KR101539822B1 - Method for preparing concentrated cell culture medium via 3D-culture and use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법, 상기 방법으로 제조된 농축 배양액, 상기 농축 배양액을 유효성분으로 포함하는 골조직 재생용 조성물, 상기 배양액을 제조하는 단계 및 상기 제조된 배양액을 이식용 스캐폴드에 로딩하는 단계를 포함하는, 배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는, 골조직 재생용 이식체의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는 골조직 재생용 이식체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a culture medium containing a growth factor or cytokine, which comprises culturing adult stem cells on a scaffold and culturing the same in a three-dimensional manner, a concentrated culture liquid prepared by the above method, A preparation for bone regeneration regenerating composition comprising a culture fluid-loaded scaffold, which comprises the step of preparing the culture solution, and the step of loading the prepared culture solution into a scaffold for grafting. And a transplantation scaffold in which a culture solution prepared by the above method is loaded.

Description

줄기세포의 3차원 배양을 통한 고농축 배양액의 제조방법 및 고농축 배양액의 용도{Method for preparing concentrated cell culture medium via 3D-culture and use thereof}Method for preparing high-concentration culture medium by 3-dimensional culture of stem cells and use of high-concentration culture medium {Method for preparing concentrated cell culture medium via 3D-culture and use thereof]

본 발명은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법, 상기 방법으로 제조된 농축 배양액, 상기 농축 배양액을 유효성분으로 포함하는 골조직 재생용 조성물, 상기 조성물을 이식용 스캐폴드에 로딩하는 단계를 포함하는 골조직 재생용 이식체의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 이식용 스캐폴드를 포함하는 골조직 재생용 이식체에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a culture medium containing a growth factor or cytokine, which comprises culturing adult stem cells on a scaffold and culturing the same in a three-dimensional manner, a concentrated culture liquid prepared by the above method, A method for producing a bone graft regenerating implant comprising the step of loading the composition into a grafting scaffold and a bone graft regeneration implant comprising the grafting scaffold prepared by the method .

골조직은 척추손상, 골절, 감염, 종양 등 여러 질환에 의해 손상을 입을 수 있다. 단순 골절 등의 경우에는 자연치료가 가능하나, 자연치료 한계를 넘어서는 골손실을 입을 경우 이를 치료 및/또는 재생시키기 위한 치료제가 필요하다. 아울러 치주질환이나 외상으로 인하여 발치를 하는 경우 치조골의 흡수가 일어나게 되어 보철치료와 임플란트 치료에 문제를 야기하게 된다. 특히 성공적인 임플란트를 위해서는 일정한 길이와 직경의 매식체가 식립되어야 하는데 치조골이 부족한 경우에는 임플란트 식립이 제한될 수 있다. 이와 같은 부위에는 치조골의 높이와 폭을 증가시키기 위한 골이식술이 필요하며, 이를 위해 여러 재생적 치료법이 발달되었다. 이와 같은 골결손에 가장 널리 사용되는 것은 골이식이며 골 재생을 위한 이식재료로는 자가골, 동종골, 이종골 또는 합성골이 사용되고 있다. 자가골은 직접 골형성을 할 수 있는 골세포를 포함하고 있으며 거부반응이 없는 최고의 골이식재로 높은 성공률을 보장하지만, 골채취를 위한 채취부위에 대한 추가적인 수술이 필요하고 이에 따른 수술 후 불편감이 수반되며 채취량이 한정적이어서 필요한 만큼 채취하는 것이 용이하지 못하다. 따라서, 임상에 있어서, 자가골을 대체하기 위한 골이식재의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 동종골은 자가골 이식과 비교하여 다량의 골채취가 가능하고 한번의 수술로 이식가능한 장점이 있고 골 형성가능성이 높은 것으로 보고되어 있어 자가골의 대체재로 널리 사용되고 있다. 그러나, 조작이 쉽지 않고 일관된 골재생 결과를 보여주지 못하고 골재생에 있어서 실패를 초래하거나, 면역거부반응 등의 부작용이 발생할 수 있으며, 질환보유자로부터 채취한 골을 사용한 경우 감염으로 인한 질병전파의 가능성이 있어 논란이 되고 있다. 이종골은 인간 이외의 동물로부터 채취한 골조직을 처리하여 이식재로 사용하는 것으로 우골이 널리 사용되고 있다. 이종골이 지니고 있는 항원성과 감염 가능성을 제거하기 위한 탈단백과정을 거치며, 이러한 탈단백과정을 거친 우골은 치과영역의 골이식술에 널리 사용되고 있다. 이 외에 합성골로 사용할 수 있는 다양한 합성재료들이 개발되고 있다. 합성골로 사용되기 위해서는 독성이 없고 생체 적합성을 가지며 다공성 이어서 재생되는 골세포의 침투가 가능하고 안정적으로 부착되어 증식할 수 있어야 하며 시간에 따라 체내에서 분해될 수 있는 재료여야 한다.
Bone tissue can be damaged by various diseases such as spinal injuries, fractures, infections, and tumors. In the case of simple fracture, natural treatment is possible, but a therapeutic agent for treating and / or regenerating bone loss in excess of the natural treatment limit is needed. In addition, when extracted due to periodontal disease or trauma, alveolar bone is absorbed, which causes problems in prosthetic treatment and implant treatment. In particular, for successful implants, the implant of a certain length and diameter should be placed. However, if the alveolar bone is insufficient, implant placement may be limited. In these areas, bone grafting is required to increase the height and width of the alveolar bone, and several regenerative treatments have been developed for this purpose. The most widely used bone defects are bone grafts, and autogenous bone, allogeneic bone, heterogeneous bone, or synthetic bone is used as a graft material for bone regeneration. Although autogenous bone contains bone cells capable of direct bone formation and is the best bone graft material with no rejection, it can guarantee a high success rate, but it requires additional operation on the harvesting site for bone harvesting, It is not easy to collect as much as necessary because the amount is limited. Therefore, in clinical practice, there is an increasing demand for the development of bone graft substitutes for replacing autogenous bone. Allografts are available as a substitute for autogenous bone because they can be harvested in large quantities compared to autogenous bone grafts, have the advantage of being transplanted with one operation, and have a high possibility of osteogenesis. However, it is not easy to manipulate, does not show consistent bone regeneration results, may cause failure in bone regeneration, side effects such as immune rejection may occur, and bone fragments obtained from disease holders may cause disease transmission This is controversial. Bone marrow is widely used to treat bone tissue from non-human animals and to use it as a graft material. The deproteinization process is used to remove the antigen and the possibility of infection of the heterogeneous bone, and the bones that have undergone this deproteinizing process are widely used for the bone grafting in the dental field. In addition, various synthetic materials that can be used as synthetic cores have been developed. To be used as a synthetic bone, it has no toxicity, is biocompatible, is porous, is able to penetrate regenerated bone cells, stably attaches and proliferates, and can be decomposed in the body over time.

한편, 줄기세포 분리 및 배양기술이 발달함에 따라, 세포치료제로서 다양한 조직으로 분화할 수 있는 줄기세포를 환부에 이식하는 방법도 사용되고 있다. 세포치료제 또한 상기 골이식재와 유사한 조건을 만족시켜야 한다. 이식 후 인체 내에서 원하는 세포의 고유기능을 나타내어야 하며, 안전하고 면역거부반응이 없어야하며 이식치료에 이용할 수 있을 만큼 대량의 세포가 확보되어야 한다. 따라서, 자가이식을 전제로 하거나 동종이식의 경우 조직적합형태로 사용한다. 이와 같이 세포치료제는 세포의 유래에 따라 자가, 동종유래 및 이종 세포치료제로 분류될 수 있다. 자가 세포치료제는 환자에게서 세포를 분리하여 시험관 내에서 미분화상태로 단순 증식시키거나, 배양시키면서 분화 및 발달을 유도하거나 특정 기능을 부여하기 위하여 필요한 조작을 가하여 세포의 형질을 변화시킨 뒤 다시 환자 자신에게 이식한다. 반면, 동종유래 세포치료제는 자가세포와 유사한 과정을 거치나 다른 건강한 공여자에게서 세포를 분리하여 시험관 내에서 단순 증식시킨 후 이를 환자에 이식하는 세포치료제이며, 이종 세포치료제는 사람이 아닌 동물로부터 분리된 세포를 이용하는 것이다.On the other hand, with the development of stem cell isolation and culture techniques, a method of transplanting stem cells capable of differentiating into various tissues into a lesion has been used as a cell therapy agent. The cell therapy agent should also satisfy conditions similar to those of the bone graft material. After transplantation, the cells should exhibit the specific functions of the desired cells in the body, be safe, have no immune rejection, and have large enough cells available for transplantation therapy. Therefore, it should be used as an autologous transplantation or as a tissue-compatible form in case of allograft. As such, the cell therapy agent can be classified into autologous, allogeneic and xenogeneic cell therapy depending on the origin of the cell. The autologous cell therapy agent can be used to separate the cells from the patient, to simply proliferate in an undifferentiated state in the test tube, or to induce differentiation and development while culturing, or to change the trait of the cell by the necessary manipulation to impart a specific function, Transplant. On the other hand, the allogeneic cell therapy agent is a cell therapy agent that undergoes a process similar to that of autologous cells, isolates the cells from other healthy donors, transplants in vitro, and transplants them into patients. Cells.

이중 가장 용이하게 수행될 수 있는 것은 동종유래 세포치료제를 이용하는 동종이식(allogenic graft)이다. 그러나 동종이식에 있어서 최대의 단점은 타 개체의 세포를 이식함으로 발생하는 면역거부반응이다. 자가이식이 가능한 경우(골수, 상피, 조혈모 줄기세포)도 있으나, 이것이 불가능하거나 어려운 경우, 불가피하게 동종이식을 수행하지만 이에 있어 줄기세포의 응용을 가장 제한하는 요소이며, 세포치료제로서의 줄기세포의 적용을 확대하기 위해 반드시 해결해야할 과제이다. 그럼에도 불구하고 성체줄기세포의 동종이식은 자가이식의 문제점을 극복할 수 있는 대안으로 활용되고 있다. 자가이식을 위해 필요한 과정인 채취 후 체외 배양에 걸리는 시간의 제약 및 이에 수반되는 고부가 비용으로 인한 경제적 제약 및 반드시 선행되어야 하는 수술과정 등 환자의 부담을 덜어줄 수 있다. 미미하기는 하지만 발생할 수 있는 면역거부반응의 위험성을 제거하기 위한 연구개발이 진행중이며, 현재로서는 조직적합형태로의 이식을 전제로 주로 체외배양을 통해 분화시켜 분화된 상태로 주입하는 것을 기본으로 한다. 그러나, 이러한 분화된 세포형태로 이식하는 것은 줄기세포의 근본적인 장점인 다양한 세포로의 분화가능성을 차단함과 동시에 주변 숙주 시스템 내의 세포활성화를 유도할 수 있는 사이토카인의 분비가 현저히 저하되므로 숙주 시스템과의 융화나 활성화 능력이 저하된다.
Of these, the most easily performed is an allogenic graft using a homologous cell therapeutic agent. However, the greatest disadvantage of allografts is the immune rejection caused by the transplantation of cells from other individuals. In cases where autotransplantation is possible (bone marrow, epithelium, hematopoietic stem cell), if this is impossible or difficult, it will inevitably carry out allogeneic transplantation, but the application of stem cells is the most limiting factor, and stem cells This is an issue that must be solved to expand the application. Nonetheless, homologous transplantation of adult stem cells has been used as an alternative to overcome the problems of autologous transplantation. It is possible to alleviate the burden on the patient such as the time limit for the in vitro culture after the harvesting, which is a necessary process for autotransplantation, and the economic constraints due to the high cost of the transplant and the operation procedure to be preceded. Research and development are under way to eliminate the risk of possible immune rejection, though it is insignificant. At present, it is based on the injection into differentiated state by mainly differentiating through in vitro culture on the assumption of transplantation in a tissue-compatible form . However, the transplantation into these differentiated cell types blocks the possibility of differentiation into various cells, which is a fundamental advantage of stem cells, and the secretion of cytokines capable of inducing cell activation in the peripheral host system is significantly lowered. And the ability to activate or degrade the electrochemical device is degraded.

이에 본 발명자들은 상기 골이식재 및 줄기세포치료제 이식의 장점을 조합하여 면역거부반응의 걱정 없이 효율적인 골조직을 재생시킬 수 있는 방법을 찾기 위해 예의 연구 노력한 결과, 줄기세포를 3D 다공성 스캐폴드에 부착시켜 배양하여 얻어지는 성장인자 및 사이토카인을 다량 함유한 배양액의 농축액을 로딩시킨 생분해성 스캐폴드를 이식함으로 직접 줄기세포를 로딩시켜 이식했을 때보다 높은 골재생 효과를 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the present inventors have made intensive researches to find a method of regenerating bone tissue efficiently without worrying about the immunodeficiency reaction by combining the merits of bone graft material and stem cell therapeutic agent transplantation. As a result, stem cells were attached to a 3D porous scaffold, And a biocompatible scaffold loaded with a concentrate of a culture medium containing a large amount of a cytokine obtained by the transplantation of the stem cells.

본 발명의 하나의 목적은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for producing a culture medium containing growth factors or cytokines, comprising the step of adhering adult stem cells to a scaffold and culturing in a three-dimensional manner.

본 발명의 다른 목적은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법에 의해 제조된 농축 배양액을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a concentrated culture liquid prepared by a method for producing a culture medium containing growth factors or cytokines, which comprises culturing adult stem cells on a scaffold and culturing the same three-dimensionally.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 농축 배양액을 유효성분으로 포함하는 골조직 재생용 조성물을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a composition for regenerating bone tissue comprising the concentrate as an active ingredient.

본 발명의 또 다른 목적은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법으로 배양액을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 배양액을 이식용 스캐폴드에 로딩하는 단계를 포함하는, 배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는, 골조직 재생용 이식체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a culture medium containing a growth factor or a cytokine, which comprises culturing adipose stem cells on a scaffold and culturing the same three-dimensionally, And a step of loading the prepared culture liquid into a scaffold for grafting, wherein the scaffold for grafting is loaded with a culture medium.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조된 배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는 골조직 재생용 이식체를 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide an implant for bone regeneration comprising a scaffold for implantation in which the prepared culture fluid is loaded.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a culture medium containing growth factors or cytokines, comprising culturing adipose stem cells on a scaffold and culturing the same three-dimensionally.

본 발명의 용어 "성체줄기세포"는 일반적인 줄기세포의 특징인 자가증식이 가능하고 적합한 환경 및 자극을 통해 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 세포, 즉 '미분화세포'로서, 특징적인 현상과 특화된 기능을 가지는 세포로 발달할 수 있는 잠재적인 능력을 가진 세포이며, 골수, 골격근, 지방조직, 제대혈, 제대, 피부, 양막, 태반 등으로부터 분리할 수 있다. 특히 중간엽 줄기세포는 연골, 뼈, 지방, 골수간질, 근육, 신경 등의 조직을 형성하는데 원조가 되는 세포로서, 성인에서는 일반적으로 골수에 머물러 있지만, 제대혈, 말초혈액, 기타 조직 등에도 존재하여 이들로부터 수득할 수 있는 세포를 의미한다. 바람직하게는 상기 성체줄기세포는 골수유래 중간엽 줄기세포일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 성체줄기세포를 얻는 방법은 종래 당업계에 공지된 방법에 의할 수 있으며, 본 발명의 실시예의 방법에 한정되지 않는다.As used herein, the term "adult stem cell" refers to a cell having the ability to differentiate into various cells through self-propagation, which is characteristic of general stem cells, It is a cell with potential ability to develop into a cell with specialized functions and can be separated from bone marrow, skeletal muscle, adipose tissue, umbilical cord blood, umbilical cord, skin, amnion, placenta and the like. In particular, mesenchymal stem cells are cells that aid in the formation of tissues such as cartilage, bone, fat, bone marrow stroma, muscle, and nerves. Although they remain in bone marrow in adults, they also exist in cord blood, peripheral blood, And means cells obtainable therefrom. Preferably, the adult stem cells may be bone marrow derived mesenchymal stem cells, but are not limited thereto. The method for obtaining the adult stem cells can be performed by a method known in the art and is not limited to the method of the embodiment of the present invention.

본 발명의 용어 "스캐폴드"는 일정한 골격을 갖는 고체 지지체를 의미하는 것으로 줄기세포가 상기 스캐폴드에 부착하여 증식, 배양될 수 있는 것이면 제한없이 포함한다. 바람직하게 상기 스캐폴드는 콜라겐 스캐폴드일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이와 같은 콜라겐 스캐폴드는 다공성 고체 지지체로 이용될 수 있다.The term "scaffold " of the present invention means a solid support having a constant skeleton, and includes, without limitation, any stem cell capable of attaching to the scaffold and being able to be proliferated and cultured. Preferably, the scaffold may be a collagen scaffold, but is not limited thereto. Such a collagen scaffold can be used as a porous solid support.

일반적인 세포 배양법에 있어서 3차원 배양은 배양접시에 부착되지 않고 액체배지에 부유상태로 배양하는 방법을 의미하지만, 본 발명의 용어 "3차원(3D) 배양"은 3차원 다공성 고체 지지체에 부착 배양시킴으로 세포가 증식함에 따라 지지체 내 기공을 채우면서 입체적으로 배양되도록 하는 방법을 의미한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 콜라겐 스캐폴드를 고체 지지체로 이용하였으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 방법은 이와 같은 3차원 배양을 통해, 기존의 줄기세포의 2차원 배양에서 얻을 수 없는 적은 양의 배양 배지를 이용하므로 적은 농축시간으로 고농도의 농축된 성장인자 또는 사이토카인을 수득할 수 있다.The term "three-dimensional (3D) culture" of the present invention refers to a method in which a three-dimensional culture is adhered to a three-dimensional porous solid support Means that the cells are cultured in three dimensions while filling the pores in the support as the cells proliferate. In a specific embodiment of the present invention, a collagen scaffold was used as a solid support, but it is not limited thereto. Since the method of the present invention uses a small amount of culture medium that can not be obtained in the two-dimensional culture of existing stem cells through such three-dimensional culture, a concentrated growth factor or cytokine can be obtained at a low concentration time have.

본 발명의 용어 "성장인자(growth factor)"는 세포 성장, 증식 및 분화를 촉진시킬 수 있는 자연적으로 생성되는 물질을 의미한다. 일반적으로 단백질이나 스테로이드 호르몬이며 다양한 세포 과정의 조절에 중요한 역할을 한다. 세포 사이의 신호전달 분자로서의 역할을 하며, 그 예로는 표적 세포의 표면에 존재하는 특이적 수용체에 결합하는 사이토카인과 호르몬 등이 있다. 때로는 성장인자의 종류에 따라 분화 및 발달을 촉진한다. 예를 들어 골형성단백질(bone morphogenic protein)은 골세포분화를 촉진하는 반면, 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor; FGF) 및 혈관내피 성장인자(vascular endothelial growth factor; VEGF)는 혈관분화(혈관신생; angiogenesis)를 촉진하다. 종종 사이토카인과 혼용되기도 하나, 사이토카인은 조혈세포 및 면역세포에 관여한다. 성장인자는 세포분열에 긍정적인 효과를 나타내는 반면, 사이토카인은 증식에 대한 분자의 효과에 대해 중립적인 용어이다. 바람직하게 상기 성장인자는 IGF-1(insulin-like growth factor-1), TGF-β1(transforming growth factor-beta 1), bFGF(basic fibroblast growth factor), BMP2(bone morphogenetic protein 2) 또는 VEGF(vascular endothelial growth factor)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The term "growth factor" of the present invention means a naturally occurring substance capable of promoting cell growth, proliferation and differentiation. It is generally a protein or steroid hormone and plays an important role in the regulation of various cellular processes. They serve as signaling molecules between cells, for example, cytokines and hormones that bind to specific receptors on the surface of target cells. Sometimes they promote differentiation and development depending on the type of growth factor. For example, bone morphogenic protein promotes osteoblast differentiation while fibroblast growth factor (FGF) and vascular endothelial growth factor (VEGF) are involved in vascular differentiation angiogenesis. Though often mixed with cytokines, cytokines are involved in hematopoietic and immune cells. Growth factors have a positive effect on cell division, whereas cytokines are neutral terms on the effect of molecules on proliferation. Preferably, the growth factor is selected from the group consisting of insulin-like growth factor-1 (IGF-1), transforming growth factor-beta1, basic fibroblast growth factor (bFGF), bone morphogenetic protein 2 (BMP2) endothelial growth factor).

본 발명의 용어 "사이토카인(cytokine)"은 많은 세포에서 분비되는 작은 세포-신호전달 단백질 분자로 세포 간 신호전달(communication)에 널리 쓰이는 신호전달 분자를 총칭한다. 단백질, 펩타이드 또는 당단백질(glycoprotein)으로 분류될 수 있으며, 사이토카인이라는 용어는 다양한 발생학상 기원의 세포에 의해 전 인체를 통해 생산되는 크고 다양한 패밀리의 조절인자를 모두 포함한다. 그러나 일반적으로 인터루킨(interleukin) 및 인터페론(interferon)과 같은 면역조절제(immunomodulating agent)를 지칭하는 용어로 사용되고 있다. 바람직하게 상기 사이토카인은 CXCL2(chemokine C-X-C motif ligand 2) 또는 IL-8(interleukin-8)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The term "cytokine" of the present invention is a small cell-signaling protein molecule secreted in many cells, and collectively refers to signaling molecules widely used for intercellular signal communication. Proteins, peptides or glycoproteins, and the term cytokine includes all of the large and diverse family of regulatory factors produced by the whole human body by cells of various embryological origins. However, it is generally used to refer to an immunomodulating agent such as interleukin and interferon. Preferably, the cytokine may be, but is not limited to, CXCL2 (chemokine CXC motif ligand 2) or IL-8 (interleukin-8).

본 발명의 용어 "배양액"은 분리된 줄기세포의 시험관 내에서 성장 및 생존을 지지할 수 있게 하는 액체 배지에 줄기세포를 일정기간 배양한 후 세포를 제거하고 남은 용액을 의미하며, 배양기간동안 세포로부터 분비된 성장인자 및 사이토카인 등의 단백질 및 세포 배양시 소모되고 남은 영양성분 등도 모두 포함한다. 상기 배지는 성체줄기세포의 배양에 적절한 당 분야에서 사용되는 통상의 배지를 모두 포함하며, 배지 및 배양 조건은 세포의 종류에 따라 선택할 수 있다. 배양에 사용되는 배지는 바람직하게는 세포 배양 최소 배지(cell culture minimum medium; CCMM)로, 일반적으로 탄소원, 질소원 및 미량원소 성분을 포함한다. 이러한 세포 배양 최소 배지는 예를 들어, DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM(Minimal essential Medium), BME(Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, αMEM(α Minimal essential Medium), GMEM(Glasgows Minimal essential Medium) 및 IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Medium)등이 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 배지는 페니실린(penicillin), 스트렙토마이신(streptomycin) 또는 겐타마이신(gentamicin) 등의 항생제 또는 소태아혈청(fetal bovine serum; FBS), 인간혈청알부민(human serum albumin) 등의 혈청첨가물을 추가로 포함할 수 있다.The term "culture medium" of the present invention means a solution in which stem cells are cultured for a predetermined period of time in a liquid medium which enables growth and survival of the isolated stem cells to be maintained in vitro, And proteins such as cytokines and nutrients remaining in the cell culture. The culture medium includes all conventional culture media suitable for culturing adult stem cells, and the culture medium and culture conditions can be selected depending on the type of cells. The medium used for the culture is preferably a cell culture minimum medium (CCMM), and generally includes a carbon source, a nitrogen source and a trace element component. The minimum culture medium for cell culture is, for example, DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal Essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F- But are not limited to, GMM (Glasgows Minimal Essential Medium) and IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Medium). In addition, the medium may be supplemented with antibiotics such as penicillin, streptomycin or gentamicin, or serum additives such as fetal bovine serum (FBS) and human serum albumin As shown in FIG.

본 발명은 배양액을 수거하여 농축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 배양액을 수거하는 단계는 당업계에 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으며, 예컨대 원심분리하여 수거할 수 있다. 이와 같이 수거된 배양액은 대부분이 액체성분으로 부피가 커서 보관이 용이하지 못하다. 따라서, 추가적으로 농축하는 단계를 수행할 수 있다. 농축한 배양액은 분주하여 냉동보관할 수 있고, 필요에 따라 해동시켜 원하는 농도로 희석하여 사용할 수 있다. 상기 단백질의 농축은 당업계에 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으며, 예컨대 단백질 농축 필터를 사용하여 농축할 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 단백질 농축 필터를 사용하여 단백질 함량은 유지하면서 1.5 ml의 배양액을 30 μl로 부피를 줄임으로 성장인자 및 사이토카인의 농도를 현저히 증가시킨 농축 배양액을 확보할 수 있었다.The present invention may further include a step of collecting and concentrating the culture liquid. The step of collecting the culture liquid may be carried out by a method known in the art, for example, centrifugation. Most of the collected cultures are liquid components, which are bulky and thus are not easy to store. Thus, additional concentration steps can be performed. The concentrated culture liquid can be kept in a frozen state by being dispensed, and it can be thawed and diluted to a desired concentration when necessary. Concentration of the protein can be performed by methods known in the art, for example, using a protein concentration filter. In a specific example of the present invention, a protein concentration filter was used to maintain a protein content, while a volume of 1.5 ml of the culture medium was reduced to 30 μl, thereby obtaining a concentrated culture medium in which the concentrations of growth factors and cytokines were significantly increased.

본 발명은 추가적으로 전기자극을 주어 배양하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 과정은 성장인자 및 사이토카인의 분비를 촉진하기 위한 것으로 전기자극 당업계에 공지된 방법에 의하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 세포배양접시에 전극을 설치하여 전극 상에서 세포가 부착 배양되도록 하고 전기를 흘려주어 자극을 가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The present invention may further comprise the step of subjecting to and cultivating an electrical stimulus. The above process may be performed by a method known in the art per electric stimulation to promote the secretion of growth factors and cytokines. Preferably, an electrode is provided on a cell culture dish to allow cells to adhere on the electrode, But it is not limited thereto.

본 발명은 상기 언급한 바와 동일하게 추가적으로 전기자극을 주어 배양한 세포의 배양액을 수거하여 농축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The present invention may further include the step of collecting and concentrating the culture medium of the cells cultured in the same manner as described above by applying the electric stimulus.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 콜라겐 스캐폴드에 부착시켜 3차원 배양하는 것만으로도 골재생 관련 성장인자 및 줄기세포 이동촉진 관련 사이토카인의 유전자 발현 및 분비가 눈에 띄게 증가하는 것을 확인하였다(실시예 2 내지 4, 도 4 및 도 5). 나아가 단백질 농축 필터를 이용하여 농축함으로 단백질의 손실은 거의 없이(표 2) 약 50배 더 높은 농도로 농축시킬 수 있고(실시예 5) 이와 같이 제조된 농축 배양액은 뛰어난 골세포로의 분화 유도능을 나타냄을 확인하였다(도 8 및 도 9).
In the specific examples of the present invention, it was confirmed that gene expression and secretion of osteoclast-related growth factor and stem cell migration-promoting cytokine remarkably increased only by attaching to a collagen scaffold and culturing in three dimensions 2 to 4, Fig. 4 and Fig. 5). Furthermore, by concentrating using a protein concentration filter, it is possible to concentrate the protein to a concentration about 50 times higher than that of the protein (Table 2) (Example 5). The concentrated culture thus prepared exhibits excellent induction of differentiation into bone cells (Figs. 8 and 9).

또 하나의 양태로서, 본 발명은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법에 의해 제조된 농축 배양액을 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a concentrated culture liquid prepared by a method for producing a culture medium containing a growth factor or cytokine, which comprises culturing adipose stem cells on a scaffold and culturing the same three-dimensionally.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 농축 배양액을 유효성분으로 포함하는 골조직 재생용 조성물을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a composition for bone tissue regeneration comprising the concentrate as an active ingredient.

본 발명의 용어 "골조직(osseous tissue)"은 뼈를 형성하는 조직을 일컫는 용어이다. 뼈는 표면이 치밀골질로 이루어지며, 중심부나 장골의 양 끝은 그물눈 같이 연합된 해면골질로 되어 있다. 대부분의 뼈는 처음에 결합조직 중의 연골로서 발생하여 나중에 골조직으로 바뀌는데 일부는 결합조직 중에서 직접 생성된다. 말단에는 이웃 뼈와 접하는 부분에 관절면이 있고, 그 표면은 초자연골인 관절연골로 덮여있다. 해면질 가운데의 해면소주는 일정한 배열로 되어 있는 것이 특징이다. 골세포는 골층판 사이에 배열되어 있으며, 불규칙한 별모양으로 가는 원형질 돌기로 인접한 다른 골세포와 연결되어 있다. 뼈의 표면에는 질긴 결합조직성 골막이 있으며, 신경과 혈관이 분포되어 뼈의 보호와 영양을 맡고 있다. 골막이 결손되면 뼈의 생존, 신생, 재생 등의 곤란해진다. 골질의 성분은 수분 20%, 세포를 포함한 유기질 35%, 무기질 45%인데, 뼈가 일정한 탄력성을 유지하는 것은 유기질이 있기 때문이다. 연령이 증가함에 따라 무기질(주로 인산칼슘)이 증가하여 뼈의 경도도 증가한다.The term "osseous tissue" of the present invention is a term referring to a tissue that forms a bone. The bone is made up of fine-grained bone, and both ends of the central or iliac bone are associated with a spongy bone like a net. Most of the bones first develop as cartilage in the connective tissue and later turn into bone tissue, some of which are produced directly in the connective tissue. At the distal end, there is a joint surface in contact with the neighboring bone, and its surface is covered with articular cartilage, which is a supernatural bone. The sponge in the middle of the spongy is characterized by a constant arrangement. The osteocytes are arranged between the stratum corneum and are connected to other adjacent osteoclasts by protruding protrusions with irregular star shape. There is a rigid connective tissue periosteum on the surface of the bones, and nerve and blood vessels are distributed to protect and nourish the bones. If the periosteum is deficient, it becomes difficult to survive, start, regenerate, and the like of the bone. Bone content is 20% moisture, 35% organic and 35% inorganic, because the bone has a constant elasticity of organic matter. As age increases, minerals (mainly calcium phosphate) increase and bone hardness increases.

본 발명의 용어 "재생"은 일반적으로 생물체에는 몸의 일부 또는 그 기능을 상실하였을 때, 그 부분의 조직이나 기관을 다시 만들어 원래 상태로 복구시키거나 그 기능을 회복하려는 작용을 일컫는다. 이러한 재생능력은 체계가 간단하고 계통적으로 진화의 정도가 낮은 것일수록 강하다. 본 발명은 구체적인 일 실시예에서 본 발명의 농축 배양액을 일반 골세포 분화 유도용 배양배지에 1 또는 5% 혼합한 배양액을 이용하여 일반 골세포 분화용 배지보다 높은 ALP 활성(도 8) 및 석회화(도 9)를 나타냄을 확인하여, 본 발명의 3차원 배양으로부터 획득한 배양액이 골조직을 효율적으로 재생하는 것을 확인하여, 골조직 재생용 조성물로 이용될 수 있음을 확인하였다.
The term "regeneration" of the present invention generally refers to an action in which, when an organism loses a part of its body or its function, the tissue or organ of the part is regenerated and restored or restored to its original state. This regeneration ability is stronger as the system is simple and systematic and the degree of evolution is low. In one embodiment, the present invention provides the use of a culture medium in which 1% or 5% of a concentrated culture medium of the present invention is mixed with a culture medium for inducing differentiation of normal osteoclasts to a higher ALP activity (Fig. 8) and calcification 9), confirming that the culture solution obtained from the three-dimensional culture of the present invention efficiently regenerates the bone tissue, and confirmed that it can be used as a composition for regenerating bone tissue.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하는 단계를 포함하는, 성장인자 또는 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 방법으로 배양액을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 배양액을 이식용 스캐폴드에 로딩하는 단계를 포함하는, 배양액을 로딩한 스캐폴드를 포함하는, 골조직 재생용 이식체의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for culturing a stem cell, comprising culturing a culture medium comprising a growth factor or cytokine comprising a step of adhering adult stem cells to a scaffold and culturing the same three-dimensionally; And a step of loading the prepared culture liquid into a scaffold for grafting, wherein the scaffold is loaded with a culture medium.

본 발명의 용어 "이식(transplantation)"은 일반적으로 공여자의 세포, 조직 또는 장기 등을 수혜자의 손상 조직 또는 장기에 옮기는 과정을 의미한다. 공여자의 형태에 따라 자기 세포나 조직을 다른 곳에 이식하는 자가이식(autograft), 수혜자와 동일한 종인 공여자로부터의 세포, 조직, 장기 등을 이식하는(예컨대 인간에서 인간으로) 동종이식(allograft), 다른 종으로부터의 장기 등을 이식하는(예컨대 동물의 장기를 인간에게) 이종이식(xenograft)로 분류될 수 있다. 이식의 대상은 보다 넓게는 공여자의 세포, 조직 또는 장기 뿐 아니라 수혜자의 손상된 조직의 재생을 도울 수 있는 물질이면 제한없이 포함한다. 이식은 당업계에 공지된 방법으로 수행될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 제한되지 않는다. 예를 들어 외과적 수술로 수행될 수 있고, 세포 등과 같은 물질은 환부에 직접 주사할 수 있다.The term "transplantation" of the present invention generally refers to the process of transferring the donor's cells, tissues or organs to the damaged tissue or organ of the recipient. Depending on the donor type, autografts transplanted their own cells or tissues elsewhere, allografts (eg, from humans to humans) that transplant cells, tissues, organs from a donor that is the same species as the recipient Can be classified as xenografts that transplant organs from a species (e.g., organs of an animal to humans). The subject of transplantation includes, without limitation, any cell, tissue or organ of the donor, as well as any material that can aid the regeneration of the injured tissue of the recipient. The transplantation can be performed by a method known in the art, and is not limited to the embodiment of the present invention. For example, surgery can be performed with surgery, and materials such as cells can be injected directly into the affected area.

본 발명의 용어 "이식용 스캐폴드"는 이식하고자 하는 물질과 함께 이식되는 구조체로 상기 이식하고자 하는 물질을 머물러 있도록 지지하는 역할을 하는 구조체이다. 따라서, 생체적합성을 갖는 물질이어야 하고, 세포나 조직의 생착률이 높아야 한다. 바람직하게 상기 이식용 스캐폴드는 생분해성 물질일 수 있고, 보다 바람직하게는 콜라겐일 수 있다.The term "scaffold for implantation" of the present invention is a structure that is implanted together with a material to be implanted, and serves to support the material to be implanted. Therefore, it should be a substance having biocompatibility and high cell or tissue engraftment rate. Preferably, the implantable scaffold may be a biodegradable material, more preferably a collagen.

본 발명의 용어 "로딩(loading)"은 상기 이식용 스캐폴드에 치료효과가 있는 물질을 함유시키는 과정을 의미한다. 이러한 기능을 충족시키는 방법이면 제한없이 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 골조직 재생에 효과가 있는 줄기세포 농축 배양액을 이식용 스캐폴드로 사용되는 콜라겐 스캐폴드에 도포하여 흡수시켰다.The term "loading " of the present invention refers to the process of containing a therapeutically effective substance in the implantable scaffold. Any method that satisfies these functions can be used without limitation. In the present invention, a stem cell enrichment culture fluid effective for regenerating bone tissue is applied to a collagen scaffold used as a graft scaffold to be absorbed.

본 발명의 용어 "이식체"는 손상된 부위를 외부로부터 격리하거나 이식된 세포나 분비된 치료물질을 포함하고 상기 세포나 치료물질이 머물러 있도록 하는 지지체로서, 인체 또는 포유동물에 이식될 수 있는 물질을 의미한다. 이와 같은 이식체는 조직공학용 지지체로서 생분해성을 가지는 합성고분자와 천연재료 등 당업계에 다양하게 사용되는 물질을 제한없이 포함한다. 바람직하게는 콜라겐일 수 있다. 본 발명의 이식체는 줄기세포 농축 배양액을 포함하는 콜라겐 스캐폴드로서 비자기 세포를 포함하고 있지 않으므로 면역거부반응이 없으며 염증반응을 야기하지 않음을 구체적인 실시예에서 확인하였다(도 11). 따라서, 다양한 이식체를 체내에 이식하였을 경우 발생할 수 있는 면역거부반응 또는 염증반응을 억제하기 위한 별도의 면역거부반응 억제제 또는 항염증제의 투여가 없어도 이식된 이식체가 생체 내에 면역거부반응이나 염증유발 없이 안정적으로 생착할 수 있다. 본 발명의 이식체는 줄기세포 농축 배양액을 포함하는 콜라겐 스캐폴드이며, 상기 농축 배양액을 포함하는 콜라겐 스캐폴드에 추가적으로 중간엽 줄기세포를 포함할 수 있다.
The term "transplant" of the present invention refers to a support that isolates a damaged site from the outside or contains implanted cells or secreted therapeutic material and allows the cell or therapeutic material to stay, it means. Such grafts include, without limitation, various materials used in the art such as biodegradable synthetic polymers and natural materials as supports for tissue engineering. Preferably, it may be collagen. The transplant of the present invention was confirmed in a specific example that a collagen scaffold containing stem cell enrichment broth does not contain non-magnetic cells and thus does not cause an immunological rejection reaction and does not cause an inflammatory reaction (FIG. 11). Therefore, even without administering a separate immunosuppressive agent or an anti-inflammatory agent to inhibit the immune rejection reaction or the inflammatory reaction that may occur when various grafts are transplanted into the body, the grafted graft is stable in vivo without inducing immunological rejection or inflammation . The transplant of the present invention is a collagen scaffold including a stem cell concentration culture medium, and may further include mesenchymal stem cells in addition to the collagen scaffold containing the concentrate.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 제조된 배양액을 로딩한 스캐폴드를 포함하는 골조직 재생용 이식체를 제공한다.As another embodiment, the present invention provides There is provided an implant for bone tissue regeneration comprising a scaffold loaded with the prepared culture solution.

본 발명의 줄기세포를 고체 지지체에 부착시켜 3차원 배양함으로 얻어진 성장인자 및 사이토카인을 다량 함유한 배양액을 농축시킨 농축배양액을 포함하는 콜라겐 스캐폴드로 구성된 이식체는 랫트 두개관 결손 동물모델에 이식되어(도 10) 염증반응 없이(도 11) 줄기세포의 이동을 촉진하고(도 12) 줄기세포를 이식한 대조군보다 더 높은 골재생능을 나타내었다(도 13 내지 15).
A graft composed of a collagen scaffold containing a growth medium obtained by concentrating a growth medium containing a large amount of growth factors and cytokines obtained by three-dimensionally culturing the stem cells of the present invention on a solid support was transplanted into a rat two- (Fig. 10), promoted migration of stem cells (Fig. 11) without inflammatory reaction (Fig. 12) and showed higher aggregate bioactivity than the control cells transplanted with stem cells (Fig. 13 to 15).

본 발명의 줄기세포를 고체 스캐폴드에 부착시켜 3차원 배양함으로 얻어진 배양액은 성장인자 및 사이토카인을 다량 함유하며 이를 농축한 농축 배양액을 콜라겐 스캐폴드에 로딩하여 골결손 부위에 이식하여 염증반응 없이 높은 골재생 효과를 나타냄을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 농축 배양액은 세포를 포함하지 않으므로 면역거부반응이나 염증반응 걱정없는 골재생용 조성물로 활용할 수 있을 것이다.
The culture solution obtained by culturing the stem cells of the present invention on a solid scaffold and culturing the cells in a three-dimensional manner contains a large amount of growth factors and cytokines. The concentrated culture solution is loaded on a collagen scaffold to be transplanted into a bone defect site, Indicating the effect of bone regeneration. Therefore, the concentrated culture solution of the present invention does not contain cells, and thus can be utilized as a composition for regenerating aggregates without worrying about an immune rejection reaction or an inflammatory reaction.

도 1은 전기 자극용 시험관 내 배양 시스템의 전기 자극장치(중간)와 이상 전류 자극기 내의 전기자극 세기 조절장치(좌) 및 전기자극 장치 내에 세포를 배양한 콜라겐을 로딩한 실제 모습(우)을 나타낸 도이다.
도 2는 스캐폴드에 대한 세포부착성 확인을 위한 전자현미경 사진을 나타낸 도이다. 좌로부터 각각 세포가 부착되지 않은 콜라겐 스캐폴드(collagen scaffold), 세포를 부착시킨 스캐폴드(control) 및 세포를 부착시키고 스캐폴드에 전기자극을 가한 실험군(EC)을 나타낸다.
도 3은 실시간 RT-PCR(real-time RT-PCR)을 통한 성장인자 및 사이토카인의 유전자 발현량을 나타낸 도이다. 2D 배양 및 3D 배양시 각 유전자의 발현량을 비교하여 나타내었다.
도 4는 3차원 배양시 전기자극 유무에 따른 유전자 발현량을 비교하여 배양일수에 대하여 나타낸 도이다.
도 5는 배양법에 따른 성장인자 및 사이토카인의 발현량 비교를 위한 효소면역측정법(enzyme linked immunosorbent assay; ELISA) 결과를 나타낸 도이다. VEGF(vascular endothelial growth factor), bFGF(basic fibroblast growth factor) 및 IL-8(interleukin-8)의 발현량을 측정하였으며, 2D 및 3D 배양에 따른 발현량 및 각각에 있어서 전기자극 유무에 따른 발현량을 측정하여 비교하였다.
도 6은 배양액의 농축에 사용된 단백질 농축필터를 나타낸 도이다.
도 7은 농축 배양액의 세포 독성 확인을 위한 MTT 분석 결과를 나타낸 도이다. 본 발명의 농축배양액을 1, 2.5 및 5%로 혼합시킨 일반 배양액에서 3일간 배양한 세포에 대한 세포생존률을 측정하였다.
도 8은 배양 조건에 따른 ALP(alkaline phosphatase) 활성을 나타낸 도이다. 줄기세포를 대조군(con; 아스코르브산, β-글리세로포스페이트), 골세포로 분화시키는 조건(dex; 덱사메타손) 및 골세포로 분화시키는 조건에 전기자극 존재 및 부재하에 3D 배양하여 제조한 농축 배양액을 표기한 농도로 첨가하여 배양한 실험군에 대하여 ALP 활성을 측정하여 골세포 분화에 미치는 영향을 확인하였다.
도 9는 골세포 분화에 대한 농축 배양액의 영향을 확인하기 위한 알리자린 레드 S(alizarin red S) 염색결과 및 이를 탈색시켜 수득한 알리자린 레드 S의 양을 정량한 결과를 나타낸 도이다. 알리자린 레드 S로 염색한 각 조건에서 배양한 줄기세포를 사진 촬영 후 탈색 용액으로 탈색시키고 595 nm의 파장에서 해당 용액의 흡광도를 측정하여 농도로 환산하였다.
도 10은 두개관 손상 실험동물 모델의 제작 및 이를 이용한 동물실험 과정을 나타낸 도이다.
도 11은 농축 배양액에 의한 염증반응을 확인하기 위한 H&E 염색결과를 나타낸 도이다.
도 12는 농축 배양액의 줄기세포 이동 촉진 실험결과를 나타낸 도이다. 두개관 손상 실험동물 모델에 각각 일반 배양액과 본 발명의 농축 배양액을 로딩한 콜라겐 스캐폴드를 삽입하고 형광 염료인 Dil이 표지된 인간 골수유래 줄기세포를 주입하고 4일 후 이식부위를 확인하였다. 비교실험군으로는 줄기세포 이동 촉진물질인 SDF-1(stromal cell-derived factor-1)을 로딩한 스캐폴드를 이용하였다.
도 13은 마이크로 CT 촬영으로 골형성 정도를 정량분석한 결과를 나타낸 도이다. 스캐폴드에 줄기세포를 로딩하여 이식한 대조군(cell), 3D 배양으로 제조한 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드를 이식한 실험군(media-C) 및 전기자극을 가하면서 3D 배양하여 제조한 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드를 이식한 실험군(media-EC)에 대한 골형성부피(bone volume; BV), 망상골의 수(trabecular number; Tb.N), 망상골의 분포(trabecular separation; Tb.Sp) 및 망상골의 두께(trabecular thickness; Tb.Th)를 측정하였다.
도 14는 마이크로 CT를 이용하여 측정한 신생 골조직의 이미지를 나타낸 도이다. 두개관 손상 동물모델에 각각의 이식체를 이식하고 4주 뒤에 마이크로 CT를 활영하여 새롭게 형성된 골조직을 이미지화 하였다.
도 15는 골형성 정도를 확인하기 위한 조직학적 염색 결과를 나타낸 도이다. 두개관에 5 mm 지름의 골결손을 유발한 골손상 동물모델에 각각의 이식체를 이식하고 4주 후 마송삼색 염색법을 이용하여 골형성 정도를 조직학적으로 평가하였다.
FIG. 1 shows an electric stimulation device (middle) in an in vitro culture system for electric stimulation, an electric stimulation intensity control device (left) in an abnormal current stimulator, and an actual state (right) of loading collagen cultured in an electric stimulation device .
FIG. 2 is an electron microscope photograph for confirming cell adhesion to a scaffold. FIG. From the left, there is a collagen scaffold with no cells attached, a scaffold attached with cells, and an experimental group (EC) with cells attached and electrical stimulation applied to the scaffold.
FIG. 3 is a diagram showing gene expression amounts of growth factors and cytokines through real-time RT-PCR. 2D and 3D cultures, respectively.
FIG. 4 is a graph showing the number of days of culturing by comparing the amount of gene expression according to the presence or absence of electric stimulation in a three-dimensional culture.
FIG. 5 is a graph showing the results of an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for comparing the expression levels of growth factors and cytokines according to the culture method. The expression levels of VEGF (vascular endothelial growth factor), bFGF (basic fibroblast growth factor) and IL-8 (interleukin-8) were measured and the expression levels of 2D and 3D cultures, Were measured and compared.
6 is a diagram showing a protein concentration filter used for concentration of a culture liquid.
7 is a graph showing the results of MTT analysis for confirming the cytotoxicity of the concentrated culture medium. Cell viability was measured for cells cultured for 3 days in a general culture medium in which the concentrate of the present invention was mixed at 1, 2.5 and 5%.
FIG. 8 shows ALP (alkaline phosphatase) activity according to culture conditions. FIG. A concentrated culture solution prepared by culturing stem cells in the presence or absence of electric stimulation in conditions of differentiation into bone cells (dex (dex) and dexamethasone) for differentiating into a control group (con (ascorbic acid,? -Glycerophosphate) ALP activity was measured in the experimental group added at the indicated concentration and the effect on osteoclast differentiation was confirmed.
FIG. 9 is a graph showing the result of staining of alizarin red S for confirming the influence of a concentrated culture solution on bone cell differentiation and the amount of alizarin red S obtained by decolorizing the same. Stem cells cultured in each condition stained with alizarin red S were photographed, decolorized with decolorizing solution, and absorbance of the solution was measured at a wavelength of 595 nm and converted to a concentration.
FIG. 10 is a diagram showing the preparation of an experimental animal model with two open-mouth injuries and an animal experimental procedure using the same.
11 is a diagram showing the result of H & E staining for confirming the inflammatory reaction by the concentrated culture liquid.
FIG. 12 is a graph showing the results of stimulation of stem cell migration of a concentrated culture medium. FIG. The collagen scaffold loaded with the culture medium of the present invention and the culture medium of the present invention was inserted into each of the two lesion injured experimental animal models, and human embryo-derived stem cells labeled with a fluorescent dye, a human bone marrow-derived stem cell, were injected. As a comparative experimental group, a scaffold loaded with SDF-1 (stromal cell-derived factor-1), which promotes stem cell migration, was used.
13 is a graph showing the result of quantitative analysis of the degree of bone formation by micro CT imaging. A control cell loaded with stem cells into a scaffold, an experimental group (media-C) implanted with a scaffold loaded with a concentrate prepared by 3D culture, and a concentrate prepared by 3D culture with electrical stimulation The bone volume (BV), trabecular number (Tb.N), trabecular separation (Tb.Sp), and trabecular separation (Tb.Sp) of the loaded scaffold transplantation group (media- And trabecular thickness (Tb.Th) were measured.
14 is a view showing an image of a new bone tissue measured using a micro CT. Two implanted animals were implanted with each implant and four weeks later, micro CT was performed to image the newly formed bone tissue.
15 is a diagram showing the results of histological staining for confirming the degree of bone formation. The bone grafts were transplanted into the osseous animal model that caused 5 mm diameter bone defects in both openings and 4 weeks after transplantation, the degree of osteogenesis was evaluated histologically using Marsh Tri-color staining.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 인간  1: human 골수유래Bone marrow origin 중간엽Intermediate lobe 성체줄기세포의Adult stem cells 분리 및 배양 Isolation and Culture

본 발명의 성체줄기세포 공급원으로서의 인간 골수는 환자의 동의하에 장골(iliac bone)에서 흡입천자 기구로 획득하였으며, 소속대학의 윤리위원회(institutional review board; IRB)로부터 허가를 받았다. Vilamitjana-Amedee 등의 논문(In Vitro Cell Dev. Biol. Anim., 1993, 29A(9): 699-707)에 기술된 방법으로 골수기증자의 장골(iliac crest) 부위로부터 골수액을 추출하였다. 피콜용액(Ficoll-PaqueTM PLUS)을 첨가하여 밀도에 따라 층이 분리되면 상층액과 하층의 혈액층 사이에 형성된 유핵 세포층을 분리하였다. 분리된 유핵세포는 3 내지 4×104 세포/cm2의 밀도로 DMEM(Dulbecco's modified Eagle's medium) 배지에 10% 소태아혈청(fetal bovine serum; FBS)을 함유한 배지 조건에서 배양하고, 3 내지 4일에 한번씩 신선한 배지로 갈아주면서, 세포 군집(colony)이 형성되어 배양접시에 60 내지 70% 정도로 찰 때까지 증식시킨 후 계대배양을 시작하였다. 충분한 수의 세포를 확보하기 위하여 계대배양 횟수를 늘리고 두 번째 계대배양에서 실험을 수행하고 나머지 세포들은 냉동보관하였다.
The human bone marrow as a source of adult stem cells of the present invention was obtained from a iliac bone aspirated puncture device with the consent of the patient and obtained permission from the university's institutional review board (IRB). The bone marrow fluid was extracted from the iliac crest region of the bone marrow donor by the method described in Vilamitjana-Amedee et al. (In Vitro Cell Dev. Biol. Anim., 1993, 29A (9): 699-707). Ficoll-Paque PLUS was added to separate the layers according to their density, and then the nucleated cell layer formed between the supernatant and the lower blood layer was separated. Separated nucleated cells were cultured in DMEM (Dulbecco's modified Eagle's medium) medium at a density of 3 to 4 × 10 4 cells / cm 2 under medium containing 10% fetal bovine serum (FBS) After 4 days, the cells were replaced with fresh medium, and a colony was formed. The cells were grown to 60 to 70% on a culture plate, and subculture was started. In order to obtain a sufficient number of cells, the number of subcultures was increased and experiments were carried out in the second subculture, and the remaining cells were stored frozen.

실시예Example 2: 전기자극과 평면 또는 입체 세포 배양조건 2: Electrical stimulation and flat or stellate cell culture conditions

분리된 줄기세포 배양시 성장인자 및 사이토카인의 분비를 촉진시키기 위한 방법으로 전기자극을 주면서 배양 및/또는 입체 스캐폴드에 부착시켜 3차원으로 배양하였다. 배양중 전기자극을 주기 위하여 고안된 장치를 도 1에 나타내었다. 전극으로는 금을 증착시킨 플레이트를 사용하였고 채널 전극 상에 세포가 부착배양 되도록 하였다. 전기자극은 입체배양 조건과 조합하여 적용하였다. 2D 평면배양은 일반적인 테플론 세포배양 접시(Teflon culture dish)에 배양한 반면, 3D 입체배양을 위해서는 콜라겐 스캐폴드를 도입하여 그 위에 부착하여 배양하는 방식을 이용하였다. 전기자극은 배양조건에 따라 다르게 주어졌는데, 2D 평면 배양시에는 1.7×103 세포/cm2의 세포밀도로 시딩(seeding)하고 다음날부터 1.5 μA, 250 μs, 100 Hz의 조건으로 4일 동안 자극하면서 배양하였고, 콜라겐 스캐폴드에 부착시켜 3D 배양시에는 5×105의 세포를 5 mm 크기의 콜라겐에 20 μl의 부피로 시딩하고 3 내지 4시간 동안 부착되도록 방치한 후 배양액을 첨가하고 다음날부터 20 μA, 250 μs, 100 Hz의 조건으로 4일 동안 자극하면서 배양하였다. 3D 입체배양을 위해 사용된 콜라겐 스캐폴드의 표면과 이에 인간 골수유래 성체줄기세포가 부착된 실험군 및 상기 콜라겐 스캐폴드에 성체줄기세포를 부착시키고 전기자극을 가한 실험군의 세포 형태를 배양 4일째에 주사전자현미경(scanning electron microscopy)으로 확인하였다.As a method for promoting the secretion of growth factors and cytokines during the culture of the isolated stem cells, the cells were cultured in three dimensions by attaching to the culture and / or stereoscopic scaffold while giving electrical stimulation. An apparatus designed to give electrical stimulation during culture is shown in Fig. As the electrode, a plate deposited with gold was used, and cells were allowed to adhere to the channel electrode. Electrical stimulation was applied in combination with stereogenic conditions. 2D plane cultures were cultured on a common Teflon culture dish while 3D culture was carried out by introducing a collagen scaffold and incubating the cells on the 2D collagen scaffold. The electrical stimulation was given differently depending on the culture conditions. In the 2D plane culture, seeding was carried out at a cell density of 1.7 × 10 3 cells / cm 2 and stimulation was carried out for 1.5 days at 1.5 μA, 250 μs, And attached to a collagen scaffold. At the time of 3D culture, 5 × 10 5 cells were seeded into 5-mm collagen in a volume of 20 μl, allowed to adhere for 3 to 4 hours, added with the culture solution, 20 μA, 250 μs, and 100 Hz for 4 days. On the surface of the collagen scaffold used for 3D stereoculture, the experimental group to which human bone marrow-derived adult stem cells were adhered, and the cell type of the experimental group to which adult stem cells were attached to the collagen scaffold were injected on the fourth day of culture And confirmed by scanning electron microscopy.

주사전자현미경 관찰 결과, 콜라겐 스캐폴드의 표면은 세포가 증식하면서 침입해 들어갈 수 있는 다공성 표면을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었고, 본 발명의 줄기세포는 이러한 다공성 콜라겐 스캐폴드 상에 용이하게 부착되어 배양, 증식되었으며, 전기자극을 가한 경우에도 안정적으로 부착되어 배양, 증식되는 것을 확인할 수 있었다(도 2).
As a result of the scanning electron microscopic observation, it was confirmed that the surface of the collagen scaffold had a porous surface capable of entering into the cell while proliferating, and the stem cell of the present invention was easily attached to the porous collagen scaffold, And it was confirmed that the cells were stably attached and cultured and proliferated even when electric stimulation was applied (Fig. 2).

실시예Example 3: 실시간  3: Real time 역전사효소Reverse transcriptase -중합효소연쇄반응(- Polymerase chain reaction realreal timetime reversereverse transcriptase-polymerase  전사화ASE-Polymerase chainchain reactionreaction ; ; realreal timetime RTRT -- PCRPCR )을 이용한 유전자 발현 분석) Gene expression analysis

먼저, 입체 세포배양에 따른 유전자 발현량을 비교하였다. real time RT-PCR은 공지의 방법으로 수행하였다.First, the amount of gene expression was compared with that of steric cell culture. Real time RT-PCR was performed by a known method.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 2D 평면배양시보다 콜라겐 스캐폴드에 부착 배양시킨 3D 배양의 경우 유전자 발현이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 구체적으로 3D 배양시 2D 배양에 비해 IGF-1(insulin-like growth factor-1)은 74배, BMP2(bone morphogenetic protein 2)는 59.4배, CXCL2(chemokine C-X-C motif ligand 2)는 13.1배, IL-8(interleukin-8)은 149배 및 VEGF(vascular endothelial growth factor)는 1.2배 증가하였다(도 3).As a result, as shown in FIG. 3, it was confirmed that gene expression was significantly increased in 3D culture incubated with collagen scaffold than in 2D plane culture. Specifically, in 3D cultures, insulin-like growth factor-1 (IGF-1), BMP2 (bone morphogenetic protein 2) and CXCL2 (chemokine CXC motif ligand 2) 8 (interleukin-8) and VEGF (vascular endothelial growth factor) increased 1.2-fold (FIG. 3).

나아가, 3D 배양시 유전자 발현에 대한 전기자극의 영향을 확인하기 위하여 전기자극 부재시 및 존재시 3D 배양 2일차와 4일차에 유전자 발현량을 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Furthermore, in order to confirm the effect of electric stimulation on gene expression in 3D culture, gene expression levels were measured on the 2nd and 4th days of 3D culture in the absence and presence of electrical stimulation, and the results are shown in FIG.

그 결과, 골재생 관련 성자인자의 유전자 발현은 정도와 시기의 차이는 있으나 전기자극에 의해 증가함을 확인하였다. 즉, IGF-1 유전자는 배양 2일차에 1.6배로 증가하였으며, BMP2, VEGF, TGF-β 및 bFGF 유전자는 4일차에 각각 4.2배, 2.3배(데이터 보이지 않음), 2.3배 및 2.5배로 증가하였다. 한편, 줄기세포 및 초기 면역반응 관련 세포 이동촉진에 기여하는 사이토카인인 CXCL2와 IL-8 유전자의 발현도 4일차에 각각 2.8배와 2.5배로 증가하였다(도 4).
As a result, it was confirmed that gene expression of bone regeneration related factors was increased by electric stimulation although there was a difference in degree and timing. BMP2, VEGF, TGF-β, and bFGF genes increased 4.2 and 2.3 times (data not shown), 2.3 and 2.5 times on day 4, respectively, while the IGF-1 gene increased 1.6 times on the second day of culture. On the other hand, the expression of CXCL2 and IL-8 genes, which are cytokines contributing to stem cell and early immune response related cell migration, increased to 2.8-fold and 2.5-fold on day 4, respectively (FIG.

실시예Example 4:  4: ELISAELISA (( enzymeenzyme -- linkedlinked immunosorbentimmunosorbent assayassay )을 이용한 단백질 발현 분석Analysis of protein expression using

상기 실시예 3으로부터 3D 배양시 및/또는 전기자극을 적용시켜 배양시 골재생 관련 성장인자 및 줄기세포 및 초기 면역반응 관련 세포 이동촉진 사이토카인 유전자의 발현량이 증가하는 것을 확인하였다. 이에 ELISA를 이용하여 상기 단백질들의 발현량을 비교 분석하였다.It was confirmed from the above Example 3 that the amount of expression of osteogenic regeneration-related growth factors, stem cells, and early immune response-related cell migration-promoting cytokine genes was increased when cultured under 3D culture and / or electrical stimulation. The expression levels of the proteins were compared using an ELISA.

구체적으로 세포를 3일간 배양한 후 배양액을 수거하여 배양액 중 골형성에 요구되는 혈관내피 성장인자(VEGF; vascular endothelial growth factor), 세포증식 및 발달에 중요한 역할을 하는 bFGF(basic fibroblast growth factor) 및 줄기세포 이동에 관여하는 사이토카인인 IL-8(interleukin-8)의 발현량을 확인하였다.Specifically, the cells were cultured for 3 days and the culture broth was collected. The vascular endothelial growth factor (VEGF) required for osteogenesis in the culture medium, bFGF (basic fibroblast growth factor), which plays an important role in cell proliferation and development, The expression level of IL-8 (interleukin-8), a cytokine involved in stem cell migration, was confirmed.

그 결과, 혈관생성에 중요한 역할을 하는 VEGF의 경우 2D 평면배양시보다 콜라겐 스캐폴드를 이용한 3D 배양시 19배 더 높은 농도로 존재하였고, 2D와 3D로 배양하면서 전기자극(EC)을 주었을 때는 전기자극에 의해 각각 1.37배 및 1.13배 증가하였다. 한편 bFGF는 2D 배양시보다 3D 배양조건에서 약 2배 더 높은 농도로 존재하였으나 2D 배양에서는 전기자극에 의한 효과가 관찰된 반면 3D 배양에서는 관찰되지 않았다(데이터 보이지 않음). 마지막으로 사이토카인 IL-8은 3D 입체배양 만으로 2D 평면배양시보다 26.5배 높은 농도로 분비됨이 확인되었고, 전기자극에 의해 각각 1.38배 및 2.02배 더 증가하였다(도 5).As a result, VEGF, which plays an important role in angiogenesis, was present at a concentration 19 times higher in 3D culture using collagen scaffold than in 2D plane culturing. When cultured in 2D and 3D, electric stimulation (EC) Stimulation increased 1.37 and 1.13 fold, respectively. On the other hand, bFGF was present at a concentration about 2 times higher in 3D culture than 2D culture, whereas 2D culture showed electrical stimulation but not 3D culture (data not shown). Finally, cytokine IL-8 was found to be secreted in 26.5-fold higher concentration than in 2D plane culture only by 3D stereoculture, and increased by 1.38-fold and 2.02-fold by electrical stimulation, respectively (FIG. 5).

결론적으로 콜라겐 스캐폴드를 이용하여 3D 입체배양하는 것만으로 고농도의 성장인자 및 사이토카인(IGF-1, VEGF, BMP2, bFGF, CXCL2, IL-8)이 포함된 배양액을 얻을 수 있었고, 추가적인 전기자극으로 VEGF, bFGF 및 IL-8의 발현이 증가된 배양액을 확보할 수 있었다.
In conclusion, a culture medium containing high concentration of growth factors and cytokines (IGF-1, VEGF, BMP2, bFGF, CXCL2, IL-8) could be obtained by 3D stereoculture using collagen scaffold, , And the culture supernatant of VEGF, bFGF and IL-8 was increased.

실시예Example 5: 줄기세포 배양액의 농축 및 농축된 배양액의 활성 평가 5: Enrichment of stem cell culture and evaluation of activity of concentrated culture

상기 실시예 2의 방법으로 줄기세포를 배양하여 수득한 배양액을 단백질 농축필터(sartorius, vivaspin 2)를 이용하여 농축하였다. 상기 필터를 이용하여 1.5 ml의 배양액을 30 μl로 고농축시킬 수 있다. 표 1에는 2D 및 3D 배양시 배양액의 총 부피 및 이를 컬럼을 이용하여 농축하는데 소요되는 시간을 요약하였다.Stem cells were cultured by the method of Example 2, and the resulting culture was concentrated using a protein concentration filter (sartorius, vivaspin 2). Using this filter, 1.5 ml of the culture solution can be highly concentrated at 30 μl. Table 1 summarizes the total volume of the culture medium in the 2D and 3D cultures and the time required to concentrate them using the column.

그 결과, 콜라겐 스캐폴드에 세포를 부착시켜 배양하는 3D 배양조건을 이용할 경우, 1×106개의 세포 배양에 단지 3 ml의 배양액이 사용되는 반면, 배양접시에 평면(2D) 배양하는 경우 동일한 수의 세포를 배양하기 위해 14 ml의 배양액이 요구되고 따라서, 농축시간 역시 3.5배 이상 소요되었다. 이와 같은 결과는 본 발명의 3D 배양방법은 적은 양의 배지 및 짧은 시간으로 배양액을 농축할 수 있음을 뒷받침하는 것이다.As a result, when 3D culture conditions in which cells are attached to collagen scaffold are used, only 3 ml of culture medium is used for 1 × 10 6 cell cultures, while when cultured in a plane (2D) on a culture dish, 14 ml of culture medium was required to cultivate the cells, and thus the concentration time was also 3.5 times or more. These results support that the 3D culture method of the present invention can concentrate the culture medium in a small amount of medium and in a short time.

상기 실시예 3 및 4를 통해서 2D 배양으로부터 얻어진 배양액보다 3D 배양으로 얻어진 배양액에 성장인자 및 사이토카인이 보다 높은 농도로 존재함을 확인하였고, 동일한 수의 세포 배양에 사용되는 배양액의 부피 차로 인해 예상되는 농축 시간의 차를 감안하여 이후 단백질 농축필터를 이용한 배양액의 농축은 3D 배양액에 대해서만 실시하였다.It was confirmed through Examples 3 and 4 that the growth factor and cytokine were present at a higher concentration in the culture solution obtained by 3D culture than the culture solution obtained from 2D culture, The concentration of the culture solution using the protein concentration filter was performed only for the 3D culture solution.

Figure 112012038503387-pat00001
Figure 112012038503387-pat00001

표 2에는 여과 전과 여과 후 필터 내/외부에서 측정한 단백질의 농도를 열거하여 농축여부를 확인하였다. 약 10% 이내의 손실은 있으나 여과 전의 농도와 여과 후 필터 내부에 농축된 단백질의 농도가 유지되는 것으로 미루어 대부분의 배양액 중에 존재하는 발현이 증가된 성장인자 및 사이토카인이 필터 외부로 손실되지 않고 농축이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.Table 2 lists the concentration of protein measured before and after filtration and after filtration to confirm the concentration. However, since the concentration of protein before filtration and the concentration of protein concentrated in the filter after filtration are maintained, growth factors and cytokines having increased expression in most of the cultures are not lost to the outside of the filter Was successfully completed.

Figure 112012038503387-pat00002
Figure 112012038503387-pat00002

농축한 배양액은 분주하여 냉동보관 하였다가 이후 실험에서 필요에 따라 해동하여 사용하였다.
The concentrated culture was kept in a freezer and then thawed according to necessity in the experiment.

실시예Example 6: 세포 증식에 대한 줄기세포 농축 배양액의 영향 6: Influence of stem cell concentration on cell proliferation

농축 배양액의 세포독성 및 세포증식에 대한 영향을 확인하기 위하여 대조군(con) 및 전기자극(EC)을 주어 배양하여 수득한 배양액을 농축하여 일반 배양액에 1, 2.5 및 5%의 비율로 혼합한 배양액으로 3일간 배양하고 세포 계수 키트-8(cell counting kit-8; CCK-8)을 이용하여 확인하였다.In order to confirm the cytotoxicity and the effect on the cell proliferation of the concentrate culture medium, the culture obtained by culturing with the control (con) and electric stimulation (EC) was concentrated and mixed with the culture medium at the ratios of 1, 2.5 and 5% For 3 days and confirmed by using cell counting kit-8 (CCK-8).

도 7에 나타난 바와 같이, 농축 배양액 혼합물로 배양한 실험군들이 대조군보다 증가된 흡광도를 나타내는 것으로 미루어 농축 배양액으로 인한 세포독성은 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 나아가, 1% 및 2.5%의 농축 배양액이 첨가된 실험군에서 각각 1.17배와 1.23배 높은 세포증식이 관찰되었다. 반면, 전기자극을 주어 배양하여 수득한 배양액의 농축액의 첨가가 세포증식에 미치는 영향은 유사하였다.
As shown in FIG. 7, the experimental groups cultured with the concentrated culture medium mixture showed increased absorbance than the control group, indicating that the cytotoxicity due to the concentrated culture medium was not observed. Furthermore, 1.17-fold and 1.23-fold higher cell proliferation was observed in the experimental group to which the 1% and 2.5% concentrated cultures were added, respectively. On the other hand, the addition of the concentrate of the culture obtained by the electric stimulation gave similar effects on cell proliferation.

실시예Example 7: 골세포로의 분화에 대한 줄기세포 농축 배양액의 영향 7: Effect of Stem Cell Concentration Culture on Bone Differentiation

본 발명의 줄기세포 농축 배양액이 줄기세포의 골세포로의 분화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 ALP(alkaline phosphatase; 알칼리성 인산분해효소) 활성 및 알리자린 레드 S 염색(alizarin red S stain) 정도를 확인하였다. ALP는 신체의 여러 부위 특히 뼈와 간에 다량 존재하는 효소로 골형성세포인 골모세포(osteoblast)에 다량 존재하며, 알리자린 레드 S는 금속이온과 결합하는 성질이 있어 체내의 칼슘침착부 즉, 석회화(mineralization) 부위에 염색된다. 따라서, 상기 ALP 활성 및 알리자린 레드 S 염색의 정도로 골형성정도를 판단할 수 있다.ALP (alkaline phosphatase) activity and alizarin red S stain were examined to confirm the effect of the stem cell enrichment culture of the present invention on osteoblast differentiation of stem cells. ALP is present in many parts of the body, especially bone and liver. It exists in osteoblast, which is an osteoblast, and Alizarin Red S binds to metal ion, so calcium deposits in the body, mineralization sites. Therefore, the level of bone formation can be determined by the degree of ALP activity and alizarin red S staining.

먼저 줄기세포를 대조군(con)과 골세포 분화조건(dex)으로 처리하였다. 대조군은 아스코르브산 및 β-글리세로포스페이트를 첨가한 배지에 배양하였고, 양성대조군인 골세포 분화조건으로는 대조군 배지에 덱사메타손(dexametasone)을 추가로 첨가하여 배양하였다. 실험군은 전기자극 존/부재하에 3D 배양하여 얻은 배양액을 농축한 것을 1% 또는 5% 함유한 배지를 사용하여 배양하였다.First, stem cells were treated with control (con) and bone cell differentiation conditions (dex). The control group was cultured in a medium supplemented with ascorbic acid and? -Glycerophosphate, and dexametasone was added to the control medium as a positive control group for bone cell differentiation. The experimental group was cultured in a medium containing 1% or 5% of the culture obtained by 3D culture under the electric stimulation zone / absence.

도 8에는 상기 대조군 및 실험군들의 ALP 활성 측정 결과를 도시하였다. 그 결과, 대조군 배지에 덱사메타손만을 첨가한 골세포 분화조건에 비해 농축 배양액을 1% 또는 5% 함유한 배지를 사용한 경우 골세포로의 분화능이 16 내지 37% 증가하였다. 그러나 전기자극으로 인한 추가적인 증가는 관찰되지 않았다.FIG. 8 shows the results of ALP activity measurement of the control and experimental groups. As a result, the ability to differentiate into osteocytes was increased by 16 to 37% when a culture medium containing 1% or 5% of the concentrate culture medium was used, compared to osteocyte differentiation conditions in which only dexamethasone was added to the control medium. However, no further increase due to electrical stimulation was observed.

도 9에는 알리자린 레드 S 염색 결과를 나타내었다. 우선, 일반적인 배양배지를 이용한 음성대조군(con)을 제외한 양성대조군(Dex) 및 농축 배양액을 첨가한 배양액을 이용(3D-con 1%, 3D-EC 1%, 3D-con 5% 및 3D-EC 5%)하여 골세포로 분화를 유도한 후 21일째에 10% 포르말린(formalin)으로 세포를 고정한 후 증류수로 고정액을 제거하였다. 이어 알리자린 레드 S 염색 용액을 넣고 5 내지 10분간 반응시킨 후 증류수로 염색용액을 제거하고 PBS에서 15분 정도 방치하였다. 염색된 골세포로 분화시킨 줄기세포는 사진을 촬영하여 육안으로 골세포로의 분화정도를 확인하고 이어서 정량하기 위하여 탈색과정을 수행하였다. 탈색용액(de-stain solution)과 15분간 반응시킨 후 수득한 용액을 가지고 595 nm에서 ELISA를 수행하여 알리자린 레드 S 염색 정도를 정량적으로 비교하였다. 정량하여 수치로 나타낸 염색된 알리자린 레드 S의 농도는 앞선 육안으로 평가한 결과와 일치하였다. 즉, 양성대조군(Dex) 및 전기자극 없이 3D 배양하여 얻은 농축 배양액을 1% 함유한 배양액으로 분화시킨 실험군(3D-con 1%)에서는 골세포로 분화정도가 미미하였으나, 전기자극 과 함께 3D 배양하여 얻은 농축 배양액을 1% 또는 5% 함유한 배양액으로 분화시킨 실험군(3D-EC 1%, 3D-EC 5%) 및 전기자극 없이 3D 배양하여 얻은 농축 배양액을 5% 함유한 배양액으로 분화시킨 실험군(3D-con 5%)에서는 골세포로의 분화가 활발하게 이루어진 것을 확인하였다.
Fig. 9 shows the results of alizarin red S staining. First, using a culture medium (3D-con 1%, 3D-EC 1%, 3D-con 5% and 3D-EC) supplemented with a positive control group (Dex) and a concentrated culture medium except for the negative control 5%). After 21 days, cells were fixed with 10% formalin, and fixed solution was removed with distilled water. Then, the alizarin red S staining solution was added and reacted for 5 to 10 minutes. Then, the staining solution was removed with distilled water and left in PBS for 15 minutes. Stem cells differentiated into stained bone cells were photographed and examined for their degree of differentiation into osteocytes by visual observation, and then decolorization was carried out to quantify them. After staining with a de-stain solution for 15 minutes, the resulting solution was subjected to ELISA at 595 nm to quantitatively compare the degree of alizarin red S staining. The concentrations of stained alizarin red S, quantified and expressed as numerical values, were in agreement with the results of the previous visual evaluation. In other words, in the experimental group (3D-con 1%) in which the positive control (Dex) and the concentrated culture obtained by 3D culture without electrical stimulation were differentiated into the culture medium containing 1%, the degree of differentiation into osteocytes was small, (3D-EC 1%, 3D-EC 5%) in which 1% or 5% of the concentrated culture solution obtained by differentiating the culture with the culture solution containing 5% (3D-con 5%) showed differentiation into bone cells.

실시예Example 8: 동물실험모델을 이용한 농축 배양액의  8: Animal Experimental Model 골형성Osteogenesis 활성 평가 Activity evaluation

농축하여 냉동보관한 배양액을 해동시켜 랫트 두개관 결손 모델에 이식하여 생체 내 골형성 활성 정도를 확인하였다. 랫트의 두개골 좌우에 천공기(trephine bar)를 이용하여 지름 5 mm의 두개관 결손을 형성한 후, 성체줄기세포, 3D 배양으로 수득한 농축 배양액(media-C) 및 전기자극을 주어 3D 배양하여 수득한 농축 배양액(media-EC)을 생분해성 고체 지지체인 콜라겐 스캐폴드에 로딩시켜 손상부위에 이식한 후 2주 및 4주에 치사시켜 골재생 정도를 확인하였다. 도 10에는 두개관 결손 모델 제작과정 및 이식체의 이식과정을 나타내었다.
The concentrated, frozen culture was thawed and transplanted into two open-cell defect models in rats to confirm the degree of osteogenesis activity in vivo. Two open cuts with a diameter of 5 mm were formed by using a trephine bar on the right and left sides of the skull of rats, and then adult stem cells, a culture medium obtained by 3D culture (media-C) A medium (EC) was loaded onto the collagen scaffold, which was a biodegradable solid support, and transplanted into the injured area, and lysed at 2 weeks and 4 weeks to confirm the degree of bone regeneration. FIG. 10 shows the process of preparing the two open defect models and the implantation process of the implanted material.

실시예Example 9: 농축 배양액의 염증반응 유발 여부 확인 9: Confirmation of induction of inflammatory reaction in the concentrate

이식된 농축 배양액에 의해 염증반응이 유발되는지 여부를 확인하기 위하여 이식 2주 후 이식받은 랫트를 치사시켜 조직 절편을 제작하여 H&E 염색으로 염증세포를 확인하였다.To determine whether the inflammatory response was induced by the transplanted concentrate, the transplanted rats were sacrificed 2 weeks after transplantation, and tissue sections were prepared and H & E staining was used to identify inflammatory cells.

그 결과, 도 11에 나타난 바와 같이, 줄기세포를 이식한 그룹(Cell) 및 농축 배양액(Media-Con 및 Media-EC) 이식군에서 염증세포로 보이는 세포는 확인되지 않았다. 즉, 이식된 줄기세포 및 농축 배양액으로 인한 염증반응은 유발되지 않았다. 그러나, 이식된 콜라겐은 아직 일부 남아있는 것으로 확인되었다.
As a result, as shown in Fig. 11, no cells that seemed to be inflammatory cells in the stem cell transplantation group and the Media-Con and Media-EC transplantation groups were found. In other words, the inflammatory reaction caused by the transplanted stem cells and the concentrated culture solution was not induced. However, it has been confirmed that some of the transplanted collagen still remains.

실시예Example 10: 농축 배양액의 줄기세포 이동촉진 효과 10: Stimulation of stem cell migration in concentrated culture medium

실시예 9와 동일한 방법으로 랫트 두개골에 두 개의 결손을 제작하고 한쪽에는 일반 배양액을 로딩한 스캐폴드를, 다른 한쪽에는 3D 배양으로 얻은 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드를 이식하였다. 이식한 다음날 랫트의 꼬리 정맥을 통해 형광염료인 Dil이 표지된 인간 골수유래 중간엽 줄기세포(hBMSC) 5×106 개를 주입하고 4일 후 관류하여 치사시켰다. 양성대조군은 동일한 실험동물모델에 농축 배양액 대신 줄기세포 이동촉진 물질로 알려진 SDF-1(50 μg/ml)을 이용하여 제작하였다. 줄기세포의 이동 확인은 랫트를 치사시킨 후 스캐폴드를 회수하여 냉동절단하여 공초점 현미경으로 관찰하였다.In the same manner as in Example 9, two defects were made in the rat skull, a scaffold loaded with a culture medium on one side and a scaffold loaded with a concentrated culture obtained by 3D culture on the other side were transplanted. On the day following the transplantation, 5 × 10 6 human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMSCs) labeled with a fluorescent dye, a fluorescent dye, were injected through the tail vein of the rat. The positive control group was prepared by using SDF-1 (50 μg / ml), which is known as a stem cell migration promoting substance, instead of the concentrate in the same experimental animal model. To confirm the migration of stem cells, the rat was sacrificed and the scaffold was recovered and frozen and cut with a confocal microscope.

그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 일반 배양액을 주입한 대조군에서는 꼬리로부터 주입한 인간 골수유래 줄기세포의 형광을 관찰할 수 없었으나, 양성 대조군 및 실험군에서는 관찰되었다. 결론적으로, 줄기세포의 농축 배양액은 줄기세포 이동촉진 효과를 갖는 물질을 다량 함유하여 줄기세포 이동촉진 물질인 SDF-1을 주입하였을 때와 유사하게 줄기세포 이동을 촉진시킬 수 있음을 확인하였고, 이는 조직으로 직접 분화할 수 있는 줄기세포의 이식 없이 배양액만을 이식함으로써 상처부위로의 생체 내 자가 줄기세포의 이동을 촉진하여 조직 재생을 유도할 수 있음을 나타낸다.
As a result, as shown in Fig. 12, fluorescence of human bone marrow-derived stem cells injected from the tail was not observed in the control group injected with the general culture medium, but it was observed in the positive control group and the experimental group. In conclusion, it was confirmed that the enriched culture medium of stem cells contains a large amount of substances having the effect of promoting stem cell migration, and thus promotes stem cell migration similar to that when SDF-1, a stem cell migration promoting substance, is injected, It is shown that only transplantation of the culture medium without transplantation of stem cells capable of differentiating into tissues can induce tissue regeneration by promoting migration of autologous stem cells in vivo to the wound site.

실시예Example 11: 농축 배양액의  11: 골재생Bone regeneration 효과 effect

<11-1> 마이크로 <11-1> Micro CTCT 를 이용한 Using 골형성Osteogenesis 정도의 정량 분석 Quantitative analysis

3차원 마이크로 CT 촬영을 통해 이식된 줄기세포 또는 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드로부터의 골형성 정도를 정량적으로 분석하였다(도 13). 대조군으로는 줄기세포를 3D 콜라겐 스캐폴드에 부착시켜 4일간 배양시킨 후 이식한 Cell 그룹을 이용하였다. 실험군(Media-C 및 Media-EC)으로는 세포가 없는 동일한 스캐폴드에 농축 배양액을 로딩하여 이식하였고, 이는 Cell 그룹보다 각각 219 및 277% 증가된 신생 골형성 부피(BV; bone volume)를 나타내었다. 망상골의 수(trabecular bone number) 또한 202 및 270% 증가하였으나, 형성된 망상골의 분포 및 두께(trabecular separation and thickness)는 모든 그룹에서 비슷하게 형성되었다. 전기자극을 주어 배양하여 수득한 농축 배양액에서 전기자극에 의한 시너지 효과는 나타나지 않았으나, 전기자극 유무와 상관없이 3D 배양하여 얻은 농축 배양액을 이식한 실험군이 줄기세포를 이식한 대조군보다 뛰어난 골재생 효과를 나타내었다. 도 14에는 마이크로 CT 촬영으로 얻은 3차원 이미지를 나타내었다. 골결손 모델에 줄기세포 또는 농축 배양액을 로딩한 후 4주 뒤에 새롭게 형성된 골(노란색)의 형태를 이미지로 제작하였다. 신생 골조직(노란색)이 줄기세포를 이식한 대조군(Cell)에서 보다 농축 배양액을 이식한 실험군(Media-C 및 Media-EC)에서 더 많이 관찰되었고, 이는 앞선 마이크로 CT 분석 결과와 일치하였다.
The degree of osteogenesis from the scaffold loaded with the transplanted stem cells or the concentrate was quantitatively analyzed through 3-D micro-CT (FIG. 13). As a control group, stem cells were attached to a 3D collagen scaffold and cultured for 4 days. In the experimental group (Media-C and Media-EC), the concentrate was loaded and loaded in the same scaffold without cells, which showed 219 and 277% increase in bone volume (BV) . The number of trabecular bone was also increased by 202 and 270%, but the distribution and thickness of trabecular bone formed were similar in all groups. The synergistic effect of the electrical stimulation was not observed in the concentrated culture obtained by the electric stimulation. However, regardless of the electric stimulation, the experimental group transplanted with the concentrated culture obtained by 3D culture showed better bone regeneration effect than the control group transplanted with stem cells Respectively. Fig. 14 shows a three-dimensional image obtained by micro CT imaging. Imagery of newly formed bone (yellow) 4 weeks after loading stem cell or enriched culture fluid into bone defect model was made. The new bone tissues (yellow) were observed more frequently in the experimental group (Media-C and Media-EC) than in the stem cell transplantation (Cell), which was consistent with the results of the previous micro-CT analysis.

<11-2> 조직학적 염색을 이용한 <11-2> Using histological staining 골형성Osteogenesis 평가 evaluation

줄기세포 또는 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드로부터의 신생 골조직을 분석하기 위하여 마송 삼색 염색법(Masson trichrome stain)을 이용하여 조직학적으로 확인하였다. 실시예 8에 기술된 방법으로 제조된 랫트 두개관 결손 모델에 줄기세포 또는 농축 배양액을 로딩한 스캐폴드를 이식하고 4주 후 치사시켜 염색하였다. 도 15에 나타난 바와 같이, 신생 골조직은 상기 마이크로 CT 정량적인 분석 결과 및 3차원 이미지와 일치하게 줄기세포를 이식한 대조군(Cell)보다 농축 배양액을 이식한 실험군(Media-C 및 Media-EC)에서 보다 많이 관찰되었다. 구체적으로 줄기세포를 이식한 그룹은 신생 골조직은 거의 확인되지 않고 고체 지지체로 함께 이식한 콜라겐 스캐폴드만이 관찰되었다. 반면, 농축 배양액을 이식한 경우 신생 골조직이 상당량 관찰되었고 이와 비례하여 콜라겐 스캐폴드는 분해되어 감소한 것을 확인할 수 있었다.
Histological examination was performed using Masson trichrome stain for the analysis of new bone tissue from scaffolds loaded with stem cells or concentrate. Scaffolds loaded with stem cells or enriched cultures were transplanted into two open-cell defect models prepared by the method described in Example 8, and stained by dying after 4 weeks. As shown in FIG. 15, in the new bone tissue, in the experimental group (Media-C and Media-EC) in which the enrichment culture fluid was transplanted from the control cell (cell) transplanted with the stem cells in accordance with the micro-CT quantitative analysis result and the three- More was observed. Specifically, in the group transplanted with stem cells, only a collagen scaffold was observed in which new bone tissues were hardly recognized and were transplanted together with a solid support. On the other hand, a significant amount of new bone tissue was observed in the case of transplantation of the concentrate culture fluid, and the collagen scaffold was degraded and decreased in proportion thereto.

Claims (18)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 골수유래 중간엽 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하여 제조한 IGF-1(insulin-like growth factor-1), TGF-β1(transforming growth factor-beta 1), bFGF(basic fibroblast growth factor), BMP2(bone morphogenetic protein 2) 또는 VEGF(vascular endothelial growth factor)으로 이루어진 군에서 선택되는 성장인자 또는 CXCL2(chemokine C-X-C motif ligand 2) 또는 IL-8(interleukin-8)인 사이토카인을 포함하는 농축 배양액을 유효성분으로 포함하는 골조직 재생용 조성물.
(Insulin-like growth factor-1), TGF-beta 1 (transforming growth factor-beta 1), and basic fibroblast growth factor (bFGF), which are prepared by culturing bone marrow-derived mesenchymal stem cells on a scaffold, ), A growth factor selected from the group consisting of bone morphogenetic protein 2 (BMP2) or vascular endothelial growth factor (VEGF), or a cytokine such as CXCL2 (chemokine CXC motif ligand 2) or IL-8 (interleukin-8) A composition for regenerating bone tissue comprising a culture medium as an active ingredient.
(a) 골수유래 중간엽 성체줄기세포를 스캐폴드에 부착하여 3차원 배양하여 제조한 IGF-1(insulin-like growth factor-1), TGF-β1(transforming growth factor-beta 1), bFGF(basic fibroblast growth factor), BMP2(bone morphogenetic protein 2) 또는 VEGF(vascular endothelial growth factor)으로 이루어진 군에서 선택되는 성장인자 또는 CXCL2(chemokine C-X-C motif ligand 2) 또는 IL-8(interleukin-8)인 사이토카인을 포함하는 배양액을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 제조된 배양액을 이식용 스캐폴드에 로딩하는 단계를 포함하는,
배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는, 골조직 재생용 이식체의 제조방법.
(a) TGF-beta1 (transforming growth factor-beta1), bFGF (basic), and IGF-1 (insulin-like growth factor-1) prepared by culturing bone marrow-derived mesenchymal stem cells on a scaffold, a cytokine such as CXCL2 (chemokine CXC motif ligand 2) or IL-8 (interleukin-8), which is selected from the group consisting of fibroblast growth factor, bone morphogenetic protein 2 (BMP2) or vascular endothelial growth factor Preparing a culture medium containing the culture medium; And
(b) loading the prepared culture into a grafting scaffold.
A method for producing an implant for regenerating bone tissue, comprising a scaffold for implantation in which a culture medium is loaded.
제11항에 있어서,
상기 이식용 스캐폴드는 생분해성 물질인 것인 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the implantable scaffold is a biodegradable material.
제12항에 있어서,
상기 생분해성 물질은 콜라겐인 것인 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the biodegradable material is collagen.
제11항의 방법으로 제조된 배양액을 로딩한 이식용 스캐폴드를 포함하는 골조직 재생용 이식체.
A bone regeneration implant for bone grafts comprising a scaffold for implantation loaded with a culture prepared by the method of claim 11.
제10항에 있어서, 상기 배양은 추가적으로 골수유래 중간엽 성체줄기세포에 전기자극을 주어 배양하는 것인, 골조직 재생용 조성물.
11. The composition for bone regeneration according to claim 10, wherein the culturing further comprises culturing bone marrow-derived mesenchymal stem cells with electrical stimulation.
제10항에 있어서, 상기 스캐폴드는 콜라겐 스캐폴드인 것인, 골조직 재생용 조성물.
11. The composition of claim 10, wherein the scaffold is a collagen scaffold.
삭제delete 삭제delete
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권구한, 단국대학교 대학원, 석사학위논문 (2006.12.) *
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