KR101385509B1 - Method for Differentiating of Embryo Stem Cell into Nurons Using Substrate having Nano-Patterened Surface - Google Patents

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KR101385509B1
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    • C12N2506/02Differentiation of animal cells from one lineage to another; Differentiation of pluripotent cells from embryonic cells

Abstract

본 발명은 패턴화된 표면을 가지는 지지체를 이용하는 것을 특징으로 하는, 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 나노 단위로 패턴화된 표면을 가지는 지지체 상에서 신경분화 유도인자의 첨가없이 인간 배아줄기세포를 배양함으로써 단시간에 신경세포로 분화시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 배아줄기세포가 나노 단위패턴의 표면위에서 목적하는 신경세포로의 효율적인 분화가 가능한데, 특히 신경세포의 길이 증가가 패턴을 따라서 일정한 방향성을 가지고 길게 신장되기 때문에 세포치료제로서 효과적이다.
The present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into neurons, characterized in that a support having a patterned surface is used. More particularly, the present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into neural cells, The present invention relates to a method for differentiating human embryonic stem cells into neurons in a short time by culturing human embryonic stem cells.
According to the present invention, it is possible to efficiently differentiate embryonic stem cells into desired nerve cells on the surface of a nano unit pattern. Especially, since the increase in the length of nerve cells is elongated with a certain direction along the pattern, it is effective as a cell therapy agent.

Description

나노단위의 패턴화된 표면을 가지는 지지체 이용한 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법{Method for Differentiating of Embryo Stem Cell into Nurons Using Substrate having Nano-Patterened Surface}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into nerve cells using a support having a patterned surface having a nano unit,

본 발명은 패턴화된 표면을 가지는 지지체를 이용하는 것을 특징으로 하는, 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 나노 단위로 패턴화된 표면을 가지는 지지체 상에서 신경분화 유도인자의 첨가없이 인간 배아줄기세포를 배양함으로써 단시간에 신경세포로 분화시키는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into neurons, characterized in that a support having a patterned surface is used. More particularly, the present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into neural cells, The present invention relates to a method for differentiating human embryonic stem cells into neurons in a short time by culturing human embryonic stem cells.

배아 줄기(ES) 세포와 같은 다능 세포가 시험관내에서 뉴런으로 분화될 수 있다는 것이 오랫동안 알려져 왔다. 원칙적으로, ES 세포를 사용한 작업은, 선택된 분화 단계에서 세포를 단리시키고 뉴런 전구체를 특징화할 수 있는 가능성을 유발한다. ES 세포는 시험관 내에서 분자 및 유전자 발생 경로의 연구를 조장하였으며, 또한 신경병적 질병을 치료하기 위해 뇌에 이식하기 위한 세포의 잠재적인 원천이다.It has long been known that pluripotent cells such as embryonic stem (ES) cells can differentiate into neurons in vitro. In principle, working with ES cells leads to the possibility of isolating cells and characterizing neuronal precursors at selected differentiation stages. ES cells have stimulated the study of molecular and gene-based pathways in vitro and are a potential source of cells for transplantation into the brain to treat neurological diseases.

그러나, 이들 및 기타 적용은 배양물 중에서 뉴런 발생의 이종성, 분열성 및 종종 재생불가능한 성질에 의해 방해를 받는다. 세포 이종성은 신경 세포를 발생시키기 위해 ES 세포를 사용하는데 있어서의 큰 문제점이다.However, these and other applications are hampered by heterogeneous, fissionable and often non-renewable properties of neuronal development in culture. Cell heterogeneity is a major problem in using ES cells to generate neurons.

전형적으로, ES 세포로부터 유래된 뉴런 배양물은 각종 상이한 뉴런 아-유형 뿐만 아니라 신경교세포를 포함한 비-뉴런세포를 함유한다. 한정되고 균일한 표현형을 가진 충분히 많은 수의 세포가 부족한 것이 신경생물학에서의 주된 난점이다Typically, neuron cultures derived from ES cells contain non-neuronal cells, including glial cells, as well as a variety of different neuronal subtypes. The lack of a sufficient number of cells with a defined and uniform phenotype is a major difficulty in neurobiology

일정한 수의 뉴런 또는 한정된 개체군의 뉴런을 이끌어내는, ES 세포로부터 뉴런을 발생시키는 방법이 존재하지 않으며, 따라서 생화학적 접근을 사용하여 뇌 뉴런을 특징화하기 위해 충분한 양으로 동종 세포 개체군을 입수할 수 없다. 또한, 즉 신경 전구체와 뉴런의 계통 관계가 아직까지 불명확하게 남아있다.There is no way to generate neurons from ES cells, leading to a certain number of neurons or limited populations of neurons, and thus a homogeneous population of cells can be obtained in sufficient quantities to characterize brain neurons using a biochemical approach none. In addition, the systematic relationship between neurons and nerve precursors remains unclear.

이식을 위한 ES 세포-유래 뉴런의 사용의 측면에서, 종양을 계속 분리하고 형성할 수 있는 일부 세포를 포함하는 세포의 혼합물과는 반대로, 알려진 자손 세포를 유발하는 한정된 원시 세포를 수득하는 것이 바람직하다. 이종세포는, 이식된 조직을 뇌에 통합하는 것을 촉진하는, 숙주 조직으로부터의 영양 및/또는 지시 신호를 방해할 수도 있다.In view of the use of ES cell-derived neurons for transplantation, contrary to the mixture of cells comprising some cells which can continually isolate and form tumors, it is desirable to obtain defined primitive cells which induce known offspring cells . The xenogeneic cells may also interfere with nutritional and / or instructional signals from the host tissue that facilitate incorporation of the implanted tissue into the brain.

이식된 세포 유형은 기능적으로 중요하고, 예를 들어 특히 파킨슨 질병과 같은 질병을 치료하기 위해 도파민 작동성 뉴런이 요구될 수도 있으며, 따라서 이러한 의학적 응용을 위해서는, 발생되는 전구체 및 뉴런 세포 아-유형에 대한 제어의 증가가 바람직하다. 바람직한 뉴런 계통을 가진 세포 개체군을 증가시킴으로써, 바람직하지 못한 부작용을 감소시키고, 종양의 위험을 낮추고 치료적 가능성을 개선하기 위하여 세포 이종성의 감소가 요구된다.The transplanted cell type is functionally important and dopaminergic neurons may be required to treat diseases such as, in particular, Parkinson's disease, and thus for such medical applications, the precursor and neuronal cell type An increase in the control for the above is desirable. By increasing the cell population with the desired neuronal lineage, a reduction in cell heterogeneity is required to reduce undesirable side effects, lower the risk of tumors and improve the therapeutic potential.

최근들어, 특히 도파민 작동성 뉴런 및 모터 뉴런을 포함하여 뉴런의 아-유형을 실질적으로 풍부하게 하기 위하여, 유도성 신호 및 전사 인자의 사용을 통한 진보가 이루어졌다. 즉, Nurr1과 같은 전사 인자 또는 줄기 세포와 다른 유형의 공동-배양물이 도파민작동성 뉴런의 발생을 현저히 증가시키는 반면, 소닉 헷지호그(sonic hedgehog)를 포함한 외부 인자의 첨가는 모터 뉴런의 발생을 증가시키며, 이는 이식 후 숙주 조직으로 통합되는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 이러한 진보에도 불구하고, 특정한 뉴런 표현형을 유발할 수 있는 한정된 뉴런 전구체의 시험관내 발생에 관해서는 여전히 거의 알려진 것이 없다.Recently, advances have been made through the use of inductive signals and transcription factors, in order to substantially enrich the subtype of neurons, including dopaminergic neurons and motor neurons, in particular. In other words, while transcription factors such as Nurr1 or other types of co-culture with stem cells significantly increase the development of dopaminergic neurons, the addition of external factors, including sonic hedgehog, , Which has been found to integrate into post-transplant host tissues. However, despite these advances, there is still little known about the in vitro development of defined neuronal precursors that can cause a particular neuronal phenotype.

뉴런 및 신경교세포의 발생을 설명하는 다수의 상이한 프로토콜이 존재한다. 배아 암종 세포 계통 P19에 관해 일찌기 인식된 바와 같이, 다능성 세포 집합체를 레티노익산으로 처리하는 것은 뉴런 분화를 유발한다. 이어서, ES 세포-유래된 배상체(EBs)를 RA로 처리하는 것은 신경을 촉진하고 중배엽 유전자 발현을 억제하는 것으로 관찰되었다. EBs는 ES 세포의 집합 및 증식에 의해 유발되는 3-차원 집합체이다. EBs는 이들이 착생될 수 없는 기질 위에서, 전형적으로 세균 배양 접시 위에서 ES 세포를 배양함으로써 생성될 수 있다.There are a number of different protocols that describe the development of neurons and glial cells. As previously recognized for embryonic carcinoma cell line P19, treatment of pluripotent cell aggregates with retinoic acid leads to neuronal differentiation. Subsequently, treatment of ES cell-derived somata (EBs) with RA was observed to promote neurons and inhibit mesodermal gene expression. EBs are 3-dimensional assemblies caused by aggregation and proliferation of ES cells. EBs can be produced by culturing ES cells on a bacterial culture dish, typically on a substrate on which they can not be assimilated.

보통, 다능성 미분화 ES 세포의 콜로니 형태로 ES 세포를 유지하기 위하여 영양 세포 층 지지체(불활성화 섬유아세포) 위에서 초기의 ES 세포 배양을 수행한다. 섬유아세포는 ES 세포의 미분화 상태를 지지하는 것으로 생각된다. 분화를 억제하기 위하여 백혈병 억제 인자(LIF)가 배양 배지에 포함될 수도 있다. 그러나, LIF의 존재하에서도, 일부 ES 세포는 분화되는 경향을 갖고 EB 형성 동안에 상이한 계통의 세포가 관찰될 수 있는 것으로 관찰되었다Usually, early ES cell cultures are performed on nutrient cell layer supports (inactivated fibroblasts) to maintain ES cells in the form of colonies of pluripotent undifferentiated ES cells. Fibroblasts are thought to support the undifferentiated state of ES cells. Leukemia inhibitory factor (LIF) may be included in the culture medium to inhibit differentiation. However, even in the presence of LIF, it has been observed that some ES cells tend to differentiate and that different lines of cells can be observed during EB formation

성장인자 등을 배제하고, DMSO와 BHA 같은 항산화 물질을 포함하는 유도 배지를 통해 줄기세포로부터 신경세포를 분화시키고자 하고 있지만, 그 결과는 아직까지 미흡한 수준이다. 또한, 종래 기술들은 분화 유도시간이 24시간으로 길고, 신경세포로의 분화의 표지가 성숙신경세포로 분화되었다고 보기에 충분한 정도로 발현되지 않는 문제점이 있었다.
Growth factors, etc., and to differentiate neural cells from stem cells through an induction medium containing antioxidants such as DMSO and BHA, but the results are still insufficient. In addition, the conventional techniques have a problem that the differentiation induction time is as long as 24 hours, and that the mark of differentiation into neural cells is not expressed to a sufficient degree as it is differentiated into mature neurons.

이에 본 발명자들은 일정한 특정 크기의 패턴이 형성되어 있는 표면 위에서 인간 배아줄기세포를 배양했을 때, 어떠한 신경세포 분화유도인자의 첨가 없이도 상기 배아줄기세포가 단시간에 효과적으로, 신경교세포를 포함한 비-뉴런세포없이 신경세포로 분화된다는 것을 발견하였고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have found that, when human embryonic stem cells are cultured on a surface having a pattern of a certain specific size, the embryonic stem cells can be efficiently and rapidly administered to non-neuron cells including glial cells And the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 신경세포 분화유도인자 없이 배아 줄기세포를 나노 단위로 패턴화된 표면을 가지는 지지체 상에서 배양하여 신경세포로 분화시키는 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method of culturing embryonic stem cells on a support having a patterned surface in a nanosized form without neuronal differentiation inducing factor to differentiate into neurons.

본 발명의 다른 목적은 배아줄기세포의 신경 세포 분화용의, 나노-패턴화된 표면을 가지는 지지체를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a support having a nano-patterned surface for neural cell differentiation of embryonic stem cells.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법을 이용하여 수득되고, 패턴의 방향으로 신장한, 배아줄기세포부터 분화된 신경세포를 함유하는 세포 치료제를 제공하는데 있다.
It is still another object of the present invention to provide a cell therapy agent containing neurons differentiated from embryonic stem cells obtained using the above method and extending in the direction of a pattern.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나노 단위로 패턴화된 표면을 가지는 지지체를 이용하는 것을 특징으로 하는, 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method of differentiating embryonic stem cells into neurons using a support having a surface patterned in a nano unit.

상기 배아줄기세포는 포유동물 조직 유래, 그 중에서도 인간 조직 유래인 것이 가장 바람직하다.The embryonic stem cell is most preferably derived from a mammalian tissue, especially a human tissue.

상기 패턴화는 길이방향의 다수의 이랑/홈 구조를 가지는 것을 특징으로 하는데, 특히, 350nm, 600nm, 800nm의 크기로 이루어지는 것이 바람직하고, 350nm의 크기로 이루어진 것이 가장 바람직하다.The patterning is characterized by having a plurality of longitudinal groove / groove structures. In particular, the patterning preferably has a size of 350 nm, 600 nm, 800 nm, and most preferably a size of 350 nm.

본 발명의 분화방법은 레티놀 산, 라미닌 같은 종래 신경분화 유도인자를 사용하지 않는 것을 특징으로 한다.
The differentiation method of the present invention is characterized by not using conventional neurogenic differentiation factors such as retinoic acid and laminin.

또한, 상기 패턴화된 표면을 가지는 지지체는 인체에 이식시 거부감이 없고, 원하는 모양이나 패턴을 쉽게 제작할 수 있으며, 생체적합성도 뛰어난 물질이면 어느 것이나 무방한데, 예를 들어 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA)를 사용할 수 있다.In addition, the support having the patterned surface may be any material that has no resistance to the implantation of a human body, can easily produce a desired shape or pattern, and is excellent in biocompatibility. For example, a polyurethane acrylate , PUA) can be used.

이 때, 배아줄기세포의 부착을 위해 상기 패턴화된 PUA 등의 시트 표면 위에 젤라틴을 코팅시켜 사용하는 것이 바람직하고, 특히, 배아줄기세포의 부착능을 강화시키기 위해 젤라팅 코팅 전에 플라즈마 처리, 예를 들어 산소 플라즈마 처리를 하는 것이 더욱 바람직하다.
At this time, it is preferable that gelatin is coated on the surface of the sheet such as the patterned PUA in order to attach the embryonic stem cells. In particular, in order to enhance the adhesion ability of embryonic stem cells, It is more preferable to carry out the oxygen plasma treatment.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 수득되고, 패턴화된 표면을 가지는 지지체에 고정되어 있고, 패턴의 길이 방향으로 신장되어 있는 신경세포를 함유하는, 신경질환 치료용 세포치료제를 제공한다. The present invention also provides a cell therapy agent for treating neurological diseases, which is obtained by the above method and is fixed to a support having a patterned surface and contains neurons extending in the longitudinal direction of the pattern.

본 발명의 방법에 의해 배아줄기세포로부터 분화된 신경세포는 패턴의 길이방향으로 길게 신장하며, 상기 신경세포는 성상세포 등의 신경교세포가 아닌 성숙한 뉴런(신경세포)이다. According to the method of the present invention, the neurons differentiated from embryonic stem cells elongate in the longitudinal direction of the pattern, and the neurons are mature neurons (nerve cells) rather than glial cells such as astrocytes.

상기 신경 질환은 퇴행성 신경질환이 대표적인데, 예를 들어, 알츠하이머(Alzheimer’s disease), 파킨슨씨병 (Parkinson’s disease), 광우병 (Mad Cow disease;Prion disease), 헌팅튼병 (Huntington disease), 루게릭병 (Amyotrophic lateral sclerosis), 픽병(Pick’sdisease) 등이 있다.
Examples of the neurological diseases include degenerative neurological diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Mad Cow disease, Prion disease, Huntington disease, Amyotrophic lateral sclerosis, and Pick's disease.

또한, 본 발명은 다음을 포함하는 배아줄기 세포의 신경세포 분화용 지지체를 제공한다:Further, the present invention provides a support for neuron differentiation of embryonic stem cells comprising:

300nm 내지 800nm의 크기로 패턴화되어 있는 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA) 시트;A polyurethane acrylate (PUA) sheet patterned to a size of 300 nm to 800 nm;

상기 시트위에 처리된 산소 플라즈마 층; 및An oxygen plasma layer treated on the sheet; And

상기 산소 플라즈마 층 위에 코팅된 젤라틴 층.
A gelatin layer coated on the oxygen plasma layer.

또한, 본 발명은 다음을 포함하는, 배아줄기 세포의 신경세포 분화용 지지체의 제조방법을 제공한다:In addition, the present invention provides a method for producing a support for neuron differentiation of embryonic stem cells, comprising:

(a) 실리콘 주형상에 PUA 프리-폴리머를 자외선으로 경화시키는 단계;(a) curing the PUA prepolymer with ultraviolet light to the silicon main feature;

(b) 상기 경화된 PUA 금형을 벗겨내는 단계;(b) peeling the cured PUA mold;

(c) 상기 PUA 금형을 300nm 내지 800nm의 크기로 패턴화하여, PUA 선구물질(precursor)을 처리한 글래스 커버슬립 상에 접촉시키는 단계;(c) patterning the PUA mold to a size of 300 nm to 800 nm and contacting the PUA precursor on a treated glass cover slip;

(d) 자외선으로 경화시킨 후 벗겨내는 단계;(d) curing with ultraviolet light and then stripping;

(e) 상기 벗겨낸 시트의 나노-패턴된 표면을 젤라틴 용액으로 코팅하는 단계. (e) coating the nano-patterned surface of the peeled sheet with a gelatin solution.

이 때, 배아줄기세포의 부착능을 향상시키기 위하여 상기 젤라틴 용액으로 코팅하는 단계 이전에 시트의 나노-패턴된 표면에 추가로 산소 플라즈마 처리하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable to further perform oxygen plasma treatment on the nano-patterned surface of the sheet prior to the step of coating with the gelatin solution to improve the ability to adhere embryonic stem cells.

본 발명에서는 특정 신경세포 분화 유도인자없이, 배아 줄기세포를 나노 단위 패턴의 지지체위에서 신경세포로 단기간에 분화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 분화된 신경세포의 길이의 증가가 일정한 방향성을 가지고 있기 때문에 신경질환에 대한 임상 치료(척수손상 또는 신경손상 등)에 효과적이다. In the present invention, since embryonic stem cells can be differentiated into nerve cells on a nano-unit pattern support in a short period of time without specific neuronal differentiation inducing factors, and since the increase in the length of differentiated neurons has a certain directionality, (Such as spinal cord injury or nerve injury).

즉, 줄기세포가 신경세포 등으로 분화시 방향성을 가지고 있고 단기간에 분화됨에 따라, 치료에 유리할 뿐만 아니라 분화된 신경세포의 길이도 충분히 증가되어, 끊어진 신경을 재생 회복시키는데 단순히 줄기세포만 주입하여 치료하는 것보다 본원발명의 나노 단위패턴의 지지체를 사용하는 것이 보다 효과적이다.
In other words, when stem cells are differentiated into neurons and are differentiated in a short time, they are advantageous for treatment as well as the length of differentiated neurons is sufficiently increased to regenerate broken nerves. It is more effective to use the nano unit pattern support of the present invention.

도 1은 본 발명의 나노 단위로 제작한 패턴화된 어레이의 도식도 및 SEM(Scanning electron microcopy) 이미지이다.
도 2는 종래의 드라이-코팅 방법으로 패턴화된 커버슬립을 젤라틴으로 코팅시킨 경우의 SEM 이미지다.
도 3는 패턴화된 지지체위에 hESCs를 배양한 사진으로, 젤라틴 코팅만을 한 경우(a 및 b)와 산소 플라즈마 처리 후 젤라틴 코팅을 한 경우(c 및 d)의 비교사진이다.
도 4는 산소 플라즈마 처리 유무에 따른 hESC 부착능에 관한 비교 그래프이다(p< 0.001).
도 5는 편평한 표면 및 350nm-패턴화된 표면에서의 hESCs의 분화상태를 관찰한 SEM 이미지 및 형광이미지이다.
도 6은 편평한 표면 및 350nm-패턴화된 표면에서 분화된 hESCs, 미분화 hESCs, 분화된 hEB5에 대한 유전자 발현 분석결과이다.
도 7은 편평한 표면 및 350nm-패턴화된 표면에서의 신경분화에 대한 결과를 시간의 흐름에 따라 나타낸 면역염색 사진이다.
도 8은 본 발명의 방법에 의해 분화된 hESCs에 대해 신경(Nerual)세포 및 신경교세포 마커로 면역형광 염색한 사진이다.
도 9는 다양한 신경세포 마커로 면역형광 염색한 사진이다.
FIG. 1 is a schematic diagram and a scanning electron microcopy (SEM) image of a patterned array fabricated in the nano unit of the present invention.
Figure 2 is an SEM image of a cover slip patterned with a conventional dry-coating method and coated with gelatin.
FIG. 3 is a photograph of cultured hESCs on a patterned support, which is a comparative photograph of cases (a and b) in which only gelatin coating is performed and cases (c and d) in which gelatin coating is performed after oxygen plasma treatment.
FIG. 4 is a comparative graph (p < 0.001) for hESC adherence with or without oxygen plasma treatment.
Figure 5 is a SEM image and fluorescence image observing the differentiation state of hESCs on a flat surface and a 350 nm-patterned surface.
Figure 6 shows gene expression analysis results for hESCs, undifferentiated hESCs, and differentiated hEB5 differentiated on a flat surface and a 350 nm-patterned surface.
Figure 7 is an immunostained photograph showing the results for neuronal differentiation on a flat surface and a 350 nm-patterned surface over time.
FIG. 8 is a photograph showing immunofluorescent staining of hESCs differentiated by the method of the present invention with Nerual cells and glial cell markers.
FIG. 9 is a photograph of immunofluorescent staining with various nerve cell markers.

본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.
The terms used in the present invention are defined as follows.

"분화(differentiation)"라는 용어는 세포가 분열 증식하여 성장하는 동안에 서로 구조나 기능이 특수화하는 현상, 즉 생물의 세포, 조직 등이 각각에게 주어진 일을 수행하기 위하여 형태나 기능이 변해가는 것을 말한다. 일반적으로 비교적 단순한 계(系)가 둘 이상의 질적으로 다른 부분계(部分系)로 분리되는 현상이다. 예를 들면, 개체발생에서 처음에 동질적이었던 알 부분 사이에 머리나 몸통 등의 구별이 생기거나 세포에도 근세포라든가 신경세포 등의 구별이 생기는 것과 같이 처음에 거의 동질이었던 어떤 생물계의 부분 사이에 질적인 차이가 생기는 것, 또는 그 결과로서 질적으로 구별할 수 있는 부역 또는 부분계로 나누어져 있는 상태를 분화라고 한다.The term "differentiation" refers to a phenomenon in which cells and tissues specialize in structure or function, while cells grow and proliferate, that is, the form or function changes to carry out the task given to each of them . In general, a relatively simple system is separated into two or more qualitatively different systems. For example, there may be qualitative or quantitative differences between parts of a biological system that were initially homogeneous, such as head or trunk distinction between eggs that were initially homogeneous in origin, or distinctions of cells such as muscle cells or neurons The state in which there is a difference or as a result is divided into qualitative or inferior parts or partial systems is called differentiation.

"미분화성"은 다능성 줄기세포에서 적어도 1개 이상의 미분화 마커, 예컨대 ALP 활성이나 0ct-3/4 유전자(산물)의 발현, 또는 여러가지 항원 분자의 발현에 의해 확인할 수 있는 미분화한 상태를 나타내는 성질을 의미한다. 다능성 줄기세포의 미분화한 상태는 다능성 줄기세포가 거의 영구적으로 또는 장기간 세포 증식 가능하고, 정상적인 핵(염색체)형을 나타내며, 적당한 조건에서 3배엽의 모든 계보의 세포로 분화가능한 능력을 가진 상태를 의미한다."Undifferentiated" refers to a property that indicates undifferentiated state which can be confirmed by expression of at least one undifferentiated marker in pluripotent stem cells, for example, expression of ALP activity or 0ct-3/4 gene (product) . The undifferentiated state of pluripotent stem cells is a state in which pluripotent stem cells are capable of proliferating almost permanently or for a long time, exhibiting a normal nucleus (chromosome) type, capable of differentiating into all lineage cells of the third leaf under appropriate conditions .

"다능성 줄기세포"는 시험관내 배양에 의해 미분화 상태를 유지한 채, 거의 영구적으로 또는 장기간 세포 증식이 가능하며, 정상 핵(염색체)형을 나타내며, 적정 조건에서 3배엽(외배엽, 중배엽, 내배엽)의 모든 계보의 세포로 분화가능한 능력을 가진 세포를 의미한다. "다능성 줄기세포"는 초기 배아로부터 분리되는 ES 세포 및 그 유사 세포이다.
"Pluripotent stem cells" are cells that can be almost permanently or prolonged cell proliferation while retaining their undifferentiated state by in vitro culture and exhibit normal nucleus (chromosome) type, and under the proper conditions, they have three trimesters (ectoderm, mesoderm, Quot; means cells capable of differentiating into all the lineages of the lineage. "Pluripotent stem cells" are ES cells and their like cells isolated from early embryos.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 일정한 특정 크기의 패턴이 형성되어 있는 표면 위에서 인간 배아줄기세포를 배양했을 때, 어떠한 신경세포 분화유도인자의 첨가 없이도 상기 배아줄기세포가 단시간에 효과적으로 신경세포로 분화된다는 것을 발견하였고, 본 발명은 이를 기초로 한, 새로운 배아 줄기세포의 신경세포로의 분화방법에 관한 것이다. The present inventors have found that when human embryonic stem cells are cultured on a surface having a pattern of a certain specific size, the embryonic stem cells are effectively differentiated into neurons in a short time without adding any neural differentiation inducer, The present invention relates to a method for differentiating new embryonic stem cells into neurons based thereon.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 나노 단위로 패턴화된 표면을 가지는 지지체를 이용하는 것을 특징으로 하는, 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법에 관한 것이다. Accordingly, the present invention relates to a method of differentiating embryonic stem cells into neurons, characterized in that a support having a surface patterned in units of nanometers is used.

본 발명에서 사용되는 미분화세포는 배아줄기세포이다.The undifferentiated cells used in the present invention are embryonic stem cells.

배아줄기세포 (embryonic stem cell)는 초기 배아에서 얻어진 세포주로서, 미분화상태로 세포증식이 가능한 정상적인 비암화세포 (non-transformed cell)이다. 또한 포배 (blastocyst) 내에 다시 이식시켰을 때 다양한 조직과 생식세포로 분화할 수 있는 다능성 (pluripotent)을 갖고 있다. 따라서 세포배양을 통하여 무한대로 배아줄기세포를 공급할 수 있으며, 이론적으로는 모든 조직의 세포로 분화시킬 수 있으므로 세포치료법의 가장 훌륭한 소스로 인정받고 있다. 그 외에도 배아 줄기세포는 유일하게 homologous recombination에 의한 유전자적중 (gene targeting)이 가능하여 유전자 조작(gene manipulation)을 통하여 보다 우수한 세포를 만들 수 있으며, 핵 치환에 의하여 자기 자신의 배아줄기세포를 만들어 세포치료법의 문제점인 면역거부반응을 근원적으로 해결할 수 있다. 본 발명에서는 포유류 유래 배아줄기세포를 사용할 수 있고, 바람직하게는 인간 배아줄기세포이다.Embryonic stem cells are cell lines obtained from early embryos and are normal non-transformed cells capable of cell proliferation in an undifferentiated state. It is also pluripotent that can differentiate into various tissues and germ cells when re-implanted in blastocyst. Therefore, it is possible to supply endogenous embryonic stem cells through cell culture, and theoretically, it is recognized as the best source of cell therapy because it can differentiate into cells of all tissues. In addition, embryonic stem cells can be used for gene targeting by homologous recombination, so that they can produce better cells through gene manipulation and make their own embryonic stem cells by nuclear replacement, The immune rejection reaction, which is a problem of the therapeutic method, can be fundamentally solved. In the present invention, mammalian embryonic stem cells can be used, preferably human embryonic stem cells.

상기 인간 배아 줄기세포는 인간 상실배의 내부 세포 괴로부터 유래된 전능 세포를 말한다. 인간 배아 줄기세포는 예를 들면, CHA-hES3 (Ahn SE, Kim S, Park KH, Moon SH, Lee HJ, Kim GJ, Lee YJ, Park KH, Cha KY, Chung HM.Primary bone-derived cells induce osteogenic differentiation without exogenous factors in human embryonic stem cells. Biochem Biophys Res Commun. (2006) 10;340(2):403-408)등을 사용할 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
The human embryonic stem cell refers to an omnipotent cell derived from an inner cell mass of a human cell. Human embryonic stem cells include, for example, CHA-hES3 (Ahn SE, Kim S, Park KH, Moon SH, Lee HJ, Kim GJ, Lee YJ, Park KH, Cha KY, Chung HM. Biochem Biophys Res Commun. (2006) 10; 340 (2): 403-408), but the present invention is not limited to these examples.

상기 배아줄기세포는 배반포(blastocyst)기의 배아 내부에 있는 내부 세포 덩어리(inner cell mass)라고 하는 세포 덩어리(細胞集塊)를 시험관내 배양으로 옮겨, 세포 덩어리의 해리와 계대를 반복함으로써, 미분화 줄기세포 집단으로서 분리할 수 있다. 또한, 상기 세포는, 마우스 태아 조직 유래 초대 배양의 섬유아세포(Murine Embryonic Fibroblasts; 이하, AEF 세포)나 ST0 세포 등의 간질계(間質系, stromal line) 세포를 이용하여 제작한 피더 세포(feeder cell) 상에서, 적정 세포 밀도를 유지시키고, 배양액을 자주 교체하면서 이차배양(subculture)을 반복함으로써, 미분화 줄기세포의 성질을 지닌 세포주로서 수립할 수 있다.The embryonic stem cells are obtained by transferring a cell mass (cell mass) called an inner cell mass inside an embryo of a blastocyst stage to an in vitro culture and repeating dissociation and passage of the cell mass, Can be isolated as a stem cell population. The cells can also be used as feeder cells prepared by using interstitial (stromal line) cells such as mouse embryonic fibroblasts (hereinafter, AEF cells) or ST0 cells cells can be established as a cell line having the properties of undifferentiated stem cells by maintaining the optimal cell density and repeating the subculture while frequently changing the culture medium.

상기 "피더 세포"는 지지 세포라고도 하며, 단독으로는 생존·배양할 수 없는 세포를 배양할 때, 미리 배양하여 배지에 부족한 영양분이나 증식 인자의 보급 등의 역할을 담당하는 세포를 의미한다. "피더 세포"로 MEF 세포나, STO 세포 등의 간질계(stromal line, 間質系) 세포를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 인간 배아 줄기 세포의 지지세포로도, 통상의 지지세포를 사용할 수 있으며, 예를 들면 마우스 섬유아세포, 마우스 배아 섬유아 세포, 인간 배아 섬유아세포, 인간 골수세포, 성체 상피 세포 등을 사용할 수 있다. 이중 마우스 섬유아세포가 인간 배아 줄기 세포의 미분화 상태 및 성장을 보다 안정적으로 유지시킬 수 있으므로, 마우스 섬유아세포를 바람직하게 사용할 수 있다.The term "feeder cell" is also referred to as a support cell, and refers to a cell which is cultured in advance when culturing cells that can not survive or cultivate alone, and plays a role of supplying nutrients or growth factors lacking in the medium. "Feeder cell" includes, but is not limited to, MEF cells, and stromal line cells such as STO cells. As the supporting cells of human embryonic stem cells, usual supporting cells can be used. For example, mouse fibroblasts, mouse embryonic fibroblasts, human embryonic fibroblasts, human bone marrow cells, adult epithelial cells and the like can be used. Mouse fibroblasts can be preferably used since double mouse fibroblasts can more stably maintain undifferentiated state and growth of human embryonic stem cells.

또한, 인간 배아 줄기 세포 배양용 배지로는 공지된 모든 인간 배아 줄기 세포 배양용 배지를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 혈청대체물 (SR), 머캅토에탄올, 비-필수 아미노산, 및 bFGF로 보충된 KO-DMEM(KNOCKOUT Dulbecco's modified Eagle's medium, KO-DMEM)를 사용할 수 있다.In addition, as the culture medium for culturing human embryonic stem cells, any well-known culture medium for culturing human embryonic stem cells can be used, for example, serum replacement (SR), mercaptoethanol, non-essential amino acid, and bFGF KO-DMEM (KNOCKOUT Dulbecco's modified Eagle's medium, KO-DMEM).

배아줄기세포를 세포치료법에 사용하기 위해서는 우선 원하는 조직의 세포로 분화를 시켜야 하는데 세포치료법개발 중에서 가장 큰 노력이 필요한 부분이다. 배양조건에서 MEF를 제거하고 basic fibroblast growth factor (bFGF)를 빼면 배아줄기세포는 자연적으로 분화를 시작하는데 이때 박테리아 배양접시와 같이 소수성을 갖는 배양접시에 키우게 되면 바닥에 붙지 못하고 배아줄기세포끼리 붙어 약 1 mm 이하 크기의 세포덩어리가 생기는데 이를 embryoid body (EB)라 한다. In order to use embryonic stem cells for cell therapy, it is necessary to differentiate into cells of a desired tissue. When the MEF is removed under culturing conditions and the basic fibroblast growth factor (bFGF) is subtracted, the embryonic stem cells naturally begin to differentiate. At this time, when grown on a hydrophobic culture dish such as a bacterial culture dish, the embryonic stem cells A mass of cells less than 1 mm in size is called an embryoid body (EB).

배아줄기세포의 분화방법으로는 지금까지 유전자조작법, 유도제 처리법, coculture법, 세포분리법 등을 사용하고 있다. 각각의 분화방법은 장단점이 있어 여러 방법들을 적절히 혼합하여 완벽한 분화를 시도하고 있다.
As a method of differentiation of embryonic stem cells, gene manipulation method, inducer treatment method, coculture method, cell separation method and the like have been used so far. Each differentiation method has advantages and disadvantages and various attempts have been made to achieve perfect differentiation by properly mixing various methods.

이 외에도, ES 세포의 특성, 배양법, 및 생체내/시험관내 분화 능력에 관한 총설로서, 복수의 참고서적, 예를 들면, Guide to Techniques in Mouse Development(Wasserman et al., Academic Press, 1993); Embryonic Stem Cell Differentiation in vitro(M. V. Wiles, Meth. Enzymol. 225: 900, 1993); Manipulating the Mouse Embryo : A laboratory manual(Hogan et al., Cold Spring /harbor Laboratory Press, 1994); Embryonic Stem Cells(Turksen 편, Humana Press, 2002) 등을 참조할 수 있다.
In addition, a review of several references, such as Guide to Techniques in Mouse Development (Wasserman et al., Academic Press, 1993), as a review of ES cell characteristics, culture methods, and in vivo / in vitro differentiation potential; Embryonic Stem Cell Differentiation in vitro (MV Wiles, Meth. Enzymol. 225: 900, 1993); Manipulating the Mouse Embryo: A laboratory manual (Hogan et al., Cold Spring / Harbor Laboratory Press, 1994); Embryonic Stem Cells (Turksen, Humana Press, 2002).

본 발명의 방법은 상기 배아줄기세포를 신경세포로 분화시킴에 있어서, 나노 크기로 패턴화된 표면을 가지는 지지체 상에서 배아줄기세포를 배양하는 것을 특징으로 한다. The method of the present invention is characterized in that embryonic stem cells are cultured on a supporter having a nano-sized patterned surface in differentiating the embryonic stem cells into neurons.

이 때, '패턴화된 표면'란 길이방향의 다수의 이랑/홈 구조를 가지는 것을 의미하고, '패턴의 크기'라 함은 도 1에서 나타내는 바와 같은 실리콘 몰드에 의해 제조한 PUA 지지체에 있어서, 오목한 홈의 간격 크기를 의미하는 것으로 도 1에서 어둡게 나타난 부분의 가로 길이에 해당한다.In this case, the 'patterned surface' means having a plurality of longitudinal groove / groove structures, and the 'pattern size' means a PUA support manufactured by a silicon mold as shown in FIG. 1, Which corresponds to the width of the portion darkened in FIG. 1, which means the gap size of the concave groove.

본 발명은 배아줄기세포라는 특정 미분화세포를 신경세포라는 특정 세포로 분화시키는데 적합한 300nm 내지 800nm의 크기로 이루어진 패턴을 가지며, 바람직하게는 300nm 내지 350nm의 크기로 이루어진 패턴이 더욱 효과적이다. 본 발명의 일 실시예에서는 350nm 크기의 패턴을 사용하였다.The present invention has a pattern having a size of 300 nm to 800 nm, which is suitable for differentiating a specific undifferentiated cell called embryonic stem cell into a specific cell called a neuron, more preferably a pattern having a size of 300 nm to 350 nm. In one embodiment of the present invention, a pattern having a size of 350 nm was used.

이러한 패턴의 크기는 배아줄기세포를 신경세포라는 특정 종류의 세포로 분화시키는 것에 결정적인 영향을 미치는 요소이다.The size of this pattern is a decisive factor in differentiating embryonic stem cells into specific types of cells called neurons.

즉, 본 발명에 따른 패턴 크기를 적용하는 경우, 인간 배아줄기세포가 신경세포로의 분화가 효과적으로 유도되는데, 이는 패턴이 없는 곳에서 분화 유도 시킨 경우에 비해, 분화된 신경세포의 길이나 분화 정도가 현저히 크다. 이러한 특정 크기의 패턴이, 신경돌기가 패턴을 따라 길이방향으로 생장하는데 있어 가장 적합한 물리적 환경을 조성해 준다는 사실을 추측할 수 있다. In other words, when the pattern size according to the present invention is applied, the differentiation of human embryonic stem cells into neurons is effectively induced. This is because, compared to the case where the differentiation is induced in the absence of the pattern, Is remarkably large. It can be inferred that this specific size of the pattern creates the most suitable physical environment for the neurite to grow longitudinally along the pattern.

특히, 일정한 방향성을 가지고 자라는 신경 세포의 길이의 증가는, 임상 적용시 끊어진 신경 세포끼리 연결할 때 일정한 방향성 없이 짧은 신경세포보다는 길게 늘어진 신경세포가 끊어진 부위에서 많은 신경을 잘 전달할 수 있다는 점에서, 신경을 전달하는 중요한 요소가 되기 때문에 그 의의가 크다 할 수 있다. In particular, the increase in the length of the nerve cell that grows with a certain direction is more likely to occur when the nerve cell is disconnected during clinical application, It can be said that it is significant.

신경세포로 분화시 패턴의 크기가 상기 범위를 벗어나면, 즉 마이크로 단위의 넓은 크기의 패턴을 사용한 경우나 본 발명의 경우보다 더 작은 크기의 패턴을사용하는 경우에는 신경세포로의 분화율이 낮아진다. When the size of the pattern is different from the above range when the neural cell is differentiated, that is, when a pattern having a large size in units of micro or a pattern smaller in size than the present invention is used, the differentiation rate into a neuron is lowered .

즉, 세포의 크기보다 패턴이 커질 경우 세포는 이를 일반 평면으로 인식하여 요철 패턴의 의미가 없어지고 더 작은 단위의 패턴은 세포 부착 부분이 이를 부착점으로 인식하지 못하여 신경세포로 분화를 유도하지 못하는 것으로 판단된다. 즉 300nm 내지 800nm 요철 패턴이 배아줄기세포의 부착, 신장 및 이주를 촉진하고 이것이 신경세포 분화유도의 필수조건이 된다고 판단된다
That is, when the pattern is larger than the size of the cell, the cell recognizes it as a general plane, and the meaning of the uneven pattern disappears. In the smaller unit pattern, the cell attachment portion does not recognize it as the attachment point, . That is, it is judged that the pattern of irregularities of 300 nm to 800 nm promotes adhesion, elongation and migration of embryonic stem cells, and this is an essential condition for induction of neural differentiation

본 발명의 배아줄기세포의 신경세포로의 분화방법에 있어서는 종래 알려진 신경세포 분화유도인자를 사용하지 않는 것을 특징으로 한다. The method of the present invention for differentiating embryonic stem cells into neurons is characterized in that no known neuronal differentiation factor is used.

줄기세포를 신경세포와 같은 외배엽성 세포로 분화시키기 위해, 종래에는 가용성 인자 및 성장 인자와 같은 생화학적 분화 유도물질을 함유하는 배지에서 배양하였다 In order to differentiate stem cells into ectodermal cells such as neurons, they were conventionally cultured in a medium containing a biochemical differentiation inducing substance such as a soluble factor and a growth factor

상기 "성장 인자"는 세포 증식 및 분화 활성의 1차 결과로 세포 표면 상에서 수용체에 결합하는 단백질을 의미하고, 가용성 인자로는, 예를 들어, 뉴로트로핀, 미토겐, 줄기 세포 인자, 성장 인자, 분화 인자(예를 들면, TGF-β 상과), TGF-β 상과 아고니스트, 향신경성 인자, 산화제, 신경전달물질 및 생존 인자 등이 있다. 많은 가용성 인자는 수많은 상이한 세포 유형에서 세포 분할을 자극하는 반면에, 다른 것은 특정 세포 유형에 특이적이다. 신경세포 유형의 분화를 특이적으로 조장하는 통상의 분화제로는, 프로게스테론, 푸트레신, 라미닌, 인슐린, 아셀렌산나트륨, 트랜스페린, 뉴르투린, 소닉 헤지호그(SHH), 노긴, 폴리스타틴, 상피성장 인자(EGF), 섬유아세포 성장 인자(예를 들면 FGF-4, FGF-8, 염기성 섬유아세포 성장 인자(bFGF), 성장 및 분화 인자 5(GDF-5), 뉴로트로핀 3(NT-3), 뉴로트로핀 4(NT-4), 뇌 유도 향신경성 인자(BDNF)), 형질전환 성장 인자 α(TGF-α), 형질전환 성장 인자 베타-3(TGF β3), 혈소판 유도 성장 인자(PDGF-AA), 인슐린양 성장 인자(IGF-1), 골형태형성 단백질(BMP-2, BMP-4), 신경아교 세포 유도향신경성 인자(GDNF), 레티노산(RA), 미드카인, 아스코르브산, 디부티릴 cAMP, 도파민 및 gp130과 착화하는 수용체에 대한 리간드(예컨대, LIF, CNTF, SCF, IL-11 및 IL-6) 등이 있다. 특히, 레티놀산(retinoic acid)을 처리하거나 basic fibroblast growth factor (FGF2), epidermal growth factor (EGF), platelet-derived growth factor (PDGF)를 단계적으로 배아줄기세포에 처리하여 신경세포를 얻는 방법이 잘 알려져 있다. As used herein, the term "growth factor" means a protein that binds to a receptor on the cell surface as a primary result of cell proliferation and differentiation activity. Examples of the soluble factor include neurotrophins, mitogens, , TGF-beta phase and agonist, neurotrophic factor, oxidant, neurotransmitter and survival factor. Many soluble factors stimulate cell division in a number of different cell types, while others are specific to certain cell types. Examples of typical differentiation agents that specifically promote neuronal cell type differentiation include progesterone, putrescine, laminin, insulin, sodium selenite, transferrin, neururin, sonic hedgehog (SHH), nogin, FGF-8, basic fibroblast growth factor (bFGF), growth and differentiation factor 5 (GDF-5), neurotrophin 3 (NT-3), fibroblast growth factor ), Transforming Growth Factor alpha (TGF-alpha), Transforming Growth Factor Beta-3 (TGF beta 3), Platelet Inducing Growth Factor (BDNF), Neurotrophin 4 (BMP-2, BMP-4), glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF), retinoic acid (RA), midkine, ascorbic acid (E.g., LIF, CNTF, SCF, IL-11, and IL-6) for receptors that complex with an acid, dibutyryl cAMP, dopamine and gp130. In particular, it is important to treat retinoic acid or to treat neural stem cells with embryonic stem cells in a stepwise fashion, such as basic fibroblast growth factor (FGF2), epidermal growth factor (EGF), and platelet-derived growth factor It is known.

이처럼, 신경세포 분화유도인자를 이용한 배아줄기세포의 분화는 가장 보편적인 방법으로, 배양액에 첨가된 유도인자는 배아줄기세포의 특정유전자를 발현시켜 성장·분화조건을 바꾸어 특정세포로의 분화를 촉진시킨다. In this way, the differentiation of embryonic stem cells using a neuronal differentiation inducer is the most common method. The inducer added to the culture medium expresses a specific gene of embryonic stem cells, thereby changing growth and differentiation conditions to promote differentiation into specific cells .

그러나, 이와 같은 분화유도인자를 단계별 또는 복합 사용하는 경우, 분화율이 높지 않을 뿐만 아니라 분화시간이 많이 걸리고 고비용이 필요한 단점이 있다. 또한 다양한 인자의 복합 작용으로 인해 어떤 인자가 신경세포 분화 유도의 필수 조건인지를 규명할 수 있는 기전연구에 제한이 있다. However, when such differentiation inducing factors are used stepwise or in combination, there is a disadvantage in that not only the differentiation rate is high but also the differentiation time is long and the cost is high. In addition, there are limitations in the mechanism studies that can identify which factors are essential for the induction of neuronal differentiation due to the combined action of various factors.

따라서, 신경세포 분화유도인자를 사용하지 않는 본 발명의 방법은 상기와 같은 문제점을 극복하여 저비용으로 신속하게, 특히, 신경세포 분화시간을 10일 이내로 단축시킬 수 있는 현저한 효과를 발휘하여 신경세포 분화 기전연구의 모델 시스템으로도 활용 가능하다.
Therefore, the method of the present invention, which does not use a neuronal differentiation inducing factor, overcomes the above-mentioned problems and exposes a remarkable effect that can shorten neuron differentiation time to 10 days or less at low cost, It can also be used as a model system for the mechanism research.

즉, 본 발명은 다른 신경세포 분화유도인자 없이도 효과적으로 배아줄기세포를 신경세포로 분화시킬 수 있는 방법인 것이다.
That is, the present invention is a method capable of efficiently differentiating embryonic stem cells into neural cells without inducing other neuronal differentiation factors.

한편, 본 발명은 다른 관점에서 상기와 같이 배아줄기세포를 신경세포로 분화시키는데 사용할 수 있는 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
In another aspect, the present invention relates to a support which can be used to differentiate embryonic stem cells into neurons as described above, and a method for producing the same.

본 발명은 일 구체예로서, 다음의 단계를 포함하는 상기 신경세포 분화용 지지체를 제조하는 방법을 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a method for producing the supporter for differentiating neuron cells, comprising the following steps.

(a) 실리콘 주형상에 PUA 프리-폴리머를 자외선으로 경화시키는 단계;(a) curing the PUA prepolymer with ultraviolet light to the silicon main feature;

(b) 상기 경화된 PUA 금형을 벗겨내는 단계;(b) peeling the cured PUA mold;

(c) 상기 PUA 금형을 300nm 내지 800nm의 크기로 패턴화하여, PUA 선구물질(precursor)을 처리한 글래스 커버슬립 상에 접촉시키는 단계;(c) patterning the PUA mold to a size of 300 nm to 800 nm and contacting the PUA precursor on a treated glass cover slip;

(d) 자외선으로 경화시킨 후 벗겨내는 단계;(d) curing with ultraviolet light and then stripping;

(e) 상기 벗겨낸 시트의 나노-패턴된 표면을 젤라틴 용액으로 코팅하는 단계.
(e) coating the nano-patterned surface of the peeled sheet with a gelatin solution.

본 발명에서 지지체의 주요 성분으로 사용할 수 있는 물질은 원칙적으로, 인체에 이식시 거부감이 없고, 원하는 모양이나 패턴을 쉽게 제작할 수 있으며, 생체적합성도 뛰어난 물질이면 어느것이나 무방하다. 예를 들어, PLGA poly(lactic-co-glycolic acid), PEG Poly(ethylene glycol)를 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA)을 사용한다. 본 발명의 일 구체예에서도 상기 PUA를 사용하였다.In principle, any substance which can be used as a main component of the support in the present invention can be easily produced in a desired shape or pattern and has no biocompatibility when implanted in a human body. For example, PLGA poly (lactic-co-glycolic acid) and PEG poly (ethylene glycol) may be used, and polyurethane acrylate (PUA) is preferably used. In one embodiment of the present invention, the PUA was used.

우레탄 아크릴레이트(Urethane acrylate)는 상업적으로 널리 이용되고 있는 UV 경화형 Oligomer들 중의 하나이다. 우레탄 아크릴레이트를 포함하고 있는 UV 경화수지들은 보통 훌륭한 마찰저항, 강직성, 유연성 등을 지니고 있다. 따라서 이와 같은 우수한 물성 때문에 UV 경화형 우레탄 아크릴레이트는 자성체의 바인더, 잉크의 연속상 및 비닐타일, 광섬유, 종이, 목재, 금속, 플라스틱 등의 코팅제로 사용되고 있다. 그리고 UV 코팅은 짧은 반응시간, 고 에너지 효율, 낮은 경화온도, 적절한 장치공간 요구, 낮은 운영비 등으로 인하여 주목받고 있는 공정이다. Urethane acrylate is one of commercially widely used UV-curable oligomers. UV cured resins containing urethane acrylate usually have excellent friction resistance, rigidity, and flexibility. Therefore, UV curing type urethane acrylate is used as a binder of magnetic material, a continuous phase of ink, and a coating agent of vinyl tile, optical fiber, paper, wood, metal, plastic and the like because of such excellent physical properties. And UV coating is a process that has been attracting attention due to short reaction time, high energy efficiency, low curing temperature, proper space requirement, low operating cost.

반응성 올리고머 중에 우레탄 아크릴레이트(urethane acrylate)계열의 합성은 여러 가지 방법이 제안되어 있지만 주로 폴리올(polyol)과 디이소시아네이트(diisocyanate)를 반응시켜 말단이 이소시아네이트로 되어 있도록 1차 합성한 후 여기에 하이드록시(hydroxy)기를 포함하고 있는 아크릴레이트를 이소시아네이트와 반응시켜 제조한다.Various methods have been proposed for the synthesis of urethane acrylate series in the reactive oligomer, but they are synthesized primarily by reacting a polyol with a diisocyanate to obtain an isocyanate at the terminal, is prepared by reacting an acrylate containing a hydroxy group with an isocyanate.

본 발명에서는 상기 PUA를 이용하여 300nm 내지 800nm의 나노 크기 이랑/홈(ridge/groove) 패턴 어레이를, UV-assisted capillary force lithography로 글래스 커버슬립 상에 제작할 수 있다.
In the present invention, a 300 nm to 800 nm nano-sized ridge / groove pattern array can be fabricated on a glass cover slip by UV-assisted capillary force lithography using the PUA.

상기 지지체 제작 방법에 있어서, 우레탄 아크릴레이트를 경화시키는 방법으로 광경화, 특히 자외선에 의한 광경화 방법을 사용할 수 있다. In the method for producing the support, photo-curing, in particular photo-curing by ultraviolet light, can be used as a method for curing urethane acrylate.

자외선(UV, ultraviolet)이나 가시광선(visible ray) 또는 전자 빔(EB, electron beam) 등을 이용하는 광경화란 일반적으로 광의 조사에 의해서 광개시제(photoinitiaor)로부터 생성된 자유 라디칼(free radical)이나 양이온(cation)에 의해 개시반응이 시작되어 반응성을 가진 단량체(monomer)나 올리고머(oligomer)가 연속 반응을 통해 경화되는 과정이라 할 수 있다.Photocuring using ultraviolet (UV), visible ray or electron beam (EB). Generally, free radicals or cations generated from the photoinitiaor by light irradiation. ) Initiates the initiation reaction and the monomer or oligomer having reactivity is cured through the continuous reaction.

광경화중에 산업적으로는 대부분 자외선을 이용한 경화가 가장 널리 사용되고 있는데 이러한 자외선 경화의 장점으로는 가격 대비 성능이 우수하고 에너지 소모량이 적으며 VOCs의 방출이 매우 적고 경화설비가 간단하며 대상물질에 가하는 열의 양이 적으며 경화 후에는 내화학성이나 기계적 물성이 우수한 재료들을 만드는 것이 가능하다.UV curing is most widely used in the industry for most of the photocuring industry. Advantages of such ultraviolet curing are excellent cost performance, low energy consumption, very little emission of VOCs, easy curing facilities, It is possible to make materials having excellent chemical resistance and mechanical properties after curing.

광경화를 이용하여 제작한 PUA 금형을 300nm 내지 800nm의 크기로 패턴화하여, PUA 선구물질(precursor)을 처리한 글래스 커버슬립 상에 접착시킨 후, 다시 자외선으로 경화시켜 나노 크기의 패턴화된 시트를 수득한다. The PUA mold produced using the photo-curing was patterned at a size of 300 nm to 800 nm, adhered to a glass cover slip treated with a PUA precursor, and then cured by ultraviolet rays to form a nano-sized patterned sheet .

그리고 배아줄기세포의 부착을 위해 상기 PUA 시트에 젤라틴으로 코팅한다.And the PUA sheet is coated with gelatin for attachment of embryonic stem cells.

본 발명의 일 구체예에서는 나노 이랑/홈 패턴 표면을 0.1% 젤라틴으로 코팅시켜 hESCs의 부착성을 강화시켰다. 파이브로넥틴 및 라미닌이 hESCs와 신경 전구세포의 분화를 촉진시킨다는 보고가 있기 때문에, 이를 방지하고 패턴의 분화유도 효과를 정확하게 검사하기 위하여 미분화된 hESCs의 부착에 젤라틴을 사용하였다.In one embodiment of the present invention, the adhesion of the hESCs is enhanced by coating the surface of the nano / groove pattern with 0.1% gelatin. Since there is a report that fibronectin and laminin promote the differentiation of hESCs and neural progenitor cells, gelatin was used for attachment of undifferentiated hESCs to prevent this and accurately examine the differentiation inducing effect of the pattern.

또한, 상기 배아줄기세포의 부착능 향상을 위하여, 젤라틴 코팅 전 단계에 산소 플라즈마 처리를 하는 것이 바람직하다. In order to improve the adhesion of the embryonic stem cells, it is preferable to perform the oxygen plasma treatment before the gelatin coating.

플라즈마(plasma)란 자유롭게 운동하는 음(-), 양(+)의 하전 입자가 공존하며 계(system) 전체로는 전기적으로 중성으로 되어 있는 물질의 상태를 총칭하는 것으로, 일반적으로 기체의 대부분이 원자나 분자가 여기되어 전리상태에 있는 것을 플라즈마라고 부른다. 일반기체에 비하여 고도로 여기된 불안정한 상태로서 플라즈마 화학은 기체 방전의 화학 또는 여기상태의 화학이라고 부른다.Plasma is a generic term for substances that are negatively charged in the system as a whole, with negative (+) and positive (+) charged particles moving freely. Plasma is the element or molecule excited and in the ionized state. Plasma chemistry is referred to as the chemical of the gas discharge or the chemistry of the excited state, which is a highly excited state of instability relative to normal gas.

플라즈마의 고온과 활발한 화학적 성질은 종래의 방법으로 얻기 어려운 극한 환경을 제공하여 신물질의 합성, 금속이나 고분자의 표면의 성질을 바꾸어 본체와는 다른 물리적, 화학적 성질을 주는데 이용이 될 수 있다. The high temperature and active chemical properties of the plasma can be used to provide different physical and chemical properties to the body by changing the properties of the synthesis of new materials and the surface properties of metals or polymers by providing extreme environments that are difficult to obtain by conventional methods.

또한 고분자의 표면을 질소나 산소 플라즈마 등으로 처리하면 고분자의 표면에 치수성이나 소수성을 줄 수 있거나 제전성, 염색성, 심색성 등을 향상시킬 수 있으며, 금속재료를 질소나 메탄가스 플라즈마와 접촉을 시키며 바이아스를 가하면 표면에 질화나 침탄층이 형성되어 금속의 경도, 내마모성, 내부식성 등을 개선할 수 있다. 플라즈마를 이용한 표면 코팅 및 개질 기술로서 얻을 수 있는 효과 중 일부는 종래의 습식 방법으로도 얻을 수 있으나 환경문제를 고려하면 플라즈마를 이용한 건식 방법이 많은 장점을 갖는다. In addition, when the surface of the polymer is treated with nitrogen or an oxygen plasma, the surface of the polymer may have a dimensional or hydrophobic property, or may improve the antistatic property, dyeability, By applying a bias, a nitriding or carburizing layer is formed on the surface to improve the hardness, abrasion resistance and corrosion resistance of the metal. Some of the effects obtained by the surface coating and modification technique using plasma can be obtained by the conventional wet method, but considering the environmental problem, the plasma drying method has many advantages.

본 발명에서도 이러한 플라즈마 처리의 장점을 이용할 수 있도록 산소 플라즈마 처리를 추가로 수행할 수 있다. 상기 처리는 공지된 방법을 사용할 수 있다.
In the present invention, an oxygen plasma treatment can be additionally performed so as to take advantage of such plasma treatment. The treatment can be carried out by known methods.

그러므로, 상기 설명에 기초하여 본 발명은 또 다른 관점에서, 다음을 구성요소로 포함하는, 배아줄기세포의 신경세포 분화용 지지체에 관한 것이다. Therefore, based on the above description, the present invention relates to a support for neuron differentiation of embryonic stem cells, which comprises, from another aspect, the following constituent elements.

300nm 내지 800nm의 크기로 패턴화되어 있는 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA) 시트;A polyurethane acrylate (PUA) sheet patterned to a size of 300 nm to 800 nm;

상기 시트위에 처리된 산소 플라즈마 층; 및An oxygen plasma layer treated on the sheet; And

상기 산소 플라즈마 층 위에 코팅된 젤라틴 층.A gelatin layer coated on the oxygen plasma layer.

각 구성요소에 대한 구체적인 설명은 상기와 같다.
Specific details of each component are as described above.

또한, 본 발명은 배아줄기세포의 "신경세포"로의 분화에 관한 것이다. 즉, 신경세포(뉴런) 또는 신경세포 전구체 또는 원시 세포로의 발생 및/또는 분화를 유도 및/또는 촉진하는 개선된 방법을 제공한다.The present invention also relates to the differentiation of embryonic stem cells into "neural cells ". That is, it provides an improved method of inducing and / or promoting the generation and / or differentiation into neurons (neurons) or neuronal precursors or primitive cells.

여기에서 사용된 것과 같이, 신경 세포는 신경 체계의 세포이고, 본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한 신경 줄기 세포, 뉴런 전구체 또는 원시세포, 및 뉴런(뉴런 세포)를 포함한다. 용어 "뉴런" 및 "뉴런 세포"를 서로 바꾸어 사용할 수 있다.As used herein, nerve cells are cells of the nervous system and include neural stem cells, neuronal precursors or primitive cells, and neurons (neuronal cells) unless otherwise indicated herein. The terms "neuron" and "neuron cell"

"신경 줄기세포"란, 자기 복제할 수 있고, 다능성, 즉 뉴런, 성상세포 및 희소돌기아교세포를 포함하여 신경 체계에 있는 모든 세포 유형을 생기게 할 수 있는 세포 유형을 의미한다. 줄기 세포는 하나 이상의 하기 마커를 발현할 수 있다: Oct-4; Sox1-3; 단계 특이적 배아 항원(SSEA-1, -3 및 -4) (Tropepe 등, 2001, Neuron 30, 65-78). 신경 줄기 세포는 하기 마커의 하나 이상을 발현할 수 있다: 네스틴; p75 뉴로트로핀 수용체; 노치(Notch) 1, SSEA-1 (Capela and Temple, 2002, Neuron 35, 865-875)."Neural stem cells" refers to cell types capable of self-replicating and capable of producing all cell types in the nervous system, including pluripotent, i.e., neurons, astrocytes, and rare dendritic glial cells. Stem cells can express one or more of the following markers: Oct-4; Sox1-3; Stage specific embryonic antigens (SSEA-1, -3 and -4) (Tropepe et al., 2001, Neuron 30, 65-78). Neural stem cells can express one or more of the following markers: nestin; p75 neurotrophin receptor; Notch 1, SSEA-1 (Capela and Temple, 2002, Neuron 35, 865-875).

"신경 원시 세포"란 신경 줄기 세포의 자손 또는 후손을 의미하고, 줄기 세포에 비해 더욱 분화된 표현형 및/또는 더욱 감소된 분화 잠재력을 갖는다. 전구체 세포란, 발생 동안에 뉴런과 직접적인 계통 관계에 있거나 있지 않지만 한정된 환경 조건하에서 트랜스분화 또는 재분화하거나 뉴런 표현형을 획득하기 위해 유도될 수 있는 다른 세포를 의미한다."Neuronal primate" refers to a progeny or descendant of neural stem cells and has a more differentiated phenotype and / or a further reduced differentiation potential than stem cells. A precursor cell is any cell that is not in direct lineage with neurons during development, but transfected or regenerated under defined environmental conditions, or other cells that can be induced to obtain a neuronal phenotype.

"계통"이란 하나의 한정된 세포 유형으로부터 유래된 세포 또는 세포의 자손을 의미한다. "아-계통"이란 특정한 계통의 아-유형을 의미한다."Lineage" means a cell or a descendent of a cell derived from one defined cell type. "A-line" means the sub-type of a particular line.

특히, 본 발명에 의해 수득한 신경세포는 뉴런 발생의 이종성, 분열성 및 종종 재생불가능한 성질과 같은 문제점이 없다. In particular, the neurons obtained by the present invention are free from problems such as heterogeneity, fission and often non-renewable properties of neuronal development.

일반적으로, ES 세포로부터 유래된 뉴런 배양물은 각종 상이한 뉴런 아-유형 뿐만 아니라 신경교세포를 포함한 비-뉴런세포를 함유하는 문제점이 있어왔다.In general, neuron cultures derived from ES cells have had a problem of containing non-neuronal cells including glial cells as well as various different neuron-types.

신경교세포란 중추 신경계의 조직을 지지하는 세포로 뇌와 척수의 내부에서 신경세포에 필요한 물질을 공급하고 신경세포의 활동에 적합한 화학적 환경을 조성하는 기능을 하는 세포를 일컫는 용어이다. 신경세포가 신경 조직의 본질적인 기능을 담당한다면, 신경교세포는 혈관과 신경세포 사이에 위치하여 신경세포의 지지, 영양 공급, 노폐물 제거, 식세포 작용 등을 담당한다. 성상교세포와 희돌기교세포, 소교세포, 상의세포, 슈반세포, 위성세포 등이 속한다.Glial cells are the cells that support the tissues of the central nervous system and are the cells that function to supply the necessary substances to the neurons inside the brain and spinal cord and to create a chemical environment suitable for the activity of neurons. If neurons are responsible for the essential functions of neural tissue, they are located between blood vessels and nerve cells to support nerve cells, supply nutrients, remove waste, and phagocytosis. Astrocytes, astrocytes, small cells, Schwann cells, and satellite cells.

그러나, 본 발명의 방법에 의해 분화된 신경세포는 성상세포와 같은 신경교세포(비-뉴런세포)를 포함하지 않는다. 따라서, ES 세포로부터 유래된 뉴런 배양물이 지니고 있었던 종래 문제점을 해결하고 있다.
However, the neuronal cells differentiated by the method of the present invention do not contain glial cells (non-neuronal cells) such as astrocytes. Thus, the present invention solves the conventional problem that a neuron culture derived from ES cells is present.

한편, 본 발명은 다른 관점에서, 신경계 기능을 회복하기 위한 배아줄기세포에서 분화된 신경세포의 용도를 또한 제공한다. 특히, 신경세포의 손상에 의해 야기되는 신경계 질환에 대한 치료적 용도를 제공한다. On the other hand, the present invention, on the other hand, also provides the use of differentiated neural cells in embryonic stem cells to restore neural function. In particular, it provides therapeutic uses for neurological diseases caused by damage to nerve cells.

즉, 일 태양으로 상기 설명한 방법에 의해 수득되고, 패턴화된 표면을 가지는 지지체에 고정되어 있고, 패턴의 길이 방향으로 신장되어 있는 신경세포를 함유하는, 신경질환 치료용 세포치료제에 관한 것이다. That is, the present invention relates to a cell therapy agent for treating a neurological disease, which is obtained by the above-described method in one aspect and which is fixed on a support having a patterned surface and contains neurons extending in the longitudinal direction of the pattern.

본 발명의 세포 치료제는 손상된 신경세포를 보충(재생)하거나 다시 구축(복원)한다. The cell therapy agent of the present invention replenishes (reconstructs) or restores (restores) damaged neurons.

"재생(regeneration)"이란 형성된 기관 또는 개체의 일부가 상실되었을 때 그부분이 보충되는 현상이고, "복원"이란 "재구성(reconstitution)"이라고도 할 수 있는데, 이는 조직의 재구축을 의미하는 것으로 일단 해리된 세포나 조직으로부터 조직이나 기관을 다시 구축하는 것을 말한다."Regeneration" is a phenomenon in which a portion of a formed organs or an individual is lost when it is lost, and "restoration" is sometimes referred to as "reconstitution" It refers to reconstituting tissues or organs from dissociated cells or tissues.

이는 신경세포나 이를 함유하는 상기 조성물(세포치료제)의 형태로 병변 부위에 직접 이식함으로써 유리하게 수행될 수 있다. 신경 이식 및 세포 배양의 방법은 당업자에게 널리 알려진 공지의 방법을 사용할 수 있다.This can be advantageously carried out by direct implantation into the lesion site in the form of a neuron or the composition containing it (cell therapy agent). Methods of neural transplantation and cell culture can be performed using known methods well known to those skilled in the art.

일례로, 신경계 손상에서 끊어진 신경을 연결하기 위해 줄기세포를 주입시 본 발명에 따른 나노 패턴된 지지체에 고정되어 있는 줄기세포를 함유하는 줄기세포 치료제를 이용한다면, 적은 수의 세포로도 충분한 세포의 증식을 가져와 줄기세포의 효과를 극대화시킬 수 있게 된다. 또한, 많은 수의 신경세포의 분화 및 길게 자란(늘어진) 신경 세포로 인해, 신경이 끊어진 부분에 확실한 가교 역활을 함으로서 신경계 손상 치료에 있어 줄기세포를 기본으로 한 조직학적 공학방법이 융합되어 그 치료 효과를 배가시킬 수 있다.For example, when a stem cell treatment agent containing stem cells immobilized on a nano-patterned support according to the present invention is used for injecting stem cells to connect neurons broken from the nervous system damage, a sufficient number of cells It is possible to maximize the effect of the stem cells. In addition, due to the large number of neuronal differentiation and prolonged nerve cells, a definite cross-linking function is performed at the nerve ending portion, so that a stem cell-based histological engineering method is fused to treat the nervous system damage, The effect can be doubled.

본 명세서에 사용되는 용어 "치료" 또는 "치료하다"는 치료학적 처치 및 예방 또는 방지 수단이다. 그러므로, 치료가 필요한 자들은 이미 신경변성 장애 또는 신경병을 가진 자, 뿐만 아니라 신경변성 장애 또는 신경병을 예방하고자 하는 자들을 포함한다. 본 발명의 방법은, 한정하는 것은 아니지만, 사람, 영장류 및 가축, 사육,애완용 또는 스포츠 동물, 예컨대 개, 말, 고양이, 양, 돼지, 소 등을 비롯한 치료가 필요한 임의의 포유동물을 치료하는 데 사용할 수 있다. "장애"는 신경 원시세포, 분화된 신경세포 또는 본 발명의 세포의 두 가지 유형으로 치료하여 이익이 되는 임의의 상태이다. The term " treating "or" treating "as used herein is a therapeutic treatment and prevention or prevention measure. Thus, those in need of treatment already include those with neurodegenerative disorders or neuropathy, as well as those who seek to prevent neurodegenerative disorders or neuropathy. The methods of the invention can be used to treat any mammal in need of treatment, including, but not limited to, humans, primates and livestock, raising, pet or sports animals such as dogs, horses, cats, sheep, pigs, Can be used. "Disorder" is any condition that is beneficial in treating two types of neuronal cells, differentiated neurons, or cells of the invention.

본 명세서에서 사용되는, 세포의 "치료학적 유효량"은 분화된 신경세포의 손실, 손상 또는 변성에 의해 유발되는 환자의 생리학적 효과를 중지 또는 경감시키기에 충분한 양이다.As used herein, a "therapeutically effective amount" of a cell is an amount sufficient to stop or alleviate the physiological effect of the patient caused by loss, damage or denaturation of the differentiated neuron.

사용된 세포의 치료학적 유효량은 환자의 필요성, 환자의 연령, 생리학적 상태 및 건강, 소정의 치료 효과, 치료에 표적하고자 하는 조직의 크기 및 면적, 병변의 정도 및 선택된 전달 경로에 의존할 것이다. 예를 들면, 뇌의 더 큰 영역에 영향을 주는 장애의 치료는 보다 작은 표적 영역과 비교하였을 때 치료 효과를 달성하기 위하여 보다 다수의 세포를 요할 수 있다. 또한, 세포는 저 세포 투여량의 다중 소형 이식편으로 소정의 표적 조직내 1 이상의 부위에 투여할 수 있다. 본 발명의 세포는 이식 전에 완전히 분리되어, 예컨대 단일 세포의 현탁액을 형성하거나, 또는 이식 전에 거의 완전히 분리되어, 예컨대 세포의 소형 응집물을 형성할 수 있다. 세포는 이들을 소정의 조직 부위로 이식 또는 이동시키고, 기능적으로 결핍된 영역을 재구성 또는 재생하는 방식으로 투여할 수 있다.The therapeutically effective amount of the employed cell will depend on the needs of the patient, the age, physiological condition and health of the patient, the desired therapeutic effect, the size and area of the tissue to be targeted for treatment, the severity of the lesion and the selected delivery route. For example, treatment of a disorder affecting a larger area of the brain may require more cells to achieve a therapeutic effect when compared to a smaller target area. In addition, the cells can be administered at one or more sites within a given target tissue with multiple sub-doses of a low cell dose. The cells of the invention can be completely isolated prior to transplantation, for example, to form a suspension of single cells, or to be almost completely isolated prior to transplantation, e.g., to form small aggregates of cells. The cells may be administered in a manner such that they are transplanted or transferred to a predetermined tissue site and the functionally deficient region is reconstituted or regenerated.

치료학적으로 유효하게 달성하도록 투여할 수 있는 세포의 적당한 범위는 당업자의 통상의 지식 내에서 환자에 맞추어 적절히 사용할 수 있다. The appropriate range of cells that can be administered therapeutically effective can be suitably used for the patient within the ordinary knowledge of those skilled in the art.

그러나, 실제 투여량은 치료할 질환, 투여 경로, 환자의 연령, 성별 및 체중, 및 질환의 중증도 등의 여러 관련 인자에 비추어 결정되어야 하는 것으로 이해되어야 하며, 따라서, 상기 투여량은 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
It should be understood, however, that the actual dosage should be determined in light of various relevant factors such as the disease to be treated, the route of administration, the age, sex and weight of the patient, and the severity of the disease, And are not intended to limit the scope of the invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 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 by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example 1 :  One : PUAPUA 나노단위 이랑/홈( Nano Units / Home ( ridgeridge // groovegroove ) 패턴 어레이 제작) Pattern Array Fabrication

1.1 1.1 PUAPUA 금형 제작  Mold making

나노크기의 패터닝을 위해 포토리소그래피에 의해 제조한 실리콘 주형 상에 PUA 프리-폴리머(311RM, Minuta)를 경화시킴으로써, 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA) 금형을 제작하였다.A polyurethane acrylate (PUA) mold was prepared by curing a PUA pre-polymer (311RM, Minuta) on a silicon mold produced by photolithography for nano-sized patterning.

UV-경화성 PUA 금형 재료는 가교결합용 아크릴레이트 그룹, 단위체 조절인자(monomeric modulator), 광개시자 및 표면 활성을 위한 방사선-경화성 이형제와 함께 작용화된 선구물질(functionalized precursor)로 구성되어 있다. UV-curable PUA mold materials consist of acrylate groups for crosslinking, monomeric modulators, photoinitiators and functionalized precursors with radiation-curable release agents for surface activity.

시트 타입의 금형을 제작하기 위하여, 액체 선구물질을 실리콘 주형 위해 떨어뜨려 편 후, 유연하고 투명한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 선구물질 표면에 접촉하였다.In order to produce a sheet-type mold, a liquid precursor was dropped for a silicon mold, and then a flexible and transparent polyethylene terephthalate (PET) film was brought into contact with the precursor surface.

그 뒤에, 상기 금형을 투명한 뒤쪽 판을 통해(dose = 100 mJ/cm2) 20초 동안 자외선(λ = 200-400 nm)에 노출시켰다. UV 경화 후, 상기 금형을 주형으로부터 벗겨내고, 첫 모형으로 사용하기 전에 추가적으로 밤새 경화시켜 남아있는 활성 아크릴레이트 그룹을 종결시켰다. 실험에 사용되는 PUA 금형은 약 50 μm 두께를 갖는 얇은 시트 타입이다.Thereafter, the mold was exposed to ultraviolet light (? = 200-400 nm) for 20 seconds through a transparent rear plate (dose = 100 mJ / cm2). After UV curing, the mold was stripped from the mold and the remaining active acrylate groups were terminated by further curing overnight before use as the first model. The PUA mold used in the experiment is a thin sheet type with a thickness of about 50 μm.

1.2 나노 이랑/홈-패턴화된 표면의 제작1.2 Fabrication of nano / groove-patterned surface

PUA 마이크로- 및 나노- 이랑/홈(ridge/groove) 패턴 어레이를 UV-assisted capillary force lithography를 이용하여 글래스 커버슬립 상에 제작하였다. 상기 글래스 커버슬립을 초음파 세척기(ultrasonic bath)에서 30분 동안 에탄올로 헹구고, 증류수를 흘려 세척한 후 건조 오븐에서 건조시켰다. PUA 나노 구조물 및 글래스 인터페이스 사이의 점착력을 증가시키기 위하여, 점착 프로모터(포스포릭 아크릴레이트; 이소프로필 알콜 = 1 : 10, 부피 비율)를 글래스 기판위에 코팅시켰다. PUA micro- and nano-ridge / groove pattern arrays were fabricated on glass cover slips using UV-assisted capillary force lithography. The glass cover slip was rinsed with ethanol in an ultrasonic bath for 30 minutes, washed with distilled water, and then dried in a drying oven. To increase the adhesion between the PUA nanostructure and the glass interface, an adhesion promoter (phosphonic acrylate: isopropyl alcohol = 1: 10, volume ratio) was coated on the glass substrate.

적은 양은 PUA 선구물질(약 0.1-0.5 mL)을 기판위에 떨어뜨려 펼치고, 처음 제작한(first-replicated) PUA 금형(동일한 재료이나 활성 아크릴레이트 그룹은 없음)을 표면 상에 직접 놓았다. A small amount of the PUA precursor (about 0.1-0.5 mL) was spread on the substrate and spread out, placing the first-replicated PUA mold (no identical material or active acrylate group) directly on the surface.

상기 PUA 선구물질은 저절로 모세관 작용에 의해 금형의 구멍 내로 움직이고, 투명한 뒤쪽 판을 통하여(dose = 100 mJ cm-2) 자외선에(λ= 250-400 nm) 약 30초 동안 노출시킴으로써 경화된다. 경화 후, 상기 금형을 날카로운 트위저를 이용하여 기판으로부터 벗겨내었다. The PUA precursor material is cured by itself by capillary action into the hole of the mold and by exposure to ultraviolet light (? = 250-400 nm) for about 30 seconds through a transparent back plate (dose = 100 mJ cm-2). After curing, the mold was stripped from the substrate using a sharp tweezer.

이에 따라 350-nm (spacing of 350 nm, height of 500 nm) 이랑/홈-패턴 표면을 제작하고, 대조군으로 편평한 표면을 제작하였다.Thus, a 350-nm (spacing of 350 nm, height of 500 nm) / groove-patterned surface was fabricated and a flat surface was created as a control.

그리고, 주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 PUA 나노 이랑/홈 패턴 구조물의 표면 토포그래피(topography)를 조사하였다.
The surface topography of the PUA nano / groove pattern structures was investigated using scanning electron microscopy (SEM).

상기 방법으로 제작된 나노 이랑/홈 패턴 어레이를 도 1에 도식화하여 나타내었다. The nano-groove / groove pattern array fabricated by the above method is illustrated in FIG. 1.

모세관력에 의해 PUA 금형의 구멍에 액체 PUA 선구물질이 채워졌고, 자외선 노출에 의해 경화되었다. The capillary force filled the liquid PUA precursor into the hole of the PUA mold and cured by exposure to ultraviolet light.

SEM을 이용하여 PUA 나노 이랑/홈 패턴 구조물의 표면 토포그래피(topography)를 관찰한 결과를 도 1의 c 및 d에 나타내었다. 도 1의 c는 350-nm 이랑/홈 패턴 어레이의 SEM 이미지의 상-하(top-down) 조감도이고, 도 1의 d는 350-nm 이랑/홈 패턴 어레이의 SEM 이미지의 단면으로, 이랑/홈 패턴 어레이의 크기가 아주 일정함을 보여준다. 그리고, 이랑/홈 패턴 어레이의 측벽 각도가 거의 90도임을 확인할 수 있었다. The surface topography of the PUA nano / groove pattern structure was observed using SEM, and the results are shown in FIGS. 1C and 1D. 1C is a top-down bird's-eye view of a SEM image of a 350 nm / groove pattern array. FIG. 1D is a cross section of a SEM image of a 350 nm / groove pattern array, It shows that the size of the home pattern array is very constant. It was also confirmed that the sidewall angle of the land / groove pattern array was almost 90 degrees.

또한, 상기 나노- 이랑/홈 패턴들은 큰 영역에 걸쳐 거의 결함없이 깔끔하게 형성되었다(커버슬립의 직경은 25 mm). 이는 도 1b의 회절 색에 의하여 확인할 수 있었다
In addition, the nano-ridge / groove patterns were neatly formed over a large area with almost no defects (the diameter of the cover slip was 25 mm). This can be confirmed by the diffraction color of FIG. 1B

실시예Example 2 : 인간 배아줄기세포( 2: human embryonic stem cells ( hESCshESCs ) 배양 ) Culture

2.1 2.1 hESCshESCs 의 유지(Maintenance of maintencancemaintencance ))

WiCell Research Institute의 리서치 프로토콜을 따라 hESCs (H9)를 유지시켰다. 이미 보고된 대로(28, 29), hESC line H9는 콜로니로서 플레이팅하고 10 μg/ml 미토마이신 C (seeded at 2 x 105 per 35 mm dish)로 불활성화된 MEF(mouse embryonic fibroblasts)의 피더층위에서, DMEM(Dulbecco’s modified Eagle’s medium)/F12, 20% 혈청 교체, 1 mM 글루타민, 0.1% 비필수 아미노산, 0.1% 페니실린/스트렙토마이신, 0.1 mM 베타-머캅토에탄올, 및 4 ng/ml 재조합 인간 FGF-2 (Invitrogen Corporation, U.S.A)로 구성된 배지를 매일 교체하면서 5% CO2 하 배양하였다. 계대(passaging)를 위해, 이동 중 hESC 콜로니를 기계적으로 유리 피펫으로 떼어내어 분화된 세포의 수를 줄였다. 1:2 또는 1:3 틈 비율(split ratio)에서 상기 계대(passage)를 수행하였다.
The hESCs (H9) were maintained following the research protocol of the WiCell Research Institute. As previously reported (28, 29), the hESC line H9 was plated as a colony and the feeder layer of MEF (mouse embryonic fibroblasts) inactivated with 10 μg / ml mitomycin C (seeded at 2 x 105 per 35 mm dish) Ml of recombinant human FGF (Sigma) supplemented with DMEM (Dulbecco's modified Eagle's medium) / F12, 20% serum replacement, 1 mM glutamine, 0.1% nonessential amino acid, 0.1% penicillin / streptomycin, 0.1 mM beta- -2 (Invitrogen Corporation, USA) were cultured in 5% CO2 overnight with alternating. For passaging, the hESC colonies were removed mechanically with a glass pipette during transport to reduce the number of differentiated cells. The passage was performed at a split ratio of 1: 2 or 1: 3.

2.2 나노 이랑/홈-패턴화된 표면에서의 2.2 On the nano / groove-patterned surface hESCshESCs 배양 culture

우선, 오직 젤라틴-코팅된 표면을 사용하여 나노 이랑/홈 패턴 표편이 직접적으로 hESCs의 분화를 유도하는지 여부를 결정하였다. First, only the gelatin-coated surface was used to determine whether the nano / groove pattern table leads directly to the differentiation of hESCs.

종래의 드라이-코팅 방법으로 패턴화된 커버슬립을 젤라틴으로 코팅시킬 때, 상기 나노 이랑/홈 패턴 어레이는 도 2에서 보여주는 바와 같이 젤라틴으로 덮었다. 패턴화된 커버슬립을 0.1% 젤라틴 용액에 12시간 동안 침지하고 탈이온수로 헹궜다.When coating the cover slip patterned with the conventional dry-coating method with gelatin, the nano-groove / groove pattern array was covered with gelatin as shown in FIG. The patterned cover slip is immersed in 0.1% gelatin solution for 12 hours and rinsed with deionized water.

그리고 한편으로는, 표면상 세포 부착능을 향상시키기 위해, 나노-패턴된 표면을 산소 플라즈마로 60초 동안 처리하고(60 W, PDC-32G, Harrick Scientific, Ossining, NY), 0.1% 젤라틴 용액에 12시간 동안 침지한 후, 탈이온수로 헹궜다. On the other hand, the nano-patterned surface was treated with an oxygen plasma for 60 seconds (60 W, PDC-32G, Harrick Scientific, Ossining, NY) in 0.1% gelatin solution After soaking for 12 hours, rinse with deionized water.

인간 배아 줄기세포를 15% FBS를 함유하고 있는 DMEM 배지에 플레이팅하여 hESCs가 기질에 점착할 때까지 두었다. 24시간 후, 부착된 hESC 콜로니들을 현미경 하에서 계수하였다. Human embryonic stem cells were plated in DMEM medium containing 15% FBS until the hESCs adhered to the substrate. After 24 hours, the attached hESC colonies were counted under a microscope.

각 조건 하 데이터를 독립된 배양 웰로부터 수득하였다. 그리고, 상기 부착된 hESCs는 bFGF없는 hESCs 배지에서 5-10일 동안 배양하여 분화를 유도하였다. Data under each condition was obtained from separate culture wells. Then, the adhered hESCs were cultured in hESCs medium without bFGF for 5-10 days to induce differentiation.

주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 PUA 나노 이랑/홈 패턴 구조물의 표면에서 배양된 hESC 콜로니를 조사하였다. HESC colonies cultured on the surface of PUA nano / groove pattern structures were examined using scanning electron microscopy (SEM).

샘플을 세척하고 2.5% 글루타알데히드로 나트륨 카코딜레이트 버퍼로 4℃에서 5시간 동안 고정시켰다. 고정 후, 상기 세포들을 카코딜레이트 버퍼로 세척하고 농도별 에탄올 탈수제(ethanol dehydrations) 시리즈를 통해 놓아두고 대기-건조시켰다. 그 후, 상기 샘플들을 금으로 스퍼터(sputter)-코팅시키고 Japan Electron Optics Laboratory model (JSM 5600, Tokyo, Japan) 주사 전자 현미경 하 20 kV에서 분석하였다.
The sample was washed and fixed in sodium chocodilate buffer with 2.5% glutaraldehyde at 4 캜 for 5 hours. After fixation, the cells were washed with chocodilate buffer and allowed to stand in a series of ethanol dehydrations by concentration and air-dried. The samples were then sputter-coated with gold and analyzed at 20 kV under a scanning electron microscope of Japan Electron Optics Laboratory model (JSM 5600, Tokyo, Japan).

그 결과를 도 3에 나타내었다. The results are shown in Fig.

젤라틴 코팅된 상기 패턴은 도 3의 a에 나타난 바와 같이 대부분 젤라틴 코팅 전 패턴과 거의 동일하였다. 그리고 표면 상 hESC 부착도 빈약하였다. 도 3의 b의 하얀 원은 표면으로부터의 hESC 탈착을 나타낸다. The gelatin-coated pattern was almost the same as the pattern before gelatin coating as shown in FIG. 3 (a). And hESC adhesion on the surface was also poor. The white circles in Figure 3b represent hESC desorption from the surface.

이것은 나노 이랑/홈-패턴화된 표면의 소수성 때문으로 생각되며, 상기 패턴화된 표면은 젤라틴으로 드문드문 코팅되어 있었다. This is believed to be due to the hydrophobicity of the nano / groove-patterned surface, which was sparsely coated with gelatin.

이에 반하여. 산소 플라즈마 처리 후, 표면상 hESC 부착능은 도 4(p< 0.001)에서 알 수 있는 바와 같이 현저하게 강화되었다. 그리고, 도 3의 c에 나타난 바와 같이, 상기 패턴들은 젤라틴 코팅 전 관찰된 것과 대부분 동일하였다. on the contrary. After oxygen plasma treatment, hESC adhesion on the surface was significantly enhanced as can be seen in Fig. 4 (p < 0.001). And, as shown in FIG. 3C, the patterns were almost the same as those observed before gelatin coating.

또한, 젤라틴 코팅 전 산소 플라즈마 처리한, 350-nm 이랑/홈-패턴화된 표면에 부착된 hESC 분획은 대부분 젤라틴 단독으로 코팅한 350-nm 이랑/홈-패턴화된 표면상의 hESC의 경우보다 3배로 높았다(도 3의 c 및 d).
In addition, the hESC fraction attached to the 350-nm-grooved / grooved-patterned surface treated with oxygen plasma prior to gelatin coating was significantly less than that of hESC on the 350-nm / groove-patterned surface coated with gelatin alone (Fig. 3 (c) and (d)).

실시예Example 3: 나노 이랑/홈 패턴 어레이 상에서  3: on the nano-groove / groove pattern array hESCshESCs 의 신경세포로의 분화Of neuronal differentiation

인간 배아 줄기세포들을 플라즈마-처리된 0.1 % 젤라틴-코팅 표면위에 씨딩하고 hESCs이 표면에 부착할 때까지 DMEM/FBS 배지에서 배양하였다. DMEM/F12-SR 배지에서 5일 동안 어떠한 추가적인 분화 유도자, 예를 들어 레티놀산 또는 라미닌 없이 상기 hESCs를 추가로 배양하였다.
Human embryonic stem cells were seeded on a plasma-treated 0.1% gelatin-coated surface and cultured in DMEM / FBS medium until hESCs adhered to the surface. The hESCs were further cultured for 5 days in DMEM / F12-SR medium without any additional differentiation inducers, such as retinoic acid or laminin.

그 결과, 대조군의 편평한 표면에 씨딩된 인간 배아줄기세포는, 도 5의 a, c 및 e에 나타난 바와 같이 임의의 방향으로 퍼지면서 분화하였다. 그러나, 350-nm 이랑/홈 패턴 어레이위에 씨딩된 hESCsp는 도 5의 b, d 및 f에 나타난 바와 같이 이랑/홈 패턴의 방향으로 신장하였다.
As a result, human embryonic stem cells seeded on the flat surface of the control group differentiated while spreading in an arbitrary direction as shown in Figs. 5A, 5C and 5E. However, the hESCsp seeded on the 350-nm well / groove pattern array was elongated in the direction of the ridge / groove pattern as shown in Figs. 5 (b), 5 (d) and 5 (f).

3.1 3.1 DAPIDAPI , , Oct4Oct4  And nestinnestin 에 대한 면역염색Immunostaining for

hESCs의 분화를 조사하기 위하여, 세포들을 DAPI, Oct4 및 nestin에 대하여 면역염색하였고 유전자 발현을 RT-PCR을 이용하여 분석하였다.
To investigate the differentiation of hESCs, cells were immunostained for DAPI, Oct4 and nestin and gene expression was analyzed by RT-PCR.

(1) 면역조직화학분석((1) Immunohistochemical analysis ImmunocytochemistryImmunocytochemistry ) )

세포들을 4% (w/v) 파라포름알데히드로 30분 동안 고정시키고 PBS에서 5분 동안 0.1% (v/v) Triton X-100를 투과시켰다. Cells were fixed with 4% (w / v) paraformaldehyde for 30 min and permeabilized with 0.1% (v / v) Triton X-100 in PBS for 5 min.

10% (v/v) 염소 혈청의 블로킹 용액을 30분 동안 처리한 후, 상기 세포들을 일차 항체로 4℃에서 밤새 인큐베이션 시켰다. 면역조직화학 분석을 위해 사용된 상용 항체는 다음과 같다: 마우스 항-Oct-4 (1:500), 마우스 항-Nestin (1:1000), 염소 항-PDX-1 (1:500), 염소 항- Brachyury (1:500, R and D, U.S.A), 마우스 항-Tuj-1 (1:1000), 토끼 항-GFAP (1:500, Chemicon, U.S.A), 토끼 항-Calbindin (1:200), 토끼 항-MAP2 (1:500, Santa Cruz Biotechnology, U.S.A). After treatment with a blocking solution of 10% (v / v) goat serum for 30 minutes, the cells were incubated with primary antibody overnight at 4 ° C. The commercial antibodies used for immunohistochemical analysis were as follows: mouse anti-Oct-4 (1: 500), mouse anti-Nestin (1: 1000), goat anti-PDX- (1: 500, Chemicon, USA), rabbit anti-Calbindin (1: 200), anti-Brachyury (1: 500, R and D, USA) , Rabbit anti-MAP2 (1: 500, Santa Cruz Biotechnology, USA).

PBS로 세척한 후, 염색된 세포들을 FITC- 및 로다민-결합 이차 항체(Molecular Probe, U.S.A)를 이용하여. 공초점 현미경(LSM 510; Zeiss)으로 가시화 하였다.
After washing with PBS, stained cells were stained with FITC- and rhodamine-conjugated secondary antibody (Molecular Probe, USA). And visualized with a confocal microscope (LSM 510; Zeiss).

(2) (2) RTRT -- PCRPCR

배양된 세포로부터 전체 RNA를 Trizol 시약(Invitrogen)을 사용하여 사용자 설명서 프로토콜에 따라 추출하였다. 1 마이크로그램의 DNaseI-처리된 전체 RNA를 임의의 프라이머 및 Superscript II reverse transcriptase (Invitrogen)를 이용하여 역전사시켰다.Total RNA from the cultured cells was extracted using a Trizol reagent (Invitrogen) according to the user's manual protocol. One microgram of DNase I -treated total RNA was reverse transcribed using any primers and Superscript II reverse transcriptase (Invitrogen).

역전사 반응을 20 ㎕ (5xRT buffer, 1.25 mM MgCl2, 5 mM DTT, 2.5 g random hexamer, 0.5 mM dNTP, and 50 units of Superscript Ⅱ enzyme)에서 42℃하에 수행하였다. 각 PCR 반응을 위해 1㎕의 단일 가닥 cDNA 산물을 주형으로 사용하였다.The reverse transcription reaction was performed at 42 째 C in 20 ((5xRT buffer, 1.25 mM MgCl2, 5 mM DTT, 2.5 g random hexamer, 0.5 mM dNTP, and 50 units of Superscript II enzyme). For each PCR reaction, 1 μl of the single strand cDNA product was used as a template.

표준 PCR 조건은 다음과 같다: 94℃에서 10분 후 94℃에서 변성 30초, 55℃에서 어닐링 30초, 및 72℃에서 신장 30초. (30싸이클)Standard PCR conditions were as follows: denaturation at 94 ° C for 10 minutes, denaturation at 94 ° C for 30 seconds, annealing at 55 ° C for 30 seconds, and extension at 72 ° C for 30 seconds. (30 cycles)

프라이머 서열쌍은 다음과 같다: The primer sequence pairs are as follows:

GATA6 forward- 5’-aaaaagagggaattcaaacc-3’(서열번호 1), GATA6 forward- 5'-aaaaagagggaattcaaacc-3 '(SEQ ID NO: 1),

GATA6 reverse- 5’-cctatgtagagcccatcttg-3’(서열번호 2);
GATA6 reverse-5'-cctatgtagagcccatcttg-3 '(SEQ ID NO: 2);

NeuroD1 forward- 5’-attctaagacgcagaagctg-3’(서열번호 3), NeuroD1 forward-5'-attctaagacgcagaagctg-3 '(SEQ ID NO: 3),

NeuroD1 reverse- 5’-actggtaggagtaggggtgt-3’(서열번호 4);
NeuroD1 reverse-5'-actggtaggagtaggggtgt-3 '(SEQ ID NO: 4);

AFP forward- 5-’agaacctgtcacaagctgtg-3’(서열번호 5), AFP forward-5-'agaacctgtcacaagctgtg-3 '(SEQ ID NO: 5),

AFP reverse- 5’-gacagcaagctgaggatgtc-3’(서열번호 6);
AFP reverse- 5'-gacagcaagctgaggatgtc-3 '(SEQ ID NO: 6);

DCN forward- 5’-gagctcaggaattgaaaatg-3’(서열번호 7), DCN forward-5'-gagctcaggaattgaaaatg-3 '(SEQ ID NO: 7),

DCN reverse- 5’-aagcttgttgttgtccaagt-3’(서열번호 8);
DCN reverse-5'-aagcttgttgttgtccaagt-3 '(SEQ ID NO: 8);

Oct4 forward- 5’-aactcgagcaatttgccaagctcc-3’(서열번호 9), Oct4 forward-5'-aactcgagcaatttgccaagctcc-3 '(SEQ ID NO: 9),

Oct4 reverse- 5’-aactcgagcaatttgccaagctcc-3’(서열번호 10); 및
Oct4 reverse- 5'-aactcgagcaatttgccaagctcc-3 '(SEQ ID NO: 10); And

beta-Actin forward- 5’-caggagatggccactgccgca-3’(서열번호 11), beta-Actin forward-5'-caggagatggccactgccgca-3 '(SEQ ID NO: 11),

beta-Actin reverse- 5’-tccttctgcatcctgtcagca-3’(서열번호 12).
beta-Actin reverse-5'-tccttctgcatcctgtcagca-3 '(SEQ ID NO: 12).

(3) 관찰 결과(3) Observation results

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 350nm ridge/groove-patterned 표면 및 대조군의 편평한 표면에 씨딩된 hESCs 모두 네스틴 양성(분화의 초기마커) 및 Oct4 음성 (미분화 마커 및 전능성 hESCs)을 나타냈다. As a result, all of the hESCs seeded on the 350 nm ridge / groove-patterned surface and the flat surface of the control group showed nestin positive (early marker of differentiation) and Oct4 negative (undifferentiated marker and dominant hESCs).

유전자 발현 분석은 도 6에 나타난 바와 같이, 350-nm ridge/groove-patterned 표면 및 대조군의 편평한 표면간에 매우 다른 분화 패턴을 보여주었다. Gene expression analysis showed a very different pattern of differentiation between the 350-nm ridge / groove-patterned surface and the flat surface of the control, as shown in Fig.

또한, 편평한 표면 대조군에서 배양된 hESCs 뿐만 아니라, 미분화된 hESCs 및 5일 동안 배아체로 분화된 hESCs(hEB5)를 분석한 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 상기 신경 분화 마커 NeuroD1는 350-nm ridge/groove pattern arrays에서 배양된 hESCs에서 매우 상향-조절되어 나타났는데, 이는 편평한 표면에서 배양된 hESCs 및 hEB5 대조군과 비교해 보면 더욱 잘 알 수 있다. In addition, analysis of hESCs (hEB5) differentiated into undifferentiated hESCs and embryoid bodies for 5 days, as well as hESCs cultured on a flat surface control, showed that the neurogenic differentiation marker NeuroD1 had a 350-nm ridge / regulated in hESCs cultured in the groove pattern arrays, which is better understood when compared to the hESCs and hEB5 controls cultured on a flat surface.

그리고, 내배엽 유전자 마커 GATA6 및 중배엽 마커 DCN의 발현 수준은 편평한 표면의 hESCs 및 hEB5 대조군보다 350-nm ridge/groove pattern arrays상의 hESCs에서 더 낮았다(도 6).
And, the expression levels of the endoderm gene marker GATA6 and the mesodermal marker DCN were lower in the hESCs on 350-nm ridge / groove pattern arrays than on the flat surface hESCs and hEB5 controls (Fig. 6).

3.2 3.2 Tuj1Tuj1 , , brachyurybrachyury , , Pdx1Pdx1  And nestinnestin 에 대한 면역염색Immunostaining for

hESC 분화의 추가적 분석을 위하여, hESCs를 Tuj1, brachyury, Pdx1 및 nestin에 대하여 면역염색하였다. 배양 조건은 전 실험과 동일하게 하였다.
For further analysis of hESC differentiation, hESCs were immunostained for Tuj1, brachyury, Pdx1 and nestin. Culture conditions were the same as in the previous experiment.

그 결과, 도 7에 도시하고 있는 바와 같이, 편평한 표면 대조군의 hESCs과 비교하여(도 7 a), 350-nm ridge/groove pattern arrays상의 hESCs는 오직 Tuj1 (immature neuronal marker; 도 7의 d, g) 양성을 나타내었다. As a result, hESCs on 350-nm ridge / groove pattern arrays were only Tuj1 (immature neuronal marker; d, g in Fig. 7) as compared to hESCs of a flat surface control group ) Positive.

350-nm ridge/groove pattern arrays 상의 인간 배아 줄기세포는 brachyury (mesoderm marker, 도 7의 e, h) 및 Pdx1 (endoderm marker; 도 7의 f, I)에 대하여 음성을 나타냈고, 반면 350-nm ridge/groove pattern arrays상에서 10일 동안 배양된 경우는 잘-구조화된 신경돌기 신장이 이랑/홈 패턴의 방향을 따라서 나타났다(도 7의 g-i) 그리고, 상기 세포들은 Tuj1-양성이었다.
Human embryonic stem cells on 350-nm ridge / groove pattern arrays were negative for brachyury (mesoderm marker, Figure 7, e, h) and Pdx1 (endoderm marker; Figure 7, f, I) When cultured for 10 days on ridge / groove pattern arrays, well-structured neurite elongation was observed along the direction of the ridge / groove pattern (Fig. 7 gi) and the cells were Tuj1-positive.

이러한 결과는 어떠한 생화학적 또는 생물학적 분화 유도자없이, 나노 이랑/홈 패턴 어레이가 hESCs의 신경세포주로의 분화를 유도한다는 사실을 강하게 시사한다.
These results strongly suggest that the nano / groove pattern arrays induce the differentiation of hESCs into neuronal cells without any biochemical or biological differentiation inducer.

3.3 다른 종류의 신경세포들로 분화3.3 differentiation into different types of neurons

350-nm 이랑/홈 패턴 어레이상의 hESCs의 신경 분화를 확인하기 위하여 샘플들을 다른 신경세포 및 신경교세포 마커들에 대해서 면역염색하였다: HuC/D (human neuronal protein: RNA-binding protein), MAP2 (mature neuronal marker: microtubule-associated protein 2), 및 GFAP (intermediate filament proteins of mature astrocytes: glial fibrillary acidic protein).
Samples were immunostained against other neuron and glial cell markers to confirm neural differentiation of hESCs on the 350-nm / groove pattern array: HuC / D (human neuronal protein: RNA-binding protein), MAP2 neuronal marker: microtubule-associated protein 2), and GFAP (intermediate filament proteins of mature astrocytes: glial fibrillary acidic protein).

그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, Tuj1에 대해 면역염색된 인간 배아줄기세포들은 앞서 관찰한 바와 같이, 350nm 이랑/홈 패턴의 방향으로 신장된 신경돌기를 보였다. As a result, as shown in Fig. 8, human embryonic stem cells immunostained for Tuj1 showed neurites elongated in the direction of 350 nm / groove pattern, as previously observed.

그리고 5일에서 10일의 증가된 배양기간에 따라 상기 신경돌기의 신장도 증가하였다. HuC/D 및 MAP2 에 대해 양성적으로 염색된 분화된 hESCs는 GFAP 에 대해서는 염색되지 않았다.And the elongation of the neurites also increased with an increased incubation period of 5 to 10 days. The differentiated hESCs stained positively for HuC / D and MAP2 were not stained for GFAP.

이러한 결과는 hESCs가 성상세포와 같은 신경교세포로의 분화없이 성숙된 신경세포로 분화하였음을 시사한다.
These results suggest that hESCs differentiated into mature neurons without differentiation into astrocytes.

한편, calbindin (calcium binding protein), serotonin (monoamine neurotransmitter) 및 GABA (γ-aminobutyric acid; inhibitory neurotransmitter), 그리고 TH (Tyrosine hydroxylase; dopaminergic neuron marker)에 대해 추가적으로 면역염색하였다.
We further immunostained for calbindin (calcium binding protein), serotonin (monoamine neurotransmitter), γ-aminobutyric acid (GABA), and tyrosine hydroxylase (TH).

그 결과를 도 9에 도시하였다. The results are shown in Fig.

350-nm ridge/groove pattern arrays상에서 hESCs의 일부 부분은 calbindin, serotonin 및 GABA에 대해 양성을 나타냈다. 그러나, TH에 대해서는 양성이 아니었다.Some of the hESCs were positive for calbindin, serotonin and GABA on 350-nm ridge / groove pattern arrays. However, it was not positive for TH.

서열목록 전자파일 첨부Attach an electronic file to a sequence list

Claims (15)

신경분화 유도인자를 사용하지 않고,
500nm 깊이 및 350/350nm 내지 800/800nm의 동일 폭 크기를 가지는 길이방향의 다수의 홈/이랑으로 이루어진, 산소 플라즈마 처리된 표면을 포함하는 지지체를 이용하는 것을 특징으로 하는, 배아줄기세포를 신경교세포가 아닌 신경세포로 분화시키는 방법.
Without using neurogenesis inducers,
Characterized in that a support comprising an oxygen plasma treated surface consisting of a plurality of longitudinal grooves / rims having a depth of 500 nm and an equal width of 350/350 nm to 800/800 nm is used. To differentiate into non-neuronal cells.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 지지체는 젤라틴이 코팅된 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA)로 이루어진 것을 특징으로 하는 분화시키는 방법.
The method of claim 1, wherein the support is made of gelatin coated polyurethane acrylate (PUA).
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 배아줄기세포는 인간 조직 유래인 것을 특징으로 하는 분화시키는 방법.
2. The method according to claim 1, wherein the embryonic stem cells are derived from a human tissue.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 다음을 포함하는 배아줄기 세포의 신경세포 분화용 지지체:
500nm 깊이 및 350/350nm 내지 800/800nm 의 동일 폭 크기를 가지는 길이방향의 다수의 홈/이랑이 형성되어 있는 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA) 시트;
상기 시트위에 처리된 산소 플라즈마 층; 및
상기 산소 플라즈마 층 위에 코팅된 젤라틴 층.
Supports for neural cell differentiation of embryonic stem cells, including:
A polyurethane acrylate (PUA) sheet having a plurality of longitudinal grooves / ridges having a depth of 500 nm and an equal width of 350/350 nm to 800/800 nm;
An oxygen plasma layer treated on the sheet; And
A gelatin layer coated on the oxygen plasma layer.
다음을 포함하는, 배아줄기 세포의 신경세포 분화용 지지체의 제조방법:
(a) 실리콘 주형상에 PUA 프리-폴리머를 자외선으로 경화시키는 단계;
(b) 상기 경화된 PUA 금형을 벗겨내는 단계;
(c) 상기 PUA 금형에 500nm 깊이 및 350/350nm 내지 800/800nm 의 동일 폭 크기로 다수의 홈/이랑을 형성하고, PUA 선구물질(precursor)을 처리한 글래스 커버슬립 상에 접촉시키는 단계;
(d) 자외선으로 경화시켜 홈/이랑이 형성되어 있는 PUA 시트를 수득하고 이를 벗겨내는 단계;
(e) 상기 벗겨낸 PUA 시트의 표면에 산소 플라즈마를 처리하는 단계;
(f) 상기 시트의 나노-패턴된 표면을 젤라틴 용액으로 코팅하는 단계.
A method for producing a support for neuron differentiation of embryonic stem cells, comprising:
(a) curing the PUA prepolymer with ultraviolet light to the silicon main feature;
(b) peeling the cured PUA mold;
(c) forming a plurality of grooves / ridges in the PUA mold at a depth of 500 nm and an equal width of 350/350 nm to 800/800 nm and contacting a PUA precursor-treated glass cover slip;
(d) curing with ultraviolet rays to obtain a PUA sheet having grooves / grooves formed thereon, and peeling the PUA sheet;
(e) treating oxygen plasma on the surface of the peeled PUA sheet;
(f) coating the nano-patterned surface of the sheet with a gelatin solution.
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