량화한 그래프이고,
도 3은 응력을 전가하는 배양장치를 위쪽과 측면에서 찍은 사진이고,
도 4는 나노섬유 형태를 가지는 전기방사 PLCL 스캐폴드 표면을 전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고,
도 5는 응력을 전가하는 배양장치에 지방줄기세포가 접종된 전기방사 PLCL 패치를 고정한 다음, 지방줄기세포의 증식에 있어 생화학 인자들과 기계적 응력의 효과를 알아보기 위해서, 2주간 생화학 인자를 함유한 배지와 함께 정치 배양 혹은 응력 하에서 배양한 후 세포 증식을 WST 분석법으로 측정하여 정량화한 그래프이고,
도 6은 지방줄기세포를 타입 1 콜라겐을 코팅한 전기방사 PLCL 스캐폴드에 접종한 후, 생화학인자를 함유한 배지에서 정치 배양 혹은 응력 하에서 2주간 배양한 후 SEM으로 관찰한 사진이고,
도 7 A C는 지방줄기세포를 생화학 인자를 함유한 배지와 함께 응력(5% strain, 1 Hz) 하에서 배양 또는 정치 배양한 후 α-SMA(A) 와 MHC(B) 에 대한 면역학적 형광염색 결과이고, B와 D는 면역학적 형광염색 결과를 Image J 소프트웨어를 이용하여 정량화한 결과이다.
1 is a result of immunofluorescence staining of α-SMA of adipose stem cells after culturing multipotent adipose stem cells isolated from liver subcutaneous adipose tissue for 2 weeks in a smooth muscle differentiation medium or a general culture medium in a tissue culture plate,
FIG . 2A is a result of immunofluorescence staining confirming adhesion of adipose stem cells to an electrospun PLCL patch surface coated with various proteins (type 1 collagen, type 4 collagen, fibronectin, laminin) by DAPI staining . B is a graph quantified by measuring the cell adhesion rate by WST (Water-soluble Tetrazolium Salts) method,
3 is a photograph taken from the top and side of the culture apparatus for transferring stress,
Figure 4 is a photograph of the surface of the electrospun PLCL scaffold having a nanofiber form with an electron microscope (SEM),
Figure 5 is fixed with an electrospinning PLCL patch inoculated with adipose stem cells in a stress transfer culture apparatus, and then containing biochemical factors for two weeks to examine the effects of biochemical factors and mechanical stress on the proliferation of adipose stem cells It is a graph quantified by measuring the cell proliferation by WST assay after incubation in a stationary culture or stress with a medium,
FIG. 6 is a photograph taken after SEM inoculation of adipose stem cells into an electrospinning PLCL scaffold coated with type 1 collagen, followed by incubation for 2 weeks under static culture or stress in a medium containing biochemical factors,
A and C of Figure 7 immunological for α-SMA (A) and MHC (B) After culture, or stationary culture under stress (5% strain, 1 Hz) with a medium containing the biological factor fat stem cells The results of fluorescence staining, B and D are the results of quantification of the immunological fluorescence staining using Image J software.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not to be construed as limiting the scope of the present invention. It will be self-evident.

실시예Example

실험재료 및 방법Materials and Methods

1. 세포 분리 및 배양1. Cell isolation and culture

인간 피하 지방 조직 샘플을 42세와 55세 사이 연령의 서로 다른 여성 기증자 3인의 복부로부터 얻었다. D. Hanson, M. E. Wall, B. Pourdeyhimi and E. G. Loboa, J.Biomater. Sci . Polymer Edn 18, 1387(2007)에 기술되어 있는 바와 같이 인간 지방줄기세포를 분리하여 특정할 수 있는 과정을 진행하였다. 간단히, 지방조직을 0.3% 콜라지네이즈 타입 I 용액(Wako), 10 mg/ml 보바인 세럼 알부민(BSA, Sigma) 및 1% 페니실린을 함유하는 DMEM/F12 배지(Welgene)에서 6 시간 동안 37℃로 간헐적으로 흔들어주면서 분해시켰다. 그 후, 불순물들을 제거하기 위하여 결과 현탁액(지방)을 250 mm Nitex filters(Sefar America Inc)로 여과하고 8 분간 400 g에서 원심분리하였다. 원심분리로 모은 세포를 유지 배지(10% FBS로 보충한 DMEM/F12 배지)에 현탁하였다. 이들 1차 세포를 48 시간 동안 37℃ 5% 이산화탄소 및 95% 공기를 함유하는 습한 조건에서 조직 배양 플라스크에 깔았다. 부착하지 못한 세포를 제거하기 위하여 배양체를 씻어내었다. 배지를 이틀에 한번 교체하였고, 세포를 준 전면 상태(sub-confluent level)로 유지하였다. 세포를 0.05% 트립신/0.53 mM EDTA 용액으로 계대 배양하고, 5 X 103 세포/cm2의 밀도로 접종하여 같은 조건에서 세포 증식을 위하여 배양하였다(패시지 1). 배양된 세포의 형태를 상전이 현미경(니콘 TE 2000-U)으로 관찰하였다. 패시지 4와 5의 세포를 본 연구에 사용하였다.
Human subcutaneous adipose tissue samples were obtained from the abdomen of three different female donors ages between 42 and 55 years old. D. Hanson, ME Wall, B. Pourdeyhimi and EG Loboa, J. Biomater. Sci . Polymer As described in Edn 18, 1387 (2007), human adipose stem cells were isolated and characterized. Briefly, the adipose tissue was stored at 37 ° C. for 6 hours in DMEM / F12 medium (Welgene) containing 0.3% collagenase type I solution (Wako), 10 mg / ml bovine serum albumin (BSA, Sigma) and 1% penicillin. It was disassembled by shaking it intermittently. The resulting suspension (fat) was then filtered through 250 mm Nitex filters (Sefar America Inc) and centrifuged at 400 g for 8 minutes to remove impurities. Cells collected by centrifugation were suspended in maintenance medium (DMEM / F12 medium supplemented with 10% FBS). These primary cells were plated in tissue culture flasks under humid conditions containing 37 ° C. 5% carbon dioxide and 95% air for 48 hours. The cultures were washed away to remove unattached cells. The medium was changed once every two days and the cells were kept at sub-confluent level. Cells were passaged with 0.05% trypsin / 0.53 mM EDTA solution and inoculated at a density of 5 × 10 3 cells / cm 2 and cultured for cell proliferation under the same conditions (passage 1). The morphology of the cultured cells was observed under a phase change microscope (Nikon TE 2000-U). Cells of passages 4 and 5 were used in this study.

2. 전기방사 PLCL 스캐폴드의 제조2. Fabrication of Electrospun PLCL Scaffolds

PLCL(50:50)을 이미 알려진 바와 같이 스태누스 옥토에이트(1 mmol)을 촉매로 사용하여 L-락타이드(100 mmol), ε-카프로락톤(100 mmol) 및 1,6-헥산디올(0.5 mmol)을 함유하는 100 ml 유리 앰풀에서 중합시켰다. 간단히. 상기 앰풀을 90℃에서 질소로 세차례 퍼징(purging)한 후 진공 하에서 봉합하여 유탕기(oil bath)에서 교반하면서 24 시간 동안 150℃로 가열하였다. 반응 후, 얻어진 중합체를 클로로포름에 용해시켜 4.5 ㎛ 포어 멤브레인 필터에 여과시켰다. 상기 중합체를 과량의 메탄올에 침전, 여과하고 진공 하에서 건조시켰다. PLCL의 조성을 1H NMR 스펙트라(400 MHz; Varian)로 CDCl3에서 확인하였다. GPC로 측정한 공중합체의 수평균 분자량(Mn) 및 다분산도(polydispersity, Mw/Mn)(Mw: 분자량 질량 평균)는 각각 대략 1.5~1.6 X 105 및 2.7~2.9였다. 상기 공중합체의 고유 점도는 3.0~3.2였다. PLCL의 총 수득률은 81%였다. 나노섬유 PLCL 스캐폴드를 전기방사 방법으로 제조하였다. 간단히, 전기방사 공정을 위하여 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 내에 상기 중합체 용액(7% w/v)을 준비하였다. 우선, 주사기에 상기 용액을 채워 일반적인 유량(1 ml/h)으로 만드렐(mandrel, 외직경 15 cm, 길이 27 cm; 나노 NC)과 22 게이지 바늘과의 거리 15 cm에서 20 kV의 전압을 인가하여 방사하였다. 제조 후, 스캐폴드 섬유를 실온에서 밤새 건조하였다. 상기 스캐폴드는 이후 70% 에탄올에 20분간 침지하여 살균하고 멸균수와 PBS로 5 분씩 세차례 세척하였다.
PLCL (50:50) is known as L-lactide (100 mmol), ε-caprolactone (100 mmol) and 1,6-hexanediol (0.5) using Stanus octoate (1 mmol) as catalyst polymerized in 100 ml glass ampoule containing mmol). simply. The ampoule was purged three times with nitrogen at 90 ° C., then sealed under vacuum and heated to 150 ° C. for 24 hours with stirring in an oil bath. After the reaction, the obtained polymer was dissolved in chloroform and filtered through a 4.5 μm pore membrane filter. The polymer was precipitated in excess methanol, filtered and dried under vacuum. The composition of the PLCL was confirmed in CDCl 3 by 1 H NMR spectra (400 MHz; Varian). The number average molecular weight (Mn) and polydispersity (Mw / Mn) (Mw: molecular weight mass mean) of the copolymers measured by GPC were approximately 1.5 to 1.6 X 10 5 and 2.7 to 2.9, respectively. The intrinsic viscosity of the said copolymer was 3.0-3.2. The total yield of PLCL was 81%. Nanofiber PLCL scaffolds were prepared by the electrospinning method. Briefly, the polymer solution (7% w / v) was prepared in hexafluoroisopropanol (HFIP) for the electrospinning process. First, fill the syringe with the solution and apply a voltage of 20 kV at a normal flow rate (1 ml / h) of mandrel (15 cm in diameter, 27 cm in length; nano NC) and 15 cm from the 22 gauge needle. And spun. After preparation, the scaffold fibers were dried overnight at room temperature. The scaffold was then sterilized by soaking in 70% ethanol for 20 minutes and washed three times for 5 minutes with sterile water and PBS.

3. PLCL 스캐폴드에 인간 지방줄기세포 부착3. Attachment of Human Adipose Stem Cells to PLCL Scaffold

전기방사된 PLCL 스캐폴드를 코팅하기 전에 피브로넥틴(Sigma Chemical, St. Louis, Mo) 및 라미닌(Sigma Chemical)(20 ㎍/ml)을 PBS에 용해시키고, 타입 1 및 타입 4 콜라겐(Nitta Gelatin)(20 ㎍/ml)을 아세트산(pH 3)에 용해시켰다. 37℃에서 4 시간 후, 흡수되지 않은 단백질 용액을 플레이트에서 제거한 후 PBS로 세차례 세척하였다. 인간 지방줄기세포가 2 X 104 세포/cm2의 밀도로 PLCL 스캐폴드에 부착되었다. 인간 지방줄기세포-접종 스캐폴드를 그 후 3 일간 생장 배지(10% FBS로 보충된 DMEM/F12 배지)에서 배양하였다. 미부착 세포는 PBS로 세척하여 웰에서 제거하였다. 세포 생존력을 WST(수용성 테트라졸리움염) 실험(Dojindo laboratories)으로 측정하였으며, 이는 살아있는 세포가 테트라졸리움염을 감소시켜 수용성 유색 포르마잔 생성물로 전환시키는 능력에 달려있다. 3일후 배양 배지를 제거하고 180 ㎕ 배지를 함유하는 각 웰에 20 ㎕의 WST 용액을 첨가하였다. 그 후 세포를 37℃에서 4 시간 암(暗)배양하였다. 각 시료 용액 50 ㎕를 96웰 플레이트의 웰에 옮겨 포르마잔 생성물의 흡수를 450 nm에서의 광학밀도(OD)로 측정하였다. 무세포 스캐폴드에 노출시킨 배지의 블랭크 값은 백그라운드이므로 각 실험값으로부터 뺐다. 각 웰의 흡광도는 UV-마이크로플레이트 리더(모델 VERSA max, Molecular Devices)를 이용하여 측정하였다.
Fibronectin (Sigma Chemical, St. Louis, Mo) and Laminin (Sigma Chemical) (20 μg / ml) were dissolved in PBS before coating the electrospun PLCL scaffold, and Type 1 and Type 4 collagen (Nitta Gelatin) ( 20 μg / ml) was dissolved in acetic acid (pH 3). After 4 hours at 37 ° C., the unabsorbed protein solution was removed from the plate and washed three times with PBS. Human adipose stem cells were attached to the PLCL scaffold at a density of 2 × 10 4 cells / cm 2 . Human adipocyte-inoculated scaffolds were then incubated in growth medium (DMEM / F12 medium supplemented with 10% FBS) for 3 days. Unattached cells were removed from the wells by washing with PBS. Cell viability was measured by Dojindo laboratories (WST) experiments, which depend on the ability of living cells to reduce tetrazolium salts to convert them into water-soluble colored formazan products. After 3 days the culture medium was removed and 20 μl of WST solution was added to each well containing 180 μl medium. Cells were then cultured for 4 hours at 37 ° C. 50 μl of each sample solution was transferred to a well of a 96 well plate and the absorption of the formazan product was measured by optical density (OD) at 450 nm. The blank value of the medium exposed to the cell-free scaffold is background and subtracted from each experimental value. The absorbance of each well was measured using a UV-microplate reader (model VERSA max, Molecular Devices).

4. 생화학 자극 및 응력 4. Biochemical Stimulation and Stress

인간 지방줄기세포를 타입 1 콜라겐 코팅한 전기방사 PLCL 스캐폴드에 2 X 104 세포/cm2로 접종하고, 10% FBS(Welgene)로 보충한 DMEM/F12 배지에서 자극을 주기 전 3일간 배양하였다. 세포 생장과 분화에 미치는 응력과 생화학 자극의 조합된 효과를 연구하기 위하여 이하의 화학물질들 또는 생장 인자들 중 하나로 보충하고 혈청을 감소시킨 배지(DMEM/F12, 5% FBS, 1% 페니실린)에 인간 지방줄기세포를 2주간 노출시켰다: (1) 1 ng/ml TGF β-1(R&D system); (2) 50 μM β-머캡토에탄올(Amersham Pharmacia Biotech) 및 0.3 mM 아스코르브산(AA, Sigma); (3) 1 μM 전트란스(all-trans) 레티노산(RA, Sigma); (4) 10 ng/ml PDGF-BB(Sigma) 및 평활근 유도 배지; (5) DMEM-20% FBS; (6) 1 μM 안지오텐신 II(Sigma), 10% FBS, DMEM(Welgene); (7) MCDB 131 배지(Sigma)로 이루어진, 1% FBS와 100 유닛/ml 헤파린(Sigma)으로 보충된 SMIM. 대조군은 10% FBS를 함유하는 DMEM/F12 배지에서 배양된 인간 지방줄기세포였다. 배양기 내에 5% 범위의 응력 및 1 Hz 범위의 주파수로 작동하여 장력을 적용할 있는 주문제작 기기를 설계하여 제조하였다. 인장 장치는 전기부 및 기계부로 구성되었다.
Human adipose stem cells were inoculated at 2 × 10 4 cells / cm 2 in a type 1 collagen-coated electrospun PLCL scaffold and incubated for 3 days before stimulation in DMEM / F12 medium supplemented with 10% FBS (Welgene). . To study the combined effects of stress and biochemical stimulation on cell growth and differentiation, supplemented with one of the following chemicals or growth factors and reduced serum (DMEM / F12, 5% FBS, 1% penicillin) Human adipose stem cells were exposed for 2 weeks: (1) 1 ng / ml TGF β-1 (R & D system); (2) 50 μΜ β-mercaptoethanol (Amersham Pharmacia Biotech) and 0.3 mM ascorbic acid (AA, Sigma); (3) 1 μM all-trans retinoic acid (RA, Sigma); (4) 10 ng / ml PDGF-BB (Sigma) and smooth muscle induction medium; (5) DMEM-20% FBS; (6) 1 μM Angiotensin II (Sigma), 10% FBS, DMEM (Welgene); (7) SMIM supplemented with 1% FBS and 100 units / ml heparin (Sigma), consisting of MCDB 131 medium (Sigma). The control group was human adipose stem cells cultured in DMEM / F12 medium containing 10% FBS. A custom-made device was designed and manufactured to operate with a stress in the range of 5% and a frequency in the range of 1 Hz to apply tension. The tensioning device consisted of electrical and mechanical parts.

5. 면역 형광 염색5. Immunofluorescence Staining

실험의 종결부에, 세포-중합체 컨스트럭트를 실온에서 60 분간 4% 파라포름알데히드로 고정시키고 표준 면역세포화학 교본에 따라 면역 염색하였다. 간단히, PBS로 두차례 세척하고, 0.1% 트리톤 X-100을 15 분간 세포에 도포한 후, 비특이적 결합은 4% BSA로 블로킹하였다. α-SMA에 특이적인 모노클로날 항체(마우스 모노클로날, 1:200; DAKO) 및 평활근 미오신 헤비 체인에 특이적인 모노클로날 항체(마우스 모노클로날, 1:100; MHC, DAKO)을 60 분간 실온에서 처리하였다. 1차 항체는 알렉사 플루오르 488-컨쥬게이티드 항마우스 염소 IgG(1:700; Invitrogen), 알렉사 플루오르 594-컨쥬게이티드 항토끼 염소 IgG(1:250; Invitrogen)로 검출하였다. 세포를 DAPI(4,6-디아미노-2-페닐인돌 디하이드로클로라이드; Vector Laboratories)로 역상 염색하였다. 음성 대조군에는 1차 항체를 생략하였다. PBS로 세척한 후 염색된 세포를 형광 현미경(DXM 1200F, Nikon)으로 관찰하였다. 염색된 세포의 분율을 측정하기 위하여, 염색된 세포의 이미지를 Nikon TE 2000-U 현미경으로 찍었다. 처리된 이미지를 Image J 소프트웨어(NIH)를 이용하여 분율 분석하였다.
At the end of the experiment, cell-polymer constructs were fixed at 4% paraformaldehyde for 60 minutes at room temperature and immunostained according to standard immunocytochemistry manuals. Briefly, two washes with PBS and 0.1% Triton X-100 were applied to the cells for 15 minutes, after which nonspecific binding was blocked with 4% BSA. Monoclonal antibodies specific for α-SMA (mouse monoclonal, 1: 200; DAKO) and monoclonal antibodies specific for smooth muscle myosin heavy chain (mouse monoclonal, 1: 100; MHC, DAKO) Treated at room temperature for minutes. Primary antibodies were detected with Alexa Fluor 488-conjugated anti mouse goat IgG (1: 700; Invitrogen), Alexa Fluor 594-conjugated anti-rabbit goat IgG (1: 250; Invitrogen). Cells were reversed stained with DAPI (4,6-diamino-2-phenylindole dihydrochloride; Vector Laboratories). The primary antibody was omitted for the negative control. After washing with PBS, the stained cells were observed by fluorescence microscopy (DXM 1200F, Nikon). To determine the fraction of stained cells, images of the stained cells were taken with a Nikon TE 2000-U microscope. The processed images were fractionally analyzed using Image J software (NIH).

6. 전자 현미경 스캐닝6. Electron Microscope Scanning

스캐폴드와 조직 공학 그라프트의 형태 및 표면 형태를 15 kV에서 작동시킨 전자현미경스캐닝(SEM, Hitachi)으로 연구하였다. SEM 시험을 위하여, 스캐폴드를 4% v/v 포름알데히드에서 24 시간 동안 고정시키고 등급별 에탄올 시리즈를 이용하여 탈수시켜 건조하였다. 스캐폴드 또는 조직 공학 그라프트 시료 소량을 SEM 스텁(stub)에 탄소 탭(tab)을 이용하여 부착하고 스텁 표면을 그 후 스퍼터 코팅기(Eiko IB3)를 이용하여 금으로 코팅하였다.
Morphology and surface morphology of scaffolds and tissue engineering grafts were studied by electron microscopy (SEM, Hitachi) operated at 15 kV. For SEM testing, the scaffolds were fixed in 4% v / v formaldehyde for 24 hours and dried by dehydration using a graded ethanol series. A small amount of scaffold or tissue engineering graft sample was attached to the SEM stub with carbon tabs and the stub surface was then coated with gold using a sputter coater (Eiko IB3).

7. 통계 분석7. Statistical Analysis

통계분석을 다양한 변수의 조합으로 언페어드 스튜던츠 티 테스트(unpaired student's t test)를 이용하여 수행하였다. 데이터를 평균 ± SD로 나타내었다. 통계적 의미는 p<0.05로 정의되었다.
Statistical analysis was performed using an unpaired student's t test with a combination of various variables. Data are shown as mean ± SD. Statistical significance was defined as p <0.05.

실험결과Experiment result

1. 나노섬유 PLCL 스캐폴드의 특정1.Specification of Nanofiber PLCL Scaffolds

전기방사된 PLCL 스캐폴드의 SEM 현미경 사진은 본 연구에서 이용되는 최적 방사 조건 하에서 형성되는 PLCL 스캐폴드가 비드리스(beadless), 다공성, 및 나노 규모의 섬유 스캐폴드임을 밝혔다(도 4). PLCL의 나노섬유는 750 ± 250 nm 범위의 섬유 지름을 가지는 것이 얻어졌다. 스캐폴드의 평균 두께는 게이지로 측정된 바 100-150 μM였다. 전기방사 PLCL 스캐폴드의 인장 성질을 이미 알려진 바와 같이 특정하였다. 전기방사 PLCL은 인장 강도 및 탄성률이 각각 4.7 Mpa 및 8.4 Kpa였다. 상기 스캐폴드는 파단시 연신률 960%를 나타내었다. 이 인장 성질은 상기 전기방사 PLCL 스캐폴드가 매우 탄성적이고 혈관 그라프트로 적합할 만큼 물리적으로 강하다는 것을 의미한다.
SEM micrographs of electrospun PLCL scaffolds revealed that the PLCL scaffolds formed under the optimal spinning conditions used in this study were beadless, porous, and nanoscale fiber scaffolds (FIG. 4). The nanofibers of the PLCL were obtained having a fiber diameter in the range of 750 ± 250 nm. The average thickness of the scaffolds was 100-150 μM as measured by gauge. The tensile properties of the electrospun PLCL scaffolds were specified as already known. The electrospun PLCL had a tensile strength and modulus of 4.7 Mpa and 8.4 Kpa, respectively. The scaffold had an elongation at break of 960%. This tensile property means that the electrospun PLCL scaffold is very elastic and physically strong enough to fit into a vascular graft.

2. 나노섬유 PLCL 스캐폴드에의 인간지방줄기세포의 부착2. Attachment of Human Adipose Stem Cells to Nanofiber PLCL Scaffolds

전기방사 PLCL 스캐폴드(도 4)는 바이오리액터계에서 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화능을 측정하기 위한 기층 역할을 하였다. 나노섬유 PLCL 스캐폴드에 세포 부착을 증강시키기 위하여 세포외기질 단백질 코팅이 스캐폴드 변형 방법으로 사용되었다. 인간지방줄기세포는 세포외기질 단백질(타입 1 콜라겐, 타입 4 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌)로 코팅되거나 코팅되지 않은 PLCL 스캐폴드에 부착되었고 세포 부착을 WST 실험과 DAPI 염색으로 측정하였다. 다른 스캐폴드들과 비교하여. 타입 1 콜라겐으로 코팅된 PLCL 스캐폴드에 더 큰 친화력으로 인간지방줄기세포가 부착됨이 증명되었다. 도 2의 B에서 확인할 수 있는 바와 같이, DAPI(밝은 청색 점으로 나타내었다) 염색은 인간지방줄기세포가 타입 1 콜라겐으로 코팅된 나노섬유 PLCL 스캐폴드의 표면에 조밀하게 부착되어 2차원 세포-기질 네트워크를 형성하는 것을 증명하였고, 어떤 다른 스캐폴드보다 타입 1 콜라겐으로 코팅된 PLCL 스캐폴드에서 더 많은 핵이 관찰됨을 보여주었다(도 2의 A).
Electrospinning PLCL scaffold (FIG. 4) served as a substrate for measuring the differentiation capacity of human adipose stem cells into smooth muscle cells in the bioreactor system. Extracellular matrix protein coatings were used as a scaffold modification method to enhance cell adhesion to nanofiber PLCL scaffolds. Human adipose stem cells were attached to PLCL scaffolds coated or uncoated with extracellular matrix proteins (type 1 collagen, type 4 collagen, fibronectin, laminin) and cell adhesion was measured by WST experiments and DAPI staining. Compared to other scaffolds. It has been demonstrated that human adipose stem cells adhere with greater affinity to PLCL scaffolds coated with type 1 collagen. As can be seen in FIG. 2B, DAPI (shown as light blue dots) staining is a two-dimensional cell-substrate with human fat stem cells densely attached to the surface of a nanofiber PLCL scaffold coated with type 1 collagen. It was demonstrated that the network was formed and that more nuclei were observed in the PLCL scaffold coated with type 1 collagen than any other scaffold (FIG. 2A).

3. 응력 자극된 인간지방줄기세포 증식에의 배지의 효과3. Effect of Medium on Stress Stimulated Human Adipose Stem Cell Proliferation

나노섬유 스캐폴드에 부착된 인간지방줄기세포의 세포 증식 및 분화와 같은 기능에 미치는 응력 자극 및 생화학 인자의 조합된 효과를 증명하기 위하여, 부착된 세포를 일반적인 생리적 조건 범위 내인 5% 응력을 가하거나 가하지 않은 조건에서, 이미 보고된 것에 비추어 평활근세포로의 분화를 유도하는 생화학 인자로 보충한 다양한 배지에서 배양하였다. 도 5A에서 보여지는 것과 같이 세포 증식은 정치 배양에서는 배지 차이에 의하여 크게 영향받지 않았다. 정치 배양과 비교할 때, 응력을 적용시키면 인간지방줄기세포 분화의 증가(정치 배양 대조군의 150%까지, p<0.05) 라는 결과를 나타내었고 세포 증식률은 배지에 따라 다양하게 나타났다(도 5B). 응력을 가하는 조건에서, TGF-β1, AA, 및 RA-보충 배지로 배양했을 때, 인간지방줄기세포 생장은 응력만을 가한 경우와 비교하여 증가하는 영향을 받았으나(p<0.05), SIMM 배지로 배양하면 세포 증식이 감소하는 영향을 받았다(p<0.001). SEM 이미지가 나노섬유 PLCL 스캐폴드에서 응력 자극 조건하에 배양된 인간지방줄기세포의 증가된 세포 증식을 보여준다(도 6). 응력을 가하면서 TGF-β1, AA, 및 RA로 처리한 경우 2주 후 나노섬유 스캐폴드가 완전히 덮힐 만큼 충분히 세포가 증가하였다. 그러나, 정치 배양 스캐폴드 및 SIMM배지에서 응력 자극한 스캐폴드에서는 세포가 드문드문 자라있는 것을 관찰할 수 있었고, 스캐폴드의 기공은 비어있었다. 이들 결과는 응력 자극된 세포 증식에서도 생화학 인자 매치가 고려되어야 함을 나타낸다.
To demonstrate the combined effect of stress stimulation and biochemical factors on functions such as cell proliferation and differentiation of human adipose stem cells attached to the nanofiber scaffold, the attached cells were subjected to 5% stress within a range of normal physiological conditions, or In the absence of conditions, cultures were carried out in various media supplemented with biochemical factors that induce differentiation into smooth muscle cells in the light of what was previously reported. As shown in FIG. 5A, cell proliferation was not significantly affected by medium difference in stationary culture. Compared to the stationary culture, the application of stress resulted in an increase in human adipose stem cell differentiation (up to 150% of the political culture control, p <0.05) and the cell proliferation rate varied with medium (FIG. 5B). Under stressed conditions, when cultured with TGF-β1, AA, and RA-supplemented medium, human adipose stem cell growth was increased (p <0.05) compared to that with stress alone, but cultured with SIMM medium. Cell proliferation was decreased (p <0.001). SEM images show increased cell proliferation of human adipose stem cells cultured under stress stimulation conditions in nanofiber PLCL scaffolds (FIG. 6). After two weeks of treatment with TGF-β1, AA, and RA under stress, the cells increased enough to completely cover the nanofiber scaffold. However, it was observed that the cells grew sparsely in stress-stimulated scaffolds in stationary culture scaffolds and SIMM media, and the pores of the scaffolds were empty. These results indicate that biochemical factor matches should be considered even in stress stimulated cell proliferation.

4. 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화에 미치는 응력과 분화 인자의 시너지 효과4. Synergistic Effects of Stress and Differentiation Factors on the Differentiation of Human Adipose Stem Cells into Smooth Muscle Cells

나노섬유 PLCL 스캐폴드에 부착된 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화에 미치는 분화 인자와 응력의 조합된 효과를 시험하기 위하여 부착된 세포를 상기 배지에서 응력을 가하거나 가하지 않은 조건에서 배양하였다. 도 6에 보여지는 것과 같이 초기 평활근세포 마커(α-SMA) 및 후기 평활근세포 마커(MHC)를 검출하기 위하여 형광 염색 분석을 수행하였다. 정치 배양에서, 분화 인자가 플레이트에서 배양된 인간지방줄기세포의 α-SMA발현을 이끌어내기는 하였으나(도 1) 나노섬유 PLCL 스캐폴드에 부착된 인간지방줄기세포의 α-SMA 및 MHC 발현은 분화 인자 차이에 의하여 크게 영향받지 않았다(도 6). 반면, 심지어 대조군 배지에서도 응력만으로 인간지방줄기세포의 α-SMA 발현을 이끌어냈다(정치 배양 대조군의 176%, p<0.05)(도 4A 및 B). 흥미롭게도 대조군 배지에서 MHC 발현은 응력에 의하여 영향받지 않았다(도 4C 및 D). 분화인자로 보충된 배지에서 응력을 가하면서 배양된 세포들은 MHC 뿐 아니라 α-SMA의 발현도 증가함을 입증하였다. 특히, 세포에 응력을 가하면서 RA로 처리했을 때 응력에만 노출시킨 세포들과 비교하여 α-SMA 및 MHC의 발현이 크게(~80%) 증가하였다(도 6B 및 D). 도 6에서, 응력 자극된 인간지방줄기세포 배양에 있어서, TGF-β-1, AA, 및 RA의 증식 효과는 거의 같았지만 응력 자극과 조합되었을 때 RA는 평활근세포로의 분화에 있어 차이를 나타내었다.
To test the combined effect of differentiation factors and stress on differentiation of human adipose stem cells attached to nanofiber PLCL scaffolds into smooth muscle cells, the attached cells were cultured in the medium under or without stress. As shown in FIG. 6, fluorescence staining analysis was performed to detect early smooth muscle cell marker (α-SMA) and late smooth muscle cell marker (MHC). In stationary cultures, differentiation factors elicited α-SMA expression of human adipose stem cells cultured on the plate (FIG. 1), whereas α-SMA and MHC expression of human adipose stem cells attached to the nanofiber PLCL scaffold were differentiation factors. It was not significantly affected by the difference (FIG. 6). On the other hand, even in the control medium, the stress alone induced α-SMA expression of human adipose stem cells (176% of the political culture control, p <0.05) (FIGS. 4A and B). Interestingly, MHC expression was not affected by stress in control medium (FIGS. 4C and D). Cells cultured under stress in medium supplemented with differentiation factors demonstrated increased expression of α-SMA as well as MHC. In particular, the expression of α-SMA and MHC increased significantly (˜80%) compared to cells exposed only to stress when treated with RA while stressing the cells (FIGS. 6B and D). In FIG. 6, in the culture of stress-stimulated human adipose stem cells, the proliferative effects of TGF-β-1, AA, and RA were almost the same, but when combined with stress stimulation, RA showed a difference in differentiation into smooth muscle cells. It was.

추가논의Further discussion

다분화능 인간지방줄기세포는 혈관벽에서 평활근세포 등 중간엽 세포의 잠재적인 생성원을 대표한다. 생체 밖 실험에서 인지방줄기세포가 생화학 인자에 반응하여 평활근세포로 분화함을 알 수 있었다. 그러나, 그 낮은 분화율 때문에 임상 치료에 있어 인지방줄기세포의 추가적인 활용이 제한적이다. 본 발명에서 발명자들은 생화학 인자와 응력의 복합 자극이 그들을 각각 단독으로 이용하는 경우보다 인간지방줄기세포 분화 기작에 시너지 효과를 일으킨다는 것을 보고한다. 본 발명에서, 인간지방줄기세포가 RA와 응력에 복합적으로 노출되었을 때 α-SMA 및 MHC와 같은 평활근세포 마커가 유의적으로 증가한다는 것이 증명되었다. 평활근세포 분화는 매우 종종 평활근세포 마커를 이용하여 설명된다. 이들 평활근세포 마커들은 α-SMA 및 MHC를 포함한다. α-SMA이 평활근세포 발달의 초기 표지 인자이지만, 이것만의 발현은 평활근세포 계열인지 확실한 증거를 제공해주지는 못한다. MHC는 어떠한 다른 세포 계열에서는 인지되지 않으며 오직 수축성 평활근세포에서만 발현되었다. 따라서, 평활근세포의 분화를 특정하기 위해서, 본 발명에서는 α-SMA의 발현뿐만 아니라, MHC의 발현도 평가하였다. 정치 배양 및 응력 배양계에서 평활근세포 마커들의 초기 발현 및 성숙한 평활근세포의 표현형에 이르는데 RA를 필요로 한다는 발견이 이 개념과 일치하는 것이다. Multipotent human adipose stem cells represent a potential source of mesenchymal cells such as smooth muscle cells in the blood vessel wall. In vitro experiments showed that cognitive stem cells differentiate into smooth muscle cells in response to biochemical factors. However, its low differentiation rate limits the further use of cognitive stem cells in clinical treatment. In the present invention, the inventors report that the combined stimulation of biochemical factors and stress produces a synergistic effect on the mechanism of human adipose stem cell differentiation than when they are used alone. In the present invention, it has been demonstrated that the smooth muscle cell markers such as α-SMA and MHC are significantly increased when human adipose stem cells are combined with RA and stress. Smooth muscle cell differentiation is very often described using smooth muscle cell markers. These smooth muscle cell markers include α-SMA and MHC. Although α-SMA is an early marker of smooth muscle cell development, its expression alone does not provide clear evidence that it is a smooth muscle cell line. MHC was not recognized in any other cell line and was expressed only in contractile smooth muscle cells. Therefore, in order to specify the differentiation of smooth muscle cells, not only the expression of α-SMA but also the expression of MHC was evaluated in the present invention. This finding is consistent with the discovery that early expression of smooth muscle cell markers in stationary cultures and stress culture systems and the need for RA to reach the phenotype of mature smooth muscle cells.

조직의 기능을 회복, 유지 또는 향상시킬 수 있는 생물학적 대체제의 개발에 있어서 기본적인 필요조건은 적절한 세포원, 최적 생화학적 환경, 생리적 환경, 및 생체 적합성의 스캐폴드이다. The basic requirements in the development of biological substitutes that can restore, maintain or improve the function of tissues are scaffolds of appropriate cell sources, optimal biochemical environment, physiological environment, and biocompatibility.

본 발명에서는 혈관계 및 심장질환에 이식을 위한 접근으로‘평활근세포- 탄성 나노섬유 이식체의 개념의 가설을 세웠다. The present invention hypothesized the concept of 'smooth muscle cell-elastic nanofiber implants' as an approach for transplantation into the vascular system and heart disease.

이러한 접근은 지방조직으로부터 분화된 평활근세포를 함유하는 전기방사 중합체 나노섬유 스캐폴드를 수반한다. 나노섬유 스캐폴드는 기계적 안정성, 구조적 유도, 그리고 세포외기질 단백질 재결합 같은 생물학적 생리적 변화에 순조롭게 반응하기 위하여 세포와 주변 조직과의 상호작용에 적합한 장소(anchorage)를 제공한다. This approach involves electrospun polymer nanofiber scaffolds containing smooth muscle cells differentiated from adipose tissue. Nanofiber scaffolds provide an anchorage for interacting with cells and surrounding tissues to respond smoothly to biological and physiological changes such as mechanical stability, structural induction, and extracellular matrix protein recombination.

세포 기능이 세포가 부착한 기질에 의하여 결정된다는 것이 잘 알려져 있다. 인간 지방줄기세포를 포함하는 줄기세포가 분화 배지의 조직 배양 플레이트 상에서 평활근세포로 분화한다는 것이 다수 보고 되었음에도 본 발명자들은 인간지방줄기세포가 탄성 나노섬유 스캐폴드 상에서 평활근세포로 분화하는지 여부를 밝힐 필요가 있었다. 종래 보고된 바와 달리, 본 발명은 나노섬유 PLCL 스캐폴드에 부착된 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화에 분화 배지만으로는 충분하지 않고 평활근세포로 분화하기 위해서는 응력이 필요하다는 것을 나타내고 있다. 몇몇 연구는 응력이 평활근세포 증식과 분화에 잠재적 조절자라는 것을 제시하고 있다. 본 발명은 나노섬유 PLCL 스캐폴드상에서 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화 및 증식을 위하여 응력이 긍정적인 인자라는 증거를 제공한다. It is well known that cell function is determined by the substrate to which the cell is attached. Although many reports have reported that stem cells containing human adipose stem cells differentiate into smooth muscle cells on tissue culture plates in differentiation medium, the present inventors need to identify whether human adipose stem cells differentiate into smooth muscle cells on elastic nanofiber scaffolds. there was. Unlike conventionally reported, the present invention shows that differentiation medium is not sufficient for differentiation of human adipose stem cells attached to nanofiber PLCL scaffolds into smooth muscle cells and stress is required for differentiation into smooth muscle cells. Some studies suggest that stress is a potential regulator of smooth muscle cell proliferation and differentiation. The present invention provides evidence that stress is a positive factor for the differentiation and proliferation of human adipose stem cells into smooth muscle cells on nanofiber PLCL scaffolds.

인간 지방줄기세포 증식에 있어서 RA, AA, 및 TGF-β-1이 가장 긍정적인 효과를 나타내며, 인간 지방줄기세포 증식에 그들의 역할이 보고되었다. 본 발명에서 인간지방줄기세포의 평활근세포로의 분화율은 응력 자극된 배양 조건에서 RA로 보충된 배지에서 가장 높았다. RA는 세포 신호전달 경로를 통하여 세포 분화 및 증식 뿐 아니라 배아 발생에 관여하는 레티노이드의 활성형이다. RA는 핵 수용체 수퍼패밀리 중 몇 가지를 통하여 전사를 조절한다. 그러나 평활근세포 분화에 있어서 중간엽 줄기 세포의 레티노산 신호 전달 경로는 아직까지 알려진 바가 거의 없다. 탄성 생분해성 스캐폴드로 응력 자극된 배양액에서 전트란스 RA에 노출된 인간지방줄기세포의 분화에 있어서 본 발명은, 비록 그 기작이 명확하게 밝혀지지 않았다 하더라도 유용한 조직 공학적 접근 방법을 제공한다. RA, AA, and TGF-β-1 have the most positive effect on human adipose stem cell proliferation, and their role has been reported in human adipose stem cell proliferation. In the present invention, the rate of differentiation of human adipose stem cells into smooth muscle cells was the highest in medium supplemented with RA under stress-stimulated culture conditions. RA is an active form of retinoids involved in embryonic development as well as cell differentiation and proliferation via cell signaling pathways. RA regulates transcription through several of the nuclear receptor superfamily. However, the retinoic acid signaling pathway of mesenchymal stem cells in smooth muscle cell differentiation is still unknown. The present invention provides for a useful tissue engineering approach in the differentiation of human adipose stem cells exposed to pretrans RA in stress-stimulated cultures with elastic biodegradable scaffolds, although the mechanism is not clearly identified.

요약하면, 본 발명은 응력이 인간 지방줄기세포의 생장과 표현형에 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 응력의 적용은 생화학적 인자 RA를 더해준 동안 정치 배양과 비교하여 지방줄기세포의 증식을 크게 증가 시켰고, RA는 응력만 가한 경우와 비교하여 지방줄기세포의 분화에 긍정적인 영향을 미쳤다. In summary, the present invention shows that stress affects the growth and phenotype of human adipose stem cells. The application of stress significantly increased the proliferation of adipose stem cells compared to stationary cultures during the addition of the biochemical factor RA, and RA had a positive effect on the differentiation of adipose stem cells compared to the case of stress only.

전기방사로 제조된 생분해성 나노섬유 스캐폴드는 조직공학용 소재로서 각광을 받고 있으며, 일반적인 배양용기가 아닌 나노섬유 스캐폴드에서 지방줄기세포의 평활근세포로의 고효율적 분화 기술은 심혈관계 질병의 생물학적 나노물질-세포 이식 치료를 위한 큰 잠재력을 가질 수 있다.
Biodegradable nanofiber scaffolds manufactured by electrospinning are gaining attention as tissue engineering materials, and high-efficiency differentiation of fat stem cells into smooth muscle cells from nanofibrous scaffolds, which is not a general culture vessel, is a biological nano It can have great potential for substance-cell transplantation treatment.

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Claims (11)

줄기세포가 접종된 탄성 나노섬유 스캐폴드에 응력(Strain)을 가하면서 줄기세포를 평활근세포로 분화시키는 방법.
A method of differentiating stem cells into smooth muscle cells while applying strain to the elastic nanofiber scaffold inoculated with the stem cells.
제1항에 있어서, 상기 방법은 전환성장인자-β-1(TGF-β-1), 혈소판유래성장인자-BB(PDGF-BB), 아스코르브산(AA), 레티노산(RA) 및 안지오텐신 II(Ang II)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 생화학 분화인자를 함유하는 배지에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the method comprises converting growth factor-β-1 (TGF-β-1), platelet derived growth factor-BB (PDGF-BB), ascorbic acid (AA), retinoic acid (RA) and angiotensin II. A method comprising the medium containing at least one biochemical differentiation factor selected from the group consisting of (Ang II).
제2항에 있어서, 상기 생화학 분화인자는 레티노산인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 2, wherein the biochemical differentiation factor is retinoic acid.
제1항에 있어서, 상기 탄성 스캐폴드는 생분해성 고분자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein said elastic scaffold is comprised of a biodegradable polymer.
제4항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 락틴산과 카프로락톤의 공중합체(PLCL)인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 4, wherein the biodegradable polymer is a copolymer of lactinic acid and caprolactone (PLCL).
제1항에 있어서, 상기 스캐폴드는 그 표면이 타입 1 콜라겐, 타입 4 콜라겐, 피브로넥틴 및 라미닌으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 것으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the scaffold is coated with at least one surface selected from the group consisting of type 1 collagen, type 4 collagen, fibronectin, and laminin.
제6항에 있어서, 상기 스캐폴드는 그 표면이 타입 1 콜라겐으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. The method of claim 6, wherein the scaffold is coated on its surface with type 1 collagen.
제1항에 있어서, 상기 줄기세포는 지방줄기세포, 중간엽줄기세포, 골수줄기세포, 제대혈줄기세포, 신경줄기세포 및 유도만능줄기세포로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the stem cells are selected from the group consisting of adipose stem cells, mesenchymal stem cells, bone marrow stem cells, umbilical cord blood stem cells, neural stem cells and induced pluripotent stem cells.
혈관 질환 또는 창상 치료를 위하여 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 방법에 의하여 줄기세포로부터 분화된 평활근세포를 함유하는 조직공학용 평활근세포-스캐폴드 복합체.
A smooth muscle cell-scaffold complex for tissue engineering containing smooth muscle cells differentiated from stem cells by the method of any one of claims 1 to 8 for the treatment of vascular diseases or wounds.
제9항에 있어서, 패치 형태로 제공되는 평활근세포-스캐폴드 복합체.
10. The smooth muscle cell-scaffold complex of claim 9 provided in the form of a patch.
제10항에 있어서, 상기 혈관 질환이 심혈관 질환 또는 허혈성 질환인 것을 특징으로 하는 평활근세포-스캐폴드 복합체.The smooth muscle cell-scaffold complex according to claim 10, wherein the vascular disease is a cardiovascular disease or an ischemic disease.
KR1020110071672A 2011-07-19 2011-07-19 The method for differentiating stem cells into smooth muscle cells with strain and tissue engineering complex containing the smooth muscle cells KR101344719B1 (en)

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