KR101792865B1 - Method for inducing differentiation of pluripotent stem cell into insulin producing cells using co-culture with mature islet cells - Google Patents

Method for inducing differentiation of pluripotent stem cell into insulin producing cells using co-culture with mature islet cells Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 췌도세포 배양액을 포함하는 분화 유도용 조성물 및 췌도세포의 공동배양 방법은 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화를 효과적으로 유도하여 인슐린 분비세포의 생산을 용이하게 함으로써, 당뇨병 치료를 위한 췌도세포 공급원의 부족을 해결하고 당뇨병을 효과적으로 치료하는데 유용하게 사용될 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The composition for inducing differentiation and the method for co-culturing pancreatic islets according to the present invention can effectively induce the differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, facilitating the production of insulin-secreting cells, It can be used to solve the shortage of islet cell supply and effectively treat diabetes.

Description

췌도세포 공동배양법을 이용한 만능줄기세포의 인슐린 분비세포로의 분화 유도 방법{Method for inducing differentiation of pluripotent stem cell into insulin producing cells using co-culture with mature islet cells}[TECHNICAL FIELD] The present invention relates to a method for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-producing cells using an islet cell co-

본 발명은 췌도세포 배양액을 포함하는 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 조성물, 췌도세포와의 공동배양을 이용한 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 인슐린 분비세포를 포함하는 당뇨병 치료용 세포 치료제에 관한 것이다.
The present invention relates to a composition for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, a method for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells by co-culturing with an islet cell, And a cell therapy agent for treating diabetes comprising insulin secreting cells.

당뇨병은 만성적인 고혈당을 가장 중요한 특징으로 하는 질환으로 장기화되면 미세혈관 손상에 기인한 창상치유 지연, 신경질환, 신부전증, 심장질환, 망막질환 등의 합병증을 유발하여 사회적 경제적 부담을 가중시키는 질환이다. 현재까지 당뇨병을 완치시킬 수 있는 치료법은 없으며 당뇨환자에서 부족한 인슐린을 반복적으로 투여하는 인슐린 강화요법이 오랜 기간 임상에서 활용되어 왔지만 하루에도 수 차례 반복해서 투여해야 하는 불편함이 존재하며, 그럼에도 불구하고 당뇨 합병증을 막을 수 없는 것이 현실이다.Diabetes mellitus is a disease characterized by chronic hyperglycemia as the most important feature. It prolongs wound healing caused by microvascular injury, neurological disease, renal failure, heart disease, retinal disease, and so on, which increases social and economic burden. There is no cure to cure diabetes until now, and insulin-enriched therapy which repeated insulin insufficiently in diabetic patients has been used in clinical practice for a long time, but it is inconvenient to be repeated several times a day, It is a reality that diabetes complication can not be prevented.

당뇨병은 원인에 따라 크게 두 가지 형태(제1형, 제2형)로 구분된다. 제1형 당뇨병의 경우 자신의 면역세포가 인슐린 생산세포를 파괴하여 발생하는 당뇨병으로 인슐린 생산세포가 부족하여 혈당을 조절하지 못하기 때문에 발생한다. 제2형 당뇨병의 경우 다양한 원인에 의하여 신체 내 장기/조직/세포 등이 인슐린에 대한 저항성을 가지게 되는 것에 기인하는 것으로, 고혈당에 기인한 인슐린 생산세포의 기능저하 및 소실로 혈당의 조절이 원활하지 않게 되며 결과적으로 고혈당을 보이는 당뇨병 증상과 함께 그에 따른 합병증이 유발된다.Diabetes mellitus is divided into two major types (type 1 and type 2) depending on the cause. In the case of type 1 diabetes, it occurs because the immune cells destroy insulin-producing cells and diabetes mellitus can not regulate blood glucose due to lack of insulin-producing cells. The type 2 diabetes is caused by the fact that the organs / tissues / cells in the body have resistance to various insulin due to various causes. The insulin-producing cells due to hyperglycemia are inferior in function and disappearance, Resulting in diabetes mellitus with hyperglycemia and subsequent complications.

췌도세포 이식은 당뇨병 치료를 위한 성공적인 전략으로 인식 되어왔다. 그러나 췌장 공유자의 부족으로 당뇨병 치료를 위한 췌도이식은 그 이용에 한계를 드러내고 있다. 이러한 점을 극복하기 위해서, 인슐린 분비세포(insulin-producing cells, IPC)로 분화 가능한 후보자를 찾기 위한 연구가 진행 중이다.  만능줄기세포(pluripotent stem cells, PSC)는 자기증식능과 다양한 세포로의 분화능을 가지고 있기 때문에 IPC로의 분화 가능한 세포치료제가 될 수 있다. 최근 연구에 따르면, PSC는 배아 형성 시기의 분화 단계와 유사한 방법으로 IPC로 분화가 가능함을 보여주었다. 그러나, 분화된 IPC는 낮은 인슐린 분비, 분화된 세포의 다양성, 그리고 테라토마 형성능으로 인해 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 효율적인 인슐린분비세포로 분화를 유도하기 위한 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Islet transplantation has been recognized as a successful strategy for the treatment of diabetes. However, due to the lack of pancreatic islets, islet transplantation for the treatment of diabetes has been limited in its use. To overcome this, research is underway to find candidates that can differentiate into insulin-producing cells (IPCs). Since pluripotent stem cells (PSCs) have self-renewal ability and differentiation potential into various cells, they can become a cell therapy agent capable of differentiating into IPC. Recent studies have shown that PSC can be differentiated into IPC in a manner similar to the differentiation stages of embryonic developmental stages. However, differentiated IPCs have many problems due to low insulin secretion, differentiated cell diversity, and teratoma forming ability. Therefore, a method for inducing differentiation into an efficient insulin-secreting cell has been actively studied.

줄기세포 또는 전구세포와는 달리, 췌도 베타세포는 정상적 조건에서 증식력이 제한 되어 있다. 하지만 임신, 비만, 췌장절제 같은 특정 조건에서는 베타세포가 증가됨이 보고가 되어 있으며, 호르몬이나 성장인자 같은 외부 자극이 기존 베타세포의 성장과 분화에 필요한 것으로 보인다. Unlike stem cells or progenitor cells, pancreatic beta cells have limited proliferative capacity under normal conditions. However, it has been reported that beta cells increase in certain conditions such as pregnancy, obesity, and pancreatectomy, and external stimuli such as hormones and growth factors seem to be necessary for the growth and differentiation of existing beta cells.

이에 본 발명자들은 새로운 당뇨병 치료용 세포치료제를 개발하기 위해 노력한 결과, 성숙한 췌도세포와의 공동배양을 이용하여 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화를 효과적으로 유도할 수 있으며, 상기 인슐린 분비세포가 생체 내에서 우수한 혈당 조절 효과를 가지고 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the present inventors have made efforts to develop a new cell therapy agent for treating diabetes. As a result, they have been able to effectively induce the differentiation of pluripotent stem cells into insulin secretory cells by co-culturing with mature islet cells, And thus the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 조성물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a composition for inducing differentiation from pluripotent stem cells into insulin secreting cells, which comprises a culture medium of islet cells.

본 발명의 또 다른 목적은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 배지 조성물 및 키트를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a medium composition and a kit for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, which comprises an islet cell culture.

본 발명의 또 다른 목적은 췌도세포와의 공동배양을 이용하여 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells by co-culturing with an islet cell.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 인슐린 분비세포, 이를 포함하는 당뇨병 치료용 세포 치료제 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to provide an insulin secretory cell produced by the above method, a cell therapy agent for treating diabetes comprising the same, and a method for producing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composition for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, which comprises a culture medium of islet cells.

또한, 본 발명은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 배지 조성물 및 키트를 제공한다.The present invention also provides a kit and a culture medium for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, which comprises an islet cell culture.

또한, 본 발명은 췌도세포와의 공동배양을 이용하여 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells by co-culturing with an islet cell.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 인슐린 분비세포, 이를 포함하는 당뇨병 치료용 세포 치료제 및 이의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides an insulin-secreting cell produced by the above method, a cell therapy agent for treating diabetes comprising the same, and a method for producing the same.

본 발명에 따른 췌도세포 배양액을 포함하는 분화 유도용 조성물 및 췌도세포의 공동배양 방법은 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화를 효과적으로 유도하여 인슐린 분비세포의 생산을 용이하게 함으로써, 당뇨병 치료를 위한 췌도세포 공급원의 부족을 해결하고 당뇨병을 효과적으로 치료하는데 유용하게 사용될 수 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The composition for inducing differentiation and the method for co-culturing pancreatic islets according to the present invention can effectively induce the differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, facilitating the production of insulin-secreting cells, It can be used to solve the shortage of islet cell supply and effectively treat diabetes.

도 1은 마우스 배아줄기세포로부터 분화 유도된 한정내배엽(definitive endoderm)과 췌장전구세포 (pancreatic progenitor cells)의 유전자 및 단백질 발현 분석을 나타낸 도이다.
도 2는 성숙한 췌도세포와 공동 배양에 의해 췌장내배엽세포 (pancreatic endoderm cells)로부터 분화 유도된 세포가 베타세포 인자를 발현함을 나타낸 도이다.
도 3은 성숙한 췌도세포와 공동 배양에 의해 분화 유도된 세포가 기능적인 인슐린 분비세포로 유도 되었음을 나타낸 도이다.
도 4는 유세포 분석기를 이용해 마우스 배아줄기세포로부터 분화 유도된 인슐린분비세포의 뉴포트그린(Newport Green) 및 프로인슐린(proinsulin)의 발현 양상을 나타낸 도이다.
도 5는 성숙한 췌도세포와 공동 배양에 의해 분화 유도된 인간 역분화 만능줄기세포로부터 베타세포 인자 발현이 향상되었음을 나타낸 도이다.
도 6은 성숙한 췌도세포와 공동배양에 의해 분화 유도된 세포를 당뇨 마우스에 이식 하였을 때, 인슐린을 발현하고 글루코즈에 반응하는 세포로 분화 되었음을 나타낸 도이다.
FIG. 1 is a diagram showing gene and protein expression analysis of definitive endoderm and pancreatic progenitor cells induced differentiation from mouse embryonic stem cells.
FIG. 2 shows that cells induced to differentiate from pancreatic endoderm cells by co-culturing with mature islet cells express beta cell factor.
FIG. 3 shows that cells induced to differentiation by mature islet cells and co-culture were induced into functional insulin-secreting cells.
FIG. 4 is a graph showing the expression patterns of Newport Green and proinsulin of insulin-secreting cells differentiated from mouse embryonic stem cells using a flow cytometer.
FIG. 5 is a graph showing that beta cell factor expression was improved from human de-differentiating pluripotent stem cells differentiated by co-culturing with mature islet cells.
FIG. 6 is a graph showing that cells transfected with mature islet cells and differentiated by co-culture were differentiated into cells expressing insulin and reacting with glucose when they were transplanted into diabetic mice.

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

본 발명은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for inducing the differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, comprising a culture medium of islet cells.

본 발명에서 "췌도세포 배양액"은 성숙한 췌도세포의 배양에 의해 얻은 것이다.In the present invention, "islet cell culture fluid" is obtained by culturing mature islet cells.

본 발명에서 "줄기세포"란 미분화된 세포로서 자기 복제 능력을 가지면서 두 개 이상의 서로 다른 종류의 세포로 분화하는 능력을 갖는 세포를 말한다.As used herein, the term "stem cell" refers to a cell that has the ability to self-replicate and has the ability to differentiate into two or more different types of cells.

본 발명에서 "만능줄기세포"는 생체를 구성하는 3가지 배엽(germ layer), 즉 내배엽(endoderm), 중배엽(mesoderm), 외배엽(ectoderm) 모두로 분화할 수 있는 만능성을 지닌 줄기세포를 말한다. 본 발명에서 만능줄기세포는 배아줄기세포 및 역분화 만능줄기세포를 포함하는 것이다.In the present invention, "pluripotent stem cell" refers to a pluripotent stem cell capable of differentiating into three germ layers constituting the living body, that is, endoderm, mesoderm and ectoderm . In the present invention, the pluripotent stem cells include embryonic stem cells and dedifferentiated pluripotent stem cells.

본 발명에서 "배아줄기세포"는 수정 후 발생 초기인 배반포기(blastocyst)의 내부세포덩어리(세포내괴, inner cell mass)에서 분리하여 배양한 세포로 만능성(pluripotency)을 지니는 세포를 말하고, 본 발명에서 "역분화 만능줄기세포"는 이미 분화가 완성된 성체세포들에 대하여 인위적으로 역분화과정(재프로그램화)을 수행하여 유도된 세포로 만능분화능(pluripotency)을 가지는 세포를 말한다.The term "embryonic stem cell" in the present invention refers to a cell cultured separately from the inner cell mass of a blastocyst, which is an early stage of development, and has pluripotency. In the present invention, "dedifferentiated pluripotent stem cell" refers to a cell that has induced pluripotency by artificially performing a reprogramming process (reprogramming) on adult cells that have already undergone differentiation.

본 발명에서 "분화"란 세포가 증식하여 성장하는 동안에 서로 구조나 기능이 특수화하는 현상, 즉 생물의 세포, 조직 등이 각각에게 주어진 일을 수행하기 위하여 형태나 기능이 변해가는 것을 말한다. In the present invention, "differentiation" refers to a phenomenon in which a structure or function is specialized with each other while a cell is growing and growing, that is, a cell or tissue of an organism is changed in shape or function to perform a task given to each.

본 발명에서 "전구세포"란 특정 유형의 세포로 분화되거나 특정 유형의 조직을 형성하도록된 세포를 말한다.
"Progenitor cells" in the present invention refers to cells that have been differentiated into specific types of cells or are allowed to form certain types of tissues.

또한, 본 발명은 췌도세포(islet cells) 배양액을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 배지 조성물을 제공한다.The present invention also provides a medium composition for inducing differentiation of pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, which comprises a culture medium of islet cells.

또한, 본 발명은 상기 배지 조성물을 포함하는, 만능줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 키트를 제공한다.In addition, the present invention provides a kit for inducing differentiation from pluripotent stem cells into insulin secreting cells, comprising the above-mentioned culture medium composition.

본 발명에서 "배지(culture media)"는 생체 외에서 인슐린 생산세포로의 분화 유도 및 생존을 지지할 수 있게 하는 배지를 의미하고, 세포의 배양에 적절한 당 분야에서 사용되는 통상의 배지를 모두 포함한다. 세포의 종류에 따라 배지와 배양 조건을 선택할 수 있다. 배양에 사용되는 배지는 바람직하게는 세포 배양 최소 배지(cell culture minimum medium: CCMM)로, 일반적으로 탄소원, 질소원 및 미량원소 성분을 포함한다. 이런 세포 배양 최소 배지에는 예들 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(Glasgow's Minimal essential Medium), Iscove's Modified Dulbecco's Medium등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 배지는 페니실린(penicillin), 스트렙토마이신 (streptomycin), 겐타마이신(gentamicin) 등의 항생제를 포함할 수 있다. The term "culture medium" in the present invention means a medium which enables the induction and survival of differentiation into insulin producing cells in vitro, and includes all conventional culture media used in the art suitable for cell culture . Depending on the type of cells, medium and culture conditions can be selected. The medium used for the culture is preferably a cell culture minimum medium (CCMM), which generally contains a carbon source, a nitrogen source and a trace element component. For example, DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal Essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI 1640, F-10, F-12, αMEM Glasgow's Minimal Essential Medium, and Iscove's Modified Dulbecco's Medium. The medium may include antibiotics such as penicillin, streptomycin, gentamicin and the like.

상기 배지에는 췌도세포 배양액 외에 기존에 알려진 하나 이상의 인슐린 분비세포로의 분화 유도 물질이 더 포함될 수 있다.
The medium may further include at least one insulin secretory cell differentiation inducing substance known in the art, in addition to the islet cell culture fluid.

또한, 본 발명은 췌도세포와 만능 줄기세포를 공동배양하는 단계;Also, the present invention provides a method for producing a pluripotent stem cell, comprising co-culturing an islet cell and an allogenic stem cell;

를 포함하는, 만능 줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도 방법을 제공한다. And a method for inducing differentiation from pluripotent stem cells into insulin-secreting cells.

상기 배양은 부유 배양, 부착 배양 등을 포함하며, 배양 방식에 한정되지 않는다.
Such culture includes suspension culture, adhesion culture and the like, and is not limited to the culture system.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 인슐린 생산세포를 포함하는 당뇨병 치료용 세포 치료제를 제공한다. In addition, the present invention provides a cell therapy agent for treating diabetes comprising insulin-producing cells produced by the above method.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 인슐린 생산세포를 제조하는 단계;를 포함하는, 당뇨병 치료용 세포 치료제의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a cell therapy agent for treating diabetes, comprising the step of producing an insulin producing cell by the above method.

상기 당뇨병은 제1형 당뇨병 또는 제2형 당뇨병을 포함한다. The diabetes includes type 1 diabetes or type 2 diabetes.

본 발명에서 "세포치료제"는 동물로부터 분리, 배양 및 특수한 저작을 통해 제조된 세포 및 조직으로 치료, 진단 및 예방의 목적으로 사용되는 의약품(미국 FDA규정)으로서, 세포 혹은 조직의 기능을 복원시키기 위하여 살아있는 자가, 동종, 또는 이종세포를 체외에서 증식, 선별하거나 다른 방법으로 세포의 생물학적 특성을 변화시키는 등의 일련의 행위를 통하여 치료, 진단 및 예방의 목적으로 사용되는 의약품을 지칭한다. The term "cell therapeutic agent" in the present invention is a pharmaceutical (US FDA regulation) used for the purpose of treatment, diagnosis and prevention of cells and tissues prepared by isolation, cultivation and specific works from animals, Refers to a drug used for therapeutic, diagnostic and prophylactic purposes through a series of actions, such as living, homologous, or xenogeneic cells that multiply, select, or otherwise alter the biological characteristics of a cell.

본 발명에서 "투여"는 임의의 적절한 방법으로 개체에게 소정의 본 발명의 조성물을 제공하는 것을 의미한다."Administration" in the present invention means providing the subject invention with a composition of the invention in any suitable manner.

본 발명의 세포치료제의 바람직한 투여량은 개체의 상태 및 체중, 질병의 정도, 약물형태, 투여경로 및 기간에 따라 다르지만, 당업자에 의해 적절하게 선택될 수 있다. 투여는 하루에 한번 투여할 수도 있고, 수회 나누어 투여할 수도 있으며, 상기 투여량은 어떠한 면으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
The preferred dosage of the cell therapy agent of the present invention varies depending on the condition and the weight of the individual, the degree of disease, the type of drug, the administration route and the period of time, but can be appropriately selected by those skilled in the art. The administration may be carried out once a day or divided into several doses, and the dosage is not limited in any way to the scope of the present invention.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있도록 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. It should be noted, however, that the following examples are provided to further illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실험예 1. 마우스 배아줄기세포 배양 및 분화 조건Experimental Example 1. Culture and Differentiation Conditions of Mouse Embryonic Stem Cells

마우스 배아줄기세포(mES)를 마이토마이신으로 처리된 마우스 배아 섬유아세포 위에서 배양하였다. 이 때 배지는 15% FBS, 1% 페니실린-스트렙토마이신(penicillin-streptomycin), 100 uM β-멀캅토에탄올(β-mercaptoethanol), 100 uM 비필수 아미노산(nonessential amino acid), 1000 units/ml 백혈병 억제 인자(LIF, leukemia inhibitory factor)가 포함된 DMEM을 사용하였다. 마우스 배아줄기세포를 2~3 일마다 1:5~1:10 비율로 계대배양 하였으며, 마우스 배아 섬유아세포를 제거하기 위해, 분화 실험 전 0.1% 젤라틴에서 배양한 후, 매트리젤이 도포된 플레이트로 옮겨서 분화를 유도하였다. 1 단계에서는 0.1% BSA, 50 ng/ml 액티빈(activin) A, 1 uM LY294002가 포함된 X-vivo 10 배지인, 분화 배지에서 3일간 배양 하였고, 2 단계에서는 0.5% BSA, 1% 인슐린-트랜스페린-셀레늄(ITS, insulin-transferrin-selenium), 2 uM 레티노산(RA, retinoic acid)이 포함된 F12/IMDM 배지인, 분화 배지에서 2~3 일간 배양을 하였다. 여기에 300 nM 인돌락탐 V(ILV, indolactam V)와 50 ng/ml FGF10을 첨가하고, 2-3 일 동안 더 분화를 유도하였다. 3 단계에서는 0.5% BSA. 1% ITS, 10 ng/ml bFGF, 20 ng/ml EGF 가 포함된 DMEM 배지에서 3 일간 배양을 하였으며, 마지막 단계에서는 10 ng/ml bFGF, 10 mM nicotinamide, exendin-4가 포함된 DMEM/F12 배지에서 3-5 일 동안 분화를 유도하였다. 성숙한 췌도세포와의 공동배양에 의한 분화는 3 단계 분화가 끝난 세포를 이용 하였다. 췌도세포 공동배양 실험군은 다음과 같다: ① 분화 배지(DM)(bFGF, 니코틴아미드(nicotinamide), 엑센딘(exendin-4)가 포함된 DMEM/F12)에서 분화 유도를 한 실험군, ② 3일간 배양한 성숙한 췌도세포로부터 얻은 조정 배지(conditioned medium)에서 분화 유도를 한 실험군, ③ 췌도 세포(췌도 세포는 배양 멤브레인 인서트 웰(culture membrane insert well)에 배치하여 분화된 세포로부터 분리됨)를 3-4 일 동안 공동배양하여 분화 유도를 한 실험군. 상기 각 실험군의 배지로부터 인슐린을 제거하기 위해 DM(췌도 세포 제외)에서 2일 동안 더 배양하였다.
Mouse embryonic stem cells (mES) were cultured on mouse embryonic fibroblasts treated with mitomycin. At this time, the medium was supplemented with 15% FBS, 1% penicillin-streptomycin, 100 μM β-mercaptoethanol, 100 μM nonessential amino acid, 1000 units / ml leukemia inhibition DMEM containing factor (LIF, leukemia inhibitory factor) was used. Mouse embryonic stem cells were subcultured at a ratio of 1: 5 to 1: 10 every 2 to 3 days. To remove mouse embryonic fibroblasts, the cells were cultured in 0.1% gelatin before the differentiation experiment, And transferred to induce differentiation. In step 1, the cells were cultured for 3 days in an X-vivo 10 medium containing 0.1% BSA, 50 ng / ml activin A and 1 uM LY294002 for 3 days. In step 2, 0.5% BSA, 1% insulin- The cells were cultured for 2 to 3 days in a differentiation medium, F12 / IMDM medium containing transferrin-selenium (ITS, insulin-transferrin-selenium) and 2 uM retinoic acid (RA). To this, 300 nM indolactam V (ILV, indolactam V) and 50 ng / ml FGF10 were added, and further differentiation was induced for 2-3 days. In the third step, 0.5% BSA. The cells were cultured in DMEM medium containing 1% ITS, 10 ng / ml bFGF and 20 ng / ml EGF for 3 days. In the final step, DMEM / F12 medium containing 10 ng / ml bFGF, 10 mM nicotinamide and exendin- Lt; / RTI > for 3-5 days. Differentiation by co-cultivation with mature islet cells was performed using cells that had been differentiated in three stages. The islet cell co-culture groups were as follows: 1) an experimental group that induced differentiation in differentiation medium (DMEM / F12 containing bFGF, nicotinamide, and exendin-4), 2) (3) Islet cells (Islet cells were separated from the differentiated cells by placing them in culture membrane insert wells) were cultured for 3-4 days Were cultured for induction of differentiation. In order to remove insulin from the medium of each experimental group, the cells were further cultured for 2 days in DM (except for pancreatic islets).

실험예 2. 인간 역분화 만능 줄기세포 배양 및 분화 조건EXPERIMENTAL EXAMPLE 2 Human degenerative pluripotent stem cell culture and differentiation conditions

인간 역분화 만능 줄기세포(human induced pluripotent stem cells, hiPS)를 한정 내배엽 세포(definitive endoderm, DE, stage1), 원시장관 세포(primitive gut tube, PG, stage2), 후전장 세포(posterior foregut, PF, stage3), 췌장 내배엽과 내배엽전구세포(pancreatic endoderm and endocrine precursors, PE, stage4), 및 인슐린 분비세포(insulin-producing cells, IPC, stage5)의 과정을 통해 분화를 유도하였다. 1 단계의 한정내배엽세포는 매트리젤(1:40 희석)로 도포된 플레이트에 미분화 hiPS를 깔고, 70~80% 찬 상태에서 분화 유도를 하였다. 100 ng/ml 액티빈 A와 25 ng/ml Wnt3a가 포함된 RPMI 1640 배지에서 1일간 분화를 유도하고, 다음 2일간 0.2% FBS와 100 ng/ml 액티빈 A가 포함된 RPMI 1640으로 분화를 유도 하였다. 2 단계의 원시장관 세포는 3일간 50 ng/ml FGF10, 250 nM KAAD-사이클로파민(Cyclopamine), 2 uM RA, 및 2% FBS가 첨가된 RPMI 1640 배지에서 분화 시켰다. 3 단계의 후전장세포의 분화는 100 ng/ml 노긴(noggin), 250 nM KAAD-사이클로파민(Cyclopamine), 2 uM RA, 및 1% B27이 첨가된 DMEM 배지에서 3~4 일간 유도하였다. 4 단계의 췌장 내배엽 및 내배엽전구세포는 1% B27 및 엑센딘(exendin)-4가 첨가된 DMEM 배지에서 3 일간 배양하였고, 최종 단계인 인슐린 분비 세포는 50 ng/ml IGF1, 50 ng/ml HGF, 50 ng/ml 엑센딘(exendin)-4, 10 mM nicotinamide, 및 1% B27이 첨가된 DMEM/F12 배지에서 3 일 이상 분화를 유도하였다. 췌도세포와의 공동배양 실험은 4 단계 분화 유도가 끝난 세포를 이용 하였으며, 마우스 배아줄기세포에 대한 조건과 동일한 조건으로 실험을 수행하였다.
Human induced pluripotent stem cells (hiPS) were treated with definitive endoderm (DE, stage 1), primitive gut tube (PG, stage 2), posterior foregut (PF, stage 3), pancreatic endoderm and endocrine precursors (PE, stage 4), and insulin-producing cells (IPC, stage 5). In the first-stage restricted endoderm cells, undifferentiated hiPS was applied to a plate coated with a matrigel (1:40 dilution), and induction of differentiation was carried out in a cold state of 70 to 80%. Differentiation was induced in RPMI 1640 medium containing 100 ng / ml Activin A and 25 ng / ml Wnt3a for 1 day and induced to differentiate into RPMI 1640 containing 0.2% FBS and 100 ng / ml Activin A for the next 2 days Respectively. Two-stage primitive intestinal cells were differentiated in RPMI 1640 medium supplemented with 50 ng / ml FGF10, 250 nM KAAD-Cyclopamine, 2 uM RA, and 2% FBS for 3 days. After the third step, differentiation of the full-length cells was induced for 3-4 days in DMEM medium supplemented with 100 ng / ml noggin, 250 nM KAAD-Cyclopamine, 2 uM RA, and 1% B27. Pancreatic endoderm and endoderm progenitor cells were cultured for 3 days in DMEM medium supplemented with 1% B27 and exendin-4. The final stage insulin secreting cells were 50 ng / ml IGF1, 50 ng / ml HGF , 50 ng / ml exendin-4, 10 mM nicotinamide, and 1% B27 in DMEM / F12 medium for 3 days or more. Experiments were carried out in the same conditions as those for mouse embryonic stem cells.

실험예 3. 췌도세포분리Experimental Example 3. Islet Cell Isolation

마우스 췌도세포를 0.8 mg/kg 콜라게나제(collagenase) P를 총담관으로 주입하여 분리하였으며, 피콜(Ficoll) 밀도 차를 이용하여 췌도세포만을 정제하였다. 췌도세포를 10% FBS 및 1% 페니실린/스트렙토마이신(penicillin/streptomycin)이 포함된 RPMI 1640에서 배양 하였고, 해부현미경을 이용하여 췌도세포만을 피펫으로 얻었다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 공동배양 실험에서 분화된 세포로부터 췌도 세포를 분리하기 위하여, 췌도 세포를 12 웰 플레이츠(100 췌도 세포/웰)에서 각 배양 멤브레인 인서트(culture membrane insert(Millipore, MA, USA)의 위쪽 웰에 첨가하고, 최종 단계에서 사용된 분화 배지(DM)에서 배양하였다. 췌도세포로부터 조정 배지(CM, conditioned medium)를 얻기 위해, 췌도세포를 DMEM/F12 배지(다른 분화 인자가 첨가되지 않음)에서 3 일간 배양 후, 배지만을 취하여 분화 유도 실험에 사용하였다. 세포-세포 접촉에 의한 분화 유도를 관찰하기 위해서, 분리한 췌도세포를 효소를 포함하지 않는 해리 버퍼(enzyme-free dissociation buffer)를 이용하여 단일 세포로 떨어리뜨린 후, Cyto/Perm으로 고정 시키고 사용하기 전까지 액체 질소 탱크에 저장하였다.
Mouse islet cells were isolated by injecting 0.8 mg / kg collagenase P into total bile ducts, and only the islet cells were purified using a Ficoll density gradient. Pancreatic islet cells were cultured in RPMI 1640 containing 10% FBS and 1% penicillin / streptomycin, and only the islet cells were pipetted using a dissecting microscope. As shown in Figure 2A, in order to isolate islet cells from the differentiated cells in the co-culture experiment, the islet cells were cultured in 12 well plates (100 islets / well) with culture membrane inserts (Millipore, MA, USA) and cultured in the differentiation medium (DM) used in the final stage. Islet cells were cultured in DMEM / F12 medium (differentiation factor To examine the induction of differentiation by cell-cell contact, isolated islet cells were suspended in an enzyme-free dissociation buffer (enzyme-free dissociation buffer) buffer) and then fixed with Cyto / Perm and stored in a liquid nitrogen tank until use.

실험예 4. 면역염색Experimental Example 4. Immunostaining

분화 유도된 세포를 실온에서 4% 파라포름알데하이드로 20 분간 고정 후, 1xPBS로 3번 세척한 다음, 0.2% Triton X-100 가 포함된 5% 정상 혈청으로 1 시간 동안 블로킹(blocking) 하였다. 그 다음, 세포를 일차 항체와 함께 4 ℃에서 하룻밤 동안 배양하였다. 사용한 일차 항체는 다음과 같다: goat anti-SOX17, goat anti-FOXA2, rabbit anti-PDX-1 또는 goat anti-PDX-1, rabbit anti-HNF-1β, rabbit anti-HNF-4α, rabbit ant-HNF-6, rabbit anti-SOX9, goat anti-NKX6.1, rabbit anti-PAX6, guinea pig anti-insulin, rabbit anti-glucagon, 및 rabbit anti-C-peptide. 다음 날, 세포를 PBS로 3회 세척하고, 2차 항체와 실온에서 1 시간 동안 배양하였다(Alexa-488-conjugated goat anti-rabbit 또는 rabbit anti-goat, 및 Alexa-546 또는 -568-conjugated donkey 또는 rabbit anti-goat). 세포의 핵은 DAPI로 염색을 하였다. Differentiation-induced cells were fixed with 4% paraformaldehyde at room temperature for 20 minutes, washed 3 times with 1xPBS, and then blocked with 5% normal serum containing 0.2% Triton X-100 for 1 hour. Cells were then incubated with primary antibody overnight at 4 ° C. The primary antibodies used were goat anti-SOX17, goat anti-FOXA2, rabbit anti-PDX-1 or goat anti-PDX-1, rabbit anti-HNF- -6, rabbit anti-SOX9, goat anti-NKX6.1, rabbit anti-PAX6, guinea pig anti-insulin, rabbit anti-glucagon, and rabbit anti-C-peptide. The next day, cells were washed three times with PBS and incubated with secondary antibody for 1 hour at room temperature (Alexa-488-conjugated goat anti-rabbit or rabbit anti-goat, and Alexa-546 or -568-conjugated donkey or rabbit anti-goat). Cell nuclei were stained with DAPI.

실험 종료 후, 신장 피하막에 분화 유도된 세포를 이식한 신장을 적출하여 4% 파라포름알데하이드에 고정시키고, PBS로 세척 후, 30% 수크로즈에 넣어 냉동 블록을 만들었다. 조직을 10 um로 절단하여 조직 염색을 실행 하였다.
After the end of the experiment, the renal transplanted kidneys in the kidney subcutaneous membrane were harvested, fixed in 4% paraformaldehyde, washed with PBS, and frozen in 30% sucrose. Tissues were cut at 10 μm to perform tissue staining.

실험예 5. DTZ 염색Experimental Example 5. DTZ staining

DTZ(dithizone)을 DMSO에 녹여서 10 mg/ml로 저장농도로 만들고, 염색을 위해 1:2 비율로 DTZ를 HBSS에 희석하여 분화 유도된 세포에 넣고 37℃에서 30 분간 염색하였다.
DTZ (dithizone) was dissolved in DMSO to a storage concentration of 10 mg / ml. DTZ was diluted in HBSS at a ratio of 1: 2 and stained at 37 ° C for 30 minutes.

실험예 6. 뉴포트 그린 (Newport Green, NG) 염색Experimental Example 6. Dyeing on Newport Green (NG)

뉴포트 그린은 베타세포에 풍부한 아연을 탐지하는데 사용 되는 형광 염색제이다. 최종적으로 분화 유도된 세포를 1xPBS로 세척 후, 1 uM NG 및 1 ul/ml pluronic F127을 처리하고, 37℃ 인큐베이터에서 30 분간 배양하였다. 염색된 세포를 5% FBS가 첨가된 1xPBS로 세척 후, 유세포 분석(FACS ananalysis) 및 분리(sorting)를 수행하였다.
Newport Green is a fluorescent dye used to detect zinc rich in beta cells. Finally, the differentiated cells were washed with 1xPBS, treated with 1 uM NG and 1 ul / ml pluronic F127, and cultured in a 37 ° C incubator for 30 minutes. The stained cells were washed with 1xPBS supplemented with 5% FBS, followed by flow cytometry (FACS ananalysis) and sorting.

실험예 7. 유세포 분석(FACS ananalysis) 및 세포 분리 (sorting)Experimental Example 7. Flow cytometric analysis (FACS ananalysis) and cell sorting

최종 분화된 세포를 유세포 분석을 위해 trypsin/EDTA로 분리한 후, FACS 분석을 수행하였다. 세포(5×105)를 Cytofix/Cytoperm 용액 키트로 고정시키고 투과시켰다. 항 프로인슐린(proinsulin) 및 이소타입(isotype) 대조군에 대해서 염색 후, CellQuestPro 소프트웨어를 이용하여 데이터를 얻고 분석하였다. NG로 염색된 세포는 FACS AriaIII을 이용하여 NG 양성세포와 음성세포로 분리하고, RNA 분석을 위해 세포들은 모았다.
The final differentiated cells were separated into trypsin / EDTA for flow cytometry analysis and FACS analysis was performed. Cells (5 × 10 5) were fixed and transmitted in Cytofix / Cytoperm solution kit. After staining for anti-proinsulin and isotype controls, data were obtained and analyzed using CellQuestPro software. NG-stained cells were separated into NG-positive cells and negative cells using FACS AriaIII, and cells were collected for RNA analysis.

실험예 8. RT-PCR 및 Real-Time Quantitative PCR 분석Experimental Example 8. RT-PCR and Real-Time Quantitative PCR Analysis

TRIzol 시약을 이용하여 마우스 배아줄기세포, 인간 역분화 만능줄기세포, 및 단계마다 분화 유도된 세포로부터 RNA를 추출하였다. 2 ug RNA를 SuperScripII 역전사효소(Reverse Transcriptase)를 이용하여 cDNA로 역전사 시켰다. RT-PCR은 AccuPower PCR premix를 이용하여 cDNA를 증폭시켰으며, Q-PCR은 SYBR Premix EX Taq로 수행 하였다.
RNA was extracted from mouse embryonic stem cells, human de-differentiating pluripotent stem cells, and staged-induced differentiation cells using TRIzol reagent. 2 ug of RNA was reverse transcribed with cDNA using SuperScrip II reverse transcriptase. RT-PCR amplified cDNA using AccuPower PCR premix. Q-PCR was performed with SYBR Premix EX Taq.

실험예 9. 당자극에 의한 인슐린 분비능 측정 Experimental Example 9. Measurement of insulin secretion by sugar stimulation

최종 분화 유도된 세포가 당자극에 대해 인슐린 분비능을 가지고 있는지 측정하기 위해, 60 mg/dL와 300 mg/dL 농도로 당자극을 주었다. 세포를 PBS로 세척 후, Krebs-Ringer 중탄산염(bicarbonate) 버퍼로 37℃에서 90 분간 배양하였다.여기에 60 mg/dL 농도의 당으로 1 시간 동안 자극을 주고, 그 다음 300 mg/dL의 당으로 1 시간 동안 더 자극을 주었다. 인슐린을 측정하기 위해 각각의 농도에서의 배지를 취하여, Rat/Mouse Insulin ELISA Kit와 C-peptide ELISA Kit를 이용하여 인슐린 함량을 측정하였다. 인슐린과 C-펩타이드(peptide) 농도는 각 실험군의 세포의 단백질로 보정하였다.
In order to determine whether the final differentiation-induced cells had insulin secretion ability for the sugar stimulation, the stimulation was given at a concentration of 60 mg / dL and 300 mg / dL. Cells were washed with PBS and incubated with Krebs-Ringer bicarbonate buffer for 90 minutes at 37 ° C. Stimulated with 60 mg / dL glucose for 1 hour, then with 300 mg / dL glucose Stimulation was given for 1 hour. Insulin levels were measured at each concentration using the Rat / Mouse Insulin ELISA Kit and the C-peptide ELISA Kit. Insulin and C-peptide concentrations were calibrated to the protein of each experimental group.

실험예 10. 신장 피막하에 이식과 당부하 검사 (Glucose-tolerance test)Experimental Example 10. Glucose-tolerance test under the renal capsule.

세포 이식 전에 당뇨 동물모델을 만들기 위해서, 10-12 주령의 BALB/c 누드 마우스에 180 mg/kg의 스트렙토죠토신(Streptozotocin, STZ)을 복강으로 주입 하였으며, 혈당이 20 mmol/L 이상인 마우스를 실험에 사용하였다. 분화 유도된 세포를 E-튜브에 모아서, Hamiton 주사기를 이용하여 PE50 튜브로 옮긴 다음 마우스 신장 피막 아래에 이식 하였다. 당뇨 동물모델을 두 군(group)으로 나누어, 일반 분화 배지에서 분화 유도된 세포(2x106개) 및 췌도세포와 공동배양을 통해 분화 유도된 세포(2x106개)를 이식하였다. 혈당은 일주일에 2 번씩 측정 하였으며, 90 일째에 마우스 혈청 내의 인간 C-펩타이드와 당부하 검사를 실시하였다. 당부하 검사는 마우스를 20 시간 동안 절식 시킨 후, 1 g/kg의 당을 복강 내로 주입 하고, 시간에 따라(0, 15, 30, 45, 60, 90, 120 분) 혈당을 측정하였다.
To prepare a diabetic animal model before cell transplantation, 180 mg / kg of streptozotocin (STZ) was injected intraperitoneally into BALB / c nude mice at 10-12 weeks of age and mice having blood glucose level of 20 mmol / Lt; / RTI > Differentiation-induced cells were collected in an E-tube, transferred to a PE50 tube using a Hamiton syringe, and then transplanted under a mouse kidney capsule. The diabetic animal model was divided into two groups, and the differentiation-inducing cells (2x10 6 ) and the differentiation-induced cells (2x10 6 ) were co-cultured with the islet cells in the normal differentiation medium. Blood glucose was measured twice a week, and on the 90th day, human C-peptide and glucose tolerance test were performed in mouse serum. In the glucose tolerance test, the mice were fasted for 20 hours, and 1 g / kg of glucose was injected into the abdominal cavity and blood glucose was measured with time (0, 15, 30, 45, 60, 90, 120 minutes).

실험예 11. 통계분석Experimental Example 11. Statistical Analysis

데이터는 평균값±측정표준오차로 나타내었다. 각 군(group)간의 차이는 unpaired t-test 및 ANOVA를 이용하여 분석하였고, p-value < 0.05 일 때 통계학적으로 유의한 것으로 간주하였다.
Data are expressed as mean ± standard error of measurement. The differences between the groups were analyzed using the unpaired t-test and ANOVA, and considered as statistically significant at p-value <0.05.

실시예 1. 액티빈(Activin) A, PI3K 억제제(inhibitor), 인돌락탐(Indolactam) V, 및 FGF10을 이용한 최적 분화 프로토콜 설계Example 1. Optimal Differentiation Protocol Design Using Activin A, PI3K Inhibitor, Indolactam V, and FGF10

마우스 배아줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화를 향상 시키기 위해 성숙한 췌도세포와의 공동배양 시스템을 설계하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. A co-culture system with mature islet cells was designed to improve the differentiation of mouse embryonic stem cells into insulin-secreting cells, and the results are shown in Fig.

도 1A에 나타낸 바와 같이, 각 분화 단계별로 분화 유도 인자들을 이용하여 분화를 유도하고, 각 분화 단계 세포의 발현 마커를 이용하여 각 분화 단계의 세포들을 확인하였다. 1단계에서 효율적인 한정내배엽을 유도하기 위해서 액티빈(activin) A와 LY294002을 사용하였다. 또한 도 1B에서는 한정내배엽 발현 마커인 SOX17과 FOXA2는 다른 농도(10, 25, 100 ng/ml)에 비해 50 ng/ml 액티빈 A 농도에서 가장 높게 발현을 하였으며, 최종 단계까지의 분화 유도에서도 50 ng/ml 액티빈 A 농도에서 베타세포 발현 인자(NeuroD, NGN3, PDX-1, NKX2.2, 및 인슐린 1, 2)의 발현 증가가 향상되었음을 확인할 수 있었다. 2 단계에서 췌장전구세포 (pancreatic progenitor cells)는 실험예 1.과 같은 방법으로 분화를 유도하였다. 도 1C에 나타낸 바와 같이, 췌장전구세포 발현 마커인 HNF-1β와 HNF-4α는 상당히 높게 발현이 되었으며, SOX17는 지속적으로 HNF-1β-발현 양성 세포에서 함께 발현 되었다. 이를 통해 췌장전구세포가 내배엽 기원임을 알 수 있다. 또한 대부분의 PDX-1는 다른 췌장전구세포 발현 마커들(HNF-1β, HNF-4α, FOXA2, SOX9)과 함께 발현됨을 보였다(도 1C). 기존 발현 프로토콜에서, PDX-1는 약 10% 의 세포에서 발현 되었지만, 인돌락탐(indolactam) V(ILV) 및 FGF10의 첨가 후에는, 30~50% 이상의 PDX-1 양성세포들을 관찰할 수 있었다. ILV에 의해서 유도된 세포가 최종 단계에서 분화 시, 더 성숙한 베타세포 분화로 효율적으로 유도 되는지 확인 하기 위해서 RT-PCR을 실시하였다. ILV와 FGF10으로 처리한 세포들은 처리하지 않은 세포들보다 베타세포 발현 마커들(인슐린 1, 2, NKX6.1, PDX-1, Glut2)을 더 강하게 발현 하였다. 이러한 결과를 통해 ILV 및 FGF10는 췌장전구세포의 베타세포로의 분화 유도를 향상 시킴을 알 수 있다.
As shown in FIG. 1A, differentiation was induced using differentiation inducing factors for each differentiation stage, and cells at each differentiation stage were identified using expression markers of the differentiation stage cells. Activin A and LY294002 were used to induce efficient endoderm in the first step. In Fig. 1B, SOX17 and FOXA2, which are endogenous endogenous expression markers, exhibited the highest expression at 50 ng / ml of actin A concentration compared to the other concentrations (10, 25 and 100 ng / ml) It was confirmed that the expression of beta cell expression factors (NeuroD, NGN3, PDX-1, NKX2.2, and insulin 1 and 2) was enhanced at ng / ml of actin A concentration. In step 2, pancreatic progenitor cells induced differentiation in the same manner as in Experimental Example 1. As shown in FIG. 1C, pancreatic progenitor cell expression markers HNF-1β and HNF-4α were highly expressed, and SOX17 was continuously expressed in HNF-1β-expressing cells. This suggests that the pancreatic progenitor cells are the endogenous origin of the endomembrane. In addition, most PDX-1 was expressed with other pancreatic progenitor cell expression markers (HNF-1β, HNF-4α, FOXA2, SOX9) (FIG. In the conventional expression protocol, PDX-1 was expressed in about 10% of cells, but after addition of indolactam V (ILV) and FGF10, 30 to 50% or more of PDX-1 positive cells could be observed. RT-PCR was performed to determine if ILV-induced cells were efficiently induced into more mature beta-cell differentiation at the differentiation stage. Cells treated with ILV and FGF10 expressed the beta cell expression markers (insulin 1, 2, NKX6.1, PDX-1, Glut2) more strongly than untreated cells. These results suggest that ILV and FGF10 promote the differentiation of pancreatic progenitor cells into beta cells.

실시예 2. 성숙한 췌도세포와의 공동배양에 의한 인슐린분비세포로의 분화능 향상Example 2. Enhancement of differentiation into insulin-secreting cells by co-culturing with mature islet cells

베타세포 분화 유도에 대한 성숙한 췌도세포의 효과를 평가하기 위해서, 마우스로부터 성체 췌도세포를 분리하여 공동배양 시스템을 확립했다. 췌장내배엽세포(pancreatic endoderm cells, PE)가 PE의 발현 마커인 NGN3, NKX6.1, NKX2.2는 발현하나, 성숙한 베타세포의 마커인 인슐린 1,2, IAPP, Glut2, 글루카곤은 발현하지 않음을 확인한 후, 췌도세포의 췌장내배엽세포(pancreatic endoderm cells, PE)로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도 효과를 확인하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.To evaluate the effect of mature islet cells on the induction of beta cell differentiation, adult pancreatic islet cells were isolated from mice to establish a co-culture system. Pancreatic endoderm cells (PE) express NGN3, NKX6.1, and NKX2.2, which are expression markers of PE, but not mature beta cell markers insulin 1,2, IAPP, Glut2, and glucagon After the confirmation, the effect of inducing the differentiation of pancreatic endoderm cells (PE) into insulin-secreting cells of the pancreatic islets was confirmed. The results are shown in Fig.

도 2A에 나타낸 바와 같이, 췌장내배엽세포(PE)는 인서트 웰(insert well)을 이용하여 췌도세포와 분리하여 분화를 유도하였다. 췌장내배엽세포(PE)를 세 군(group)으로 나누어, 성숙한 췌도세포를 포함하지 않는 기본 분화 배지(DM)(bFGF, 엑센딘-4, 니코틴아미드가 포함된 배지), 췌도세포를 포함하는 기본 분화 배지(췌도세포와의 공동배양), 췌도세포로부터 얻은 조정 배지(CM)에서 3-4일 동안 배양하였다. 형광면역염색을 이용하여, 공동배양에 의한 분화 효과를 조사하고, C-펩타이드 및 인슐린, 그리고 베타세포에 중요한 인자들의 발현 양상을 측정하였다. 3~4 일간 배양 후, 배지로부터 인슐린을 제거하기 위해서 DM에서 2 일간 추가 배양을 하였다. 도 2A의 면역염색에서, C-펩타이드 및 인슐린은 세포질에서, PDX-1은 핵에서 염색됨을 확인 할 수가 있었다. 또한 이들 세포들은 DTZ에 염색이 되었다. 췌도세포 공동배양과 CM에서 분화 유도된 세포는 DM에서의 세포보다 C-펩타이드 및 인슐린이 발현되는 세포가 더 많이 관찰되었고(도 2B 및 C), 베타세포의 중요한 전사 인자인 PDX-1과 NKX6.1 역시 유사한 결과를 보였다(도 2D). 또한 PDX-1은 C-펩타이드, 인슐린, NKX6.1과 동시에 발현이 되었다. 이러한 결과를 통해 분화 유도된 세포의 분화능의 향상은 췌도세포로부터 분비된 인자들에 의한 것이며, 이러한 인자들은 베타세포로의 분화 유도가 가능함을 알 수 있다.
As shown in FIG. 2A, pancreatic endoderm cells (PE) induced differentiation from islet cells using an insert well. Pancreatic endoderm cells (PE) were divided into three groups and were divided into three groups: basic differentiation medium (DM) containing no mature islet cells (medium containing bFGF, exendin-4, nicotinamide) And cultured in differentiation medium (co-culture with pancreatic islet cells) and conditioned medium (CM) from pancreatic islets for 3-4 days. Fluorescence immuno staining was used to investigate the effect of differentiation by co-culture, and the expression pattern of C-peptide, insulin, and beta-cell important factors was measured. After 3 to 4 days of culture, additional cultivation was performed for 2 days in DM to remove insulin from the medium. In the immunostaining of Fig. 2A, it was confirmed that C-peptide and insulin were stained in the cytoplasm and PDX-1 was stained in the nucleus. These cells were also stained with DTZ. (Fig. 2B and C), PDX-1 and NKX6, which are important transcription factors of beta cells, were more frequently observed than those of DM cells (Fig. 2D). In addition, PDX-1 was co-expressed with C-peptide, insulin, and NKX6.1. These results suggest that the enhancement of the differentiation-induced cell differentiation is due to the factors secreted from the pancreatic islet cells, and that these factors can induce differentiation into beta cells.

실시예 3. 췌도세포와의 공동배양에 의한 기능적인 인슐린 분비세포로의 분화Example 3. Differentiation into functional insulin-secreting cells by co-culturing with an islet cell

췌도세포와의 공동배양에 의해 분화 유도된 세포의 전사인자 발현 양상을 조사하기 위해 RT-PCR을 수행하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.RT-PCR was performed to investigate the expression pattern of transcription factors in differentiation-inducing cells by co-culturing with an islet cell. The results are shown in Fig.

도 3A에 나타낸 바와 같이, 췌도 공동배양 세포와 CM에서 분화 유도된 세포는 DM에서 분화 유도된 세포보다 인슐린 1 및 2, PDX-1, IAPP, Glut2, Isl-1, 글루카곤, NKX6.1, NKX2.2 가 더 강하게 발현되었다. 그러나, 소마토스타틴(somatostatin), 췌장 폴리펩타이드(pancreatic polypeptide), 및 그렐린(ghrelin)의 mRNA의 발현 양상에는 변화가 없었다. 또한, 도 3B에 나타낸 바와 같이, Q-PCR에서도 유사한 결과를 보였으며, 인슐린 1, PDX-1, 및 IAPP 발현은 DM에서 배양된 세포와 비교하여 10 배 이상 증가됨을 보였다. As shown in FIG. 3A, islet co-cultured cells and CM-differentiated cells were differentiated from DM-induced cells by insulin 1 and 2, PDX-1, IAPP, Glut2, Isl-1, glucagon, NKX6.1, NKX2 .2 was more strongly expressed. However, there was no change in the expression pattern of mRNA of somatostatin, pancreatic polypeptide, and ghrelin. In addition, as shown in FIG. 3B, Q-PCR showed similar results, and insulin 1, PDX-1, and IAPP expression were shown to increase 10-fold over the cells cultured in DM.

또한, 각 다른 분화 조건에서 유도된 세포가 당에 의해서 인슐린분비가 조절이 되는지 조사하기 위해서, 분화된 세포에 당 자극을 준 후, 인슐린 분비능을 조사하였다. 도 3C에 나타낸 바와 같이, DM에서 배양된 세포보다 췌도 공동배양에 의해 분화된 세포 및 CM에서 분화 유도된 세포가 저농도와 고농도의 당 자극 모두에서 인슐린 분비능이 좋았으며, 당자극 지표(stimulation index)에도 췌도 공동배양에 의해 분화된 세포 및 CM에서 분화 유도된 세포는 성숙한 췌도세포의 당작극 지표와 유사한 결과를 보였다(도 3D). 이러한 결과를 통해 췌도세포와의 공동배양이 기능적인 인슐린 분비세포의 분화를 효율적으로 향상 시킬 수 있음을 알 수 있다.
In addition, to examine whether the cells induced by different differentiation conditions regulate insulin secretion by the sugar, the differentiated cells were stimulated with glucose, and the insulin secretion ability was examined. As shown in FIG. 3C, cells differentiated by islet co-culture and cells differentiated from CM were better than those cultured in DM, and stimulation index was high in both low and high concentration of glucose stimulation. Cells differentiated by Edo-pancreatic co-culture and cells differentiated from CM showed similar results to those of mature islet cells (Fig. 3D). These results suggest that co - culture with islet cells can effectively improve the differentiation of insulin - secreting cells.

실시예 4. 뉴포트 그린 분리(sorting) 세포의 베타세포 마커 발현 증가Example 4. Increased beta cell marker expression in Newport green sorting cells

본 연구자는 분화 유도된 세포로부터 순수한 베타세포를 분리하기 위해서 뉴포트 그린 (Newport Green, NG)를 이용하였다. NG는 베타세포 내에 아연이 풍부한 특징을 가지고 있으며, 이들 염색함으로써 탐지 할 수가 있는 형광염색제이다. 분화된 세포들은 NG에 염색 되었으며, 세포질에 불균질하게 염색되었다. NG-양성세포는 DM에서 분화 유도된 세포에서보다 공동배양에서 분화 유도된 세포에서 유의성 있게 더 많이 탐지 되었다(25.5±3.2 vs. 45±3%, P<0.05)(도 4A 및 B). 유세포 분석기(flow cytometry)로 NG-양성 및 음성 세포를 분리하여 RT-PCR을 수행한 결과, NG-양성세포는 분리하지 않은 세포(unsorting cells) 및 NG-음성세포에 비하여 인슐린 1 및 2, PDX-1, NKX6.1, NKX2.2, 및 Glut2가 더 높게 발현됨을 확인할 수 있었다(도 4C). 또한, 마우스 또는 인간의 인슐린을 인식하지 않는, 마우스 프로인슐린(proinsulin) 특이적 프로인슐린 모노클로날 항체을 이용하여 유세포 분석(flow cytometry)을 수행한 결과, 프로인슐린-양성세포는 DM에서 배양된 세포와 비교하여 췌도세포와 공동배양한 세포에서 더 많이 탐지 되었음을 확인하였다(48.1±4.2 vs. 23.7±2.3%, P<0.01)(도 4D 및 E).
We used Newport Green (NG) to separate pure beta cells from differentiation-induced cells. NG is a fluorescent dye that can be detected by staining zinc-rich features in beta cells. The differentiated cells were stained with NG and stained heterogeneously in the cytoplasm. NG-positive cells were significantly more detected in differentiation-induced cells (25.5 ± 3.2 vs. 45 ± 3%, P <0.05) in co-culture than in cells induced to differentiation in DM (FIGS. 4A and B). NG-positive cells were analyzed by RT-PCR using NGC-positive and negative cells by flow cytometry. As a result, insulin 1 and 2, PDX -1, NKX6.1, NKX2.2, and Glut2 were more highly expressed (Fig. 4C). In addition, flow cytometry using mouse proinsulin-specific proinsulin monoclonal antibody, which does not recognize mouse or human insulin, showed that proinsulin-positive cells were more proliferated in DM- (48.1 ± 4.2 vs. 23.7 ± 2.3%, P <0.01) (Fig. 4D and E), respectively, compared with islet cells co-cultured with pancreatic islets.

실시예 5. 성숙한 췌도세포와의 공동배양을 통해 인간 역분화 만능줄기세포로부터 인슐린분비세포로의 분화능 향상Example 5. Improvement of differentiation ability from human de-differentiating pluripotent stem cells into insulin-secreting cells through co-cultivation with mature islet cells

췌도세포와의 공동배양을 통해, 마우스 배아줄기세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화가 향상됨을 확인하였으며, 이러한 공동배양 분화방법이 인간 역분화 만능줄기세포(hiPS)에서도 가능한지 여부를 조사하였다. 먼저, hiPS가 각 분화 단계의 세포로 유도되는지 여부를 확인하였다. hiPS는 3 일째에 SOX17 및 FOXA2를 가장 높게 발현하였고(1단계), SOX17 및 OCT4는 시간 따라 급격히 감소됨이 관찰 되었다. 형광면역염색을 통해서, SOX17 및 FOXA2는 60% 이상의 세포에서 함께 발현됨을 확인하였다. 2 단계 및 3 단계에서는 HNF1β 및 HNF4α가 가장 높게 발현되었고, 60~80%의 세포는 HNF1β에 양성이었다. PDX-1, HLXB9, SOX9, HNF6을 발현하는 췌장전구세포(pancreatic progenitor cell)는 Q-PCR 및 형광면역염색을 통해 탐지 되었으며(3 단계), 4 단계에서의 세포는 NKX6.1 및 PAX6이 발현되었다. 또한 최종단계에서는 PTF1a, NKX2.2, GCK, 인슐린이 발현되었다. 그러나, 분화 과정에서 ALB(albumin)는 거의 발현되지 않았다. It was confirmed that differentiation from mouse embryonic stem cells into insulin - secreting cells was improved by co - culturing with an islet cell, and whether this co - culture differentiation method was also possible in human depleted pluripotent stem cells (hiPS). First, it was confirmed whether hiPS was induced to cells of differentiation stage. hiPS showed the highest expression of SOX17 and FOXA2 on day 3 (step 1), and SOX17 and OCT4 were observed to decrease rapidly over time. Through fluorescence immunohistochemistry, it was confirmed that SOX17 and FOXA2 were coexpressed in 60% or more of cells. In stage 2 and 3, HNF1β and HNF4α were the most highly expressed, and 60-80% of the cells were positive for HNF1β. Pancreatic progenitor cells expressing PDX-1, HLXB9, SOX9 and HNF6 were detected by Q-PCR and fluorescent immunostaining (stage 3), and cells in stage 4 were found to express NKX6.1 and PAX6 . At the final stage, PTF1a, NKX2.2, GCK and insulin were expressed. However, ALB (albumin) was rarely expressed in the differentiation process.

도 5A에 나타낸 바와 같이, 마우스 배아줄기세포에 대한 방법과 동일한 방법으로 췌도세포와 공동배양을 통해 hiPS 분화의 효율성을 확인하였다. Q-PCR을 수행한 결과, 췌도공동배양 세포가 대조군(DM에서 분화된 세포)에 비해 PDX-1, NKX6.1, NKX2.2, GCK, 인슐린이 각각 7.8, 2.3, 3.4, 2.6, 4.5 배 높게 발현되었다(도 5B). 또한 전자현미경상에서, 공동배양한 세포에서 더 많은 과립이 관찰 되었다(도 5C). 유세포 분석기를 이용하여 공동배양 세포에서의 NG-양성세포의 비율을 조사한 결과, 대조군에 비해 공동배양한 세포에서 NG-양성세포가 더 많이 탐지됨을 확인 할 수 있었다(14.11±1.6% vs. 24.64±1.82%, P<0.01)(도 5D 및 E).
As shown in FIG. 5A, the efficiency of hiPS differentiation was confirmed by co-culturing with an islet cell in the same manner as that for mouse embryonic stem cells. As a result of Q-PCR, PDX-1, NKX6.1, NKX2.2, GCK, and insulin were 7.8, 2.3, 3.4, 2.6, and 4.5 times higher than the control (DM differentiated cells) (Fig. 5B). Further, on the electron microscope, more granules were observed in co-cultured cells (Fig. 5C). The percentage of NG-positive cells in co-cultured cells using flow cytometry showed that more NG-positive cells were detected in co-cultured cells than in the control (14.11 ± 1.6% vs. 24.64 ± 1.82%, P < 0.01) (Figures 5D and E).

실시예 6. 당뇨 동물 모델에서 췌도세포 공동배양에 의해 분화된 세포이식의 효과Example 6. Effect of cell transplantation differentiated by islet cell co-culture in an animal model of diabetes

췌도세포와 공동배양한 세포가 인슐린을 발현하고, 당 자극에 반응 하는 세포로서 기능할 수 있는지 여부를 조사하였다. DM에서 분화된 세포와 췌도세포 공동배양에 의해 분화된 세포를 당뇨 누드 마우스의 신장 피막하에 이식하였고, 심한 고혈당으로 인한 사망을 막기 위해 실험 기간 중에 인슐린을 주입하였다. 췌도세포 공동배양 세포 이식군은 6 마리 중 4마리가 정상 혈당을 유지하는 반면, DM에서 분화된 세포 이식군은 7 마리 중 6마리가 심한 체중감소와 고혈당을 보였다(도 6A). 이중에 1 마리는 테라토마(teratoma)가 형성되었으며, 생존한 1마리는 고혈당을 유지하였다. 이식 후 90 일째에, 정상 혈당을 유지하는 마우스의 신장을 제거하였으며, 신장 제거 이후에 혈당이 다시 높아짐을 관찰 할 수 있었다(도 6A). 당부하검사에서 췌도세포 공동배양 세포 이식군은 DM에서 분화된 세포 이식군에 비해서 향상된 당 조절능을 보였다 (도 6B). 또한 이식된 췌도세포 공동배양 세포가 인슐린 분비세포로의 분화에 의해서 당뇨병 치료 효과를 보이는지를 확인하기 위해서 마우스의 혈청에서 인간 C-펩타이드를 측정하였다. 췌도세포 공동배양 세포 이식군에서 DM에서 분화된 세포 이식군보다 훨씬 높은 C-펩타이드가 탐지 되었다(도 6C). 세포가 이식된 신장 조직에서 C-펩타이드 또는 인슐린 양성세포가 존재하는지 여부를 확인하기 위해 형광 면역염색을 실시한 결과, 인슐린 양성세포가 정착된 이식부위에 존재하였으며, C-펩타이드와 공동 염색이 되었다. 인슐린 양성세포는 고혈당 마우스의 조직에서도 탐지 되었으나, 정상 혈당 마우스의 조직에서 보다 인슐린 양성세포의 수가 훨씬 적었다(도 6D). 이러한 결과를 통해 췌도세포와 공동배양으로 분화 유도된 세포는 생체 내에서 인슐린 분비세포로써의 기능을 나타냄을 알 수 있다. We examined whether cells co-cultured with islet cells express insulin and function as cells responsive to the stimulation with glycogen. Cells differentiated by DM and cells differentiated by islet cell co - culture were transplanted under the renal capsule of diabetic nude mice and insulin was injected during the experiment to prevent death due to severe hyperglycemia. In the islet cell co-cultured cell transplantation group, 4 out of 6 mice maintained normal blood glucose level, whereas in the DM transplantation group, 6 out of 7 mice showed severe weight loss and hyperglycemia (FIG. 6A). One of them had a teratoma, and the surviving one maintained hyperglycemia. At 90 days after transplantation, the kidneys of mice maintaining normal blood glucose were removed and blood glucose levels were elevated again after renal elimination (FIG. 6A). In the glucose tolerance test, the islet cell co-cultured cell transplantation group showed improved glucose control ability as compared to the DM transplantation cell group (Fig. 6B). The human C-peptide was measured in the serum of the mouse to confirm whether the transplanted islet cell co-cultured cells showed diabetic therapeutic effect by differentiation into insulin-secreting cells. A much higher C-peptide was detected in the islet cell co-cultured cell transplantation group than in the DM differentiated cell transplantation group (Fig. 6C). In order to confirm the presence of C-peptide or insulin-positive cells in the kidney tissue to which the cells were transplanted, fluorescent immunostaining was performed. As a result, insulin-positive cells were present in the fixed transplantation site and co-stained with C-peptide. Insulin-positive cells were also detected in the tissues of hyperglycemic mice, but the numbers of insulin-positive cells were much smaller than in tissues of normal blood glucose mice (Fig. 6D). These results suggest that cells induced to differentiate into islet cells and co-cultured cells function as insulin-secreting cells in vivo.

Claims (10)

췌도세포(islet cells)를 배양한 조정배지(conditioned medium), 인돌락탐 Ⅴ(Indolactam Ⅴ) 및 FGF10을 유효성분으로 포함하는, 전사인자가 비도입된 만능줄기세포로부터 분화된 췌장 전구세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 조성물.Insulin secretion from pancreatic progenitor cells differentiated from transcription factor-uninvolved pluripotent stem cells, which contains the conditioned medium in which islet cells were cultured, Indolactam V and FGF10 as active ingredients, A composition for inducing differentiation into a cell. 제 1항에 있어서, 췌도세포(islet cells)를 배양한 조정배지는 성숙한 췌도세포의 배양에 의해 얻은 것인, 조성물.The composition of claim 1, wherein the conditioned medium in which the islet cells are cultured is obtained by culturing mature islet cells. 제 1항에 있어서, 상기 만능줄기세포는 배아줄기세포 또는 역분화 만능줄기세포인 것인, 조성물.The composition according to claim 1, wherein the pluripotent stem cells are embryonic stem cells or dedifferentiated pluripotent stem cells. 췌도세포(islet cells)를 배양한 조정배지, 인돌락탐 Ⅴ(Indolactam Ⅴ) 및 FGF10을 유효성분으로 포함하는, 전사인자가 비도입된 만능줄기세포로부터 분화된 췌장 전구세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 배지 조성물.Differentiation from pancreatic progenitor cells differentiated from transcription factor-uninvolved pluripotent stem cells into insulin-secreting cells, which contains the conditioned medium in which islet cells were cultured, Indolactam Ⅴ, and FGF10 as active ingredients Gt; 제4항의 배지 조성물을 포함하는, 전사인자가 비도입된 만능줄기세포로부터 분화된 췌장 전구세포로부터 인슐린 분비세포로의 분화 유도용 키트.A kit for inducing differentiation of pancreatic progenitor cells into insulin secreting cells differentiated from pluripotent stem cells into which the transcription factor is not introduced, comprising the culture medium composition of claim 4. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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