KR101957583B1 - Co-culture of stem cells and endothelial cells using porous microcarriers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 줄기세포가 적재된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체; 이를 이용하는 줄기세포 및 내피세포의 공배양 방법; 및 이를 포함하는 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 줄기세포 및 내피세포 공배양 구조체는 높은 알칼리 포스파타아제 활성 수준을 나타내고, 높은 골형성 및 혈관형성과 관련된 유전자 발현 수준을 나타낼 수 있어 혈관화된 골 이식체로서 골 조직 공학에 높은 활용가능성이 기대된다.The present invention relates to a porous microsphere loaded with stem cells; A coculture construct for stem cells and endothelial cells, comprising a hydrogel containing endothelial cells; A method for co-culturing stem cells and endothelial cells using the same; And compositions comprising same. The stem cell and endothelial cell co-culture construct according to the present invention exhibit a high level of alkaline phosphatase activity and can exhibit a gene expression level associated with high bone formation and angiogenesis, and thus can be used as a vascularized bone graft, It is expected to be used.

Description

다공성 마이크로 지지체를 이용한 줄기세포와 혈관내피세포의 동시배양기술{Co-culture of stem cells and endothelial cells using porous microcarriers}[0002] Co-culture of stem cells and endothelial cells using porous microcarriers [

본 발명은 다공성 마이크로스피어를 이용한 줄기세포와 내피세포의 공배양 구조체 및 이를 이용한 줄기세포와 내피세포의 공배양 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a co-culture structure of stem cells and endothelial cells using porous microspheres, and a co-culturing method of stem cells and endothelial cells using the same.

조직 공학은 손상되고 병이 있는 조직을 치료하기 위한 임상적으로 효과적인 대용품을 개발하는 것을 목표로 하는 다분야의, 중개과학이다. 복잡한 조직 공학은 조직 공학 분야에서 커다란 과제 중 하나이다. 공배양이 다른 세포 유형의 상호 작용을 통해 기본 조직 환경을 더 잘 모방할 수 있는 복잡한 조직 구조를 설계하기 위해 연구되었다. 따라서 간, 췌장, 망막, 피부, 건, 연골, 혈관, 신경 및 뼈를 포함한 특정 조직에 대한 공배양 모델을 개발하기 위한 많은 노력이 이루어졌다.Tissue engineering is a multi-disciplinary, interdisciplinary science that aims to develop clinically effective substitutes for treating injured and diseased tissue. Complex tissue engineering is one of the major challenges in tissue engineering. Co-culture has been studied to design complex tissue structures that can better mimic the basic tissue environment through interaction of other cell types. Much effort has therefore been made to develop co-culture models for specific tissues including liver, pancreas, retina, skin, tendons, cartilage, blood vessels, nerves and bones.

특히, 골 조직 공학은 임상 요구 사항을 충족시키기 위해 가장 광범위하게 연구된 분야 중 하나이다. 골 조직 공학의 난제 중 하나는 뼈가 고도로 혈관화된 조직이므로 혈관화된 골 이식체를 만드는 것이다. 특히, 혈관 형성을 가능하게 하면서 골 형성을 하는 줄기 세포를 전달하는 것은 혈관화 골 조직 공학에 중요하다. 이러한 배경하에 세포들을 공배양하는 방법 및 시스템이 개발되고 있으나, 대부분의 시험관내 연구는 2차원 조건에서 연구되어 왔으며, 3차원의 천연 조건을 제대로 복제하지 못하고 있다.In particular, bone tissue engineering is one of the most widely studied areas to meet clinical requirements. One of the challenges of bone tissue engineering is the creation of vascularized bone grafts because the bone is highly vascularized. In particular, delivery of stem cells capable of osteogenesis while enabling angiogenesis is important for vascularized bone tissue engineering. Under these circumstances, methods and systems for co-culturing cells have been developed, but most in vitro studies have been conducted in two-dimensional conditions and fail to reproduce the natural conditions of three-dimensional.

Dariima T, Jin GZ, Lee EJ, Wall IB, Kim HW. Cooperation between osteoblastic cells and endothelial cells enhances their phenotypic responses and improves osteoblast function. Biotechnol Lett. 2013;35:113543.Dariima T, Jin GZ, Lee EJ, Wall IB, Kim HW. Cooperation between osteoblastic cells and endothelial cells enhances their phenotypic responses and improves osteoblast function. Biotechnol Lett. 2013; 35: 113543. Rouwkema J, de Boer J, Van Blitterswijk CA. Endothelial cells assemble into a 3-dimensional prevascular network in a bone tissue engineering construct. Tissue Eng. 2006;12:268593.Rouwkema J, de Boer J, Van Blitterswijk CA. Endothelial cells assemble into a 3-dimensional prevascular network in a bone tissue engineering construct. Tissue Eng. 2006; 12: 268593.

본 발명은 줄기세포 및 내피세포의 3차원 공배양 구조체, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 공배양 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention provides a three-dimensional co-cultured structure of stem cells and endothelial cells, a method for producing the same, and a co-culture system using the same.

본 발명의 제1양태는 줄기세포가 적재된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 제공한다.A first aspect of the present invention relates to a microsphere comprising a porous microspheres loaded with stem cells; And a hydrogel containing endothelial cells. The present invention also provides a coculture construct for stem cells and endothelial cells.

본 발명의 제2양태는 줄기세포가 분주된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 혼합하는 단계를 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is a microsphere comprising a porous microsphere in which stem cells are dispensed; And a step of mixing a hydrogel containing endothelial cells with the endothelial cells.

본 발명의 제3양태는 본 발명의 제1양태에 따른 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 골형성 배지 및 내피세포 배양 배지가 혼합된 배지에서 공배양하는 단계를 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양 방법을 제공한다.A third aspect of the present invention is a method for producing stem cells and endothelial cells, comprising co-culturing a co-culture construct of stem cells and endothelial cells according to the first aspect of the present invention in a medium in which an osteogenic medium and an endothelial cell culture medium are mixed, A method for co-culture of cells is provided.

본 발명의 제4양태는 본 발명의 제1양태에 따른 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 포함하는 골 및 혈관 형성용 조성물을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a composition for bone and angiogenesis comprising a coculture construct of stem cells and endothelial cells according to the first aspect of the present invention.

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

종래 줄기세포의 경우 부착하여 생존하는 특성 때문에 평평한 바닥이 있는 플라스크에서 2차원으로 부착식 배양을 한다. 이러한 배양 방법은 줄기세포의 고유성질인 분화와 복제 능력을 감소시키고 부착식으로 계대 배양을 할 경우에는 세포 손실과 오염이 발생할 수 있다. 또한, 세포치료제로 줄기세포를 이용하기 위해서는 1.0×108 cells 이상의 세포가 요구되어 배양 면적이 제한된 2차원 배양 방법으로 대량의 세포를 얻는 것은 경제성이 낮다. 세포치료제로 줄기세포를 이용하기 위해서는 충분한 양의 세포를 얻을 수 있는 배양 방법이 중요하게 요구된다. In the case of conventional stem cells, two-dimensional adherent culture is performed in a flask with a flat bottom due to its attachment and survival characteristics. Such a culture method may result in cell loss and contamination when stem cells are reduced in their differentiation and replication ability, and when they are subcultured in an adherent manner. In addition, in order to use stem cells as a cell therapy agent, it is not economically feasible to obtain a large amount of cells by a two-dimensional culture method in which a cell size of 1.0 x 10 8 cells or more is required and the cultivation area is limited. In order to use stem cells as a cell therapy agent, a culture method capable of obtaining a sufficient amount of cells is important.

또한, 줄기세포와 다른 종류의 세포를 공배양 시 세포들이 서로의 기능이나, 분화속도, 증식 속도에 영향을 미치지 않아야 하며, 세포 공배양시 배양하는 두 세포간의 신호물질 교환이 원활하게 이루어져야 한다. 이를 위해, 2 종 이상의 세포를 함께 배양하기 위한 배양 구조체 개발이 중요하며, 바람직하게는 세포 공배양시 배양하는 두 세포간의 신호물질 교환에 유리하고 직접적인 상호작용까지 가능하여 분화 효능이 높은 형태 및 성분을 갖는 구조체의 개발이 필요한 실정이다.In addition, when co-culturing stem cells and other types of cells, the cells should not affect each other's function, differentiation rate, and proliferation rate, and signal substance exchange between two cells cultured during cell co-culture should be smoothly performed. For this purpose, it is important to develop a culture structure for culturing two or more kinds of cells together. Preferably, the cells can be directly and advantageously interacted with signal substances between two cells cultured in cell culture, The development of a structure having the above structure is required.

본 발명자들은 다공성 마이크로스피어 및 하이드로겔을 이용하여 치수 줄기세포(DPSC)와 내피세포(EC)의 3차원 공배양 시스템을 고안하고 골 조직 공학에 대한 적용 가능성을 연구한 바, 다공성 마이크로스피어에 적재된 줄기세포와 하이드로겔에 포매된(embedded) 내피세포를 골형성 배지 및 내피세포 배지로 이루어진 공배양 배지에서 배양한 결과, 치수 줄기세포만을 배양하여 얻은 배양보다 골혈성 및 혈관형성 효과가 증가함을 확인하였다. 또한, 배양지지체로서 마이크로스피어 및 하이드로겔에 치수 줄기세포를 배양시 골형성 및 혈관형성 효과가 치수세포와 내피세포를 공배양한 것보다 떨어짐을 확인하였다. 즉, 다공성 마이크로스피어에 적재된 치수 줄기세포와 하이드로겔에 포매된 내피세포를 공배양할 때 골 및 혈관형성 효과가 현저히 증가함을 확인하여, 본 발명의 공배양 구조체는 골 조직 등 손상 부위에 이식되어 세포 치료제로 사용될 수 있다. 본 발명은 이에 기초한 것이다. The present inventors devised a three-dimensional co-culture system of dental pulp cells (DPSC) and endothelial cells (EC) using porous microspheres and hydrogels and studied the applicability to bone tissue engineering. The embryonic stem cells and hydrogel-embedded endothelial cells were cultured in a co-culture medium consisting of osteogenic medium and endothelial cell culture medium, resulting in an increase in bone morphogenesis and angiogenesis effect compared with culture obtained by culturing only stem cells. Respectively. In addition, it was confirmed that the effect of osteogenesis and angiogenesis on the microspheres and hydrogels as a culture supporter was less than that of the co - culturing of dendritic cells and endothelial cells. In other words, it was confirmed that bone and angiogenic effects were significantly increased when co-cultured endothelial cells embedded in the hydrogel and the stem cells loaded on the porous microspheres. Thus, the co- Can be transplanted and used as a cell therapy agent. The present invention is based on this.

줄기세포는 자신과 같은 능력의 세포를 만드는 자기복제능력과 특정한 세포로 분화되는 능력을 가지는 세포로 조직이나 장기를 재생할 수 있고, 장기 이식 후 각 장기의 특성에 맞게 분화할 수 있어 재생의학에 적합하다. 구체적으로, 줄기세포는 중간엽 줄기세포일 수 있다. 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells)는 부착성 을 가지는 성체줄기세포의 한 종류로 뼈, 연골, 지방과 같은 근골격계 세포들로 분화할 수 있는 다분화능을 가진 줄기세포이다. 중간엽 줄기세포는 체외배양이 용이하고 증식 능력이 뛰어나며 원하는 조직으로의 분화가 가능하여 퇴행성 관절염과 척수손상, 심근경색, 당뇨 질환 등의 치료에 이용되고 있다. Stem cells can regenerate tissues or organs with cells that have self-replicating ability to make cells of the same capacity as themselves and have the ability to differentiate into specific cells, and are suitable for regenerative medicine because they can differentiate according to the characteristics of each organ after organ transplantation Do. Specifically, the stem cells may be mesenchymal stem cells. Mesenchymal stem cells are a type of adherent adult stem cells that are multipotent stem cells capable of differentiating into musculoskeletal cells such as bone, cartilage, and fat. Mesenchymal stem cells are easily cultured in vitro, are excellent in proliferative capacity and can be differentiated into desired tissues, and are used for treating degenerative arthritis, spinal cord injury, myocardial infarction, and diabetic diseases.

본 발명에서, 바람직하게는, 줄기세포로 치수 줄기세포(DPSC)를 사용할 수 있다. 치수 줄기세포(DPSC)는 지방 형성, 연골 형성, 골 형성, 치아 형성 및 신경 원성 계통을 포함하여 다계통 분화능을 나타내므로, 조직 공학에서 많은 세포 유형의 원천으로 연구되고 있다. In the present invention, preferably, a stem cell (DPSC) can be used as a stem cell. Dimensional stem cells (DPSCs) have been studied as a source of many cell types in tissue engineering since they exhibit multi-line differentiation potential including lipogenesis, cartilage formation, osteogenesis, tooth formation and neurogenic lines.

본 발명은 3차원 공배양을 위해 다공성 마이크로스피어에 줄기세포를 적재한다. 줄기세포는 다공성 마이크로스피어의 표면 또는 기공 내에 부착될 수 있다.The present invention relates to a method of embedding stem cells into porous microspheres for three-dimensional co-culture. The stem cells can be attached to the surface or pores of the porous microspheres.

다공성 마이크로스피어는 생분해성 고분자로 이루어진 다공성 지지체일 수 있다. 상기 생분해성 고분자의 비제한적인 예로, 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA), poly-L-/D-락타이드(PLDLA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리글리콜산(PGA), 폴리하이드록시부티레이트(PHB), 폴리디옥사논(PDO), 폴리트리메틸렌카보네이트(PHV) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.The porous microspheres may be porous supports made of biodegradable polymers. Non-limiting examples of the biodegradable polymer include polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), poly-L- / D-lactide (PLDLA), polyethylene glycol (PEG), polyglycolic acid (PGA) Hydroxybutyrate (PHB), polydioxanone (PDO), polytrimethylene carbonate (PHV), or mixtures thereof.

본 발명의 일 실시예에서, 다공성 마이크로스피어는, 폴리카프로락톤(PCL) 및 poly-L-/D-락타이드(PLDLA)(1:3)를 캄펜과 혼합하여 제조하였다.In one embodiment of the invention, porous microspheres were prepared by mixing polycaprolactone (PCL) and poly-L- / D-lactide (PLDLA) (1: 3) with camphene.

다공성 생체고분자 마이크로스피어는 줄기세포가 기공 내에 들어가서 배양될 수 있도록 10 내지 100㎛의 기공 크기를 갖는다.The porous biomolecule microspheres have a pore size of 10 to 100 mu m so that the stem cells can enter and culture in the pores.

기공 크기가 10㎛ 미만이면 줄기세포가 다공성 마이크로 지지체에 적재되기 어려울 수 있으며, 100㎛ 초과이면 마이크로스피어를 형성하기 어려울 수 있다.If the pore size is less than 10 mu m, the stem cells may be difficult to be loaded on the porous microspheres. If the pore size is more than 100 mu m, it may be difficult to form microspheres.

다공성 마이크로스피어는 평균 직경이 200 내지 990㎛일 수 있으며, 바람직하게는 200 내지 500㎛일 수 있다. The porous microspheres may have an average diameter of 200 to 990 탆, and preferably 200 to 500 탆.

다공성 마이크로스피어는 상기와 같은 크기를 갖기 때문에, 골 및 혈관 형성용 조성물에 포함되어 주사기를 이용하여 조직 내 주입이 가능하다.Since the porous microspheres have the sizes as described above, they can be injected into tissues using a syringe contained in the composition for bone and angiogenesis.

줄기세포는 다공성 마이크로스피어의 표면 또는 기공 내에 부착될 수 있다.The stem cells can be attached to the surface or pores of the porous microspheres.

내피세포는 심장내강, 동맥, 모세혈관, 정맥, 림프관의 내면을 덮는 단층의 편평한 세포이다. 세포질이 적고, 혈관의 장축 방향으로 긴 타원형의 핵을 갖는다. 내피세포의 내강면은 평활하며, 인접하는 세포는 서로 겹치는 부분을 볼 수가 있다. 세포체의 내부에는 연소포(軟小包)가 있고, 혈관강내외의 물질수송을 한다고 생각되고 있다. 특히, 혈관 내피세포는 혈관 확장과 수축, 혈관 평활근의 증식과 이동, 혈전생성과 용해 등 혈관 항상성을 유지하는 주요한 조절역할을 한다.Endothelial cells are monolayer flat cells covering the lining of the heart, arteries, capillaries, veins, and lymphatic vessels. It has few cytoplasm and long elliptical nucleus in the long axis direction of blood vessel. The luminal surface of the endothelial cells is smooth, and neighboring cells overlap each other. Inside the cell body, there is a soft capsule, which is thought to transport material inside and outside the blood vessel. In particular, vascular endothelial cells play a major role in maintaining vascular homeostasis, such as vasodilation and contraction, proliferation and migration of vascular smooth muscle, and thrombogenesis and lysis.

하이드로겔은 피브린, 피브리노겐, 콜라겐, 폴리에스터 중합체, 폴리락트산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리락트산-글리콜산의 공중합체, 폴리하이드로옥시부티르산, 폴리하이드로옥시발레르산 및 폴리하이드로옥시부티르산-발레르산으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 공중합체를 포함하는 생분해성 합성 바이오겔일 수 있다. 바람직하게는 콜라겐을 사용할 수 있다.The hydrogels may be selected from the group consisting of fibrin, fibrinogen, collagen, polyester polymers, polylactic acid, polyglycolic acid, polycaprolactone, copolymers of polylactic acid-glycolic acid, polyhydroxybutyric acid, polyhydroxyvaleric acid and polyhydroxybutyric acid- And a biodegradable synthetic bio-gel comprising at least one copolymer selected from the group consisting of acids. Preferably, collagen can be used.

줄기세포가 분주된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 혼합함으로써, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 제조할 수 있다.Porous microspheres in which stem cells are dispensed; And a hydrogel containing endothelial cells may be mixed to prepare a coculture construct of stem cells and endothelial cells.

본 발명의 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체는, 하이드로겔 내에 3차원의 마이크로스피어가 박혀있는 것으로서, 3차원 형상을 가질 수 있다.The coculture construct of stem cells and endothelial cells of the present invention may have a three-dimensional shape in which three-dimensional microspheres are embedded in the hydrogel.

줄기세포 및 내피세포의 공배양 방법은 상기 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 골형성 배지 및 내피세포 배양 배지가 혼합된 배지에서 공배양하는 단계를 포함한다.The co-culturing method of stem cells and endothelial cells includes co-culturing the co-culture constructs of stem cells and endothelial cells in a medium in which an osteogenic medium and an endothelial cell culture medium are mixed.

골형성 배지는 α-MEM(α-minimum essential medium eagle), 소태아혈청(Fetal Bovine Serum; FBS), 페니실린/스트렙토마이신, 아스코르브산, β-글리세로포스페이트 및 덱사메타손을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 내피세포 배지는 혈관세포 기초배지(Vascular Cell Basal Medium; ATCC, USA)) 및 내피세포 성장키트(Endothelial Cell Growth Kit; ATCC, USA))를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The osteogenic medium may be one comprising α-MEM (α-minimum essential medium eagle), fetal bovine serum (FBS), penicillin / streptomycin, ascorbic acid, β-glycerophosphate and dexamethasone But is not limited to. The endothelial cell culture medium may include, but is not limited to, a vascular cell basal medium (ATCC, USA) and an endothelial cell growth kit (ATCC, USA).

바람직하게는, 공배양 배지에서 골형성 배지 및 내피세포 배지의 중량비는 5 내지 15:1일 수 있다. 배양 배지의 구성과 세포의 비율은 동일한 배지에서 서로 다른 유형의 세포의 공배양을 최적화하는 데 중요한 매개 변수이다. 종래에 1 : 1의 세포 비율은 종종 많은 공배양 연구에서 골 형성 및 혈관 형성 기능 모두를 가능하게 하는 것으로 보고되었다. 예를 들어, Kaigler D. 등은 성장 배지/EM의 1 : 1 혼합물에서 MSC/EC를 공배양하고 보다 우수한 골 형성 활성을 확인하였다[Kaigler D. et al., FASEB J. 2005]. 그러나, Ma J. 등은 골형성 배지에서의 MSC/EC의 공배양은 골 형성 및 혈관 형성에 최적이지만, OM/EM의 1 : 1 혼합물에서는 골 형성을 유도할 수 없다고 보고하였다[Ma J. et al., Tissue Eng Part C Methods. 2011].Preferably, the weight ratio of the osteogenic medium and the endothelial cell culture in the co-culture medium may be 5 to 15: 1. The composition of the culture medium and the ratio of cells are important parameters in optimizing co-culture of different types of cells in the same medium. Conventionally, 1: 1 cell ratios have often been reported to enable both bone formation and angiogenic functions in many co-culture studies. For example, Kaigler D. et al. Co-cultured MSC / EC in a 1: 1 mixture of growth medium / EM and confirmed better bone formation activity [Kaigler D. et al., FASEB J. 2005]. However, Ma et al. Reported that co-culture of MSC / EC in osteogenic medium is optimal for osteogenesis and angiogenesis, but can not induce bone formation in a 1: 1 mixture of OM / EM [Ma J. et al., Tissue Eng Part C Methods. 2011].

본 발명의 실시예에서는, 골형성 배지와 내피세포 배지가 10 : 1로 혼합된 배지가 내피세포의 높은 생존력을 유지할 뿐만 아니라 치수 줄기세포(도 1B 및 도 6)의 골형성 활성을 촉진시킬 수 있으며(도 2B), DPSC-마이크로 지지체/HUVEC-겔 구조체의 혈관 형성 활성을 증가시킬 수 있음을 확인하였다(도 6).In the example of the present invention, the medium in which the osteogenic medium and the endothelial cell medium are mixed at a ratio of 10: 1 not only maintains high viability of the endothelial cells but also promotes the osteogenic activity of the stem cells (Figs. 1B and 6) (FIG. 2B), indicating that the angiogenic activity of the DPSC-micro support / HUVEC-gel construct can be increased (FIG. 6).

본 발명의 줄기세포 및 내피세포의 3차원 공배양 구조체는 단일 배양된 세포보다 높은 염기성 포스파타아제 활성(ALP)을 나타낼 수 있다. 또한, 단일 배양된 세포보다 높은 골 형성 및 혈관 형성과 관련된 유전자의 발현 수준을 나타낼 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, DPSC와 HUVEC의 3D 공배양으로, 골 형성 인자(I 형 콜라겐과 ALP)와 혈관 형성(vWF 및 VE-cadherin) 유전자 모두의 발현이 유의하게 증가됨을 확인하였다. 골 형성 세포는 혈관 신생 세포의 생존 및 분화를 증가시키는 높은 수준의 혈관 내피 성장 인자(VEGF)를 분비하고, 혈관 형성 세포는 골 형성 세포의 분화를 촉진 할 수 있는 뼈 형태 발생 단백질 2(BMP2)를 분비한다. 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 뼈 형태 발생 단백질 2(BMP2)와 같은 주요 용해 인자는 골 형성 계통과 혈관 신생 계통 간의 통신에 관여하여, 골 형성 유전자 및 혈관 신생 유전자를 자극할 수 있다. The three-dimensional co-culture construct of stem cells and endothelial cells of the present invention may exhibit a higher basic phosphatase activity (ALP) than a single cultured cell. In addition, the level of expression of genes associated with osteogenesis and angiogenesis may be higher than in monocultured cells. In the example of the present invention, 3D co-culture of DPSC and HUVEC confirmed that expression of both osteogenic factors (type I collagen and ALP) and angiogenesis (vWF and VE-cadherin) genes was significantly increased. Bone morphogenetic protein 2 (BMP2), which can secrete high levels of vascular endothelial growth factor (VEGF), which increases survival and differentiation of angiogenic cells, and angiogenic cells, which can promote osteogenic differentiation, . Major dissolving factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF) and bone morphogenetic protein 2 (BMP2) are involved in the communication between the osteogenic lineage and the angiogenic lineage, and can stimulate osteogenic and angiogenic genes.

본 발명의 줄기세포 및 내피세포의 3차원 공배양 구조체는 혈관화된 골 이식체로 활용될 수 있다. The three-dimensional co-culture structure of stem cells and endothelial cells of the present invention can be utilized as a vascularized bone graft.

본 발명은 상기 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 포함하는 골 및 혈관 형성용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for bone and angiogenesis comprising a coculture construct for stem cells and endothelial cells.

상기 공배양 구조체는 혈관 주입이 가능하도록 200 내지 400㎛의 크기를 가질 수 있다.The co-culture structure may have a size of 200 to 400 mu m so as to allow blood injection.

상기 조성물은 손상된 골 조직에 투여되는 것일 수 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, HUVEC 포매된 하이드로겔와 함께 HDPSC 적재된 마이크로스피어를 손상된 골 조직에 투여하여, 혈관화된 골 조직을 형성할 수 있다. The composition may be administered to injured bone tissue. As can be seen in FIG. 7, HDSPC loaded microspheres with HUVEC-embedded hydrogel can be administered to damaged bone tissue to form vascularized bone tissue.

상기 조성물은 혈관 주입이 가능한 주사제 형태일 수 있다. The composition may be in the form of an injectable vasoconstrictor.

기존의 줄기세포 배양 지지체는 크기가 커서 직접적으로 혈관으로 주입하기가 어려워서, 조직 손상 부위의 재생 치료에 어려움이 있었다. 본 발명의 구조체는 혈관 및 골 형성 효과가 다른 지지체를 사용한 것에 비해 높을 뿐만 아니라, 마이크로미터 크기이기 때문에 혈관 주입이 가능하여 손상된 조직의 재생을 위해 유용하게 사용될 수 있다. 특히, 마이크로스피어와 하이드로겔로 구성된 구조체를 주사체 제형으로 제조한 후 손상된 골 조직에 투여시 손상된 부위에 골 및 혈관 형성을 유도할 수 있다. Conventional stem cell culture supporters are difficult to inject directly into the blood vessels because of their large size, thus making it difficult to regenerate the damaged tissue. The structure of the present invention is not only high in blood vessels and osteogenesis effects compared with other supports but also can be used for regeneration of injured tissues since blood vessel infusion is possible because of its micrometer size. Particularly, a microsphere and a hydrogel-containing structure can be prepared as a casting form, and bone and angiogenesis can be induced in a damaged region when administered to injured bone tissue.

본 발명은 줄기세포 및 내피세포를 동시에 배양할 수 있으면서, 세포의 기능을 서로 증진시킬 수 있는 공배양 구조체를 제공하는 것인데, 본 발명의 줄기세포 및 내피세포의 3차원 공배양 구조체는 단일 배양된 세포보다 높은 염기성 포스파타아제 활성(ALP)을 나타내고, 단일 배양된 세포보다 높은 골 형성 및 혈관 형성과 관련된 유전자의 발현 수준을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 줄기세포 및 내피세포의 3차원 공배양 구조체는 혈관화된 골 이식체로서 골 조직 공학에 높은 활용가능성이 기대된다.The present invention provides a co-culture construct capable of simultaneously culturing stem cells and endothelial cells while enhancing the functions of cells. The three-dimensional co-culture structure of stem cells and endothelial cells of the present invention can be obtained by culturing single- Exhibit higher basic phosphatase activity (ALP) than cells, and may exhibit higher levels of expression of genes related to osteogenesis and angiogenesis than monocultured cells. Therefore, the three-dimensional co-culture structure of stem cells and endothelial cells according to the present invention is expected to be highly applicable to bone tissue engineering as a vascularized bone graft.

도 1은 최적의 세포 배양 조건을 결정하기 위해 7 일 동안 다른 배양 배지에서 배양한 후, ALP 염색에 의해 HDPSC 골 형성을 분석한 결과이다(골형성 분화가 보라색 색상으로 표시됨).
도 2는 최적의 세포 배양 조건을 결정하기 위해 7 일 동안 다른 배양 배지에서 배양한 후 살아있는(live)/죽은(dead) 염색에 의해 HUVEC 생존율을 분석한 결과이다(살아있는 세포는 녹색 형광으로 표시되고, 죽은 세포는 빨간색 형광으로 표시됨).
도 3은 10 일 동안 기록된 마이크로스피어에서의 HDPSC 성장의 SEM 및 형광 이미지. A는 세포/마이크로스피어 구조체의 SEM 이미지; B는 고배율에서 A의 박스 영역; C, D는 Alexa Fluor 488이 결합된 팔로이딘(녹색)과 DAPI(삽도로 확대 도시)로 염색된 세포/마이크로스피어 구조체의 형광 이미지이다.
도 4는 HDPSC 군, HUVEC 군 및 HDPSC/HUVEC 군에서 14 일째 세포 성장 및 생존의 위상차 및 형광 영상이다. A-C HDPSC 군; D-F HDPSC/HUVEC 군; G-I HUVEC 군. A, D, G 배양 1 일; B, E, H 배양 14 일; C, F, I 배양 14 일 째 live/dead 염색(살아있는 세포(녹색), 죽은 세포(적색)).
도 5는 ALP 활동에 의해 결정된 14 일째에 골 형성 분화. A-C: ALP 염색; A: HDPSC 군; B: HDPSC/HUVEC 군; C: HUVEC 군; D: ALP 분석 키트를 사용하여 ALP 활동을 정량화한 결과이다. 표시된 군간의 통계적 유의차(*p<0.05; HDPSC/HUVEC 대 HDPSC 또는 HUVEC, n = 3)
도 6은 각 군에서의 14일째 qPCR 골형성 및 혈관 형성 유전자 발현을 나타낸 것이다. 표시된 군간의 통계적 유의차(*p<0.05; HDPSC/HUVEC 대 HDPSC, *p<0.05; HDPSC 대 HUVEC, n = 3)
도 7은 HUVEC 포함된 하이드로겔과 함께 HDPSC 적재된 마이크로스피어의 혈관 골 조직 공학에 가능한 미래의 적용을 모식적으로 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the results of HDPSC osteogenesis by ALP staining after culturing in different culture media for 7 days to determine optimal cell culture conditions (osteogenic differentiation is shown in purple color).
Figure 2 is the result of HUVEC survival analysis by live / dead staining after incubation in different culture media for 7 days to determine optimal cell culture conditions (live cells are shown as green fluorescence , Dead cells are indicated by red fluorescence).
Figure 3 shows SEM and fluorescence images of HDPSC growth on microspheres recorded for 10 days. A is a SEM image of a cell / microsphere structure; B is the box area of A at high magnification; C and D are fluorescence images of cell / microsphere structures stained with pallaidin (green) and DAPI (expanded map of the map) coupled with Alexa Fluor 488.
FIG. 4 is a phase contrast and fluorescence image of cell growth and survival at day 14 in the HDPSC, HUVEC, and HDPSC / HUVEC groups. AC HDPSC group; DF HDPSC / HUVEC group; GI HUVEC County. A, D, G culture 1 day; B, E, H culture 14 days; C, F, I Culture 14 days of live / dead staining (live cells (green), dead cells (red)).
Figure 5 shows osteogenic differentiation on day 14 as determined by ALP activity. AC: ALP staining; A: HDPSC group; B: HDPSC / HUVEC group; C: HUVEC group; D: The result of quantifying ALP activity using the ALP assay kit. Statistical significance ( * p <0.05; HDPSC / HUVEC vs. HDPSC or HUVEC, n = 3)
Fig. 6 shows the expression of qPCR bone formation and angiogenic genes at 14 days in each group. Statistical significance of the indicated groups (* p <0.05; HDPSC / HUVEC against HDPSC, * p <0.05; HDPSC for HUVEC, n = 3)
Figure 7 is a schematic representation of a possible future application to vascular bone tissue engineering of HDPSC loaded microspheres with HUVEC-containing hydrogel.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 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 of the present invention. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

세포의 준비Cell preparation

인간 치수 줄기세포(DPSC)를 Nam S 등의 문헌 [Nam S. et al., J Tissue Eng. 2011;2011:812547]에 기재된 대로 준비하였다. 10 % 소 태아 혈청(FBS; Gibco, USA)과 1 % 페니실린/스트렙토마이신(Gibco, USA)로 보충된 알파-변성된 이글 배지(α-MEM; Gibco, USA)에서 상기 세포를 성장시켰다. 배양 배지는 2~3일 마다 교체하였다.Human Dimension Stem Cells (DPSCs) can be obtained from Nam S et al., Nam S. et al., J Tissue Eng. 2011; 812547]. The cells were grown in alpha-denatured Eagle's medium (alpha-MEM; Gibco, USA) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS; Gibco, USA) and 1% penicillin / streptomycin (Gibco, USA). The culture medium was changed every 2 to 3 days.

인간 제대정맥 내피세포(HUVEC; ATCC, USA)를 Endothelial Cell Growth Kit-VEGF(ATCC, USA)를 보충한 Vascular Cell Basal Medium(ATCC, USA)에서 37℃, 5% CO2 가습 배양기로 배양하였다. 배양 배지는 2~3일 마다 교체하였다.Human umbilical vein endothelial cells (HUVEC; ATCC, USA) were cultured in a 5% CO 2 humidified incubator at 37 ° C in a vascular cell basal medium (ATCC, USA) supplemented with Endothelial Cell Growth Kit-VEGF (ATCC, USA). The culture medium was changed every 2 to 3 days.

다공성 마이크로스피어의 제조Preparation of Porous Microspheres

폴리-L/D-락티드(PLDLA, L-락티드: D,L-락티드=70:30, Sigma-Aldrich, USA)와 혼합된 폴리카프로락톤(PCL, Mw=80kDa, Sigma-Aldrich)을 이전 연구에서 설명한 대로 다공성 마이크로스피어로 제조하였다(Jin GZ, Kim HW. Tissue Eng Regen Med. 2016;13:23541). 간략하게, 10%(w/v) PCL/PLDLA(1:3)을 클로로포름에 용해시키고, 60%(w/v) 캄펜과 혼합하였다. 혼합된 용액을 4℃에서 450 rpm으로 완만하게 교반하면서 2% 폴리비닐 알코올을 함유하는 물 풀(pool)에 떨어뜨렸다. 그 다음 여과, 세척 및 동결 건조하여 다공성 마이크로스피어를 수득하였다. Polycaprolactone (PCL, Mw = 80 kDa, Sigma-Aldrich) mixed with poly-L / D-lactide (PLDLA, L-lactide: D, L-lactide = 70:30, Sigma-Aldrich, USA) Were prepared with porous microspheres as described in previous studies (Jin GZ, Kim HW. Tissue Eng Regen Med. 2016; 13: 23541). Briefly, 10% (w / v) PCL / PLDLA (1: 3) was dissolved in chloroform and mixed with 60% (w / v) camphene. The mixed solution was dropped into a water pool containing 2% polyvinyl alcohol with gentle stirring at 450 rpm at 4 占 폚. It was then filtered, washed and lyophilized to obtain porous microspheres.

제조예 1: 치수 줄기세포가 적재된 마이크로스피어의 제조Preparation Example 1: Preparation of microspheres loaded with stem cells

세포를 분주하기 전에, 상기 마이크로스피어를 70% 에탄올로 2 시간 멸균하고, 인산 완충 생리 식염수(PBS)로 3번 세척하였다. 1 밀리리터 DPSC(2×106)를 10% FBS 및 1% 페니실린/스트렙토마이신으로 보충된 α-MEM으로 예비 습윤된 마이크로스피어 10 mg에 12 시간 동안 첨가하여 DPSC 적재된 마이크로스피어 구조체를 수득하였다. Before the cells were dispensed, the microspheres were sterilized with 70% ethanol for 2 hours and washed three times with phosphate buffered saline (PBS). One milliliter DPSC (2 x 10 6 ) was added to 10 mg pre-wet microspheres pre-wetted with alpha-MEM supplemented with 10% FBS and 1% penicillin / streptomycin for 12 hours to obtain a DPSC loaded microsphere construct.

실험예 1: 치수 줄기세포가 적재된 마이크로스피어의 배양 및 세포 부착 및 성장 거동 분석Experimental Example 1: Culture of microspheres loaded with stem cells and cell adhesion and growth behavior analysis

상기 DPSC 적재된 마이크로스피어 구조체를 MyLab SLRM-3 Intelli-Mixer(SLRM-3, SeouLin Bioscience, South Korea)를 사용하여 6 시간 동안 3rpm으로 45°의 스웨이(sway)로 흔들며 배양시켰다. 그 후, 상기 구조체를 10% FBS 배양 배지와 함께 70ml의 α-MEM을 함유하는 스피너 플라스크(S-flask 4500-1 L, TAITEC, Japan)에서 넣고, 37℃, 5% CO2 배양기에서 10 일간 배양하였다. 이때, 교반 속도는 30 rpm이었다. The DPSC loaded microsphere construct was incubated in a sway at 45 rpm at 3 rpm for 6 hours using MyLab SLRM-3 Intelli-Mixer (SLRM-3, Seouplin Bioscience, South Korea). Thereafter, the construct was placed in a spinner flask (S-flask 4500-1 L, TAITEC, Japan) containing 70 ml of? -MEM together with 10% FBS culture medium and incubated at 37 ° C in a 5% CO 2 incubator for 10 days Lt; / RTI &gt; At this time, the stirring speed was 30 rpm.

상기 DPSC 적재된 마이크로스피어 구조체를 2.5%(v/v) 글루타르알데하이드로 고정하고, 등급이 매겨진 일련의 에탄올(75, 90, 95 및 100%)로 탈수하고, 헥사메틸디실라잔 용액으로 처리하고, 금으로 코팅한 후, 주사전자현미경(SEM, 히타치 S-3000H) 및 광학 현미경으로 관찰하여, 그 결과를 도 3에 나타냈다.The DPSC loaded microsphere structure was fixed with 2.5% (v / v) glutaraldehyde and dehydrated with a graded series of ethanol (75, 90, 95 and 100%) and treated with hexamethyldisilazane solution Coated with gold, and observed with a scanning electron microscope (SEM, Hitachi S-3000H) and an optical microscope. The results are shown in Fig.

마이크로스피어 상의 세포 분포 이미지를 역형광 현미경을 사용하여 Alexa Fluor 488-접합 팔로이딘(Invitrogen, USA) 염색으로 관찰하였다. 구조체를 4% 파라포름알데히드로 10 분간 고정시킨 후, 30 분 동안 PBS로 희석시킨 20nM Alexa Fluor 488-접합된 팔로이딘과 함께 배양하였다. 세포 핵을 5 분 동안 4’,6-디아미디노(diamidino)-2-페닐린돌(phenylindole)(DAPI)로 대조 염색하였다. DP-72 디지털 카메라(Olympus Co., Tokyo, Japan)가 장착된 역형광 현미경을 사용하여 형광 이미지를 얻었다. 그 결과를 도 3에 나타냈다.Cell distribution images on the microspheres were observed with an Alexa Fluor 488-conjugated Paloidin (Invitrogen, USA) staining using an inverted fluorescence microscope. The construct was fixed with 4% paraformaldehyde for 10 minutes and then incubated with 20 nM Alexa Fluor 488-conjugated phalloidin diluted in PBS for 30 minutes. Cell nuclei were counterstained for 5 min with 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI). Fluorescence images were obtained using an inverted fluorescence microscope equipped with a DP-72 digital camera (Olympus Co., Tokyo, Japan). The results are shown in Fig.

다공성 PCL/PLDLA 마이크로스피어는 평균 직경이 303 ㎛으로, 고도로 개방된 채널형태의 기공을 갖는다. 도 3A 및 3B는 30 rpm에서 교반-배양한 후 10 일째에 HDPSC/마이크로스피어 구조체의 SEM 현미경 사진을 나타낸다. 세포는 구형 마이크로 지지체 표면 상에 길쭉하게 성장했다. 일부 세포는 기공 내로 이동하는 것으로 관찰되었다. 또한 액틴 필라멘트(Alexa Fluor 488- 접합 팔로이딘과 함께, 녹색)와 핵 (DAPI와 함께, 파란색)의 공염색 후 세포 이미지를 형광 현미경으로 관찰하였다. 액틴 필라멘트의 팔로이딘 염색 결과는 마이크로스피어 표면에서의 세포 부착 및 성장을 더 뒷받침한다(도 3C 및 3D).The porous PCL / PLDLA microspheres have pores with a highly open channel shape with an average diameter of 303 μm. Figures 3A and 3B show SEM micrographs of the HDPSC / microsphere structure on day 10 after agitation-culture at 30 rpm. The cells grew elongated on the spherical microsphere surface. Some cells were observed to migrate into the pores. Cell images were also observed by fluorescence microscopy after co-staining of actin filaments (green with Alexa Fluor 488-conjugated paloidine) and nuclei (blue with DAPI). Paloidin staining results of actin filaments further support cell attachment and growth on the microsphere surface (Figures 3C and 3D).

실시예 1: DPSC/마이크로스피어-HUVEC/콜라겐 하이드로겔 구조체의 제조Example 1: Preparation of DPSC / Microsphere-HUVEC / collagen hydrogel structure

콜라겐 하이드로겔을 Jin GZ 등의 문헌 [Jin GZ, Kim HW. Tissue Eng Regen Med. 2016;13:23541]에 기재된 대로 준비하였다. HUVEC (5×105)를 2% 콜라겐과 혼합하여 HUVEC이 박혀 있는 하이드로겔을 제조하였다. 10 일 동안 배양한 10 mg의 DPSC/마이크로스피어를 2 mL HUVECs/콜라겐 하이드로겔과 혼합하여 DPSC/마이크로스피어와 HUVEC/콜라겐 하이드로겔이 혼합된 구조체를 제조하였다.Collagen hydrogel was prepared according to Jin GZ et al., Jin GZ, Kim HW. Tissue Eng Regen Med. 2016; 13: 23541). HUVEC (5 × 10 5 ) was mixed with 2% collagen to prepare a HUVEC embedded hydrogel. 10 mg of DPSC / microspheres cultured for 10 days were mixed with 2 mL of HUVECs / collagen hydrogel to prepare a mixture of DPSC / microsphere and HUVEC / collagen hydrogel.

비교예 1: HUVEC 없이 하이드로겔만을 혼합한 DPSC/마이크로스피어 및 DPSC/마이크로스피어와 혼합하지 않은 HUVEC을 포함하는 하이드로겔의 준비Comparative Example 1: Preparation of hydrogel containing HUVEC not mixed with DPSC / microsphere and DPSC / microsphere mixed with only hydrogel without HUVEC

비교를 위해, HUVEC 없이 하이드로겔만을 혼합한 DPSC 적재된 마이크로스피어 구조체를 준비하였다. For comparison, a DPSC loaded microsphere structure mixed with only hydrogels without HUVEC was prepared.

또한, DPSC 적재된 마이크로스피어 구조체와 혼합하지 않은, HUVEC을 포함하는 하이드로겔을 준비하였다. 구체적으로, HUVEC을 분주한 하이드로겔을 폴리디메틸실록산 몰드(직경 8mm 및 두께 2mm)에 부어 넣고 가습된 배양기에서 37℃에서 30 분 동안 중합시켰다. 겔화 후, 하이드로겔을 14 일 동안 최적 세포 배양 배지와 함께 배양하였다. 배양 배지는 2일 마다 교체하였다.In addition, a hydrogel containing HUVEC was prepared, which was not mixed with the DPSC loaded microsphere structure. Specifically, the HUVEC hydrogel was poured into a polydimethylsiloxane mold (8 mm in diameter and 2 mm in thickness) and polymerized at 37 캜 for 30 minutes in a humidified incubator. After gelation, the hydrogel was incubated with optimal cell culture medium for 14 days. The culture medium was changed every 2 days.

ALP 활성 측정ALP activity measurement

세포의 ALP 활성을 조기 골형성 마커로 측정하였다. 먼저, 제조사의 지시에 따라 ALP 발색 키트(Takara, Japan)를 사용하여 각 시료 상에서의 세포의 조골세포 분화를 관찰하였다. 이를 위해 시료를 고정시키고 1 시간 동안 ALP 반응 기질과 반응시켰다. 바이올렛으로 염색된 시료를 광학 현미경으로 관찰하였다. 다음으로, ALP 활성의 정량을 위해, 시료를 세포 용해 완충액(10% Triton X-100, 1M Tris-HCl, 0.5M NaCL 및 0.5M EDTA)에 첨가하였다.Cellular ALP activity was measured as an early osteogenic marker. First, osteoblast differentiation of cells on each sample was observed using an ALP color development kit (Takara, Japan) according to the manufacturer's instructions. For this purpose, the sample was fixed and reacted with the ALP reaction substrate for 1 hour. Violet stained samples were observed under an optical microscope. Next, for quantification of ALP activity, samples were added to cell lysis buffer (10% Triton X-100, 1 M Tris-HCl, 0.5 M NaCl and 0.5 M EDTA).

총 단백질 함량은 상업용 DC 단백질 분석 키트(Bio-Rad, Hercules, USA)를 사용하여 측정하였다. 소 혈청 알부민(Sigma사)을 단백질 분석을 위한 기준 곡선으로 사용하였다. 효소 반응에 사용된 각 시료의 양을 총 단백질 함량으로 표준화하여 결정하였다. ALP 어세이 키트(절차 번호 ALP-10, Sigma)를 사용하여 ALP 활성을 측정하였다. 이어서, ELISA 플레이트 판독기를 사용한 405 nm에서의 흡광도에 기초하여, 반응에 의해 생성된 ρ-니트로페놀을 결정하였다.Total protein content was determined using a commercial DC protein assay kit (Bio-Rad, Hercules, USA). Bovine serum albumin (Sigma) was used as a reference curve for protein analysis. The amount of each sample used in the enzyme reaction was determined by standardizing the total protein content. ALP activity was measured using an ALP assay kit (procedure number ALP-10, Sigma). The ρ-nitrophenol produced by the reaction was then determined based on the absorbance at 405 nm using an ELISA plate reader.

실험예 2: 공배양 조건의 최적화Experimental Example 2: Optimization of co-culturing conditions

DPSC 골 형성을 가능하게 하고 HUVEC 생존력을 유지하게 하는, DPSC와 HUVEC의 공배양을 위한 최적의 세포 배양 배지를 결정하기 위해, DPSC 또는 HUVEC를 하기 표 1에 기재된 바와 같은 4개의 상이한 배양 배지 1 ㎖에서 1×104 세포/24-웰로 개별적으로 분주하고, 7 일 동안 배양하였다. 배양 배지는 2 일마다 교체하였다. 최적화된 공배양 조건을 확보하기 위해 실험은 독립적으로 3 번 반복하였다.To determine the optimal cell culture medium for co-culture of DPSC and HUVEC, which allows DPSC bone formation and maintains HUVEC viability, DPSC or HUVEC are mixed with 1 ml of 4 different culture media as described in Table 1 below To 1 x 10 &lt; 4 &gt; cells / 24-well, and cultured for 7 days. The culture medium was changed every 2 days. The experiment was repeated 3 times independently to ensure optimized co-culture conditions.

배지 구분Badge classification 구성 성분Constituent 골형성 배지(OM)Osteogenesis medium (OM) α-MEM + 10% FBS + 1% 페니실린/스트렙토마이신 + 50 ㎍/㎖ 아스코르브산 + 10 mM β-글리세로포스페이트 + 100 nM 덱사메타손α-MEM + 10% FBS + 1% penicillin / streptomycin + 50 μg / ml ascorbic acid + 10 mM β-glycerophosphate + 100 nM dexamethasone 내피 세포 배지(EM)Endothelial cell medium (EM) 혈관세포 기초 배지 + 내피세포 성장 키트Vascular cell basal medium + endothelial cell growth kit MIX 1MIX 1 OM 및 EM의 10:1 혼합물 A 10: 1 mixture of OM and EM MIX 2MIX 2 OM 및 EM의 1:1 혼합물 A 1: 1 mixture of OM and EM

ALP 염색 분석을 사용하여 7 일째에 DPSC의 골 형성 능력을 질적으로 평가하여 그 결과를 도 1에 나타냈다. 세포는 OM에서 가장 어두운 염색을 보였다. MIX 1에서 세포의 염색은 OM에서보다 약간 밝은 것으로 보이지만 MIX 2에서보다 현저하게 더 어두웠다. EM에서는 ALP 염색이 없었다. ALP staining analysis was used to evaluate qualitatively the bone formation ability of DPSC on day 7 and the results are shown in FIG. Cells showed the darkest color in OM. In MIX 1, cell staining appeared to be slightly brighter than in OM, but was significantly darker in MIX 2. There was no ALP staining in EM.

또한 라이브데드 염색 분석에 의해 7 일째에 HUVEC의 생존력을 질적으로 평가하여 그 결과를 도 2에 나타냈다. 그 결과 OM에서 죽은 세포가 유의하게 증가하였고, 대조적으로, 세포는 MIX 1, MIX 2 및 EM에서도 유사하게 높은 생존력을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 골형성 배지(OM)/내피 세포 배지(EM)의 10 : 1 혼합물인 MIX1에서 HUVEC이 생존하고 DPSC의 골형성이 증가함을 알 수 있다.In addition, viability of HUVEC was evaluated qualitatively on day 7 by live dead staining analysis and the results are shown in Fig. As a result, the number of dead cells in OM was significantly increased, and in contrast, the cells showed similar high viability in MIX 1, MIX 2, and EM. Thus, it can be seen that HUVEC survives and bone formation of DPSC increases in MIX1, a 10: 1 mixture of osteogenic medium (OM) / endothelial cell medium (EM).

실험예 3: 세포 성장 및 생존율 분석Experimental Example 3: Cell growth and survival analysis

14 일 동안 배양된 구조체에 대하여 제조자의 지시에 따라 라이브데드 어세이 키트(Live/Dead assay kit) (Molecular Probes, Reduced Biohazard Viability/Cytotoxicity Kit, USA)를 적용하여 세포 생존율을 분석하였다. 시료를 실온에서 30분 동안 라이브데드 어세이(Live/Dead assay) 염색액으로 배양한 후, DP-72 디지털 카메라 (DP2-BSW, Olympus, Tokyo, Japan)가 장착된 역형광 현미경 하에서 관찰하여 그 결과를 도 4에 나타냈다. 도 4에서, 살아있는 세포는 녹색 형광으로 표시되었고, 죽은 세포는 적색 형광으로 표시되었다.Cell viability was analyzed by applying a live / dead assay kit (Molecular Probes, Reduced Biohazard Viability / Cytotoxicity Kit, USA) according to the manufacturer's instructions for the constructs cultured for 14 days. The samples were incubated at room temperature for 30 minutes in a live / dead assay staining solution and then observed under an inverted fluorescence microscope equipped with a DP-72 digital camera (DP2-BSW, Olympus, Tokyo, Japan) The results are shown in Fig. In Figure 4, live cells were labeled with green fluorescence and dead cells were labeled with red fluorescence.

DPSC 및 DPSC/HUVEC 군 모두에서, DPSC는 1 일째에 미소구로부터 콜라겐 겔로 이동하기 시작하였고, 세포는 반경 방향으로 길쭉한 모양을 보였다(도 4A 및 4D). 그러나, HUVEC 군의 세포는 제한된 과정을 보였다(도 4G). 14 일 후, DPSC 및 DPSC/HUVEC 군 모두 미소구로부터 콜라겐 겔로의 세포의 강력한 증식을 보였다(도 4B 및 4E). 대조적으로, HUVEC 군의 세포는 작은 둥근 모양을 나타냈다(도 4H). In both the DPSC and DPSC / HUVEC groups, DPSC began to migrate from the microspheres to the collagen gel on day 1, and the cells appeared elongated in the radial direction (FIGS. 4A and 4D). However, cells of the HUVEC group showed a restricted process (Fig. 4G). After 14 days, both the DPSC and DPSC / HUVEC groups showed strong proliferation of cells from the microspheres into the collagen gel (FIGS. 4B and 4E). In contrast, cells of the HUVEC group showed a small round shape (Fig. 4H).

세 가지 다른 군에서 14 일째에 세포의 생존력을 분석하기 위해 라이브/데드 분석법을 사용하였다(도 4C, 4F 및 4I). 하이드로겔에 존재하는 세포는 현미경 하에 쉽게 관찰될 수 있다. 세포는 미소구로부터 이동한 DPSC와 초기에 존재한 HUVEC의 혼합물이다. 결과는 모든 군에서 일부 죽은 세포가 관찰되었지만 대부분의 세포가 살아 있음을 보여주었다.The live / dead assay was used to analyze the viability of the cells on day 14 in three different groups (FIGS. 4C, 4F and 4I). Cells present in the hydrogel can be easily observed under a microscope. Cells are a mixture of DPSCs that migrated from the microspheres and HUVECs that were initially present. The results showed that some dead cells were observed in all groups but most cells were alive.

실험예 4: ALP 활성 평가Experimental Example 4: Evaluation of ALP activity

구조체의 골 형성 가능성을 기능 지표로서 ALP 활성을 사용하여 평가하여 그 결과를 도 5에 나타냈다. 14 일째에 ALP 염색은 히드로겔에서의 세포보다 마이크로스피어에서의 세포에서 더 강렬한 것으로 나타났는데, 이는 마이크로스피어에서의 세포가 DPSC이지만 하이드로겔에서의 세포는 이동된 DPSC와 함께 주로 HUVEC인 것에 기인할 수 있다. 특히, 시료의 ALP 염색된 이미지는 DPSC 군보다 DPSC/HUVEC 군에서 더 어두운 염색을 보였다(도 5A 및 5B). 반면, HUVEC 군에서는 ALP 염색이 관찰되지 않았다(도 5C). ALP 효소 활성은 14 일 동안 배양 후 DPSC 군보다 DPSC/HUVEC 군에서 유의하게 높았고, HUVEC 군의 ALP 효소 활성은 그 중에서도 제일 낮았다(도 5D).The possibility of osteogenesis of the construct was evaluated using ALP activity as a functional index, and the results are shown in Fig. At day 14, ALP staining appeared to be more intense in the cells in the microspheres than in the hydrogel, because the cells in the microspheres were DPSC, but the cells in the hydrogel were mainly HUVEC with migrated DPSC . In particular, ALP stained images of the samples showed darker staining in the DPSC / HUVEC group than in the DPSC group (FIGS. 5A and 5B). On the other hand, ALP staining was not observed in the HUVEC group (Fig. 5C). The ALP enzyme activity was significantly higher in the DPSC / HUVEC group than in the DPSC group after 14 days of culture, and the ALP enzyme activity of the HUVEC group was the lowest among them (FIG. 5D).

실험예 5: 정량적 실시간 중합 효소 연쇄 반응(qPCR) 분석Experimental Example 5: Quantitative Real-time Polymerase Chain Reaction (qPCR) Analysis

상기 구조체를 최적의 세포 배양 배지로 14 일 동안 배양하였다. 골형성 유전자 및 혈관 형성 유전자 발현을 Rotor-Gene RG-3000A qPCR 장비(호주)를 사용하여 분석하였다. TRIzol 시약(Invitrogen)을 사용하여 표본의 총 RNA를 추출했다. 실시간 PCR(Invitrogen, USA) 용 SuperScript 첫 번째 가닥 합성 시스템을 사용하여 제조사의 지침에 따라 총 RNA(1 ㎍)로부터 첫 번째 가닥 cDNA를 합성하였다. 반응 혼합물을 50 ㎕로 만들었다. 실시간 PCR은 SYBR GreenER qPCR SuperMix 시약(Invitrogen, USA)을 사용하여 수행하였다. 상대적 전사체 양을 샘플로부터 증폭된 내인성 기준 유전자로서 β-액틴을 이용한 2-△△Ct 방법을 사용하여 계산하였다. 유전자의 프라이머 서열을 하기 표 2에 요약하였다.The construct was incubated with optimal cell culture medium for 14 days. Osteogenic and angiogenic gene expression was analyzed using a Rotor-Gene RG-3000A qPCR instrument (Australia). The total RNA of the sample was extracted using TRIzol reagent (Invitrogen). First strand cDNA was synthesized from total RNA (1 μg) according to the manufacturer's instructions using a SuperScript first strand synthesis system for real-time PCR (Invitrogen, USA). The reaction mixture was made up to 50 mu l. Real-time PCR was performed using SYBR GreenER qPCR SuperMix reagent (Invitrogen, USA). The relative transcript amount was calculated using the 2 -ΔΔCt method with β-actin as an endogenous reference gene amplified from the sample. The primer sequences of the genes are summarized in Table 2 below.

Figure 112017082610009-pat00001
Figure 112017082610009-pat00001

14 일째에 qPCR을 이용하여 골형성 인자(I 형 콜라겐 및 ALP)와 혈관 형성 유전자 (vWF 및 VE-cadherin)의 발현을 분석하였다(도 6). I 형 콜라겐 유전자 발현은 다른 두 군보다 DPSC/HUVEC 군에서 유의하게 높았으며, HUVEC 군에서 가장 낮았다. ALP 유전자의 발현은 DPSC/HUVEC>DPSC>HUVEC 순서로 I 형 콜라겐과 유사하게 관찰되었다. vWF와 VE-cadherin을 포함한 혈관 형성 유전자의 발현은 HUVEC 군보다 DPSC/HUVEC 군에서 유의하게 높았으며, DPSC 군에서 가장 낮았다: DPSC/HUVEC>HUVEC>DPSC.On day 14, expression of osteogenic factors (type I collagen and ALP) and angiogenic genes (vWF and VE-cadherin) was analyzed using qPCR (Fig. 6). Type I collagen gene expression was significantly higher in the DPSC / HUVEC group than in the other two groups and lowest in the HUVEC group. Expression of the ALP gene was similar to that of type I collagen in the order of DPSC / HUVEC> DPSC> HUVEC. Expression of angiogenic genes including vWF and VE-cadherin was significantly higher in the DPSC / HUVEC group than in the HUVEC group and lowest in the DPSC group: DPSC / HUVEC> HUVEC> DPSC.

통계적 분석Statistical analysis

데이터는 평균 ± 1 표준 편차로 표시된다. 통계 분석은 one-way ANOVA 분석과 post hoc LSD test를 사용하여 수행되었다. p<0.05는 통계적으로 유의한 것으로 간주되었다.Data is expressed as mean ± 1 standard deviation. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA analysis and post hoc LSD test. p <0.05 was considered statistically significant.

Claims (17)

줄기세포가 적재된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체로서,
상기 구조체는 하이드로겔 내에 3차원의 마이크로스피어가 박혀있는 것으로서, 3차원 형상을 가지는 것인, 구조체.
Porous microspheres loaded with stem cells; And a hydrogel containing endothelial cells, wherein the stem cell and endothelial cell co-
Wherein the structure is a three-dimensional microsphere embedded in a hydrogel, the structure having a three-dimensional shape.
제1항에 있어서, 상기 다공성 마이크로스피어는 평균 직경이 200 내지 990㎛인 것인, 구조체.The structure according to claim 1, wherein the porous microspheres have an average diameter of 200 to 990 m. 제1항에 있어서, 상기 다공성 마이크로스피어는 줄기세포가 기공 내에 들어가서 배양될 수 있도록 10 내지 100㎛의 기공 크기를 갖는 것인, 구조체.The structure according to claim 1, wherein the porous microspheres have a pore size of 10 to 100 탆 so that the stem cells can be cultured in the pores. 제1항에 있어서, 상기 줄기세포는 다공성 마이크로스피어의 표면 또는 기공 내에 부착된 것인, 구조체.The construct of claim 1, wherein the stem cells are attached within the surface or pores of the porous microspheres. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 마이크로스피어는 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA), poly-L-/D-락타이드(PLDLA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리글리콜산(PGA), 폴리하이드록시부티레이트(PHB), 폴리디옥사논(PDO), 폴리트리메틸렌카보네이트(PHV) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것인, 구조체.The method of claim 1, wherein the microspheres are selected from the group consisting of polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), poly-L- / D-lactide (PLDLA), polyethylene glycol (PEG), polyglycolic acid (PHB), polydioxanone (PDO), polytrimethylene carbonate (PHV), or a mixture thereof. 제1항에 있어서, 상기 줄기세포는 치수 줄기세포인 것인, 구조체.The construct of claim 1, wherein the stem cell is a pulp stem cell. 제1항에 있어서, 상기 하이드로겔은 피브린, 피브리노겐, 콜라겐, 폴리에스터 중합체, 폴리락트산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리락트산-글리콜산의 공중합체, 폴리하이드로옥시부티르산, 폴리하이드로옥시발레르산 및 폴리하이드로옥시부티르산-발레르산으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 공중합체를 포함하는 생분해성 합성 바이오겔인 것인, 구조체.The composition of claim 1, wherein the hydrogel is selected from the group consisting of fibrin, fibrinogen, collagen, polyester polymer, polylactic acid, polyglycolic acid, polycaprolactone, copolymers of polylactic acid- glycolic acid, polyhydroxybutyric acid, polyhydroxyvaleric acid And polyhydroxybutyric acid-valeric acid, wherein the biodegradable synthetic bio-gel is a biodegradable synthetic bio-gel. 줄기세포가 분주된 다공성 마이크로스피어; 및 내피세포가 포함된 하이드로겔을 혼합하는 단계를 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체 제조방법으로서,
상기 구조체는 하이드로겔 내에 3차원의 마이크로스피어가 박혀있는 것으로서, 3차원 형상을 가지는 것인, 제조방법.
Porous microspheres in which stem cells are dispensed; And a hydrogel containing endothelial cells, wherein the stem cell and the endothelial cell are mixed with each other,
Wherein the structure has three-dimensional microspheres embedded in a hydrogel, and has a three-dimensional shape.
제1항 내지 4항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 골형성 배지 및 내피세포 배양 배지가 혼합된 배지에서 공배양하는 단계를 포함하는, 줄기세포 및 내피세포의 공배양 방법.Culturing the stem cell and endothelial cell coculture construct of any one of claims 1 to 4 and 6 to 8 in a medium in which an osteogenic medium and an endothelial cell culture medium are mixed, A method for co-culturing cells and endothelial cells. 제10항에 있어서, 상기 골 형성 배지는 α-MEM(α-minimum essential medium eagle), 소태아혈청(Fetal Bovine Serum; FBS), 페니실린/스트렙토마이신, 아스코르브산, β-글리세로포스페이트 및 덱사메타손을 포함하는 것인, 공배양 방법.The osteogenic medium of claim 10, wherein the osteogenic medium is selected from the group consisting of alpha-minimal essential medium eagle, Fetal Bovine Serum (FBS), penicillin / streptomycin, ascorbic acid, beta -glycerophosphate and dexamethasone &Lt; / RTI &gt; 제10항에 있어서, 상기 내피세포 배지는 혈관세포 기초배지(Vascular Cell Basal Medium; ATCC, USA)) 및 내피세포 성장키트(Endothelial Cell Growth Kit; ATCC, USA))를 포함하는 것인, 공배양 방법.11. The method according to claim 10, wherein the endothelial cell culture medium comprises a vascular cell basal medium (ATCC, USA) and an endothelial cell growth kit (ATCC, USA). Way. 제10항에 있어서, 상기 공배양 배지에서 골형성 배지 및 내피세포 배지의 중량비는 5 내지 15:1인 것인, 공배양 방법.11. The co-culture method according to claim 10, wherein the weight ratio of the osteogenic medium and the endothelial cell medium in the co-culture medium is 5 to 15: 1. 제1항 내지 4항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 줄기세포 및 내피세포의 공배양용 구조체를 포함하는 골 및 혈관 형성용 조성물.A composition for bone and blood vessel formation comprising a coculture construct of the stem cell and the endothelial cell according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 8. 제14항에 있어서, 상기 공배양 구조체는 혈관 주입이 가능하도록 200 내지 400㎛의 크기를 갖는 것인, 조성물.15. The composition of claim 14, wherein the co-cultured construct has a size of 200-400 microns to enable vascularization. 제14항에 있어서, 상기 조성물은 손상된 골 조직에 투여되는 것인, 조성물.15. The composition of claim 14, wherein the composition is administered to injured bone tissue. 제14항에 있어서, 상기 조성물은 혈관 주입이 가능한 주사체 형태인 것인, 조성물.15. The composition of claim 14, wherein the composition is in the form of a pouch capable of vascularization.
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