KR102030906B1 - Method for making composition for differentiating into chondrocyte using HLA-Homozygous CBMC-derived iPSCs composition - Google Patents

Method for making composition for differentiating into chondrocyte using HLA-Homozygous CBMC-derived iPSCs composition Download PDF

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Abstract

본 발명은 동형접합체의 CBMC-hiPSCs을 이용하여 개인맞춤형 재생 의학에 새로운 전략을 제공할 수 있는 연골세포 분화용 조성물 제조방법, 이로부터 분화된 연골세포 및 상기 연골세포 분화용 조성물 또는 연골분화세포를 포함하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 연골세포 분화용 조성물 제조방법을 통해 제조된 연골세포 분화용 조성물 또는 연골세포는 HLA 동형접합체로서, 연골이식에 적합한 유형의 연골세포 마커 유전자의 발현 수준이 높으므로 연골 관련 질환의 예방, 개선 또는 치료에 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention provides a method for producing a composition for chondrocyte differentiation, which can provide a new strategy for personalized regenerative medicine using CBMC-hiPSCs of homozygotes, and the chondrocytes differentiated therefrom and the composition for chondrocyte differentiation or chondrocyte differentiation therefrom. It relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases comprising.
Therefore, the composition for chondrocyte differentiation or chondrocytes prepared by the method for preparing chondrocyte differentiation according to the present invention is an HLA homozygote, and the expression level of chondrocyte marker gene of a type suitable for cartilage transplantation is high. It can be usefully used for prevention, amelioration or treatment.

Description

HLA 동형접합체의 제대혈단핵구세포 유래 인간전분화능세포를 이용한 연골세포 분화용 조성물 제조방법{Method for making composition for differentiating into chondrocyte using HLA-Homozygous CBMC-derived iPSCs composition}Method for making composition for differentiating into chondrocyte using HLA-Homozygous CBMC-derived iPSCs composition} of HLA homozygotes using human pluripotent cells derived from cord blood mononuclear cells

본 발명은 동형접합체의 CBMC-hiPSCs을 이용하여 개인맞춤형 재생 의학에 새로운 전략을 제공할 수 있는 연골세포 분화용 조성물 제조방법, 이로부터 분화된 연골세포 및 상기 연골세포 분화용 조성물 또는 연골분화세포를 포함하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물에 관한 것이다.The present invention provides a method for producing a composition for chondrocyte differentiation, which can provide a new strategy for personalized regenerative medicine using CBMC-hiPSCs of homozygotes, and the chondrocytes differentiated therefrom and the composition for chondrocyte differentiation or chondrocytes It relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases comprising.

관절연골은 탄력있는 백색조직으로써, 뼈의 끝부분을 감싸고 있으며 마찰로부터 뼈를 보호한다. 관절연골은 탄력있는 백색조직으로써, 뼈의 끝부분을 감싸고 있으며 마찰로부터 뼈를 보호한다. 연골은 대부분 연골세포와 다량의 세포외기질(ECM; extracellular matrix)이 풍부한 다양한 종류의 콜라겐, 프로티오글라이칸 및 유연한 섬유로 이루어져 있다. 연골세포는 세포외기질 조성물을 생산한다. 또한 열공(lacuna)이라는 작은 공간에 갇혀있기 때문에 연골이 손상되고 나면 연골세포의 이주 및 회복이 어렵게 된다. 게다가 연골은 무혈관 조직이기 때문에 영양공급을 위한 혈관이 존재하지 않는다. 연골의 무혈관은 줄기세포의 이주를 방해하며, 조직의 재생력을 감소시킨다. 이러한 특징들은 손상된 연골들이 자연스럽게 치유되는 것은 거의 불가능함을 의미한다. 따라서 체외에서 세포외기질을 생산할 수 있는 기능적인 연골세포를 생산하거나 이식을 위해 완전히 성장한 연골을 얻는 것이 중요하다. Articular cartilage is an elastic white tissue that wraps around the tip of the bone and protects it from friction. Articular cartilage is an elastic white tissue that wraps around the tip of the bone and protects it from friction. Cartilage is mostly composed of various types of collagen, prothioglycans and flexible fibers, rich in chondrocytes and a large amount of extracellular matrix (ECM). Chondrocytes produce extracellular matrix compositions. In addition, because the cartilage is damaged because it is trapped in a small space called lacuna, the migration and recovery of chondrocytes becomes difficult. In addition, because cartilage is avascular tissue, there are no blood vessels for nutrition. Cartilage-free blood vessels interfere with stem cell migration and reduce tissue regeneration. These features mean that damaged cartilage is almost impossible to heal naturally. Therefore, it is important to produce functional chondrocytes capable of producing extracellular matrix in vitro or to obtain fully grown cartilage for transplantation.

연골 복원은 골수유래 중간엽 줄기세포(bone marrow-derived mesenchymal stem cells; BMCSs) 또는 자신의 무릎관절로부터 분리한 연골세포를 이식함으로써 이루어진다. BMSCs와 자가연골세포는 본래 연골세포로 분화할 수 있는 잠재력이 있기 때문에 연골형성시 다양한 장점이 있다. BMSC는 상대적으로 수득하기 용이하며 이미 류마티스성 관절염과 골관절염 등의 다양한 질병들의 세포 치료용 조성물로서 널리 사용되고 있다. 다만 분화속도가 늦고 불안정한 표현형 때문에 복원에 제한이 있다. BMSC와 자가연골세포 모두 체외에서 3 내지 4일 후 고유의 특성을 잃는 성향이 있다. 또한 BMSC의 생산 및 분화능은 환자의 나이와 병의 상태에 따라 달라진다는 점이 보고되었다. 자가연골세포의 경우에는 수득하는 과정에서 무릎관절의 손상이 불가피하다. 따라서, 연골 복원을 위한 새로운 세포 근원지가 요구된다.  Cartilage repair is accomplished by implanting bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMCSs) or chondrocytes isolated from their knee joints. Since BMSCs and autologous chondrocytes have the potential to differentiate into cartilage cells, they have various advantages in cartilage formation. BMSC is relatively easy to obtain and is already widely used as a cell therapeutic composition for various diseases such as rheumatoid arthritis and osteoarthritis. However, due to the slow differentiation rate and unstable phenotype, there is a limit to restoration. Both BMSC and autologous chondrocytes tend to lose their intrinsic properties after 3-4 days in vitro. It has also been reported that the production and differentiation capacity of BMSCs depends on the age of the patient and the condition of the disease. In the case of autologous chondrocytes, damage to the knee joint is inevitable in the process of obtaining. Thus, new cell sources for cartilage repair are needed.

성공적인 연골 이식을 위해서는 유리질 연골을 생산하는 것이 중요하다. 유리질 연골은 유연한 유형의 연골인데 대부분 2형 콜라겐으로 이루어져 있다. 오랜 연구를 통하여 이식된 연골세포는 비대연골세포로 분화되는 경향이 있다는 것이 밝혀졌는데, 이는 유리질 연골 보다 섬유연골과 유사한 형태의 원인이 된다. 세포기반의 치료요법이 병원에서 흔히 사용되고 있어도 BMSC와 자가연골세포가 성숙한 인간의 연골을 성공적으로 보수할 수 있는지 여부는 입증되지 않았다. 골연골의 접목을 통한 성숙한 연골 이식은 세포기반 치료 외에 심각하게 손상된 연골을 치료하는 다른 방법이 될 수 있다. 골연골 접목의 장점은 유리질 연골의 이식이라는 점이다. 관절의 건강한 연골의 한 부분을 손상된 부분에 이식한다. 동종이계 연골 이식은 동종이식의 성공여부에 영향을 미치는 면역거부의 위험이 있다. 그러나 골연골 접합(모자이크형성술; mosaicplasty)은 건강한 공여부위와 이식상태를 조건으로 한다. 이러한 제한들은 여전히 연골 재생에서 중요한 논점이 되고 있으며 추가적인 연구가 요구되고 있다.It is important to produce vitreous cartilage for successful cartilage transplantation. Vitreous cartilage is a flexible type of cartilage, mostly composed of type 2 collagen. Long research has shown that transplanted chondrocytes have a tendency to differentiate into hypertrophic chondrocytes, which causes fibrocartilage-like morphology rather than glass cartilage. Although cell-based therapies are commonly used in hospitals, it is not proven whether BMSCs and autologous chondrocytes can successfully repair mature human cartilage. Mature cartilage transplantation through the grafting of osteochondral cartilage may be an alternative to treating severely damaged cartilage in addition to cell-based therapy. The advantage of osteochondral grafting is the implantation of vitreous cartilage. One part of the healthy cartilage of the joint is implanted in the damaged part. Allogeneic cartilage transplantation poses a risk of rejection, which affects the success of allografts. However, osteochondral junction (mosaicplasty) is a condition for healthy donor site and transplantation. These limitations are still an important issue in cartilage regeneration and further research is needed.

인간유래전분화능줄기세포(hiPSCs)는 재생의학의 대체적인 세포 근원지로서 조명을 받았다. hiPSC의 발견은 다양한 질병의 약물 스크리닝 및 기계적 연구에서 새로운 전략을 제공하였다. 게다가, hiPSC는 관절연골과 같이 재생력에 한계가 있는 손상된 조직을 대체하기 위한 잠재적으로 관련있는 세포의 근원이다. BMSC와 자가연골세포와는 달리 hiPSC은 자기재생 능력 및 연골세포를 포함한 표적세포로의 분화능 때문에 강하게 추천된다. 적절한 배양환경에서 hiPSC는 연골 재생에 사용될수 있는 대체 근원으로서 강력한 잠재력을 가진다. Human derived pluripotent stem cells (hiPSCs) are illuminated as an alternative cell source for regenerative medicine. The discovery of hiPSCs has provided new strategies in drug screening and mechanical studies of various diseases. In addition, hiPSCs are a source of potentially relevant cells for replacing damaged tissues such as articular cartilage that have limited regeneration. Unlike BMSC and autologous chondrocytes, hiPSC is strongly recommended because of its self-renewal ability and differentiation into target cells including chondrocytes. In the proper culture environment, hiPSCs have strong potential as an alternative source of cartilage regeneration.

지난 재프로그래밍 프로토콜에서, 진피섬유아세포는 iPSC 생산에 사용되었다. 아직까지는 폭넓은 적용을 위해 이런 세포들을 얻기 위한 외과적 생체검사 절차의 기회가 제한된다. 진피섬유아세포는 외부 환경에 노출됨으로 인한 높은 유전적 돌연변이가 있음이 보고되었다. 혈구세포가 재프로그래밍을 위한 대체제로서 추천되었다. 섬유아세포와 비교하였을 때, 말초혈액 단핵세포(peripheral blood mononuclear cells; PBMCs)가 상대적으로 가능하다. 재프로그래밍은 PBMC를 이용한 다양한 시도로 성공하였다. In the last reprogramming protocol, dermal fibroblasts were used for iPSC production. There is still limited opportunity for surgical biopsy procedures to obtain these cells for a wide range of applications. Dermal fibroblasts have been reported to have high genetic mutations due to exposure to the external environment. Blood cells have been recommended as an alternative for reprogramming. Compared with fibroblasts, peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) are relatively possible. Reprogramming has been successful with various attempts using PBMC.

본 연구에서는 CBMC 유래 인간 iPSC(CBMC-hiPSCs)를 사용하여 실험하였다. 최근, CBMC-hiPSC를 심장근육세포와 간세포로 성공적으로 분화시켰다[비특허문헌 1, 2, 3]. 이전 연구에서는 마이크로질량 배양을 통한 연골형성에서 CBMC-hiPSC의 잠재능을 보여주었다. 그러나 이전 연구에도 불구하고 CBMC-hiPSC의 연골세포로의 분화 및 연골 재생 가능성에 대한 연구는 여전히 요구되고 있다. CBMC-hiPSC로부터 생산한 연골세포 펠렛(pellet)는 임상의 재생의학에서 사용될 수 있다. 상기 목표를 달성하기 위하여 연골 재생은 CBMC-hiPSC를 이용한 펠렛 배양으로 시도되었다. 생산된 CBMC-hiPSC는 배양체(embryoid body; EB)로 응집되고 중간엽 유사 성장세포는 젤라틴 배지에서 배양체에 접촉함으로써 촉진되었다. 연골세포 펠렛은 EB 성장세포를 이용하여 생산하였다. In this study, human iPSCs derived from CBMC (CBMC-hiPSCs) were tested. Recently, CBMC-hiPSCs have been successfully differentiated into cardiomyocytes and hepatocytes [Non-Patent Documents 1, 2, 3]. Previous studies have demonstrated the potential of CBMC-hiPSC in cartilage formation through micromass cultures. However, despite previous studies, there is still a need for studies on the possibility of CBMC-hiPSC differentiation into chondrocytes and cartilage regeneration. Chondrocyte pellets produced from CBMC-hiPSC can be used in clinical regenerative medicine. Cartilage regeneration was attempted with pellet culture using CBMC-hiPSC to achieve this goal. The CBMC-hiPSCs produced were aggregated into an embryoid body (EB) and mesenchymal-like growth cells were promoted by contacting the cultures in gelatin medium. Chondrocyte pellets were produced using EB growth cells.

여기에서, 우리는 연골 유사 연골세포 펠렛을 CBMC-hiPSC로부터 생산하는 방법에 대한 특징을 보고할 것이다. 이는 미래의 연골 재생을 위한 잠재적인 세포 근원을 나타낼 것이다. Here, we will report a feature on how to produce cartilage-like chondrocyte pellets from CBMC-hiPSC. This will represent a potential cell source for future cartilage regeneration.

두번째로, 유도전분화능줄기세포(induced pluripotent stem cell; iPSCs)는 화합물이나 유전적 요소의 조합으로 여러 세포 근원지에서 얻을 수 있다. 배아줄기세포(ESCs)처럼 iPSC은 체외에서 무궁무진하게 활용될 수 있으며 분화하지 않고 다분화능 상태로 보존될 수 있다. 이들의 자기재생능에 더불어 이런 다분화능 세포들은 다양한 세포로 분화할 수 있다. iPSC의 발달은 개개인의 맞춤형 줄기세포의 생산에 대한 새로운 가능성을 열었다. 맞춤형 iPSC는 세포-기관 치료법의 질병 모델링 및 재생의학에 대한 상당한 잠재력을 갖고 있다. 생산된 iPSC는 공여자와 일배체형인 사람 백혈구 항원(human leukocyte antigen; HLA)을 갖고 있다. 따라서, 같은 면역 독자성을 갖고 있으므로 iPSC는 면역거부 없는 자가이식을 위한 이상적인 물질로 고려된다. 맞춤형 줄기세포 기초 의학이 가능함에도 불구하고, 하나의 임상 수준의 iPSC를 제조하는 것은 시간과 인력이 소요되며 비싸다. 전체 분화 과정 역시 같은 수준의 임상 관리가 필요하다. 따라서, 상기 문제들은 맞춤형 iPSC의 상용화에 제한한다.Secondly, induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be obtained from multiple cell sources by a combination of compounds or genetic elements. Like embryonic stem cells (ESCs), iPSCs can be used endlessly in vitro and can be preserved in a multipotent state without differentiation. In addition to their self-renewal capacity, these multipotent cells can differentiate into a variety of cells. The development of iPSCs opens up new possibilities for the production of individual stem cells. Custom iPSCs have significant potential for disease modeling and regenerative medicine in cell-organ therapies. The produced iPSC has a human leukocyte antigen (HLA) that is haplotype with the donor. Therefore, iPSC is considered to be an ideal material for autoimplantation without immunorejection since it has the same immune identity. Although customized stem cell basic medicine is possible, manufacturing a single clinical level of iPSC is time consuming, expensive and expensive. The whole differentiation process also requires the same level of clinical management. Thus, these problems limit the commercialization of custom iPSCs.

따라서, 최소의 세포라인으로 인구의 많은 부분을 커버할 수 있는 대체적인 시스템이 필요하다. 이 대체적인 시스템은 많은 환자들에게 사용되었을 때 동종이식 거부반응의 위험이 낮아야 한다. 성공적인 기관 및 조혈줄기세포 이식의 역사는 HLA 유전자의 중요성을 확고히 하였으며 이는 개인의 면역 독자성과 직접적으로 관련있다. 2005년에 HLA-동형접합한 개인으로부터 ESC를 분리하여 저장하는 것을 요구되는 세포라인을 줄이기 위하여 추천되었다. 이 저장 시스템은 공여자들로부터 오직 하나의 HLA-A, -B 및 DRB1 일배체형과 동형접합인 세포만을 요구한다. 이 세가지 유전자 부분집합은 HLA 위치 및 거부 가능성을 줄이는데 가장 중요하다. 이 전략은 iPSC 저장의 정착에 적용되었다. Thus, there is a need for an alternative system that can cover a large portion of the population with minimal cell lines. This alternative system should have a low risk of allograft rejection when used in many patients. The history of successful organ and hematopoietic stem cell transplantation has confirmed the importance of the HLA gene, which is directly related to the individual's immune identity. In 2005 it was recommended to reduce the cell lines required to store ESCs separately from HLA-homozygous individuals. This storage system requires only cells that are homozygous from the donor with one HLA-A, -B and DRB1 haplotype. These three gene subsets are of paramount importance in reducing HLA location and rejection potential. This strategy has been applied to the settlement of iPSC storage.

최근에, 다양한 나라에서 인구의 최대범위를 커버할 수 있는 동형접합 iPSC은행을 설립하려는 시도를 하였다. 최근 연구에서 동형접합 iPSC 은행의 모델은 캘리포니아의 다민족 및 혼혈 인구를 커버할 수 있었다. 다섯 가계(흑인/아프리카계 미국인, 아메리칸 인디언, 아시아인/태평양 섬 주민, 히스페닉계 및 백인/비히스페닉계)의 일배체형의 다양한 조합을 기반으로, 인구의 일치확률을 계산하였다. 모든 시스(일배체형 수준) 및 트랜스(유전자형 수준) 일치를 고려하였을 때, iPSC 일배체형 은행과 수용체 개체군 사이의 자세한 계산이 반영되어 모델이 생성되었다. 일본에서는 일찍이 24000의 인구 중에서 50명의 공여자가 90.7%의 일본 인구를 커버할 수 있다는 계산이 있었다. 일본의 더욱 최근 연구에서는 인구의 90%를 커버하기 위해서는 140명의 공여자가 필요하다고 계산하였다. 그러나, 상기 목적을 달성하기 위해서는 160,000명의 일본 지원자들을 스크리닝 해야 했다.Recently, attempts have been made to establish homozygous iPSC banks that can cover the largest range of populations in various countries. In a recent study, models of homozygous iPSC banks could cover California's multi-ethnic and mixed race population. Based on various combinations of haplotypes of five families (Black / African American, American Indian, Asian / Pacific Islander, Hispanic and Caucasian / Non-Hispanic), the probability of population agreement was calculated. Given all cis (plote level) and trans (genotype level) agreements, the model was generated to reflect the detailed calculations between the iPSC haplotype bank and the receptor population. In Japan, it was calculated earlier that 50 of the 24,000 population could cover 90.7% of the Japanese population. A more recent study in Japan calculated that 140 donors were needed to cover 90% of the population. However, in order to achieve this goal, 160,000 Japanese applicants had to be screened.

이에 본 발명자들은, 가톨릭조혈모세포은행의 데이터를 이용하여 한국인(남한) 인구를 최대로 커버할 수 있는 동형접합 HLA-A, -B 및 DRB1 유형을 분류하였다. 임상 수준의 iPSC 생산을 위하여 공여자로부터 CBMC와 PBMC를 얻어 우수의약품제조관리기준에 따라 재프로그래밍 되었다. 이 연구는 조사 및 임상을 위해 대한민국 정부로부터 지원받아 이루어진, 대한민국 첫 번째의 동형접합 iPS 세포라인에 대한 보고이다.Therefore, the inventors categorized homozygous HLA-A, -B and DRB1 types that can cover the Korean (South) population to the maximum using the data of the Catholic Hematopoietic Stem Cell Bank. CBMC and PBMC were obtained from donors for clinical iPSC production and reprogrammed according to good drug manufacturing practice. This study is the first report on a homozygous iPS cell line in Korea, supported by the Korean government for research and clinical trials.

Li Y, Liu T, Van Halm-Lutterodt N, Chen J, Su Q, Hai Y: Reprogramming of blood cells into induced pluripotent stem cells as a new cell source for cartilage repair. Stem Cell Research & Therapy 2016, 7:1-11. Li Y, Liu T, Van Halm-Lutterodt N, Chen J, Su Q, Hai Y: Reprogramming of blood cells into induced pluripotent stem cells as a new cell source for cartilage repair. Stem Cell Research & Therapy 2016, 7: 1-11. Pham TL, Nguyen TT, Van Bui A, Nguyen MT, Van Pham P: Fetal heart extract facilitates the differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells into heart muscle precursor cells. Cytotechnology 2016, 68:645-658. Pham TL, Nguyen TT, Van Bui A, Nguyen MT, Van Pham P: Fetal heart extract facilitates the differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells into heart muscle precursor cells. Cytotechnology 2016, 68: 645-658. 3Stecklum M, Wulf-Goldenberg A, Purfurst B, Siegert A, Keil M, Eckert K, Fichtner I: Cell differentiation mediated by coculture of human umbilical cord blood stem cells with murine hepatic cells. In Vitro Cell Dev Biol Anim 2015, 51:183-191. 3Stecklum M, Wulf-Goldenberg A, Purfurst B, Siegert A, Keil M, Eckert K, Fichtner I: Cell differentiation mediated by coculture of human umbilical cord blood stem cells with murine hepatic cells. In Vitro Cell Dev Biol Anim 2015, 51: 183-191. Guzzo RM, Scanlon V, Sanjay A, Xu RH, Drissi H: Establishment of human cell type-specific iPS cells with enhanced chondrogenic potential. Stem Cell Rev 2014, 10:820-829. Guzzo RM, Scanlon V, Sanjay A, Xu RH, Drissi H: Establishment of human cell type-specific iPS cells with enhanced chondrogenic potential. Stem Cell Rev 2014, 10: 820-829. Nejadnik H, Diecke S, Lenkov OD, Chapelin F, Donig J, Tong X, Derugin N, Chan RC, Gaur A, Yang F, et al: Improved approach for chondrogenic differentiation of human induced pluripotent stem cells. Stem Cell Rev 2015, 11:242-253. Nejadnik H, Diecke S, Lenkov OD, Chapelin F, Donig J, Tong X, Derugin N, Chan RC, Gaur A, Yang F, et al: Improved approach for chondrogenic differentiation of human induced pluripotent stem cells. Stem Cell Rev 2015, 11: 242-253. Guzzo RM, Gibson J, Xu RH, Lee FY, Drissi H:Efficient differentiation of human iPSC-derived mesenchymal stem cells to chondroprogenitor cells. J Cell Biochem 2013, 114:480-490. Guzzo RM, Gibson J, Xu RH, Lee FY, Drissi H: Efficient differentiation of human iPSC-derived mesenchymal stem cells to chondroprogenitor cells. J Cell Biochem 2013, 114: 480-490.

이에 본 발명자들은 제대혈단핵구세포유래 hiPSC(cord blood mononuclear cell-derived hiPSC; CBMC-hiPSC)의 자기재생능력 및 다분화능을 확인하고, 이를 이용하여 연골의 재생에 사용될 수 있는 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have confirmed the self-renewal ability and multi-differentiation ability of cord blood mononuclear cell-derived hiPSC (CBMC-hiPSC) derived from cord blood mononuclear cells, and completed the present invention which can be used for regeneration of cartilage using the cord blood mononuclear cell-derived hiPSC.

따라서, 본 발명의 목적은 제대혈단핵구세포유래 인간전분화능세포(CBMC-hiPSC)로부터 배양체(embryoid body)를 이용한 연골세포 분화용 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing chondrocyte differentiation using an embryoid body from cord blood mononuclear cell-derived human pluripotent cells (CBMC-hiPSC).

본 발명의 다른 목적은 상기 연골세포 분화용 조성물의 제조방법으로부터 제조된 연골세포 분화용 조성물을 제공하는 것이다. Another object of the present invention to provide a composition for chondrocyte differentiation prepared from the method for producing a composition for chondrocyte differentiation.

본 발명의 다른 목적은 상기 연골세포 분화용 조성물로부터 분화된 연골세포를 제공하는 것이다. Another object of the present invention to provide a chondrocyte differentiated from the composition for chondrocyte differentiation.

본 발명의 다른 목적은 상기 연골세포 분화용 조성물을 이용한 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공하는 것이다. Another object of the present invention to provide a pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases using the composition for chondrocyte differentiation.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연골세포를 이용한 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases using the chondrocytes.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 연골세포 분화용 조성물 제조방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for preparing a composition for differentiating chondrocytes comprising the following steps:

ⅰ) 제대혈단핵구세포유래 인간전분화능세포(CBMC-hiPSC)로부터 배양체(embryoid body)를 형성 및 수득하는 단계;Iii) forming and obtaining an embryoid body from cord blood mononuclear cell-derived human pluripotent cells (CBMC-hiPSC);

ⅱ) 상기 단계 ⅰ)의 배양체로부터 성장세포(embryoid body-derived outgrowth cell)를 형성 및 수득하는 단계; 및Ii) forming and obtaining embryoid body-derived outgrowth cells from the culture of step iii); And

ⅲ) 상기 단계 ⅱ)의 성장세포를 배양하여 연골세포 펠렛(chondrogenic pellet)을 수득하는 단계.Iii) culturing the growth cells of step ii) to obtain chondrogenic pellets.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 ⅰ)의 제대혈단핵구세포유래 인간전분화능세포(CBMC-hiPSC)는 제대혈단핵구세포(cord blood mononuclear cell)를 리프로그래밍하여 얻을 수 있다.According to one preferred embodiment of the present invention, the cord blood mononuclear cell-derived human pluripotent cells (CBMC-hiPSC) of step iii) can be obtained by reprogramming cord blood mononuclear cells.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 리프로그래밍은 제대혈단핵구세포에 Yamanaka 펙터를 포함하는 센다이(sendai) 바이러스를 처리하여 전분화능세포로 유도하는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the reprogramming may be to induce into pluripotent cells by treating Sendai virus containing the Yamanaka factor in the cord blood mononuclear cells.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 단계 ⅱ)의 성장세포는 젤라틴 배지에 배양체를 도말하여 형성하는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the growth cells of step ii) may be formed by plating a culture in gelatin medium.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 젤라틴 배지의 1㎠당 50~70개의 배양체를 도말하는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, it may be to smear 50 to 70 cultures per 1 cm 2 of the gelatin medium.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 단계 ⅰ)의 제대혈단핵구유래 인간전분화능세포는 HLA 동형접합체(homozygote)인 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the umbilical cord monocyte-derived human pluripotent cells of step iii) may be HLA homozygotes.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 HLA 동형접합체의 유형은 한국인의 HLA 동형접합체의 유형인 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the type of HLA homozygote may be one of Korean HLA homozygote.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 한국인의 HLA 동형접합체의 유형은 HLA-A*33, HLA-B*44 및 HLA-DRB1*13로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the type of HLA homozygote of Korean may be any one selected from the group consisting of HLA-A * 33, HLA-B * 44 and HLA-DRB1 * 13.

또한 본 발명은 상기 연골세포 분화용 조성물의 제조방법으로부터 제조된 연골세포 분화용 조성물을 제공할 수 있다.In another aspect, the present invention can provide a composition for chondrocyte differentiation prepared from the method for producing a composition for chondrocyte differentiation.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연골세포 분화용 조성물은 ACAN, COL2A1, COMP 및 SOX9으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유전자 발현이 증가되는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the composition for chondrocyte differentiation may be one or more genes selected from the group consisting of ACAN, COL2A1, COMP and SOX9 is increased.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 연골세포 분화용 조성물은 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준이 COL2A1의 유전자 발현 수준 보다 낮은 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the chondrocyte differentiation composition may have a gene expression level of COL1A1 or COL10 lower than the gene expression level of COL2A1.

또한 본 발명은 상기 연골세포 분화용 조성물로부터 분화된 연골세포를 제공할 수 있다.In another aspect, the present invention can provide a chondrocyte differentiated from the composition for chondrocyte differentiation.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연골세포는 ACAN, COL2A1, COMP 및 SOX9으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유전자 발현이 증가되는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the chondrocytes may be one or more gene expression is increased selected from the group consisting of ACAN, COL2A1, COMP and SOX9.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 연골세포는 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준이 COL2A1의 유전자 발현 수준 보다 낮은 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the chondrocyte may have a gene expression level of COL1A1 or COL10 lower than the gene expression level of COL2A1.

또한 본 발명은 상기 연골세포 분화용 조성물 또는 연골세포를 포함하는 연골관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공할 수 있다. In another aspect, the present invention may provide a pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases including the chondrocyte differentiation composition or chondrocytes.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연골 관련 질환은 루마티스성 관절염, 골관절염, 골연화증, 연골손상 및 연골결손으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cartilage-related disease may be one or more selected from the group consisting of rheumatoid arthritis, osteoarthritis, osteomalacia, cartilage damage and cartilage defect.

따라서, 본 발명의 연골세포 분화용 조성물 제조방법을 통해 제조된 연골세포 분화용 조성물 또는 연골세포는 HLA 동형접합체로서, 연골이식에 적합한 유형의 연골세포 마커 유전자의 발현 수준이 높으므로 연골 관련 질환의 예방, 개선 또는 치료에 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the composition for chondrocyte differentiation or chondrocytes prepared by the method for preparing chondrocyte differentiation according to the present invention is an HLA homozygote, and the expression level of chondrocyte marker gene of a type suitable for cartilage transplantation is high. It can be usefully used for prevention, amelioration or treatment.

도 1은 3개의 CBMC-hiPSC의 라인 특성에 관한 결과로서, (a)은 생성된 CBMC-hiPSC 라인의 형태학적 결과이고 (b)은 CBMC-hiPSC이 알칼라인 포스파타제로 염색된 것을 보여주는 결과이며, (c)는 CBMC-hiPSC 라인에서 다능성 마커의 상대적인 발현결과이고, (d)는 생성된 CBMC-hiPSC 라인의 면역 형광 염색을 보여주는 이미지 결과이다.
도 2는 CBMC-hiPSCs를 이용한 연골 형성 펠렛 생성결과로, (a)은 연골 펠렛 생성의 도식이고,(b)는 CBMC-hiPSC의 형태학적 결과이며, (c)은 생성된 EB의 형태학적 결과이고, (d)는 젤라틴 코팅 배양 접시에 부착된 EB에서 유래된 성장 세포 의 이미지 결과이며, (e)는 연골 펠렛의 이미지를 보여주는 결과이다.
도 3은 CBMC-hiPSC로부터 생성 된 연골 형성 펠렛의 유전학적 특성으로, 10일, 20일 및 30일 동안 연골 형성 펠렛에서 COL2A1, ACAN, COMP 및 SOX9의 발현 수준을 보여주는 결과이다(*, +p<0.05, **, ++p<0.01, ***, +++ p<0.001).
도 4은 CBMC-hiPSC 유래 연골 형성 펠렛의 조직학적분석 결과로서, 10일, 20일 및 30일에 사프라닌 O(safranin O), 알시안 블루(alcian blue) 및 톨루이딘 블루(toluidine blue)로 염색 한 펠렛 이미지을 보여주는 결과이다.
도 5은 BMC-hiPSC 유래 연골 형성 펠렛의 면역조직학적분석 결과로서, (a)은 2형 콜라겐 및 아그리칸(aggrecan)에 대한 항체로 염색된 다양한 시점에서 수확한 펠렛의 이미지를 보여주는 결과이고, (b)은 1형 콜라겐에 대한 항체로 염색 된 펠렛 이미지를 보여주는 결과이다.
도 6은 CBMC-hiPSCs와 MSCs에서 유래 된 연골 형성 펠렛의 유전자 마커에 대한 추가 분석결과로서, (a)은 다양한 시점에서 섬유화 연골 대표 유전자인 COL1A1과 비대성 마커 인 COL10의 발현수준을 보여주는 결과이고, (b)는 10일, 20일 및 30일에 COL2A1 및 COL1A1의 비율을 보여주는 결과이고, (c)는 30 일째에 BMSC 및 CBMC-hiPSC 유래 연골성 펠렛에서 ACAN, COMP, COL2A1, SOX9, COL1A1 및 COL10의 상대적 발현을 보여주는 결과이다(*, +p<0.05, **, ++p<0.01, ***, +++p<0.001).
도 7은 본 발명의 CBMC 유래 iPSC로부터 분화된 연골 세포와, 종래 기술에 의한 말초혈 세포(peripheral blood cell, PBMC) 유래 iPSC로부터 분화된 연골 세포에서 연골 형성 관련 인자인 ACAN 및 CLO2A1의 발현 수준을 비교한 결과이다.
도 8은 우수의약품제조관리기준(good manufacturing practice;GMP) 등급 동종 접합 인간 배혈구 항원(HLA) 유도 다능성 줄기세포를 확인한 결과로서, (a)는 전체 GMP 등급 iPSC 생성 과정의 모식도(인간 백혈구항원 (HLA) 유형을 스크리닝하고 선택된 HLA 유형의 세포를 GMP시설로 옮긴 후, 시설내에서 세포를 iPSC로 재프로그램 한 후, 특성 분석을 위해 다양한 분석법을 통과 한 후 세포주를 확립함)이고, (b)는 생성된 동종 접합 IPSCs의 면역형광법의 염색 결과이고, (c)는 역전사 중합 효소 연쇄 반응을 통한 다능성 마커를 확인한 결과이고, (d)는 알칼라인 포스파타아제 염색 이미지 및 positive iPSC 콜로니의 콜론 개수 결과이며, (e)는 생성된 iPSC의 정상 핵형 결과이며, (f) 3배엽으로 분화된 iPSC의 면역형광법 염색결과이다.
1 is a result of the line characteristics of the three CBMC-hiPSC, (a) is a morphological result of the resulting CBMC-hiPSC line and (b) is a result showing that the CBMC-hiPSC stained with alkaline phosphatase, ( c) is the relative expression of pluripotency markers in the CBMC-hiPSC line, (d) is an image result showing the immunofluorescence staining of the generated CBMC-hiPSC line.
Figure 2 is the production of cartilage forming pellets using CBMC-hiPSCs, (a) is a schematic of cartilage pellet production, (b) is a morphological result of CBMC-hiPSC, (c) is a morphological result of the generated EB (D) is an image result of EB-derived growth cells attached to a gelatin coated culture dish, and (e) is an image showing an image of cartilage pellets.
FIG. 3 shows the genetic characteristics of cartilage forming pellets generated from CBMC-hiPSC, showing the expression levels of COL2A1, ACAN, COMP and SOX9 in cartilage forming pellets for 10, 20 and 30 days (*, + p <0.05, **, ++ p <0.01, ***, +++ p <0.001).
4 is a histological analysis of CBMC-hiPSC-derived cartilage forming pellets, with safranin O, alcian blue and toluidine blue at 10, 20 and 30 days. The result is a stained pellet image.
5 is an immunohistochemical analysis of BMC-hiPSC-derived cartilage forming pellets, (a) is a result showing the images of the pellets harvested at various time points stained with antibodies to type 2 collagen and aggrecan (aggrecan) , (b) is the result showing pellet images stained with antibodies to type 1 collagen.
6 is an additional analysis of the gene markers of cartilage forming pellets derived from CBMC-hiPSCs and MSCs, (a) is a result showing the expression level of COL1A1, a representative gene of fibrocartilage and COL10, a hypertrophic marker at various time points. (b) shows the ratios of COL2A1 and COL1A1 on days 10, 20 and 30, and (c) shows ACAN, COMP, COL2A1, SOX9, COL1A1 and BMCC and CBMC-hiPSC derived cartilage pellets on day 30. Results show relative expression of COL10 (*, + p <0.05, **, ++ p <0.01, ***, +++ p <0.001).
Figure 7 shows the expression levels of cartilage formation-related factors ACAN and CLO2A1 in chondrocytes differentiated from CBMC-derived iPSCs and chondrocytes differentiated from peripheral blood cells (PBMC) -derived iPSCs according to the present invention. The result is a comparison.
8 is a result of confirming good manufacturing practice (GMP) grade homozygous human hematopoietic antigen (HLA) -induced pluripotent stem cells. Screening antigen (HLA) types and transferring selected HLA type cells to a GMP facility, reprogramming the cells into iPSCs within the facility, then passing various assays for characterization and establishing cell lines), b) is the result of immunofluorescence staining of the resulting homozygous IPSCs, (c) is the result of confirming pluripotency markers by reverse transcriptase chain reaction, and (d) is the alkaline phosphatase staining image and positive iPSC colony Colon count results, (e) is the normal karyotype result of the generated iPSC, (f) immunofluorescence staining of iPSC differentiated into three germ layers.

방법Way

CBMC의CBMC 분리  Separation

CBMCs는 서울 성모 병원의 제대혈 은행에서 획득했다. 제대혈을 인산완충 식염수 (PBS)로 희석하고 피콜농도구배(Ficoll gradient)를 통해 850 xg에서 30 분간 원심 분리 하였다. CBMC를 수집, 세척 및 동결시켰다. 사용하기 전에 냉동 CBMC를 해동시키고 CC110 사이토카인 칵테일(STEMCELL)이 보충 된 StemSpan 배지(STEMCELL Technological, Vancouver, British Columbia, Canada)에 재현 탁했다. 재프로그램하기 전에 세포를 5 % CO2, 37℃에서 5일 동안 유지시켰다.CBMCs were obtained from cord blood banks at St. Mary's Hospital in Seoul. Umbilical cord blood was diluted with phosphate buffered saline (PBS) and centrifuged at 850 xg for 30 minutes through a Ficoll gradient. CBMCs were collected, washed and frozen. Prior to use, frozen CBMCs were thawed and resuspended in StemSpan medium (STEMCELL Technological, Vancouver, British Columbia, Canada) supplemented with CC110 cytokine cocktail (STEMCELL). Cells were maintained at 5% CO 2 , 37 ° C. for 5 days before reprogramming.

혈액샘플 및 윤리규정Blood Sample and Code of Ethics

서울 성모 병원 가톨릭 대학교의 기관 검토위원회(The institutional Review Board(IRB) of the Catholic University of Korea)는 본 연구를 승인했다. The institutional Review Board (IRB) of the Catholic University of Korea at the St. Mary's Hospital in Seoul approved the study.

센다이바이러스(sendai virus)를Sendai virus 이용한  Used 리프로그램Reprogram (reprogramming) (reprogramming)

리프로그래밍(reprogramming)이란 포유류의 발달과정동안에 후성유전학적 표시(epigenetic marks)가 변화되는 과정을 의미한다. 일반적으로 유도만능줄기세포 리프로그래밍은 체세포에 리프로그래밍에 필요한 인자를 인위적으로 과발현시켜 만능줄기세포를 유도해내는 기술을 의미한다. 상기 유전자를 과발현시키는 방법으로는 바이러스, 플라스미드 벡터, mRNA, 단백질 등이 있다. Reprogramming is the process by which epigenetic marks change during the development of a mammal. In general, induced pluripotent stem cell reprogramming refers to a technique for inducing pluripotent stem cells by artificially overexpressing factors necessary for reprogramming to somatic cells. Methods for overexpressing the gene include viruses, plasmid vectors, mRNA, proteins and the like.

CBMC를 3x105 농도로 24-웰 플레이트(well plate)에 도말(seeding)하였다. CytoTune-iPS 센다이 리프로그램 키트를 사용하여 리프로그래밍을 유도했다. 감염은 3x105 세포 감염 단위당 7.5의 다중성 감염으로 수행되었다. 바이러스 성분을 첨가 한 후 세포를 1,160 xg에서 35 ℃의 조건으로 30 분간 원심 분리 한 후 5 % CO2, 37 ℃에서 배양 하였다. 다음날 세포를 비트로넥틴(vitronectin; Life Technologies)으로 코팅된 12-웰 플레이트로 옮기고 1,160 xg, 35 ℃에서 10 분 동안 원심 분리하여 침전시켰다. 원심 분리 후 TeSR-E8 배지(STEMCELL)를 1:1의 비율로 첨가 하였다. 리프로그램 된 세포는 일일 배지 교환으로 TeSR-E8 배지에서 유지 및 확장되었다.CBMCs were seeded in 24-well plates at 3 × 10 5 concentrations. Reprogramming was induced using the CytoTune-iPS Sendai Reprogram Kit. Infection was performed with multiplex infections of 7.5 per 3 × 10 5 cell infection unit. After the addition of the viral components, the cells were centrifuged for 30 minutes at 1,160 xg at 35 ° C. and then incubated at 5% CO 2 , 37 ° C. The next day the cells were transferred to 12-well plates coated with vitronectin (Life Technologies) and precipitated by centrifugation at 1,160 × g, 35 ° C. for 10 minutes. After centrifugation, TeSR-E8 medium (STEMCELL) was added at a ratio of 1: 1. Reprogrammed cells were maintained and expanded in TeSR-E8 medium by daily medium exchange.

알칼라인포스파타제Alkaline phosphatase (alkaline  (alkaline phosphatasephosphatase )의 염색Dyeing

염색하기에 충분히 큰 콜로니를 얻기 위해 2x103 농도로 비트로넥틴이 코팅된 6웰 플레이트(well plate)에 접종하고 5일 내지 7일 동안 팽창시켰다. 미분화 iPSC 콜로니의 염색은 알칼라인 포스파타아제 검출 키트(alkaline phosphatase detection kit ; Millipore, Billerica, MA, USA)를 사용하여 수행하였다. 세포를 0.05% Tween-20를 포함하는 PBS로 세척하고 4% 파라포름알데하이드(paraformaldehyde)로 2분간 고정하였다. Fast Red Violet, 나프톨 AS-BI 인산염 용액 (Naphthol AS-BI phosphate solution) 및 물을 2: 1: 1 비율로 혼합하여 염색 시약을 제조하였다. 세포를 PBST로 2 회 세척 하였다. 염색 용액 혼합물을 실온 (RT)에서 15 분 동안 처리 하였다. 인큐베이션 후, 세포를 PBST로 세척하고 PBS로 덮어 건조를 방지 하였다. 염색된 콜로니를 현미경으로 측정하였다.To obtain colonies large enough for staining, 6-well plates coated with Vitronectin at 2 × 10 3 concentrations were inoculated and expanded for 5-7 days. Staining of undifferentiated iPSC colonies was performed using an alkaline phosphatase detection kit (Millipore, Billerica, Mass., USA). Cells were washed with PBS containing 0.05% Tween-20 and fixed with 4% paraformaldehyde for 2 minutes. A dyeing reagent was prepared by mixing Fast Red Violet, Naphthol AS-BI phosphate solution and water in a 2: 1: 1 ratio. The cells were washed twice with PBST. The dyeing solution mixture was treated for 15 minutes at room temperature (RT). After incubation, cells were washed with PBST and covered with PBS to prevent drying. Stained colonies were measured under a microscope.

면역세포화학 염색Immunocytochemical Staining

염색하기에 충분히 큰 iPSC 콜로니를 얻기 위해 2x103 농도로 비트로넥틴이 코팅된 6 웰 플레이트에 접종하였다. 매일 iPSC 콜로니를 유도하기 위해 배지를 5~7 일 동안 세포를 확장시켰다. 확장 후, iPSCs는 PBS로 세척하고 4% 파라포름알데하이드(paraformaldehyde)로 고정시켰다. 세포를 0.1 % triton X-100(BIOSESANG)을 사용하여 10 분간 투과시켰다. 침윤 후, 2 % 소혈청 알부민(BSA; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 함유하는 PBS(PBA)로 실온에서 30분 동안 세포를 차단하였다. 일차 항체를 하기의 희석 비율로 PBA에 희석 하였다; OCT4(1/100; Santa Cruz, CA, USA), KLF4(1/250; Abcam, Cambridge, UK), SOX2(1/100; BioLegend, San Diego, CA, USA), TRA-1-60(1/100; Millipore), TRA-1-81(1/100; Millipore) 및 SSEA4(1/200; Millipore). 일차 항체를 실온에서 2 시간 동안 배양 하였다. Alexa Fluor 594-(1/400; Life Technologies) 및 488- 접합 2차 항체 (1/400; Life Technologies)를 PBA로 희석하고 빛을 피하면서 실온에서 1시간 동안 배양 하였다. 세포를 세척하고 ProLong Antifade 장착 시약(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하여 장착 하였다. 면역 형광 현미경으로 염색된 콜로니를 검출 하였다.Six well plates coated with Vitronectin at 2 × 10 3 concentrations were inoculated to obtain iPSC colonies large enough for staining. Medium was expanded for 5-7 days to induce iPSC colonies daily. After expansion, iPSCs were washed with PBS and fixed with 4% paraformaldehyde. Cells were permeated for 10 minutes using 0.1% triton X-100 (BIOSESANG). After infiltration, cells were blocked for 30 minutes at room temperature with PBS (PBA) containing 2% bovine serum albumin (BSA; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA). Primary antibodies were diluted in PBA at the following dilution ratios; OCT4 (1/100; Santa Cruz, CA, USA), KLF4 (1/250; Abcam, Cambridge, UK), SOX2 (1/100; BioLegend, San Diego, CA, USA), TRA-1-60 (1 / 100; Millipore), TRA-1-81 (1/100; Millipore) and SSEA4 (1/200; Millipore). Primary antibodies were incubated for 2 hours at room temperature. Alexa Fluor 594- (1/400; Life Technologies) and 488-conjugated secondary antibody (1/400; Life Technologies) were diluted with PBA and incubated for 1 hour at room temperature, avoiding light. Cells were washed and mounted using ProLong Antifade mounting reagents (Thermo Fisher Scientific, Waltham, Mass., USA). Stained colonies were detected by immunofluorescence microscopy.

CBMCCBMC -- iPSCiPSC 시료를 이용한  Using a sample 폴리메라이제Polymerase (polymerase) 연쇄 반응 (polymerase) chain reaction

5x105 iPSCs를 수확하고 -20 ℃에서 동결시켰다. Total mRNA는 Trizol (Life Technologies)을 사용하여 추출하였고 Revert Aid TM First Strand cDNA Synthesis Kit(Thermo Fisher Scientific)를 사용하여 cDNA를 합성 하였다. 합성된 cDNA를 이용하여 역전사 효소 중합 반응을 수행 하였다. 프라이머 서열은 하기 [표 1]과 같다. 5 × 10 5 iPSCs were harvested and frozen at −20 ° C. Total mRNA was extracted using Trizol (Life Technologies) and cDNA was synthesized using Revert Aid ™ First Strand cDNA Synthesis Kit (Thermo Fisher Scientific). Reverse transcriptase polymerization was performed using the synthesized cDNA. Primer sequences are shown in Table 1 below.

실시간 RT-PCR에 사용 된 전위 표지자에 대한 프라이머 서열Primer Sequences for Potential Markers Used in Real-Time RT-PCR Target NameTarget Name DirectionDirection Primer SequencePrimer sequence SizeSize OCT3/4OCT3 / 4 ForwardForward ACCCCTGGTGCCGTGAA ACCCCTGGTGCCGTGAA 190190 ReverseReverse GGCTGAATACCTTCCCAAATA GGCTGAATACCTTCCCAAATA SOX2SOX2 ForwardForward CAGCGCATGGACAGTTAC CAGCGCATGGACAGTTAC 321321 ReverseReverse GGAGTGGGAGGAAGAGGT GGAGTGGGAGGAAGAGGT NANOGNANOG ForwardForward AAAGGCAAACAACCCACT AAAGGCAAACAACCCACT 270270 ReverseReverse GCTATTCTTCGGCCAGTT GCTATTCTTCGGCCAGTT LIN28LIN28 ForwardForward GTTCGGCTTCCTGTCCAT GTTCGGCTTCCTGTCCAT 122122 ReverseReverse CTGCCTCACCCTCCTTCA CTGCCTCACCCTCCTTCA DPPB5DPPB5 ForwardForward CGGCTGCTGAAAGCCATTTT CGGCTGCTGAAAGCCATTTT 215215 ReverseReverse AGTTTGAGCATCCCTCGCTC AGTTTGAGCATCCCTCGCTC TDGF1TDGF1 ForwardForward TCCTTCTACGGACGGAACTG TCCTTCTACGGACGGAACTG 140140 ReverseReverse AGAAATGCCTGAGGAAAGCA AGAAATGCCTGAGGAAAGCA GAPDHGAPDH ForwardForward GAATGGGCAGCCGTTAGGAA GAATGGGCAGCCGTTAGGAA 414414 ReverseReverse GACTCCACGACGTACTCAGC GACTCCACGACGTACTCAGC

핵형분석(Karyotyping KaryotypingKaryotyping ))

세포를 80%정도가 될 때까지 배양하였다. 염색체 해상도 첨가제 (Genial Genetic Solutions, Runcorn, UK)를 각 웰에 첨가 하였다. 배양 후 colcemid®를 30분 동안 처리 하였다. 세포를 수확하고 미리 예열된 저장액으로 용액으로 처리 하였다. 아세트산과 메탄올 용액을 1:3의 비율로 혼합한 혼합물로 고정하였다. 슬라이드는 트립신김사 분염법(trypsin-Giemsa banding technique)을 사용한 염색체 분석을 위해 준비되었다. Cells were incubated until it reached about 80%. Chromosomal resolution additives (Genial Genetic Solutions, Runcorn, UK) were added to each well. After incubation, colcemid® was treated for 30 minutes. Cells were harvested and treated with the solution in preheated stock solution. The mixture was fixed with a mixture of acetic acid and methanol solution in a ratio of 1: 3. Slides were prepared for chromosome analysis using trypsin-Giemsa banding technique.

iPSC의iPSC 기능별 식별(Functional identification of  Functional identification of iPSCsiPSCs ))

인간의 다능성 줄기 세포 기능 확인 키트(R&D, Minneapolis, MN, USA)를 구입하여 3개 배엽의 분화능을 평가 하였다. 실험 하루 전에 Cultrex PathClear BME(R & D)를 제조사의 지침에 따라 배양 접시에 코팅했다. 각 배아 층에 특이적인 배지를 준비하고 세포를 개별 배양 하였다. 분화 후, 세포를 PBS로 세척하고 4% 파라포름알데히드로 고정시켰다. 0.3 % Triton X-100 및 1 % PBA로 45분 동안 투과성 및 차단하였다. Otx2(1/10, 외배엽), Brachyury(1/10 중배엽) 및 Sox17(1/10, 내배엽)에 대한 항체를 희석시켰다. PBA에 현탁시키고 3 시간 동안 실온에서 배양 하였다. Human pluripotent stem cell function confirmation kit (R & D, Minneapolis, MN, USA) was purchased to evaluate the differentiation capacity of the three germ layers. One day before the experiment, Cultrex PathClear BME (R & D) was coated on the petri dish according to the manufacturer's instructions. A medium specific for each embryo layer was prepared and cells were cultured separately. After differentiation, cells were washed with PBS and fixed with 4% paraformaldehyde. Permeable and blocked for 45 minutes with 0.3% Triton X-100 and 1% PBA. Antibodies to Otx2 (1/10, ectoderm), Brachyury (1/10 mesoderm) and Sox17 (1/10, endoderm) were diluted. Suspended in PBA and incubated for 3 hours at room temperature.

일차 항체를 세척 한 후, 알렉사 플루오르 568 당나귀 항-염소 2차 항체 (1: 200; R & D)를 PBA로 희석하고 1 시간 동안 배양 하였다. 세포를 PBA로 세척하고, DAPI 용액을 실온에서 10 분 동안 처리 하였다. 세포를 세척하고 PBS로 덮었다. 염색 결과를 형광 현미경을 사용하여 확인하였다. After washing the primary antibody, Alexa Fluor 568 Donkey anti-goat secondary antibody (1: 200; R & D) was diluted with PBA and incubated for 1 hour. The cells were washed with PBA and the DAPI solution was treated for 10 minutes at room temperature. The cells were washed and covered with PBS. Staining results were confirmed using a fluorescence microscope.

EBEB 유래 성장  Derived growth 세포 유도Cell induction (( EBEB -derived outgrowth cell induction)-derived outgrowth cell induction)

CBMC-hiPSC를 확장시키고 2 x 106 세포를 제조 하였다. 세포를 Aggrewell 배지(STEMCELL)에 재현 탁하고 100-mm 배양 접시에 도말 하였다. 세포를 5% CO2, 37℃에서 하루동안 배양 하였다. 다음날, 배지를 TeSR-E8 배지로 바꾸고 세포를 6일 동안 팽창시켜 유지시켰다. 팽창 과정 후 EB를 수확하고 20% 태아 소 알부민 (FBS)을 함유하는 DMEM에 재현 탁하고 젤라틴 코팅 접시에 놓아서 성장 세포 를 유도 하였다. 연골 분화 전에 일주일 동안 세포를 37 ℃에서 5% CO2로 유지시켰다.CBMC-hiPSC was expanded and 2 × 10 6 cells were prepared. Cells were resuspended in Aggrewell medium (STEMCELL) and plated in 100-mm petri dishes. Cells were incubated at 5% CO 2 , 37 ° C. for one day. The next day, the medium was changed to TeSR-E8 medium and the cells were kept inflated for 6 days. After the expansion process, EBs were harvested and resuspended in DMEM containing 20% fetal bovine albumin (FBS) and placed on gelatin coated dishes to induce growth cells. Cells were maintained at 37 ° C. with 5% CO 2 for one week before cartilage differentiation.

EBEB 유래 성장 세포를 이용한 연골 분화 ( Cartilage Differentiation Using Derived Growth Cells ChondrogenicChondrogenic differentiation using  differentiation using EBEB -derived outgrowth cells)-derived outgrowth cells)

EB로부터 유래 된 성장 세포 를 세척하고 배양접시로부터 분리 하였다. 40㎛ 셀 스트레이너 (Thermo Fisher Scientific)를 통과시켜 세포 덩어리를 제거 하였다. 단일 성장 세포를 계수하고 펠렛 당 3 x 105세포를 제조 하였다. 3 x 105개의 성장 세포를 연골 분화 배지 (DMEM, 20% knockout serum replacement, 1x non-essential amino acids, 1mM L-glutamine, 1% sodium pyruvate, 1% ITS+ Premix, 10-7M dexamethasone, 50 ㎛ ascorbic acid, 40 ㎍/mL L-proline, supplemented with 50ng/mL human bone morphogenetic protein 2 and 10ng/mL human transforming growth factor beta 3)에서 배양 되었고, 코니칼 튜브(conical tube)에 옮겨 졌다. 세포를 750 xg에서 5 분간 원심 분리 하였다. 생성된 펠렛을 30일간 유지하고 매일 배양액을 교체하였다. BMSC는 양성 대조군으로 사용되었다.Growth cells derived from EB were washed and isolated from the culture dish. The cell mass was removed by passing through a 40 μm cell strainer (Thermo Fisher Scientific). Single growing cells were counted and 3 x 10 5 cells were prepared per pellet. 3 x 10 5 growth cells were cultured in cartilage differentiation medium (DMEM, 20% knockout serum replacement, 1x non-essential amino acids, 1 mM L-glutamine, 1% sodium pyruvate, 1% ITS + Premix, 10 -7 M dexamethasone, 50 μm Ascorbic acid, 40 ㎍ / mL L-proline, supplemented with 50ng / mL human bone morphogenetic protein 2 and 10ng / mL human transforming growth factor beta 3), was incubated in conical tubes. Cells were centrifuged at 750 xg for 5 minutes. The resulting pellets were kept for 30 days and the cultures were changed daily. BMSC was used as a positive control.

연골형성 Cartilage formation 펠렛의Pellet 조직학적 분석 Histological analysis

펠렛을 4% 파라포름알데히드를 이용하여 실온에서 2시간 동안 고정시켰다. 한 층의 거즈를 카세트에 놓고 펠렛을 거즈에 옮겼다. 탈수는 에탄올 용액으로 순차적으로 수행되었다. 탈수 용액은 등급이 매겨진 에탄올과 자일렌(zylene, 덕산 순수 화학, 안산, 한국) 혼합물로 제거하고 파라핀은 하룻밤 동안 침투시켰다. 다음날 펠렛을 파라핀 블록에 고정시키고 마이크로톰을 이용하여 7㎛ 절편을 얻었다. 슬라이드를 60 ℃에서 2시간 동안 건조하였다. 절편을 2 사이클의 자일렌(zylene)으로 탈파라핀화 하였다. 절편은 감소하는 순차적인 에탄올 시리얼로 재수화하였고, 수돗물로 5분 동안 세척하였다. The pellet was fixed for 2 hours at room temperature using 4% paraformaldehyde. One layer of gauze was placed in a cassette and the pellet transferred to gauze. Dehydration was performed sequentially with ethanol solution. The dehydration solution was removed with a graded mixture of ethanol and xylene (Ducksan Pure Chemical, Ansan, Korea) and paraffin infiltrated overnight. The next day the pellets were fixed in paraffin blocks and 7 μm sections were obtained using a microtome. The slides were dried at 60 ° C. for 2 hours. Sections were deparaffinized with 2 cycles of xylene. Sections were rehydrated with decreasing sequential ethanol cereal and washed with tap water for 5 minutes.

알시안 블루(alcian blue) 염색을 위해 절편을 1% 알시안 블루 용액에서 30분간 배양하였다. 그 후에, 슬라이드를 세척하고, 1분 동안 뉴클리어패스레드(nuclear fast red)로 대조 염색하였다. 사프라닌 O(Safranin O) 염색은 바이게르트철헤마톡실린(weigert's iron hematoxylin)에서 슬라이드를 10분 동안 배양함으로써 수행되었다. 슬라이드를 세척하고 0.1% 사프라닌(Safranin O) 용액에서 5분 동안 배양 하였다.Sections were incubated in 1% alcian blue solution for 30 minutes for alcian blue staining. The slides were then washed and counterstained with nucleus fast red for 1 minute. Safranin O staining was performed by incubating slides for 10 minutes in Weigert's iron hematoxylin. The slides were washed and incubated for 5 minutes in 0.1% safranin O solution.

톨루이딘 염색을 위해서는 절편을 톨루이딘 블루 용액에서 4분 동안 배양하였다. 염색 공정 후, 절편을 세척하고 증가하는 순차적 에탄올 시리즈에 통과시켰다. 에탄올을 2 사이클의 자일렌으로 제거하고 슬라이드를 VectaMountTM PermanentMountingMedium(VectorLaboratories)을 사용하여 고정시켰다. 현미경으로 염색을 확인 하였다.Sections were incubated for 4 minutes in toluidine blue solution for toluidine staining. After the staining process, sections were washed and passed through an increasing series of ethanol. Remove ethanol with 2 cycles of xylene and slide the VectaMount TM Fixed using PermanentMountingMedium (VectorLaboratories). Staining was confirmed under a microscope.

면역조직화학Immunohistochemistry

절편을 60 ℃에서 2시간 동안 건조시키고, 2 사이클의 자일렌으로 탈파라핀화 시켰다. 절편은 감소하는 순차적인 에탄올 시리얼로 재수화하였고, 수돗물로 5분 동안 세척하였다. 항원 비마스킹(unmasking)은 구연산염 완충액에서 15분 동안 배양하고 20분 동안 냉각시킴으로써 유도 되었다. 냉각 된 절편을 탈 이온수(DW)로 2회 세척 하였다. 내인성 퍼옥시다아제의 활성은 DW로 10분 동안 희석 된 3 % 과산화수소에서 섹션을 배양함으로써 차단되었다. 절편을 DW로 두 번 세척 한 후, 0.1% 트윈-20(TBST)을 함유하는 트리스 완충 식염수(TBS)을 사용하여 추가로 세척 하였다. 절편을 1% BSA를 함유하는 TBS로 실온에서 20분 동안 차단시켰다. 차단 용액으로 희석 한 1 차 항체를 절편에 첨가하고 4℃에서 밤새 배양 하였다. 일차 항체는 다음의 비율로 희석 하였다; 1형 콜라겐(1/100, Abcam), 2형 콜라겐(1/100, Abcam) 및 아그리칸(1/100, GeneTex, Irvine, CA, USA). 음성 대조군 슬라이드는 항체가 없는 동일한 양의 차단 용액으로 처리 하였다. 다음날, 절편을 TBST에서 각각 3분 동안 3회 세척하고, 2차 항체(1/200)를 실온에서 40분 동안 배양하였다. 절편을 TBST 및 ABC 시약으로 세척하고 30분 동안 배양 하였다. 슬라이드를 TBST로 3회 세척하고, DAB 용액 (Vector Laboratories)을 1분 동안 적용 하였다. 절편은 색이 씻겨 질 때까지 DW로 씻어 냈다. Mayer의 헤마톡실린(Mayer's hematoxylin)을 카운터 염색을 위해 1 분 동안 절편에 적용 하였다. 절편을 세척하고 증가하는 순차적 에탄올 시리즈를 통과시켰다. 에탄올을 2 사이클의 자일렌으로 제거하고 VectaMountTM Permanent Mounting Medium (Vector Laboratories)을 사용하여 슬라이드를 장착 하였다. 밝은 시야 현미경으로 염색을 확인 하였다.Sections were dried at 60 ° C. for 2 hours and deparaffinized with 2 cycles of xylene. Sections were rehydrated with decreasing sequential ethanol cereal and washed with tap water for 5 minutes. Antigen unmasking was induced by incubation in citrate buffer for 15 minutes and cooling for 20 minutes. The cooled sections were washed twice with deionized water (DW). The activity of endogenous peroxidase was blocked by incubating sections in 3% hydrogen peroxide diluted for 10 minutes with DW. Sections were washed twice with DW and then further washed with Tris buffered saline (TBS) containing 0.1% Tween-20 (TBST). Sections were blocked for 20 minutes at room temperature with TBS containing 1% BSA. Primary antibodies diluted with blocking solution were added to the sections and incubated overnight at 4 ° C. Primary antibodies were diluted in the following ratios; Collagen type 1 (1/100, Abcam), type 2 collagen (1/100, Abcam) and agrican (1/100, GeneTex, Irvine, CA, USA). Negative control slides were treated with the same amount of blocking solution without antibody. The next day, sections were washed three times for 3 minutes each in TBST and the secondary antibody (1/200) was incubated for 40 minutes at room temperature. Sections were washed with TBST and ABC reagents and incubated for 30 minutes. Slides were washed three times with TBST and DAB solution (Vector Laboratories) was applied for 1 minute. Sections were washed with DW until the color was washed. Mayer's hematoxylin was applied to the sections for 1 minute for counter staining. Sections were washed and passed through an increasing series of ethanol. Ethanol was removed with 2 cycles of xylene and slides were mounted using VectaMount Permanent Mounting Medium (Vector Laboratories). Staining was confirmed by bright field microscope.

연골형성펠렛의Of cartilage forming pellets 폴리메라이제Polymerase (Polymerase) 반응(Polymerase) reaction

10 개의 연골 형성 펠렛을 각 시점에서 수확하고 -80 ℃에서 동결시켰다. 샘플을 액체 질소로 급속 동결시키고 막자로 분쇄하였다. 그라운드 펠렛 샘플을 mRNA 추출을 위해 트리졸(Trizol)과 함께 배양 하였다. 추출 된 mRNA로부터 cDNA를 합성하고, 연쇄 세포 특이적 마커에 대한 프라이머로 중합 효소 연쇄 반응을 수행 하였다. RT-PCR의 프라이머 서열은 표 2에 제시되어있다. 실시간 PCR의 프라이머 서열은 하기 [표 3]과 같다. 3배 실험(triplicate experiments)으로부터 얻은 평균 사이클의 임계값은 내부대조로써 GAPDH을 평균화하기 위한 유전자 발현을 계산하기 위하여 사용되었다. Ten cartilage forming pellets were harvested at each time point and frozen at -80 ° C. Samples were snap frozen with liquid nitrogen and ground with a pestle. Ground pellet samples were incubated with Trizol for mRNA extraction. CDNA was synthesized from the extracted mRNA, and polymerase chain reaction was performed with primers for chain cell specific markers. Primer sequences of RT-PCR are shown in Table 2. Primer sequences of real-time PCR are shown in Table 3 below. The threshold of average cycles obtained from triplicate experiments was used to calculate gene expression for averaging GAPDH as an internal control.

RT-PCR에서 연골성 마커에 대한 프라이머의 서열Sequence of primers for cartilage markers in RT-PCR Target NameTarget Name DirectionDirection Primer SequencePrimer sequence SizeSize SOX9SOX9 ForwardForward GAACGCACATCAAGACGGAGGAACGCACATCAAGACGGAG 631631 ReverseReverse TCTCGTTGATTTCGCTGCTCTCTCGTTGATTTCGCTGCTC ACANACAN ForwardForward TGAGGAGGGCTGGAACAAGTACCTGAGGAGGGCTGGAACAAGTACC 349349 ReverseReverse GAGGTGGTAATTGCAGGGAACAGAGGTGGTAATTGCAGGGAACA COL2A1COL2A1 ForwardForward TTCAGCTATGGAGATGACAATCTTCAGCTATGGAGATGACAATC 472472 ReverseReverse AGAGTCCTAGAGTGACTGAGAGAGTCCTAGAGTGACTGAG COMPCOMP ForwardForward CAACTGTCCCCAGAAGAGCAACAACTGTCCCCAGAAGAGCAA 588588 ReverseReverse TGGTAGCCAAAGATGAAGCCCTGGTAGCCAAAGATGAAGCCC COL1A1COL1A1 ForwardForward CCCCTGGAAAGAATGGAGATGCCCCTGGAAAGAATGGAGATG 148148 ReverseReverse TCCAAACCACTGAAACCTCTGTCCAAACCACTGAAACCTCTG COL10COL10 ForwardForward CAGTCATGCCTGAGGGTTTTCAGTCATGCCTGAGGGTTTT 196196 ReverseReverse GGGTCATAATGCTGTTGCCTGGGTCATAATGCTGTTGCCT GAPDHGAPDH ForwardForward GAATGGGCAGCCGTTAGGAAGAATGGGCAGCCGTTAGGAA 414414 ReverseReverse GACTCCACGACGTACTCAGCGACTCCACGACGTACTCAGC

RT-PCR에서 연골 성 마커에 대한 프라이머의 서열Sequence of primers for cartilage markers in RT-PCR Target NameTarget Name DirectionDirection Primer SequencePrimer sequence SizeSize SOX9SOX9 ForwardForward TTCCGCGACGTGGACATTTCCGCGACGTGGACAT 7777 ReverseReverse TCAAACTCGTTGACATCGAAGGTTCAAACTCGTTGACATCGAAGGT ACANACAN ForwardForward AGCCTGCGCTCCAATGACTAGCCTGCGCTCCAATGACT 107107 ReverseReverse TAATGGAACACGATGCCTTTCATAATGGAACACGATGCCTTTCA COL2A1COL2A1 ForwardForward GGCAATAGCAGGTTCACGTACAGGCAATAGCAGGTTCACGTACA 7979 ReverseReverse CGATAACAGTCTTGCCCCACTTACGATAACAGTCTTGCCCCACTTA COMPCOMP ForwardForward AGCAGATGGAGCAAACGTATTGAGCAGATGGAGCAAACGTATTG 7676 ReverseReverse ACAGCCTTGAGTTGGATGCCACAGCCTTGAGTTGGATGCC COL1A1COL1A1 ForwardForward CCCCTGGAAAGAATGGAGATGCCCCTGGAAAGAATGGAGATG 148148 ReverseReverse TCCAAACCACTGAAACCTCTGTCCAAACCACTGAAACCTCTG COL10COL10 ForwardForward CAGTCATGCCTGAGGGTTTTCAGTCATGCCTGAGGGTTTT 196196 ReverseReverse GGGTCATAATGCTGTTGCCTGGGTCATAATGCTGTTGCCT

결과result

분리된 Separated CBMC를CBMC 이용한  Used hiPSC의hiPSC 생성 produce

CBMC의 재프로그래밍은 Yamanaka 팩터를 포함하고 있는 센다이 바이러스를 이용하여 촉진되었다. Yamanaka 팩터는 다분화능을 유도할 수 있는 유전자이다. 형질도입 후 시간이 지나고, CBMC-hiPSC는 배아줄기세포와 유사한 콜로니를 형성했다(도 1a). CBMC-hiPSC는 동일한 세포 형태를 가진 세포 라인으로 정제되었다. 동일한 CBMC-hiPSC는 추가적인 특징분석을 위해 사용되었다. 확정된 CBMC-hiPSC는 알칼리 인산염으로 염색되었다(도 1b). OCT4, SOX2, NANOG, LIN28, KLF4 및 c-MYC를 포함한 다분화능 마커들의 발현도 측정하었다(도 1c). 모체 CBMC는 음성대조군으로 사용되었다. OCT4, SOX2, NANOG, LIN28의 발현은 CBMC-hiPSC에서 증가하였다. 그러나 KLF4와 c-MYC의 발현은 CBMC와 비교하여 CBMC-hiPSC에서 적었다. 전형적인 세포 표면 마커(SSEA4, OCT4, SOX2, KLF4, TRA-1-80 및 TRA-1-60)들은 면역화학적 분석으로 확인하였다(도 1d). 분화된 모든 세포 라인들은 다분화능의 표준이 되는 마커들을 발현하였다. CBMC-hiPSC가 재프로그래밍 과정을 거친 후에도 정상핵형를 유지하고 다양한 배엽세포로도 분화하는 것을 확인하였다. 이런 데이터들은 CBMC-hiPSC가 성공적으로 생성되었으며 다분화능을 갖고 있음을 의미한다. Reprogramming of CBMCs was facilitated using Sendai virus containing the Yamanaka factor. Yamanaka factor is a gene capable of inducing pluripotency. After transduction, CBMC-hiPSCs formed colonies similar to embryonic stem cells (FIG. 1A). CBMC-hiPSC was purified into cell lines with the same cell morphology. The same CBMC-hiPSC was used for further characterization. Confirmed CBMC-hiPSC was stained with alkali phosphate (FIG. 1B). Expression of multipotent markers including OCT4, SOX2, NANOG, LIN28, KLF4 and c-MYC was also measured (FIG. 1C). The parent CBMC was used as a negative control. Expression of OCT4, SOX2, NANOG, LIN28 was increased in CBMC-hiPSC. However, expression of KLF4 and c-MYC was less in CBMC-hiPSC than in CBMC. Typical cell surface markers (SSEA4, OCT4, SOX2, KLF4, TRA-1-80 and TRA-1-60) were confirmed by immunochemical analysis (FIG. 1D). All differentiated cell lines expressed markers that became the standard of pluripotency. After reprogramming, CBMC-hiPSC maintains normal karyotype and differentiates into various germ cells. These data indicate that CBMC-hiPSC has been successfully generated and has multiple versatility.

CBMCCBMC -- iPSCs의iPSCs 연골 세포로의 분화 Differentiation into chondrocytes

CBMC-iPSC의 연골 재생 능력을 확인하기 위해 EB 배양 및 성장 세포 유도를 통해 연골 분화를 수행하였다. 연골 분화 펠렛 생성 과정의 간단한 계획은 도 2a와 같다. 연골 부화를 위해 CBMC-iPSCs 콜로니를 준비했다(도 2b). CBMC-iPSCs는 확장되고 EB로 집합되었다(도 2c). EB는 며칠동안 확장되었고, 젤라틴 코이 배양 접시로 옮겨서 성장 세포로 유도되었다(2d). 성장 세포는 확장되고 연골세포 분화를 위해 단일 세포로 구분되었다. 2X106 iPSc를 이용하여, 수많은 연골 형성 펠렛을 얻었다. 분화 30일 후, 연골 형성 펠렛은 EB 성장 세포 를 사용하여 형성 되었다. 생성된 연골 형성 페렛은 3차원 회전 타원체 형태를 나타냈다. 상기의 내용을 통해, CBMC-hiPSCs가 연골 세포로 분화할 수 있으며, ECM 축적에 의해 회전 타원체 모양의 연골 모양을 형성 할 수 있음을 확인했다. To confirm the cartilage regeneration ability of CBMC-iPSC, cartilage differentiation was performed through EB culture and growth cell induction. A simple scheme of cartilage differentiation pellet generation process is shown in Figure 2a. CBMC-iPSCs colonies were prepared for cartilage hatching (FIG. 2B). CBMC-iPSCs were expanded and aggregated into EBs (FIG. 2C). EB expanded for several days and was transferred to gelatin koi petri dishes and induced to growth cells (2d). Growth cells were expanded and divided into single cells for chondrocyte differentiation. 2X10 6 Using iPSc, numerous cartilage forming pellets were obtained. After 30 days of differentiation, cartilage forming pellets were formed using EB growth cells. The resulting cartilage forming ferret showed a three-dimensional spheroidal shape. From the above, it was confirmed that CBMC-hiPSCs can differentiate into chondrocytes and form a spheroidal cartilage by ECM accumulation.

연골형성 Cartilage formation 펠렛의Pellet 연골유전자발현의 확인 Confirmation of cartilage gene expression

이전의 과정을 통해, 연골 혈성 펠렛은 CBMC-hiPSC로부터 성공적으로 생성되었다. 또한 분화 된 세포는 ECM 성분을 합성하고, 연골 유사 특징을 나타내었다. Aggrecan (ACAN), 2형 콜라겐(COL2A1) 및 연골 올리고머 매트릭스 단백질 (COMP)와 같은 주요 ECM 구성 단백질의 발현을 10일, 20일 및 30일에 각각 확인하였다. 그 결과 ACAN, COL2A1 및 COMP의 발현이 증가되는 것을 확인하였다(도 3). Sox9(Sex-determining region Y-box 9)는 초기 연골 분화 마커 및 ECM 단백질의 유전자 발현을 조절하는 전사인자로 알려져 있다. 20일 후에 Sox9의 발현이 증가하였다. 즉, 생성된 연골성 펠렛의 유전적 특성을 확인하였다. 연골 유사 형태에 상응하여, 주요 ECM 성분 단백의 유전자 발현의 증가를 확인했다. Through the previous process, cartilage blood pellets were successfully produced from CBMC-hiPSC. The differentiated cells also synthesized ECM components and showed cartilage-like characteristics. Expression of major ECM constituent proteins such as Aggrecan (ACAN), type 2 collagen (COL2A1) and cartilage oligomer matrix protein (COMP) was confirmed at 10, 20 and 30 days, respectively. As a result, it was confirmed that the expression of ACAN, COL2A1 and COMP is increased (Fig. 3). Sox9 (Sex-determining region Y-box 9) is known as an early cartilage differentiation marker and transcription factor that regulates gene expression of ECM proteins. After 20 days, the expression of Sox9 increased. That is, the genetic characteristics of the resulting cartilage pellets were confirmed. Corresponding to the cartilage-like morphology, an increase in gene expression of the major ECM component proteins was identified.

연골형성펠렛의Of cartilage forming pellets 조직학적 특징 Histological characteristics

증가된 연골 형성 마커 발현의 확임함에 따라, CBMC-hiPSCs로 부터 생성된 연골성 펠렛의 단백질 수준을 조직학적 분석으로 평가 하였다(도 4). Safranin O, 알시안블루(alcian blue) 및 툴루이딘블루(toluidine blue) 염색은 연골에서 ECM 검출을 위해 사용되는 염색 방법이다. 상기의 염색결과, 분화 초기 단계(10일째)에서도 펠렛의 안쪽 부분에서 ECM의 축적을 확인하였다. 골소강(Lacunae)은 관절 연골에 나타나는 주요 특징 중에 하나이다. 비어있는 골소강 같은 수용량이 10일 후에 보였다. 그러나 크기는 분화가 진행됨에 따라 감소하였다. 분화 30일째, ECM이 수용량에 축적되면서, 관절연골(articular cartilage)안에 골소강 같이 보였다. 30일 째 염색의 강도는 거의 비슷했다. As confirmation of increased cartilage marker expression, protein levels of cartilage pellets produced from CBMC-hiPSCs were evaluated by histological analysis (FIG. 4). Safranin O, alcian blue and toluidine blue staining are staining methods used for ECM detection in cartilage. As a result of the staining, ECM accumulation was confirmed in the inner part of the pellet even in the early stage of differentiation (day 10). Lacunae is one of the main features of articular cartilage. Empty bone-bearing capacity was seen after 10 days. However, the size decreased as the differentiation progressed. At 30 days of differentiation, ECM accumulates in the capacity, and it appears to be osteoporotic in articular cartilage. At 30 days, the intensity of staining was almost the same.

연골의 품질은 ECM 단백질의 주요 타입에 결정된다. 따라서, 특정 단백질을 확인하는 것이 중요하다. 아그리칸(aggrecan) 및 2형 콜라겐 단백질은 ECM을 구성하는 주성분으로 알려져 있다. 2형 콜라겐은 유리질 연골을 나타내는 주요한 콜라겐 유형이다. 2형 콜라겐 및 아그리칸에 대한 항체를 연골 분화 펠렛에 염색하였다 (도 5a). 2형 콜라겐의 염색 강도는 MSC 대조군보다 CBMC-hiPSC 유래 연골 형성 펠렛에서 더 높았다. 이전 염색 결과에 상응하여, 아그리칸 및 2형 콜라겐은 30일째에 펠렛 안쪽에서 대부분 검출되었다. 섬유 연골의 주요한 특징은 1형 콜라겐의 높은 발현이다. 상기의 연골 형성 펠렛이 섬유성 연골의 우세한 특징을 가지지 않음을 확인하였다 (도 5b). 1형 콜라겐의 발현은 MSC 대조군 쥐보다 상대적으로 높았다. 그러나 발현은 일정한 수준을 유지 했으며, 분화 동안 크게 증가하지 않았다. CBMC-hiPSCs에서 생성된 연골 형성 펠렛은 30일 분화한 후 MSC에서 유래한 펠렛과 비슷한 품짐을 특징으로 한다. CBMC-hiPSCs에서 분화 된 연골 세포는 ECM 성분 단백질을 생산할 수 있었다. CBMC-hiPSC 유래 연골 형성 펠렛은 1형 콜라겐보다 2형 콜라겐의 발현이 높았다. 결론적으로 CBMC-hiPSCs가 유리질 연골의 특징과 유사한 연골 유사 특징을 생성 할 수 있음을 확인했다. The quality of cartilage is determined by the major type of ECM protein. Therefore, it is important to identify specific proteins. Aggrecan and type 2 collagen proteins are known to be the major constituents of ECM. Type 2 collagen is the major collagen type that represents vitreous cartilage. Antibodies against collagen type 2 and agrican were stained on cartilage differentiation pellets (FIG. 5A). The staining intensity of type 2 collagen was higher in CBMC-hiPSC derived cartilage forming pellets than the MSC control. Corresponding to previous staining results, agrican and type 2 collagen were mostly detected inside the pellets on day 30. The main feature of fibrocartilage is the high expression of type 1 collagen. It was confirmed that the cartilage forming pellets did not have the predominant characteristics of fibrous cartilage (FIG. 5B). Expression of type 1 collagen was relatively higher than that of MSC control mice. However, expression remained constant and did not increase significantly during differentiation. Cartilage forming pellets produced from CBMC-hiPSCs are characterized by similar characteristics to the pellets derived from MSC after 30 days of differentiation. Chondrocytes differentiated from CBMC-hiPSCs were able to produce ECM component proteins. The cartilage forming pellets derived from CBMC-hiPSC had higher expression of type 2 collagen than type 1 collagen. In conclusion, we confirmed that CBMC-hiPSCs can produce cartilage-like features similar to those of glassy cartilage.

CBMCCBMC -- hiPSCshiPSCs  And MSCs에서In MSCs 유래한 연골 형성  Cartilage formation resulting 펠렛의Pellet 유전자  gene 마커Marker 분석 analysis

콜라겐은 ECM을 구성하는 가장 풍부한 단백질이다. 콜라겐에는 여러 가지 종류가 있지만 1,2 및 10형 콜라겐은 주로 연골과 관련이 있다. 이전 실험에서, 조직학적 분석에 의해 1형 콜라겐 및 2형 콜라겐의 발현을 확인했다 (도 5a 및 도 5b). 상기의 결과를 바탕으로 1형 콜라겐(COL1A1) 유전자의 발현을 분석하였다(도 6a). 비대 연골에서 발현되는 우성 유형으로 알려진 단백질인 10형 콜라겐(COL10)의 유전자 발현도 분석했다. 조직 화학 염색으로 1형 콜라겐의 안정적인 발현을 확인했다. 그러나 COL1A1의 발현은 각 시점에서 감소했다. COL10의 발현은 분화 과정에서 변하지 않았다. 앞서 언급했듯이 2형 콜라겐의 비율은 연골 형성 펠렛의 결과 특성을 바꿀 수 있다. 이전의 유전자 발현 데이터를 사용하여, COL1A1에 대한 COL2A1의 유전자 발현 비율을 평가 하였다(도 6b). 총 증가율은 섬유 연골 유전자에 대한 초자연골 유전자의 발현이 높다는 것을 나타낸다. CBMC-hiPSC- 유래 연골 형성 펠렛을 30 일째 BMSC에서 생성 된 연골 형성 펠렛과 실시간 PCR을 이용하여 비교 하였다 (도 6c). 두 표본간에 ACAN 발현의 통계적 유의성은 없었다. COL2A1 및 SOX9의 발현은 BMSC 유래 펠렛에 비해 CBMC-hiPSC로부터 분화 된 연골 성 펠렛에서 유의하게 높았다. 그러나, COMP는 MSC 컨트롤 펠렛에서 높게 발현되었다. 섬유성 마커인 COL1A1의 발현은 MSC 컨트롤 펠렛에서도 더 높았다. 그러나 CBMC-hiPSC 유래 연골 형성 펠렛에서 비후성 마커 COL10의 발현은 현저하게 낮았다. 이러한 결과는 CBMC-hiPSC가 미래의 적용을 위한 연골 재생을 위한 잠재적 인 세포 공급원의 가능성을 강조한다.Collagen is the most abundant protein that makes up ECM. There are many different types of collagen, but type 1 and 2 collagen is mainly associated with cartilage. In previous experiments, the expression of collagen type 1 and type 2 collagen was confirmed by histological analysis (FIGS. 5A and 5B). Based on the above results, the expression of the type 1 collagen (COL1A1) gene was analyzed (FIG. 6A). The gene expression of collagen type 10 (COL10), a protein known as the dominant type expressed in hypertrophic cartilage, was also analyzed. Histochemical staining confirmed stable expression of type 1 collagen. However, expression of COL1A1 decreased at each time point. Expression of COL10 did not change during the differentiation process. As mentioned earlier, the ratio of type 2 collagen can change the resulting properties of cartilage forming pellets. Previous gene expression data were used to assess the gene expression ratio of COL2A1 to COL1A1 (FIG. 6B). The total growth rate indicates a high expression of supernatural bone genes for fibrocartilage genes. CBMC-hiPSC-derived cartilage forming pellets were compared with cartilage forming pellets produced in BMSC on day 30 using real time PCR (FIG. 6C). There was no statistical significance of ACAN expression between the two samples. The expression of COL2A1 and SOX9 was significantly higher in cartilage pellets differentiated from CBMC-hiPSC compared to BMSC derived pellets. However, COMP was highly expressed in MSC control pellets. The expression of the fibrous marker COL1A1 was also higher in the MSC control pellets. However, the expression of the hypertrophic marker COL10 was markedly low in CBMC-hiPSC derived cartilage forming pellets. These results highlight the potential of CBMC-hiPSC as a potential cell source for cartilage regeneration for future applications.

고찰Review

관절과 관련된 질병, 외상 또는 트라우마로 인한 손상된 관절연골의 재생은 여전히 임상적 이슈이다. 이때, 인간 iPSC는 맞춤형 의약에 대한 새로운 가능성을 제공하고 있으므로, 다양한 신체의 줄기세포로부터 얻은 iPSC를 이용하여 연골형성과 관련된 연구가 이루어지고 있다. Regeneration of damaged articular cartilage due to joint-related diseases, trauma or trauma is still a clinical issue. At this time, since human iPSCs provide new possibilities for tailored medicines, studies related to cartilage formation have been made using iPSCs obtained from stem cells of various bodies.

우리는 Yamanaka 펙터를 포함하고 있는 센다이 바이러스 매개체를 이용하여 CBMC를 iPSC로 재프로그래밍 하였다(도 1a). 전 세계에 제대혈 은행 시스템이 존재하기 때문에, CBMC가 널리 활용되고 있다. 동종이계의 재생 의학 치료를 위한 제대혈 은행에서 iPSC 은행으로의 전환은 굉장한 잠재력과 가능성을 갖고 있다. HLA 표현형에 대한 데이터를 기초로 한 CBMC-기초 iPSC 은행 시스템은 동형접합 HLA 타입 iPSC의 세포라인 제작을 통해 세포치료를 위한 효율적인 전략을 제공할 수 있다. 동형접합 세포 라인은 최소한의 물질 또는 세포 라인을 활용한 치료에서 널리 활용될 수 있다. 이런 컨셉은 연골 재생에도 똑같이 적용될 수 있다. HLA-동형접합 iPSC 라인을 활용한 연골 생산은 동종이식시, 면역거부반응을 제거할 수 있다. 따라서 CBMC-iPSC의 사용은 장차 연골 이식에 있어 매우 효율적인 적용이다. 많은 보고서는 재프로그래밍에 사용되는 체세포의 기원은 발달능과 분화능에 영향을 줄 수 있다고 보고 있다. 이전 연구에서 마이크로질량 배양을 통한 연골형성에서 CBMC-iPSC의 잠재력을 나타냈다[비특허문헌 4]. 이는 하나의 CBMC-iPSC 라인과 두 개의 연골관절 유래 iPSC 라인으로 이루어 졌다. CBMC-iPSC가 연골 재생을 위한 이상적인 세포 근원지라는 점을 증명하기 위하여 추가적인 실험이 요구된다. 우리는 CBMC-iPSC(n=3)을 이용한 연골 분화를 시도하였으며 연골 재생의 가능성을 다양한 실험을 통하여 분석하였다. 추후 이식에의 적용을 위하여 연골 분화는 펠렛 배양을 통하여 이루어졌다. We reprogrammed CBMC into iPSC using Sendai virus mediators containing Yamanaka factor (FIG. 1A). Because of the existence of cord blood banking systems around the world, CBMC is widely used. The transition from cord blood banks to iPSC banks for allogeneic regenerative medicine has tremendous potential and potential. Based on data on the HLA phenotype, the CBMC-based iPSC banking system can provide an efficient strategy for cell therapy through cell line construction of homozygous HLA type iPSCs. Homozygous cell lines can be widely used in treatment with minimal material or cell lines. This concept is equally applicable to cartilage regeneration. Cartilage production using the HLA-homozygous iPSC line can eliminate immune rejection during allografts. Therefore, the use of CBMC-iPSC is a very efficient application for future cartilage transplantation. Many reports suggest that the origin of somatic cells used for reprogramming can affect developmental and differentiation capacity. Previous studies have shown the potential of CBMC-iPSC in cartilage formation through micromass culture [Non-Patent Document 4]. It consisted of one CBMC-iPSC line and two cartilage joint-derived iPSC lines. Further experimentation is required to demonstrate that CBMC-iPSC is an ideal cell source for cartilage regeneration. We attempted cartilage differentiation using CBMC-iPSC (n = 3) and analyzed the possibility of cartilage regeneration through various experiments. Cartilage differentiation was performed through pellet culture for later application to transplants.

분화단계에 우선하여, 생산된 CBMC-iPSC의 특징을 분석하였다. 분화되지 않은 줄기세포의 특징은 알칼리 인산염을 염색하여 확인하였다(도 1b). 다분화능 마커의 발현 증가는 면역화학 및 세포발생적 실험으로 확인하였다(도 1c and 1d). 모든 세포 라인은 각각의 배엽으로 분화할 수 있었으며, 정상 핵형을 나타냈다.Prior to the differentiation step, the characteristics of the produced CBMC-iPSCs were analyzed. The characteristics of undifferentiated stem cells were confirmed by staining alkali phosphates (FIG. 1B). Increased expression of multipotency markers was confirmed by immunochemical and cytogenic experiments (FIGS. 1C and 1D). All cell lines were able to differentiate into their respective germ layers and showed normal karyotypes.

연골분화는 두가지 중요한 단계를 거쳐 수행된다: 중간엽 유사 성장세포의 유도 및 연골 펠렛 생성이다. hiPSC에서 생성된 성장세포들은 기능 및 분자적으로 자가 MSC와 유사하다는 것은 이전 연구에서 밝혀졌다[비특허문헌 5, 6]. 이들은 단층배양이나 EB 배양을 중간엽 유사 전구세포를 유도하기 위한 전분화단계로서 사용하였다. 그러나 단층배양을 통한 직접적인 분화는 EB를 이용한 경우에 비하여 시간이 소요되었다. 중간엽 유사 전구세포의 형태학 및 분화능은 세포 밀도에 따라 상당히 달랐다.  Cartilage differentiation is carried out in two important steps: induction of mesenchymal-like growth cells and cartilage pellet production. It has been found in previous studies that growth cells generated in hiPSCs are functionally and molecularly similar to autologous MSCs (Non Patent Literatures 5 and 6). They used either monolayer culture or EB culture as a pre-differentiation step to induce mesenchymal-like progenitor cells. However, direct differentiation through monolayer culture was more time consuming than EB. Morphology and differentiation of mesenchymal-like progenitor cells varied significantly with cell density.

이들을 모두 고려하여, 우리는 중간엽 유사 성장세포를 유도하는데에 EB를 사용하였다(도 2a). 2×106 의 세포만을 사용하여 많은 양의 EB가 준비되었다(도 2b). 성장세포를 제조 및 확장하기 위하여 젤라틴 배지에 보존된 EB를 도말하였다. 1cm2 당 50-75 EB를 도말하는 것이 적당한 밀도의 성장세포를 위해 적절하다(도 2c). 연골 펠렛은 성장세포를 이용한 펠렛 배양을 통해 얻는다(도 2d). 이를 통해 전부 50-100의 펠렛을 얻을 수 있었다(도 2e). 그러나 생산된 연골 펠렛의 품질은 양 만큼이나 중요하다. ECM 단백질과 관련된 특정한 여러 유전자의 발현을 확인하였다(도 3c). ACAN은 ECM에서 응집하고 있는 프로티오글라이칸이며, 히알루로난(hyaluronan)과의 상호작용을 유도한다. COL2A1은 유리질 연골을 위한 기초적인 단백질로서 건강한 연골의 비대성 적인 특징을 나타낸다. ACAN과 COL2A1의 발현은 10일째 되는 날 확연히 증가하였다. 비콜라겐성 ECM인 COMP의 발현은 20일째 되는 날에 급격히 증가하였다. COMP의 과발현은 ACAN과 COL2A1의 수준을 증가시키지만 초기 연골 마커인 SOX9의 발현에는 영향이 없다고 보고되었었다. 그러나 우리 연구에서는, SOX9의 발현이 COMP와 같은 패턴으로 증가하였다. 연골을 특이적으로 염색하는 여러 방법으로 30일 째에 MSC로부터 생산된 연골만큼 ECM 구성물이 응집되어 있는 것을 확인하였다(도 4). Considering all of these, we used EB to induce mesenchymal-like growth cells (FIG. 2A). Large amounts of EB were prepared using only 2 × 10 6 cells (FIG. 2B). EB preserved in gelatin medium was plated to prepare and expand the growth cells. Smearing 50-75 EB per cm 2 is appropriate for growth cells of suitable density (FIG. 2C). Cartilage pellets are obtained through pellet culture using growth cells (FIG. 2D). This gave a total of 50-100 pellets (FIG. 2E). However, the quality of the cartilage pellets produced is just as important as the quantity. Expression of several specific genes associated with the ECM protein was confirmed (FIG. 3C). ACAN is a prothioglycan that aggregates in ECM and induces interaction with hyaluronan. COL2A1 is the basic protein for vitreous cartilage and represents the hypertrophic character of healthy cartilage. The expression of ACAN and COL2A1 increased significantly on day 10. The expression of COMP, a non-collagenic ECM, increased rapidly on day 20. Overexpression of COMP increased levels of ACAN and COL2A1, but had no effect on the expression of early cartilage marker SOX9. In our study, however, SOX9 expression increased in the same pattern as COMP. It was confirmed that ECM constituents were aggregated as much as cartilage produced from MSC at 30 days by various methods of specifically staining cartilage (FIG. 4).

연골을 생산한 후에, 섬유연골로부터 유리질연골을 분리해내는 것이 중요하다. 섬유 또는 비대성 연골은 뼈로 분화하는 경향이 있는 더 성숙한 타입이다. CBMC-hiPSC로부터 생산된 연골 펠렛은 상대적으로 낮은 비대성 마커의 발현을 나타냈다(도 5, 도 6). 분화하는 동안 COL1A1의 발현은 COL2A1의 발현이 증가하는 것에 반해 감소하였다.After producing cartilage, it is important to separate vitreous cartilage from fibrocartilage. Fibrous or hypertrophic cartilage is a more mature type that tends to differentiate into bone. Cartilage pellets produced from CBMC-hiPSC showed a relatively low expression of hypertrophic markers (FIG. 5, FIG. 6). During differentiation, the expression of COL1A1 decreased, whereas the expression of COL2A1 increased.

CBMC-hiPSC로부터 얻은 연골 펠렛과 BMSC로부터 얻은 펠렛을 30일째 되는 날 비교하였다(도 6c). COL2A1과 SOX9의 발현은 CBMC-hiPSC로부터 얻은 펠렛에서 눈에 띄게 증가하였다. 흥미롭게도, COMP의 발현은 BMSC에서 얻은 연골 펠렛에서 더 높았다. 게다가, COL1A1과 COL10의 발현은 BMSC에서 얻은 펠렛에서 증가하였다. COMP는 힘줄과 연골에 존재하는 중요한 단백질로 생각되었다. 이는 1형 콜라겐 소섬유의 표면을 장식하는 단백질로서, 1형 콜라겐과 12형 콜라겐을 직접적으로 연결하는 기능을 제공한다. 또한 연골 부상의 지표이기도 하다. 최근, COMP는 루마티스성 관절염이나 경피증 같이 높은 연골 회전률을 나타내는 여러 질병의 생물학적 마커로 고려되었다. 이는 CBMC-hiPSC가 섬유 또는 유리질 연골의 특징을 BMSC 유래 연골 펠렛에 비하여 적게 가질수도 있음을 의미한다. Cartilage pellets from CBMC-hiPSC and pellets from BMSC were compared on day 30 (FIG. 6C). Expression of COL2A1 and SOX9 was markedly increased in pellets obtained from CBMC-hiPSC. Interestingly, the expression of COMP was higher in cartilage pellets obtained in BMSC. In addition, expression of COL1A1 and COL10 was increased in pellets obtained from BMSC. COMP was thought to be an important protein in tendons and cartilage. It is a protein that decorates the surface of collagen type 1 fibrils, and provides a direct linkage between type 1 collagen and type 12 collagen. It is also an indicator of cartilage injury. In recent years, COMP has been considered as a biological marker for several diseases that show high cartilage turnover, such as rheumatoid arthritis or scleroderma. This means that CBMC-hiPSC may have fewer features of fibrous or glassy cartilage compared to BMSC derived cartilage pellets.

우리는 CBMC-hiPSC를 이용하여 연골을 재생하는 경우 건강한 표현형을 나타내며 조직 재생과 이식시 고려될 수 있음을 확인하였다. 아직까지 더 짧은 분화시간이 적용을 위해서는 필요하다. 높은 유리질의 연골을 보증하기 위하여 추가적인 연구를 통해 관리 기준이 필요하며, 연골 이식을 위한 CBMC-hiPSC의 추가적인 적용 역시 필요하다. We confirmed that cartilage regeneration using CBMC-hiPSC showed a healthy phenotype and could be considered during tissue regeneration and transplantation. Yet shorter differentiation times are needed for this application. Further research is needed to assure high vitreous cartilage, and further application of CBMC-hiPSC for cartilage transplantation is necessary.

CBMCCBMC 유래  origin iPSC로부터from iPSC 분화된 연골 세포의  Of differentiated chondrocytes 분화능Eruption 증가 효과 확인 Confirm increase effect

본 발명자들은, 본 발명의 연골 세포 분화 방법에서 분화능이 개선될 수 있음을 확인하고자, 말초혈 세포(PBMC) 유래의 iPSC와 본 발명의 CBMC 유래의 iPSC를 사용하여 연골 세포 분화를 유도하였다. 분화 후 각각의 연골세포를 수득하여, 이로부터 연골 형성에 관련된 ACAN 및 COL2A1의 발현 수준을 확인하였다.The present inventors induce chondrocyte differentiation using iPSC derived from peripheral blood cells (PBMC) and iPSC derived from CBMC of the present invention in order to confirm that the differentiation capacity can be improved in the chondrocyte differentiation method of the present invention. Each chondrocyte was obtained after differentiation, from which the expression levels of ACAN and COL2A1 involved in cartilage formation were confirmed.

그 결과, 도 7에서 나타난 바와 같이 CBMC 유래의 연골세포에서 PMBC 유래 연골세포보다 ACAN 및 AOL2A1의 발현 수준이 약 6 내지 10배 증가하는 것을 확인하여, 이로부터 본 발명의 CBMC 유래 연골세포에서 연골 생성 효율이 증가함을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 7, the expression levels of ACAN and AOL2A1 were increased about 6 to 10 times higher than those of PMBC-derived chondrocytes in CBMC-derived chondrocytes. It was confirmed that the efficiency increased.

제조한 Manufactured iPSC가iPSC 동형 접합체인지 여부 확인 Determine if homozygous

제조한 CMC-hiPSC가 동형 접합체(homozygote)인지 여부를 확인하기 위해, CMC 유래 iPSC의 세포주 3개에 대하여 Human Leukocyte Antigen(HLA)의 대립 유전자 유형을 분석하였다. 그 결과, 하기 [표 4] 내지 [표 6]에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조한 CMC-hiPSC는 동형 접합체임을 확인하였다.In order to confirm whether the prepared CMC-hiPSC is a homozygous (homozygote), allele types of Human Leukocyte Antigen (HLA) were analyzed for three cell lines of CMC-derived iPSC. As a result, as shown in the following [Table 4] to [Table 6], it was confirmed that the CMC-hiPSC prepared by the method of the present invention is a homozygous conjugate.

이에 따라, 본 발명의 CMC-iPSC를 이용하여 분화된 연골세포는 chondro beads의 형태로 사용하여 연골 조직을 제조할 수 있고, 이식 성공률이 높아질 수 있다.Accordingly, chondrocytes differentiated using the CMC-iPSC of the present invention can be used in the form of chondro beads to prepare cartilage tissue, and the success rate of transplantation can be increased.

HLA 검사 (SBT) 결과HLA test (SBT) results HLA-AHLA-A HLA-BHLA-B HLA-CHLA-C DRB1DRB1 DQB1DQB1 DPB1DPB1 CMC-hiPSC-
008
CMC-hiPSC-
008
*33:03(A33)* 33: 03 (A33) *44:03(B44)* 44: 03 (B44) -- *13:02* 13: 02 -- --
*33:03(A33)* 33: 03 (A33) *44:03(B44)* 44: 03 (B44) -- *13:02* 13: 02 -- --

HLA 검사 (SBT) 결과HLA test (SBT) results HLA-AHLA-A HLA-BHLA-B HLA-CHLA-C DRB1DRB1 DQB1DQB1 DPB1DPB1 CMC-hiPSC-
009
CMC-hiPSC-
009
*24:02(A24)* 24: 02 (A24) *07:02(B7)* 07: 02 (B7) -- *01:01* 01: 01 -- --
*24:02(A24)* 24: 02 (A24) *07:02(B7)* 07: 02 (B7) -- *01:01* 01: 01 -- --

HLA 검사 (SBT) 결과HLA test (SBT) results HLA-AHLA-A HLA-BHLA-B HLA-CHLA-C DRB1DRB1 DQB1DQB1 DPB1DPB1 CMC-hiPSC-
008
CMC-hiPSC-
008
*11:01(A11)* 11: 01 (A11) *15:01(B62)* 15: 01 (B62) -- *04:06* 04: 06 -- --
*11:01(A11)* 11: 01 (A11) *15:01(B62)* 15: 01 (B62) -- *04:06* 04: 06 -- --

iPSC 생성을 위해서는 한국 인구의 가장 높은 비율로 차지할 수 있는 동형 접합 유형을 선택했다. 그러나 한국인의 HLA 유형은 개인 정보 보호법으로 인해 기밀로 취급된다. 이에 본 연구에서는 카톨릭 조혈 모세포 은행에 보관된 법적으로 기증받은 CBMC의 HLA 유형 정보를 분석 했다. 하기 [표 7]과 같이, 상위 20위의 HLA 유형에 대한 정보를 얻었다. HLA-A * 33, HLA-B * 44 및 HLA-DRB1 * 13이 CBMC 은행 전체의 약 23.97 %를 차지하여 가장 빈번한 동형 접합체 HLA 유형이었다. 두 번째 빈번한 유형은 HLA-A * 33, HLA-B * 58, HLA-DRB1 * 13이었고, 추정 인구의 11.16 %를 기록했다. 상위 5 위 유형에서 HLA 유형의 적용 범위는 5 % 미만이었다. 3 가지 HLA 유형 중 HLA-A는 다른 2 가지 유형보다 상대적으로 집중된 경향을 보였다. 선택된 20 가지 HLA 유형 중 25 %는 * 33의 HLA-A 유형을 가지고 있었고 40 %는 * 02 유형을 가지고 있었다. For iPSC generation, we chose a homozygous type that would account for the highest proportion of the Korean population. However, Korean HLA types are treated as confidential due to privacy laws. In this study, we analyzed HLA type information of legally donated CBMCs stored in the Catholic Hematopoietic Stem Cell Bank. As shown in Table 7 below, information on the top 20 HLA types was obtained. HLA-A * 33, HLA-B * 44 and HLA-DRB1 * 13 accounted for about 23.97% of the entire CBMC bank, being the most frequent homozygous HLA type. The second frequent type was HLA-A * 33, HLA-B * 58, HLA-DRB1 * 13, which recorded 11.16% of the estimated population. In the top five, the coverage of the HLA type was less than 5%. Of the three HLA types, HLA-A tended to be more concentrated than the other two types. Of the 20 selected HLA types, 25% had HLA-A type of * 33 and 40% had * 02 type.

분류된 HLA 유형의 정보에 기초하여, 재조합을 위해 카톨릭 조혈 모세포 은행에서 9 개의 동형 접합체 세포가 선택되었다. 게다가 동종접합 HLA 타입을 지닌 4개의 PBMC sample을 선물로 얻었다. 하기 [표 8]과 같이, 총 13개의 세포 샘플 중 3 개가 HLA-A * 33, HLA-B * 44 및 HLA-DRB1 * 13의 HLA 유형을 가졌다. 수득 된 세포를 재 프로그래밍을 위해 카톨릭 세포 치료 연구소의 GMP 시설로 옮겼다. 야마나카 팩터(Yamanaka factors)를 처리 후, 무결점의 샘플을 분리하고 다양한 분석법으로 특성을 확인하였다. 생존율은 세포 부착에 기초하여 측정하였다. 다능성은 PCR 및 면역 형광법를 통해 확인되었다. 세포의 미분화상태는 알칼라인 포스파타제 염색으로 확인되었다. 핵형 분석과 짧은 염기 반복 분석(short tandem repeat assay)을 수행하여 정상적인 유전적 배경을 확인했다. 마지막으로, 각각의 배아층으로 분화를 통해 이들의 다중이 전이가 확인되고, 감염 테스트가 수행되었다. 이러한 과정을 거친 후에 모든 품질 관리 시험을 통과한 세포만 GMP 시설에 저장되었다(도 8a). Based on the information of the sorted HLA type, nine homozygous cells were selected from the Catholic Hematopoietic Stem Cell Bank for recombination. In addition, four PBMC samples with homozygous HLA type were obtained. As shown in Table 8 below, three of a total of 13 cell samples had HLA types of HLA-A * 33, HLA-B * 44 and HLA-DRB1 * 13. The obtained cells were transferred to the GMP facility of the Catholic Cell Therapy Research Institute for reprogramming. After treatment with the Yamamanaka factors, intact samples were isolated and characterized by various assays. Survival was measured based on cell adhesion. Pluripotency was confirmed by PCR and immunofluorescence. Undifferentiated state of the cells was confirmed by alkaline phosphatase staining. Karyotyping and short tandem repeat assays were performed to confirm normal genetic background. Finally, their differentiation was confirmed through differentiation into individual embryonic layers, and infection tests were performed. After this procedure, only cells that passed all quality control tests were stored in a GMP facility (FIG. 8A).

몇 가지 서브 클로닝 과정 후에, 모든 세포주는 iPSC의 적절한 형태를 보였다. 동형접하체 HLA-iPSCs는 다능성 마커의 양성발현을 보였다(도 8b 및 8d). 모든 세포는 계대 배양 동안 미분화를 상태를 유지했다(도 8c). 정상 핵형이 세포주에서 확인되었다(도 8e). 또한, 생성된 세포는 시험관내에서 세 개의 모든 배아층으로 분화할 수 있었다(도 8f 및 8g). 도 8에 개시된 데이터는 CMC-hiPSC-001 세포주의 데이터를 나타낸다. After some subcloning, all cell lines showed the proper form of iPSC. Homozygous HLA-iPSCs showed positive expression of pluripotency markers (FIGS. 8B and 8D). All cells remained undifferentiated during subculture (FIG. 8C). Normal karyotype was confirmed in the cell line (FIG. 8E). In addition, the resulting cells were able to differentiate into all three embryonic layers in vitro (FIGS. 8F and 8G). The data disclosed in FIG. 8 shows data of the CMC-hiPSC-001 cell line.

동형 접합체 HLA-iPSCs의 생성은 개인화 된 재생 의학의 발전에 새로운 기회를 열었다. 요구되는 시간, 돈 및 인력을 줄임으로써 동형 접합성 HLA-iPSCs는 최소의 세포 공급원을 가진 많은 수의 환자를 치료할 수 있다. HLA 표현형 대립 유전자 빈도에 따라 후보 HLA 동형 접합 세포 유형을 선택하여 iPSC 자원 은행으로 보유 할 수 있다. 그러나 동형 접합체 세포는 빈번하게 발견되지 않으므로 인구 중 가장 많은 백분율을 차지하는 iPSC의 최소 또는 적절한 수를 추정하는 것이 중요하다. Generation of homozygous HLA-iPSCs has opened new opportunities in the development of personalized regenerative medicine. By reducing the time, money and manpower required, homozygous HLA-iPSCs can treat large numbers of patients with minimal cell sources. Depending on the HLA phenotype allele frequency, candidate HLA homozygous cell types can be selected and retained by the iPSC Resource Bank. However, homozygous cells are not frequently found, so it is important to estimate the minimum or appropriate number of iPSCs that make up the largest percentage of the population.

결과적으로, 우리는 한국인 인구에서 동형접합 HLA 타입의 빈도수를 대체적인 방법으로 확정하였다. 우리는 처음으로 가톨릭세포치료사업단의 HLA 타입의 CBMC 라이브러리에 접속하였다. CBMC 은행을 통하여 은행에 보관되어 있는 HLA-동형접합 CBMC의 23.9%가 HLA-A*33, HLA-B44와 HLA-DRB1*13의 표현형을 나타냄을 확인하였다. 생산된 데이터를 통하여 동형접합 단일세포을 스크리닝하여 얻었고 세포를 iPSC로 얻기 위하여 재프로그래밍 하였다. HLA-A*33, HLA-B44와 HLA-DRB1*13의 세 동형접합 HLA-hiPSC이 생산되었다. 13개의 생산된 HLA-iPSC 라인은 높은 다분화능과 정상핵형을 가지고 있었으며 여러 오염 테스트를 통과하였다. 이는 한국인에서 한국인정부의 지원을 받아 한국인의 동형접합 HLA-iPSC 은행을 구축한 첫 번째 성과이다. 동형접합 HLA-iPSC는 성공적인 재생의학과 임상적인 줄기세포 치료를 위한 새로운 기회를 열 것이다. As a result, we established an alternative method for the frequency of homozygous HLA type in the Korean population. We first accessed the HLA-type CBMC library of the Catholic Cell Therapy Group. The CBMC Bank confirmed that 23.9% of HLA-Homozygous CBMCs in the bank exhibited the phenotypes of HLA-A * 33, HLA-B44 and HLA-DRB1 * 13. Homozygous single cells were screened through the data produced and the cells were reprogrammed to obtain iPSC. A homozygous HLA-hiPSC of HLA-A * 33, HLA-B44 and HLA-DRB1 * 13 was produced. The 13 produced HLA-iPSC lines had high multipotency and normal karyotypes and passed several contamination tests. This is the first result of Koreans' homogeneous HLA-iPSC banking with the support of the Korean government. Homozygous HLA-iPSCs will open new opportunities for successful regenerative medicine and clinical stem cell therapy.

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Claims (18)

ⅰ) 제대혈단핵구세포(cord blood mononuclear cell)를 Yamanaka 펙터를 포함하는 센다이(sendai) 바이러스로 리프로그래밍하여 유도한 제대혈단핵구세포유래 인간전분화능세포(CBMC-hiPSC)로부터 배양체(embryoid body)를 형성 및 수득하는 단계;
ⅱ) 상기 단계 ⅰ)의 배양체로부터 성장세포(embryoid body-derived outgrowth cell)를 형성 및 수득하는 단계; 및
ⅲ) 상기 단계 ⅱ)의 성장세포를 배양하여 유리질 연골세포 펠렛(chondrogenic pellet)을 수득하는 단계;
를 포함하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
Iii) forming an embryoid body from cord blood mononuclear cell-derived human pluripotent cells (CBMC-hiPSC) derived by reprogramming cord blood mononuclear cells into a Sendai virus containing Yamanaka factor. Obtaining;
Ii) forming and obtaining embryoid body-derived outgrowth cells from the culture of step iii); And
Iii) culturing the growth cells of step ii) to obtain vitreous chondrogenic pellets;
Method for producing a composition for differentiating vitreous chondrocytes comprising a.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 ⅱ)의 성장세포는 젤라틴 배지에 배양체를 도말하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
The method of claim 1, wherein the growth cells of step ii) are formed by plating a culture on gelatin medium.
제4항에 있어서, 상기 젤라틴 배지의 1㎠당 50~70개의 배양체를 도말하는 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
The method for preparing a composition for differentiating vitreous chondrocytes according to claim 4, wherein 50 to 70 cultures are formed per 1 cm 2 of the gelatin medium.
제1항에 있어서, 상기 단계 ⅰ)의 제대혈단핵구유래 인간전분화능세포는 HLA 동형접합체(homozygote)인 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
The method of claim 1, wherein the umbilical cord monocyte-derived human pluripotent cells of step iii) are HLA homozygotes (homozygote).
제6항에 있어서, 상기 HLA 동형접합체의 유형은 한국인의 HLA 동형접합체의 유형인 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
The method of claim 6, wherein the type of HLA homozygote is a type of HLA homozygote of Korean.
제7항에 있어서, 상기 한국인의 HLA 동형접합체의 유형은 HLA-A*33, HLA-B*44 및 HLA-DRB1*13로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물 제조방법.
8. The composition for differentiating vitreous chondrocytes according to claim 7, wherein the type of HLA homozygote of Korean is any one selected from the group consisting of HLA-A * 33, HLA-B * 44 and HLA-DRB1 * 13. Manufacturing method.
제1항의 유리질 연골세포 분화용 조성물의 제조방법으로부터 제조된 유리질 연골세포 분화용 조성물로서,
상기 조성물은 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준이 제1항의 인간전분화능세포의 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준보다 낮은 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물.
A composition for differentiating vitreous chondrocytes prepared from the method for preparing a composition for differentiating vitreous chondrocytes of claim 1
The composition is a composition for differentiating vitreous chondrocytes characterized in that the gene expression level of COL1A1 or COL10 is lower than the gene expression level of COL1A1 or COL10 of the human pluripotent cells of claim 1.
제9항에 있어서, 상기 유리질 연골세포 분화용 조성물은 ACAN, COL2A1, COMP 및 SOX9으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유전자 발현이 증가되는 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포 분화용 조성물.
The composition for differentiating vitreous chondrocytes according to claim 9, wherein the composition for vitreous chondrocyte differentiation is increased in expression of one or more genes selected from the group consisting of ACAN, COL2A1, COMP and SOX9.
삭제delete 제9항의 유리질 연골세포 분화용 조성물로부터 분화된 유리질 연골세포로서,
상기 연골세포는 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준이 제1항의 인간전분화능세포의 COL1A1 또는 COL10의 유전자 발현 수준보다 낮은 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포.
A glassy chondrocyte differentiated from the composition for differentiating vitreous chondrocytes of claim 9,
The chondrocytes are glass chondrocytes, characterized in that the gene expression level of COL1A1 or COL10 is lower than the gene expression level of COL1A1 or COL10 of the human pluripotent cells of claim 1.
제12항에 있어서, 상기 연골세포는 ACAN, COL2A1, COMP 및 SOX9으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유전자 발현이 증가되는 것을 특징으로 하는 유리질 연골세포.
13. The vitreous chondrocytes according to claim 12, wherein the chondrocytes have increased expression of one or more genes selected from the group consisting of ACAN, COL2A1, COMP and SOX9.
삭제delete 제9항의 유리질 연골세포 분화용 조성물을 포함하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
A pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases comprising the composition for differentiating vitreous chondrocytes of claim 9.
제12항의 유리질 연골세포를 포함하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
A pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases comprising the vitreous chondrocytes of claim 12.
제15항에 있어서, 상기 연골 관련 질환은 류마티스성 관절염, 골관절염, 골연화증, 연골손상 및 연골결손으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
The pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage-related diseases according to claim 15, wherein the cartilage-related disease is at least one selected from the group consisting of rheumatoid arthritis, osteoarthritis, osteomalacia, cartilage damage and cartilage defect.
제16항에 있어서, 상기 연골 관련 질환은 류마티스성 관절염, 골관절염, 골연화증, 연골손상 및 연골결손으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연골 관련 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.17. The pharmaceutical composition for preventing or treating cartilage related diseases according to claim 16, wherein the cartilage related diseases are any one or more selected from the group consisting of rheumatoid arthritis, osteoarthritis, osteomalacia, cartilage damage and cartilage defect.
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