KR101953977B1 - Method for generation of salivary organoids using three-dimensional co-culture of stem cells - Google Patents

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Abstract

본 발명은 줄기세포 3차원 공배양을 통한 타액선 오가노이드 형성 방법 및 이를 이용한 타액선 재생의 용도에 관한 것으로, 상세하게는 인간 타액선에서 분리한 성체 타액선 줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통한 타액선 유사 장기 (오가노이드)의 제작 방법에 대한 것이다. 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 오가노이드의 형태를 보이며, 세포의 증식에 영향을 받지 않고 오가노이드가 형성되는 것을 확인하였으며, 상기 오가노이드는 질환 모델링, 병리연구, 약물스크리닝, 독성평가, 유전자조작에 활용될 수 있다. The present invention relates to a method of forming a salivary gland organoid through three-dimensional stem cell culture, and more particularly, to a method of regenerating a salivary gland by co-culturing adult salivary stem cells and vascular endothelial stem cells isolated from human salivary glands (Organoids) of the like. When the salivary stem cells and the vascular endothelial stem cells were co-cultured, the organoid was observed, and it was confirmed that the organoid was formed without being affected by the cell proliferation. The organoid was found to be involved in disease modeling, pathological studies, drug screening, Toxicity assessment, and genetic engineering.

Description

줄기세포 3차원 공배양을 통한 타액선 오가노이드 형성 방법{Method for generation of salivary organoids using three-dimensional co-culture of stem cells}[0001] The present invention relates to a method for forming salivary gland organoids by three-

본 발명은 줄기세포 3차원 공배양을 통한 타액선 오가노이드 형성 방법 및 이를 이용한 타액선 재생의 용도에 관한 것으로, 상세하게는 인간 타액선에서 분리한 성체 타액선 줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통한 타액선 유사 장기 (오가노이드)의 제작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a salivary gland organoid through three-dimensional stem cell culture, and more particularly, to a method of regenerating a salivary gland by co-culturing adult salivary stem cells and vascular endothelial stem cells isolated from human salivary glands (Organohydrogens). ≪ / RTI >

줄기세포란 특정한 세포로 분화가 진행되지 않은 채 유지되다가, 필요한 경우 신경, 혈액, 연골 등 생물체를 구성하는 모든 종류의 세포로 분화할 능력을 가진 세포를 말한다. 이러한 줄기세포를 얻을 수 있는 방법은 크게 두 가지가 있다.Stem cells are cells that have the ability to differentiate into all kinds of cells that constitute living organisms such as nerves, blood, and cartilage, while maintaining their specificity without any differentiation. There are two ways to obtain such stem cells.

첫째는 수정란으로부터 발생한 배아(배아줄기세포)로부터 얻는 것이고, 둘째는 성인이 된 몸의 각 부분에 간직되어 있는 줄기세포(성체줄기세포)를 회수하는 것이다. 기능적인 면에서 차이는 있지만 배아줄기세포나 성체줄기세포는 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 특징을 가지고 있다. 상기 세포들은 만능분화능(pluripotency)를 가졌으며, 자기와 닮은 세포들을 무한정 만들 수 있는 자기재생(self-renewal) 능력을 갖고 있다.The first is to obtain embryos from embryos (embryonic stem cells), and the second is to collect stem cells (adult stem cells) that are retained in various parts of the adult body. Although there are functional differences, embryonic stem cells and adult stem cells are characterized by their ability to differentiate into various types of cells. These cells have pluripotency and self-renewal ability to make self-resident cells indefinite.

성체줄기세포는 배아줄기세포 만큼 전분화능(totipotency)을 띄지는 않지만 다분화능(multipotency)을 가지고 있고, 또한 난자를 사용하지 않으므로 윤리적인 문제가 없고, 환자 본인의 세포를 추출하여 환자 개개인에 맞게 맞춤형 치료로 사용하기 때문에 면역거부반응도 없다는 점이 가장 큰 장점이다. 대표적인 성체줄기세포로 중간엽(간엽성) 줄기세포가 있으며 골수, 지방, 태반, 탯줄 등에서 분리가 가능하다. 이와 같은 줄기세포는 간엽성 (중간엽성) 조직인 뼈, 연골, 지방 분화가 가능하며 조직내 생착하여 면역조절 및 다양한 치료인자 분비를 통해 손상된 조직을 치유할 수 있다. 그러나 조직 내 생착률이 낮고 조직 내 구성세포로의 분화가 적은 단점이 있다.Adult stem cells are not as totipotency as embryonic stem cells, but have multipotency. They do not have any ethical problems because they do not use oocytes. They extract the cells of the patients themselves and tailor them to individual patients. The greatest advantage is that there is no immune rejection because it is used as a treatment. Representative adult stem cells include mesenchymal stem cells, which can be isolated from bone marrow, fat, placenta, and umbilical cord. Such stem cells are capable of differentiating bones, cartilage, and fat, which are mesenchymal (mesenchymal) tissues, which can be cured by immune regulation and secretion of various therapeutic factors. However, there is a disadvantage in that the engraftment rate in the tissue is low and the differentiation into constitutive cells in the tissue is small.

다양한 분리기술을 이용하여 타액선 조직에 존재하는 조직줄기세포가 존재하고 이를 분리할 수 있음이 확인되었다. 기존에 보고된 타액선 줄기세포는 상피성 줄기세포의 특성을 보이거나 중간엽성 줄기세포의 특성을 보이는 세포가 각각 개별적으로 보고되었으나 아직까지 모든 타액선 조직세포로 분화가 가능한 타액선 줄기세포는 발견되지 않았다. 기존의 방식으로 분리해낸 줄기세포가 균질한 특성을 갖는 동일한 세포들로 보기는 어려운 반면, 본 발명자들은 단일 클론의 줄기세포 (single clonal stem cells)를 분리 배양한 고순도 줄기세포의 특성을 분석하여 상피성 세포로 분화가 가능함과 동시에 중간엽성 세포로도 분화가 가능하고 상피성 줄기세포 표지자(LGR5)와 중간엽성 줄기세포 표지자(CD90)를 동시에 발현하는 다분화능 타액선 조직줄기세포가 존재하며 이를 분리 배양할 수 있음을 보고하였다 (Scientific Report, 2016 Nov 8;6:36303). It has been confirmed that tissue stem cells existing in salivary gland tissue are present and can be separated using various separation techniques. Previously reported salivary stem cells exhibited epithelial stem cell characteristics or mesenchymal stem cell characteristics, but no salivary stem cells capable of differentiating into all salivary gland tissue cells were found. The present inventors analyzed the characteristics of high-purity stem cells obtained by isolating and culturing single clonal stem cells, and found that the epithelial cells of the epithelium (LGR5) and mesenchymal stem cell markers (CD90) at the same time as differentiation into mesenchymal cells and differentiation into spermatogonial cells. There are also multiple differentiated salivary mesenchymal stem cells that can express the epithelial stem cell markers (LGR5) and mesenchymal stem cell markers (Scientific Report, 2016 Nov 8; 6: 36303).

유사장기 (오가노이드, organoid) 형성은 대표적으로 장 조직줄기세포 (intestinal stem cells)인 LGR5+ 단일 줄기세포에서 촉진인자를 이용하여 제작하는 방식이 대표적이나 아직까지 타액선 오가노이드 제작이 가능한 단일 성체줄기세포가 분리되지 못하였다. 따라서 타액선 오가노이드를 제작하기 위해서 타액선 상피성 줄기세포와 타액선 중간엽 줄기세포의 공배양, 타액선 도관 스케폴드 또는 태아 타액선상피세포와 세포간엽 (mesenchyme)의 혼합배양, 성체 중간엽줄기세포와 타액선세포의 공배양을 포함하는 세포 혼합배양 방식이 주로 사용되어 왔는데, 이러한 타액선세포 혼합배양 방식은 분리된 세포가 균등하지 않은 혼합세포의 형태를 공배양하게 되어 순도가 낮으며 오가노이드 형태가 불규칙하고 대량 배양이 불가능하다는 문제가 있다. 따라서, 보다 균등하게 대량 수득이 가능하며, 타액선 조직의 특성이 강화된 단일 성체 조직줄기세포를 이용하는 방법이 요구되고 있다. The formation of pseudogenes (organoid) is typically performed by using promoters in LGR5 + single stem cells, which are intestinal stem cells. However, it has been reported that single adult stem cells capable of producing salivary gland organisms . Therefore, in order to produce salivary gland organoid, co-culture of salivary epithelial stem cells and salivary mesenchymal stem cells, mixed culture of salivary duct conduit scaffold or fetal salivary epithelial cells with mesenchyme, adult mesenchymal stem cells and salivary gland cells . In the mixed culture system of salivary gland cells, the isolated cells are co-cultured with unequal mixed cell types, resulting in low purity, irregular organoid form, and large volume There is a problem that cultivation is impossible. Therefore, there is a demand for a method using monoclonal adipose stem cells, which can be obtained in a more evenly distributed manner and has enhanced salivary gland tissue characteristics.

한편, 타액선은 내배엽성 선세포와 중배엽성 상피세포 및 간질 조직으로 구성되어 있으며 선세포 - 개재도관세포 - 줄무늬관세포 - 분비관세포와 근상피세포로 구성되어 있다. 따라서 하나의 성체 세포로 타액선 조직을 재생할 수 없으며 타액선 조직의 복잡성을 그대로 재생하기 위해서는 다상분화를 유도할 수 있는 줄기세포치료제가 필요할 뿐만 아니라 단순 세포치료제 개념보다는 기능이 우수한 기능조절 줄기세포치료기술이 유용할 수 있다. 특히, 조직 손상이 광범위한 만성 타액선 기능저하 질환의 기능회복을 위해서는 줄기세포의 단일 이식 전략보다는 기능이 강화된 줄기세포의 이식을 통해 내재 줄기세포 증식 및 분화 증대, 치료인자 분비 촉진을 통한 미세환경 제어기술 개발이 새로운 해결방안이 될 수 있다. 방사선에 의한 조직손상으로 인한 타액 분비 감소의 경우 타액선 조직 내 줄기세포 고갈로 인한 조직 재생 및 회복력의 감소가 영구적 손상의 주된 기전으로 알려져 있으며, 따라서 근본적 치료를 위해서는 손상된 조직을 재건 및 대체 (내재세포로의 분화 유도 및 치료적 인자 분비를 통한 세포, 조직 재생)할 수 있는 조직 복원 기술 개발이 필요하다.On the other hand, the salivary gland consists of endoderm cells, mesodermal epithelial cells, and epidermal cells, and is composed of cytoskeletal - interstitial ductal cells - striated ductal cells - secretory vascular cells and myoepithelial cells. Therefore, it is impossible to regenerate the salivary gland tissue as an adult cell. In order to regenerate the complexity of the salivary gland tissue, a stem cell treatment agent capable of inducing multiphasic differentiation is required, and a functional stem cell treatment technique It can be useful. In particular, to restore the function of a chronic salivary gland dysfunction disease with a wide range of tissue damage, stem cell transplantation is more effective than the single-graft strategy of stem cells, resulting in increased stem cell proliferation and differentiation through intracellular stem cell transplantation, Technology development can be a new solution. In the case of decreased saliva secretion due to tissue damage caused by radiation, reduction of tissue regeneration and resilience due to depletion of stem cells in salivary tissue is known to be the main mechanism of permanent injury. Therefore, for the fundamental treatment, reconstruction and replacement of damaged tissue It is necessary to develop a tissue restoration technique capable of inducing differentiation into cells and tissue regeneration through therapeutic factor secretion).

또한, 새로운 치료약물을 발굴 및 개발하기 위해서는 생체를 모사할 수 있으며 질환의 특성을 잘 나타내는 모델 개발이 필수적이다. 현재까지 가장 정확하고 신뢰할 수 있는 생물학적 분석은 동물을 이용한 실험이며 동물을 이용한 분석이 독성학이나 신약 스크리닝과 같은 생물학적 분석 분야에서 높은 정확도의 장점을 가지나 여러 단점도 가지고 있다. 현재 실험실에서 쓰이고 있는 일차배양 세포모델의 경우 해당 장기 또는 조직에서 유래한 세포를 인공적으로 불멸화(immortalized) 시키거나 2차원적으로 평면배양하면서 후보물질의 효능 및 독성을 검증하게 된다. 하지만 2차원적으로 인공적으로 배양되는 세포들은 조직에서 분리된 후 배양되는 과정에서 본래 세포 형태의 변화뿐만 아니라 조직 단위의 세포 기능을 일부 상실하게 되며 아울러 세포외환경(ECM, microenvironment) 과의 연결이 단절되어 실제 생체에서 나타나는 현상을 반영하지 못하는 치명적인 단점이 있다. 뿐만 아니라 인간 세포가 아닌 경우 종간 차이로 인해 약물의 작용 및 기전이 인간과 동일하지 않은 경우가 많아 이로 인해 효율적인 약물개발의 발전이 저해가 되고 시간과 비용 또한 많이 소요가 된다. 이를 해결하기 위한 수단으로 최근 환자 유래 유사 장기를 제작하여 질환 모델링, 병리연구, 약물스크리닝, 독성평가, 유전자조작에 활용하는 방법으로써 줄기세포 오가노이드 제작 기술 개발이 관심을 받고 있다. In addition, in order to discover and develop a new therapeutic drug, it is essential to develop a model that can simulate the living body and well characterize the disease. To date, the most accurate and reliable biological analysis is animal experimentation and animal analysis has high accuracy advantages in biological analysis such as toxicology and drug screening, but it also has several disadvantages. In the case of the primary culture cell model currently used in the laboratory, cells derived from the organ or tissue are artificially immortalized or two-dimensionally cultured to verify the efficacy and toxicity of the candidate substance. However, two-dimensionally artificially cultured cells are separated from the tissues and then cultured. In addition, the cell functions of the tissue units are partially lost as well as changes in the original cell morphology, and the connection with the extracellular environment (ECM, microenvironment) It has a fatal disadvantage that it does not reflect the phenomenon actually occurring in the living body. In addition, in the case of non-human cells, due to species differences, the action and mechanism of the drug are often not the same as those of human, which hinders the development of effective drug development and requires a lot of time and cost. Recently, development of stem cell organogenesis technology has been attracting attention as a means of solving this problem by producing similar organs derived from patients and using them for disease modeling, pathology research, drug screening, toxicity evaluation, and gene manipulation.

PCT국제공개특허 WO 2016/168950 (2016.10.27 공개)PCT International Publication No. WO 2016/168950 (published Oct. 27, 2016)

본 발명의 목적은 인간 타액선에서 분리한 성체 타액선 줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통한 타액선 오가노이드의 제작 방법에 관한 것으로, 상세하게는 인간 타액선(salivary gland) 장기에서 채취한 조직 샘플에서 분리한 단일 클론 성체줄기세포 중에서 상피성 줄기세포(epithelial stem cells)와 중간엽성 줄기세포(mesenchymal stem cells)의 특성을 모두 보유한 타액선 조직줄기세포를 분리하여, 세포외기질 (Matrigel) 내에서 혈관외피줄기세포와의 공배양을 통해 다양한 타액선 세포의 특성을 보유하는 3차원적 타액선 오가노이드를 제작하는 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide a method for producing a salivary gland organoid by co-culturing adult salivary gland stem cells and vascular endothelial stem cells isolated from human salivary glands. More particularly, Among salivary monoclonal adult stem cells, salivary mesenchymal stem cells having both epithelial stem cells and mesenchymal stem cells were isolated and cultured in the extracellular matrix (Matrigel) The present invention provides a method for producing a three-dimensional salivary gland organoid having the characteristics of various salivary gland cells by co-culturing with stem cells.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 선줄기세포 및 혈관외피줄기세포를 공배양하는 단계; 및 (2) 상기 공배양을 통해 오가노이드(organoid)를 형성시키는 단계를 포함하는 선 오가노이드 형성 방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a stem cell comprising the steps of: (1) co-culturing a stem cell and a vascular endothelial stem cell; And (2) forming an organoid through the co-culture.

본 발명은 줄기세포 3차원 공배양을 통한 타액선 오가노이드 형성 방법 및 이를 이용한 타액선 재생의 용도에 관한 것으로, 상세하게는 인간 타액선에서 분리한 성체 타액선 줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통한 타액선 유사 장기 (오가노이드)의 제작 방법에 대한 것이다. 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 오가노이드의 형태를 보이며, 세포의 증식에 영향을 받지 않고 오가노이드가 형성되는 것을 확인하였으며, 상기 오가노이드는 질환 모델링, 병리연구, 약물스크리닝, 독성평가, 유전자조작에 활용될 수 있다. The present invention relates to a method of forming a salivary gland organoid through three-dimensional stem cell culture, and more particularly, to a method of regenerating a salivary gland by co-culturing adult salivary stem cells and vascular endothelial stem cells isolated from human salivary glands (Organoids) of the like. When the salivary stem cells and the vascular endothelial stem cells were co-cultured, the organoid was observed, and it was confirmed that the organoid was formed without being affected by the cell proliferation. The organoid was found to be involved in disease modeling, pathological studies, drug screening, Toxicity assessment, and genetic engineering.

도 1은 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양한 후 세포의 형태와 세포의 증식을 Live/Dead와 viability로 확인한 결과를 나타낸다. 타액선줄기세포만 배양했을 때는 스페로이드 형성하지만, 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 오가노이드의 형태를 보이며, 세포의 증식에 영향을 받지 않고 오가노이드가 형성되는 것을 확인하였다.
도 2 및 도 3은 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 3차원 공배양한 후 오가노이드 배양액 (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2mM L-glutamine, 1% penicillin/streptomycin)을 사용하여 배양한 후에 타액선 세포, 혈관외피세포 및 뇌신경세포의 마커 발현 변화를 PCR 신호와 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다. 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 타액선 세포, 혈관외피세포 및 뇌신경세포의 마커 발현이 증가하는 것을 PCR 신호와 웨스턴 블롯으로 확인하였다.
도 4는 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 3차원 공배양한 후 오가노이드 배양액 (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2mM L-glutamine, 1% penicillin/streptomycin)을 사용하여 배양한 후에 형성된 타액선 오가노이드의 기능을 아밀레이즈 활성, 세포내 pH 활성 및 세포내 칼슘을 측정 후 분석한 결과를 나타낸다. 타액선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 타액선 오가노이드의 기능이 타액선줄기세포만 배양했을 때보다 증가되는 것을 확인하였다.
FIG. 1 shows the result of confirming cell morphology and cell proliferation by Live / Dead and viability after co-culturing salivary stem cells and vascular endothelial stem cells. When salivary stem cells were cultured alone, spoloid formation was observed. However, when co-cultured with salivary stem cells and vascular endothelial stem cells, organoids were observed and organogenes were formed without being affected by cell proliferation.
FIG. 2 and FIG. 3 show the results of three-dimensional co-culture of salivary stem cells and vascular endothelial stem cells using serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2 mM L-glutamine and 1% penicillin / streptomycin The results of PCR and Western blot analysis show the change of marker expression in salivary gland cells, vascular epithelial cells and neuronal cells after culturing. When salivary stem cells and vascular endothelial stem cells were co-cultured, the expression of markers in salivary gland cells, vascular epithelial cells and neuronal cells was increased by PCR signals and Western blotting.
FIG. 4 is a graph showing the results of three-dimensional co-culture of salivary stem cells and vascular endothelial stem cells, followed by incubation with a serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2 mM L-glutamine and 1% penicillin / streptomycin The function of the salivary gland organoid formed later is shown in the analysis result after measurement of amylase activity, intracellular pH activity and intracellular calcium. When salivary stem cells and vascular endothelial stem cells were co-cultured, the function of salivary gland organoid was found to be higher than that of salivary stem cells alone.

본 발명은 (1) 선줄기세포 및 혈관외피줄기세포를 공배양하는 단계; 및 (2) 상기 공배양을 통해 오가노이드(organoid)를 형성시키는 단계를 포함하는 선 오가노이드 형성 방법을 제공한다.The present invention relates to (1) co-culturing neural stem cells and vascular endothelial stem cells; And (2) forming an organoid through the co-culture.

바람직하게는, 상기 선줄기세포는 선조직으로부터 분리될 수 있으며, 상기 혈관외피줄기세포는 정상 산모 탯줄 유래 동맥으로부터 분리될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the precursor cells are isolated from the intact tissue, and the vascular endothelial stem cells may be isolated from the normal maternal umbilical artery, but are not limited thereto.

바람직하게는, 상기 (1) 단계는 선줄기세포 및 혈관외피줄기세포의 세포수 비율을 2 ~ 3 : 1로 하여 공배양할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the step (1) may be performed by co-culturing the cells with the ratio of the number of cells of the stem cell and the vascular endothelial stem cells to 2: 3: 1, but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 공배양은 세포 클러스터 형성이 가능한 세포외기질 (extracellular matrix; Matrigel)에서 3차원 배양할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 3차원 배양은 3 ~ 5일 동안 분화유도 배지를 이용하여 배양할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the co-culture can be three-dimensionally cultured in an extracellular matrix (Matrigel) capable of cell cluster formation, and more preferably, the three-dimensional culture is performed using a differentiation induction medium for 3 to 5 days But is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 선 오가노이드는 아밀레이즈 활성 및 세포 내 칼슘의 농도가 증가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the above-described sunorganotypes are capable of increasing amylase activity and intracellular calcium concentration, but are not limited thereto.

본 발명에서 사용할 수 있는 선 조직은 타액선, 간, 췌장, 신장과 같이 발생 기원이 유사한 선 장기 중 선택되는 1종일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 타액선을 사용하였다. The lineal tissue that can be used in the present invention may be one selected from among the linear organs having similar origins, such as salivary glands, liver, pancreas, and kidney. In one embodiment of the present invention, salivary glands were used.

본 발명에서 사용한 타액선 조직으로부터 분리된 타액선 줄기세포는 상피성 줄기세포 표지자인 LGR5와 중간엽성 줄기세포 표지자인 CD90을 동시에 발현하고, 상피성 세포인 타액선 선세포로 분화가 가능함과 동시에 중간엽성 세포인 연골세포, 골세포, 지방세포로 분화가 가능한 다분화능 줄기세포이다. The salivary stem cells isolated from the salivary gland tissue used in the present invention can express the epithelial stem cell marker LGR5 and the mesenchymal stem cell marker CD90 at the same time and can differentiate into salivary gland cells which are epithelial cells, It is a multipotential stem cell capable of differentiating into cells, bone cells and adipocytes.

본 발명에서 사용한 혈관외피줄기세포는 정상 산모 탯줄로부터 채취한 동맥에서 효소 처리 없이 순수 분리한 CD44, CD90, CD146을 발현하고, 연골세포, 골세포, 지방세포로 분화가 가능한 다분화능 줄기세포이다. 혈관외피줄기세포는 다양한 조직 내 존재하는 중간엽 줄기세포 또는 조혈모세포의 조혈세포 분화를 조절하는 미세환경을 조절하기 때문에 기능성 오가노이드 형성에 중요 요소로 활용 가능하다.The vascular endothelial stem cells used in the present invention are pluripotent stem cells capable of expressing CD44, CD90, and CD146 isolated from the artery obtained from normal maternal umbilical cord without enzymatic treatment and capable of differentiating into chondrocytes, bone cells, and adipocytes. Vascular stem cells can be used as an important factor in the formation of functional organotypes because they regulate the microenvironment controlling hematopoietic differentiation of mesenchymal stem cells or hematopoietic stem cells present in various tissues.

본 발명에 있어서, 3차원 배양은 세포 클러스터 형성이 가능한 세포외기질 (extracellular matrix, Matrigel)을 이용한 배양방식, 세포의 부착을 방지하여 세포가 배양액에 부유하며 응집하는 부유 배양방식(floating culture), 마이크로패턴화된 나노섬유 스케폴드에 세포 클러스터를 형성하는 배양방식을 포함한다. In the present invention, the three-dimensional culture includes a culture method using an extracellular matrix (Matrigel) capable of forming cell clusters, a floating culture method in which the cells are floated in the culture medium and flocculated, And a culture method of forming cell clusters in a micropatterned nanofiber scaffold.

본 발명의 일 실시예에서는 3차원 오가노이드 제작시 세포의 분화를 유도하는 Hepato-STIM 배양액을 사용하여 3~5일간 배양하여 타액선 오가노이드 생성을 유도하였다. In one embodiment of the present invention, the production of salivary gland organoid was induced by culturing for 3 to 5 days using a Hepato-STIM culture medium which induces cell differentiation during the production of the three-dimensional organotypes.

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

“타액(saliva)”은 이하선, 악하선, 설하선 및 구강점막에 존재하는 점액선 등으로부터 분비되는 혼합액이다. 타액은 인체의 핵심 성분으로 타액선에서 생성되어 구강 내로 배출된다. 타액은 인체의 필수 성분으로서, 생체활성단백질, 소화효소, 점액, 면역글로불린, 각종 염류 등이 포함되어 있다. &Quot; Saliva " is a mixed liquid secreted from parotid glands present in the parotid gland, submandibular gland, sublingual gland, and oral mucosa. Saliva is a key component of the human body and is produced in salivary glands and released into the oral cavity. Saliva is an essential component of the human body and contains bioactive proteins, digestive enzymes, mucus, immunoglobulins, various salts and the like.

타액은 구강 내 건강뿐만 아니라 인체의 항상성 유지에 매우 중요한 역할을 수행한다. 예를 들어 타액의 주요 성분인 뮤신(mucin), 면역글로불린 등은 외부의 감염으로부터 1차적인 방어 역할을 수행하며, 구강 및 치아의 윤활 및 수분 유지, pH 중화 기능을 통하여 구강점막 및 치아를 보호한다. 뿐만 아니라 타액에는 프티알린(ptyalin) 등의 아밀라아제(amylase)와 같은 소화 효소들이 있어 전분을 말토오스 단위까지 분해하는 등 소화를 촉진시키는 기능을 담당한다. 또한 타액의 분비에 의하여 인체의 수분대사 및 체온 조절이 이루어질 수 있으며, 유독물(I, Hg, Pb 등)을 배설하기도 한다. Saliva plays an important role not only in oral health but also in maintaining the homeostasis of the human body. For example, mucin and immunoglobulin, which are the main components of saliva, play a primary defense against external infections and protect oral mucosa and teeth through lubrication and moisture retention and pH neutralization of mouth and teeth. do. In addition, saliva has digestive enzymes such as amylase, such as ptyalin, and it functions to promote digestion by decomposing starch into maltose units. The secretion of saliva can also control the body's water metabolism and body temperature, and it can also excrete toxic substances (I, Hg, Pb, etc.).

“타액선(침샘, salivary gland)”은 타액을 생성, 분비하는 기관으로 이하선(귀밑샘, parotid gland), 악하선(턱밑샘, submaxillary gland), 설하선(혀밑샘, sublingual gland)과 같은 주타액선(major salivary gland)과, 점액선(mucous gland)과 같이 구강점막(mucous membrane of oral cavity)에 존재하는 점액선(mucous gland)과 같이 구강점막의 여러 부위에 분포하는 소타액선(minor salivary gland)으로 분류된다. "Salivary gland" is an organ that produces and secretes saliva. It is a major salivary gland such as the parotid gland, submaxillary gland, sublingual gland, And mucous glands in the mucous membrane of the oral cavity, such as the mucous glands. The mucous glands are classified as minor salivary glands distributed in various parts of the oral mucosa.

본 발명에 있어서, "오가노이드(organoid)"란 조직에서나 혹은 배아줄기세포에서 유래된 세포를 이용하여 이를 3D 형태로 배양을 하여 마치 인공장기와 같은 형태로 만들 수 있는 것을 의미한다. 오가노이드는 장기의 ‘organ’과 같은 의미를 가진 접미어로 ‘장기와 유사한 것’이라는 말을 지니고 있다. 오가노이드는 3차원 배양 방법을 통하여 세포와 세포의 기능이 좀 더 잘 배열되고, 기능성을 가지는 기관 같은 형태와 기능을 지닌다. 오가노이드는 줄기세포연구와 3D 세포배양 등이 개발되고, 다양한 조직으로 분화시킬 수 있는 생장 및 분화 인자의 최적화 연구와 함께 주목을 받고 있다.In the present invention, the term "organoid" means that cells derived from embryonic stem cells or tissues can be used for culturing the cells in the form of 3D to make them as artificial organs. The organoid is a suffix with the same meaning as organs of organs and has the term 'similar to organs'. The organotypes have a better organization and function of cells and cells through the three - dimensional culture method. Oganoids have been developed with stem cell research and 3D cell culture, and have attracted attention with optimization studies of growth and differentiation factors that can differentiate into various tissues.

이하, 하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<< 실시예Example 1> 사람 타액선조직에서 분리된  1 > separated from salivary gland tissue 선줄기세포와And 혈관외피줄기세포의Vascular epithelial stem cells 공배양을 통한  Through co-cultivation 오가노이드Organoid 형성 formation

사람 선줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통해 오가노이드를 배양하였다. 선줄기세포 및 혈관외피줄기세포의 세포수 비율을 2 ~ 3 : 1로 하여 공배양하였다. 분화 배지 (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2mM L-glutamine, 1% penicillin/streptomycin)를 이용하여 마트리젤에서 3일간 배양 후 광학현미경(microscopy) 및 LIVE/DEAD kit를 이용하여 오가노이드를 관찰하였다. Calcein AM (calcein acetoxymethyl ester)과 ethidium homodimer-1 사용하여 형광 현미경을 통해 줄기세포의 오가노이드 (Organoid) 생성 유도시 살아있는 세포와 죽은 세포를 관찰하였다. 선줄기세포와 혈관외피세포의 공배양한 결과, 오가노이드가 형성되었음을 확인하였다. LIVE/DEAD 염색법을 통해 이미지를 확인한 결과, 오가노이드가 잘 형성되었음을 확인할 수 있었다(도 1).The organotypes were cultured by co-culture of human precursor cells and vascular endothelial stem cells. The cells were co-cultured at a ratio of 2 to 3: 1 in the number of cells of the stem cell and vascular endothelial stem cells. The cells were cultured in Matrigel for 3 days using a differentiation medium (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2 mM L-glutamine, 1% penicillin / streptomycin) and examined by optical microscopy and LIVE / Nodules were observed. Calcein AM (calcein acetoxymethyl ester) and ethidium homodimer-1 were used to observe living cells and dead cells when inducing the production of organoids through a fluorescence microscope. As a result of the co-culture of neural stem cells and vascular endothelial cells, it was confirmed that an organoid was formed. The images were confirmed by LIVE / DEAD staining, and it was confirmed that the organoid was well formed (FIG. 1).

<< 실시예Example 2> 선줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통해 형성된 오가노이드의 특성 분석 2> Characterization of organotypes formed by co-cultivation of stem cells with vascular endothelial stem cells

1. 타액선 세포, 1. Salivary gland cells, 혈관외피줄기세포Vascular envelope stem cells , , 뇌신경세포의Neuronal 특성 분석 Character analysis

타액선 조직에서 분리된 선줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통해 형성된 오가노이드를 분화 배지 (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2mM L-glutamine, 1% penicillin/streptomycin)로 배양했을 때 타액선세포, 혈관외피세포와 뇌신경세포의 마커 차이를 PCR 신호와 웨스턴 블롯 분석 결과를 나타낸다. 선줄기세포와 혈관외피줄기세포를 공배양했을 때 타액선세포와 뇌신경세포의 마커가 증가하였고, 혈관외피세포는 변화가 없었다. 이러한 마커의 변화는 Real-time PCR, western blotting으로 확인하였다 (도 2 및 도 3).The organotypes formed by co-culturing the mesenchymal stem cells from the salivary gland tissue with vascular endothelial stem cells were cultured in a differentiation medium (Serum-free hepato-STIM medium, 5 μg EGF, 2 mM L-glutamine, 1% penicillin / streptomycin) The results of PCR and Western blot analysis show the marker differences between salivary gland cells, vascular epithelial cells and neuronal cells. When co - culture of stem cells with vascular endothelial stem cells, salivary gland cells and neuronal cell markers were increased, and vascular epithelial cells were not changed. These marker changes were confirmed by real-time PCR and western blotting (FIGS. 2 and 3).

2. 실시간 2. Real time PCR을PCR 이용한  Used mRNAmRNA 발현 분석 Expression analysis

Real-time PCR을 위해서 수거된 세포를 세포 용해 용액 (Trizol solution)을 처리한 후 완전히 용액 상태로 제작한다. 클로로포름 0.2ml 을 처리하여 15초간 뒤섞은 뒤 15분 동안 상온에서 방치하였다. 12,000rpm 으로 15분간 4℃에 원심분리한 뒤 투명한 층만 뽑아 80% 이소프로판올을 동량 처리하고 4℃에서 10분 동안 방치 후 다시 원심 분리하였다. 상층액 제거 후 1ml 75% 에탄올에 넣어 4℃, 3분 정도 방치 후 다시 원심분리하고 상층액을 제거한 뒤 공기 중에 10분간 건조하였다.Cells collected for real-time PCR are processed in a solution of Trizol solution and then completely prepared in solution. After 0.2 ml of chloroform was added, the mixture was stirred for 15 seconds and left at room temperature for 15 minutes. After centrifugation at 12,000 rpm for 15 minutes at 4 ° C, only the transparent layer was extracted and the same volume of 80% isopropanol was treated, left at 4 ° C for 10 minutes, and centrifuged again. After removing the supernatant, the supernatant was placed in 1 ml of 75% ethanol and allowed to stand at 4 ° C for 3 minutes. The supernatant was removed, and the supernatant was removed for 10 minutes.

RNA 1㎕에 SYBR Green I을 이용하는 ABI PRISM 7000 서열 검출 시스템 상에서 실시간 PCR (real-time PCR)을 이용하여 제조사의 방법에 따라 결정하였다. PCR 반응은 5 μM cDNA, 10 μM SYBR Green PCR master mix, 및 반응 당 20 μM 의 최종 부피에 대하여 10 pM의 센스 및 안티센스 프라이머를 이용하여 수행하였다(도 2). 사용된 센스 및 안티센스 프라이머 서열은 표 1과 같다.1 [mu] l of RNA was determined according to the manufacturer's method using real-time PCR on an ABI PRISM 7000 Sequence Detection System using SYBR Green I. PCR reactions were performed using 5 μM cDNA, 10 μM SYBR Green PCR master mix, and 10 μM sense and antisense primers for a final volume of 20 μM per reaction (FIG. 2). The sense and antisense primer sequences used are shown in Table 1.

α-Amylase (AMY1A)α-Amylase (AMY1A) FF AATTGATCTGGGTGGTGAGCAATTGATCTGGGTGGTGAGC RR CTTATTTGGCGCCATCGATGCTTATTTGGCGCCATCGATG Aquaporin 5 (AQP5)Aquaporin 5 (AQP5) FF ACTGGGTTTTCTGGGTAGGGACTGGGTTTTCTGGGTAGGG RR GTGGTCAGCTCCATGGTCTTGTGGTCAGCTCCATGGTCTT CK7 (KRT7)CK7 (KRT7) FF CAGGATGTGGTGGAGGACCAGGATGTGGTGGAGGAC RR AACTTGGCACGCTGGTTCTAACTTGGCACGCTGGTTCT CK18 (KRT18)CK18 (KRT18) FF GGAGGCTGGAGAGCAAAATCGGAGGCTGGAGAGCAAAATC RR AGTCATCAGCAGCAAGACGGAGTCATCAGCAGCAAGACGG E-Cadherin (CDH1)E-Cadherin (CDH1) FF CGCATTGCCACATACACTCTCGCATTGCCACATACACTCT RR TTGGCTGAGGATGGTGTA AGTTGGCTGAGGATGGTGTA AG ZO-1 (TJP)ZO-1 (TJP) FF TTTGGCCGAGGGATAGAAGTTTTGGCCGAGGGATAGAAGT RR TATTGCCATCTCTTGCTGCCTATTGCCATCTCTTGCTGCC MCAMMCAM FF CAGACCAGTCTCCCAGGAGGCAGACCAGTCTCCCAGGAGG RR CAGCCCTCGGAGGTTCTGTACAGCCCTCGGAGGTTCTGTA NG2NG2 FF AATTGATCTGGGTGGTGAGCAATTGATCTGGGTGGTGAGC RR CTTATTTGGCGCCATCGATGCTTATTTGGCGCCATCGATG PDGFR-betaPDGFR-beta FF CACCAAGACCACCTTCTCGCCACCAAGACCACCTTCTCGC RR GGTCTTGGGTGTGCTGGATGGGTCTTGGGTGTGCTGGATG GFAPGFAP FF GCTCTCAGACACCAGGTTGCGCTCTCAGACACCAGGTTGC RR GTCTTCATGGGCTGTTGGGGGTCTTCATGGGCTGTTGGGG NestinNestin FF CTGATTGGAGGGACCGGACTCTGATTGGAGGGACCGGACT RR CTCGAGGCTGGGAGAAGTCACTCGAGGCTGGGAGAAGTCA PECAM-1PECAM-1 FF AGCCAGGTCCCTCAGTCAAGAGCCAGGTCCCTCAGTCAAG RR GTGCAGAGGGCTTTATGGGCGTGCAGAGGGCTTTATGGGC VEGFVEGF FF AGCTGTGCTATGTTGCCCTGAGCTGTGCTATGTTGCCCTG RR AGGAAGCAAGGCTGGAAGAGAGGAAGCAAGGCTGGAAGAG

3. 3. 웨스턴Western 블랏Blat 분석을 통한 줄기세포  Analysis of stem cells 마커Marker 확인 Confirm

먼저 세포 용해물(30 μg)로부터 단백질 시료를 분리하고, 이를 환원 완충액과 함께 혼합, 가열하고 10% SDS-PAGE 겔상에 옮긴 후, 전자염색 (electroblotting) 방법을 사용하여 단백질을 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (polyvinylidene difluoride) 막으로 이동시켰다. 막을 TBS 내 5% wt/vol 무지방 분유로 실온에서 30분 동안 차단시키고, 항원에 대한 1차 항체와 함께 4℃에서 하룻밤동안 배양하였다: α-amylase, AQP5, ZO-1, CK7, CK18 and β-actin (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA); E-cadherin (BD Pharmingen, San Diego, CA, USA); Occludin (Thermo Scientific, San Diego, CA, USA); Mist-1, CD146, GFAP and CD31 (Abcam, Cambridge, UK), PBS, 트윈 20 으로 블랏을 세척한 후, 블랏들을 각 1차 항체에 상응하는 호스래디쉬 페록시다아제-접합된 2차 항체들과 함께 배양하였으며 이후 강화된 화학발광검출(Santa Cruz Biotechnology)을 수행하였다. 양성 면역반응성 밴드들이 농도계에 의해서 정량화되었으며, 인간 β-actin의 발현과 비교분석하였다(도 3). First, a protein sample was separated from a cell lysate (30 μg), mixed with a reducing buffer, heated, transferred to a 10% SDS-PAGE gel, and then subjected to electroblotting to remove the protein from polyvinylidene difluoride (Polyvinylidene difluoride) membrane. The membranes were blocked with 5% wt / vol nonfat dry milk in TBS for 30 min at room temperature and incubated overnight at 4 ° C with the primary antibody against the antigen: α-amylase, AQP5, ZO-1, CK7, CK18 and β-actin (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA); E-cadherin (BD Pharmingen, San Diego, CA, USA); Occludin (Thermo Scientific, San Diego, CA, USA); After washing the blots with Mist-1, CD146, GFAP and CD31 (Abcam, Cambridge, UK), PBS, Tween 20, blots were incubated with horseradish peroxidase- conjugated secondary antibody corresponding to each primary antibody Followed by enhanced chemiluminescence detection (Santa Cruz Biotechnology). Positive immunoreactive bands were quantified by densitometry and compared with human β-actin expression (FIG. 3).

<< 실시예Example 3> 선줄기세포와 혈관외피줄기세포의 공배양을 통해 형성된 오가노이드의 기능 분석 3> Functional analysis of organotypes formed by co-culture of stem cells with vascular endothelial stem cells

1. One. 오가노이드의Organoid 기능 평가: α-amylase 활성 측정 Functional evaluation: Measurement of α-amylase activity

오가노이드의 기능을 측정하기 위해서 아밀레이즈 활성도를 측정하였다. 선줄기세포와 혈관외피세포의 공배양을 통해 형성된 오가노이드의 배양액을 모아서 α-amylase activity assay kit (Abcam, Cambridge, MA, USA)를 이용하여 아밀레이즈 활성도를 측정하였다. 공배양에 따라서 오가노이드는 아밀레이즈의 활성이 증가하는 것을 확인하였다(도 4).Amylase activity was measured to measure the function of the organoid. Amylase activities were measured using α-amylase activity assay kit (Abcam, Cambridge, Mass., USA) after collecting the culture medium of organotypes formed by co-culture of adenocarcinoma cells and vascular endothelial cells. It was confirmed that the activity of amylase was increased in the organotypes according to the co-culture (Fig. 4).

2. 2. 오가노이드의Organoid 기능 평가: 세포 내 pH 측정 Functional evaluation: intracellular pH measurement

오가노이드의 기능을 측정하기 위해서 오가노이드에서 세포 내 pH을 BCECF-AM (Molecular Probe, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 측정하였다. 형성된 오가노이드에 BCECF-AM를 넣고 37℃에서 1시간 동안 염색하였다. 염색된 오가노이드에 HCO3-가 들어있지 않는 버퍼를 넣어주고 형광 현미경을 이용하여 형광값을 측정하고, HCO3-가 들어있는 버퍼를 넣어준 형광값을 측정하였다. 공배양에 따라서 세포 내 pH가 달라지는 것을 확인하였다(도 4).To measure the function of the organoid, intracellular pH in the organoid was measured using BCECF-AM (Molecular Probe, Carlsbad, Calif., USA). BCECF-AM was added to the formed organoid and stained at 37 ° C for 1 hour. A fluorescence value was measured using a fluorescence microscope, and a fluorescence value was measured by adding a buffer containing HCO3 &lt; - &gt; into a buffer containing no HCO3 &lt; - &gt; in the stained organotypes. It was confirmed that the intracellular pH was changed by co-culture (FIG. 4).

3. 3. 오가노이드의Organoid 기능 평가: 세포 내 칼슘 측정 Functional assessment: intracellular calcium measurement

오가노이드의 기능을 측정하기 위해서 오가노이드에서 세포 내 칼슘을 Fluo-4AM (Molecular Probe, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 측정하였다. 형성된 오가노이드에 Fluo-4AM를 넣고 37℃에서 1시간 동안 염색한 후 칼슘 indicator ATP (adenosine triphosphate, 100 μM), TG (thapsigargin, 1 μM) and CChol (Carbachol, 10 μM) (Sigma, St. Louis, MO, USA)를 넣어서 라이브하게 형광현미경으로 형광값을 측정하였다. 공배양에 따라서 칼슘 분비가 증가하는 것을 확인하였다(도 4).To measure the function of the organoid, intracellular calcium was measured in the organotypes using Fluo-4AM (Molecular Probe, Carlsbad, Calif., USA). Fluo-4AM was added to the formed organotin and stained for 1 hour at 37 ° C. Then, calcium indicator ATP (adenosine triphosphate, 100 μM), TG (thapsigargin, 1 μM) and CChol (Carbachol, 10 μM) , MO, USA) and fluorescence was measured by a fluorescence microscope. It was confirmed that calcium secretion was increased according to co-culture (Fig. 4).

Claims (8)

(1) 타액선줄기세포 및 혈관외피줄기세포의 세포수 비율을 2 ~ 3 : 1로 하여 세포 클러스터 형성이 가능한 세포외기질 (extracellular matrix; Matrigel)에서 3차원 공배양하는 단계; 및
(2) 상기 공배양을 통해 오가노이드(organoid)를 형성시키는 단계를 포함하는 아밀레이즈 활성 및 세포 내 칼슘의 농도가 증가된 타액선 오가노이드 형성 방법.
(1) three-dimensionally co-culturing an extracellular matrix (Matrigel) capable of forming a cell cluster with a ratio of the number of cells of salivary stem cells and vascular endothelial stem cells to 2: 3: 1; And
(2) an amylase activity comprising the step of forming an organoid through the co-culture, and a method of forming salivary gland organisms with increased intracellular calcium concentration.
제1항에 있어서, 상기 타액선줄기세포는 타액선 조직으로부터 분리된 것을 특징으로 하는 타액선 오가노이드 형성 방법. The method according to claim 1, wherein the salivary glandular stem cells are separated from salivary gland tissue. 제1항에 있어서, 상기 혈관외피줄기세포는 정상 산모 탯줄 유래 동맥으로부터 분리된 것을 특징으로 하는 타액선 오가노이드 형성 방법. The method according to claim 1, wherein the vascular endothelial stem cells are isolated from a normal maternal umbilical artery. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 3차원 공배양은 3 ~ 5일 동안 분화유도 배지를 이용하여 배양하는 것을 특징으로 하는 타액선 오가노이드 형성 방법.The method according to claim 1, wherein the three-dimensional co-culture is cultured for 3 to 5 days using a differentiation induction medium. 삭제delete 삭제delete
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