KR102167443B1 - In vitro osteoarthritis condition model and drug screening method for osteoarthritis using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생체 외 골관절염 실험 모델 및 이를 이용한 골관절염 치료제 스크리닝 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 세포 배양 배지; 및 콘드로이티나제(chondroitinase)를 포함하는 생체 외(in vitro) 골관절염 모델 조성물, 이를 활용한 생체 외 3차원 골관절염 모델 및 이를 이용한 골관절염 치료제 스크리닝 방법에 관한 것이다.
본 발명의 생체 외(in vitro) 골관절염 모델 조성물 및 3차원 골관절염 모델은 실제 골관절염 환자의 연골에서 나타나는 다양한 형태학적 또는 분자생리학적 변화들을 매우 유사하게 모사하므로, 골관절염의 병태 연구, 골관절염 치료제의 효능 검증 등에 매우 유용하게 활용이 될 수 있다.
The present invention relates to an in vitro osteoarthritis experimental model and a method for screening a therapeutic agent for osteoarthritis using the same, and more particularly, to chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Cell culture medium; And an in vitro osteoarthritis model composition comprising chondroitinase, an in vitro three-dimensional osteoarthritis model using the same, and an osteoarthritis treatment screening method using the same.
The in vitro osteoarthritis model composition and the three-dimensional osteoarthritis model of the present invention very similarly simulate various morphological or molecular physiological changes occurring in the cartilage of an actual osteoarthritis patient, so the study of the condition of osteoarthritis and the efficacy of the treatment for osteoarthritis It can be used very usefully.

Description

체외 골관절염 모델 및 이를 이용한 골관절염 치료제 스크리닝 방법{In vitro osteoarthritis condition model and drug screening method for osteoarthritis using the same}In vitro osteoarthritis condition model and drug screening method for osteoarthritis using the same}

본 발명은 체외 골관절염 모델 및 이를 이용한 관절염 치료제 스크리닝 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 세포 배양 배지; 및 콘드로이티나제(chondroitinase)를 포함하는 인 비트로(in vitro) 관절염 모델 조성물, 이를 활용한 생체 외 3차원 관절염 모델 및 이를 이용한 관절염 치료제 스크리닝 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an in vitro osteoarthritis model and a method for screening a therapeutic agent for arthritis using the same, and more particularly, to chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Cell culture medium; And it relates to an in vitro ( in vitro ) arthritis model composition comprising chondroitinase, an in vitro three-dimensional arthritis model using the same, and an arthritis treatment screening method using the same.

골관절염(Osteoarthritis, OA)은 과도한 기계적 스트레스에 반응하여 연골세포(chondrocyte)의 비대화 분화(hypertrophic differentiation)에 이은 연골세포 사멸 및 연골의 세포외 기질(extracellular matrix, ECM)의 손상을 특징으로 하는 가장 흔한 퇴행성 관절 질환이다. 비대화된 연골세포에서 분비되는 MMP-13 및 ADAMTS5와 같은 단백분해효소는 골관절염의 발생에 핵심적인 역할을 수행한다. 이는 기계적 스트레스에 의해 연골세포에서 생성되는 질산(nitric oxide) 성분과 활성산소(reactive oxygen species)가 연골세포 주위 기질인 콘드로이틴 설페이트의 분해를 증가시키며, 이러한 작용이 골관절염 발생 기전에 중요하게 작용함을 시사한다. Osteoarthritis (OA) is the most common characterized by hypertrophic differentiation of chondrocytes followed by chondrocyte death and damage to the extracellular matrix (ECM) of the cartilage in response to excessive mechanical stress. It is a degenerative joint disease. Proteolytic enzymes such as MMP-13 and ADAMTS5, which are secreted from enlarged chondrocytes, play a key role in the development of osteoarthritis. This indicates that nitric oxide and reactive oxygen species produced in chondrocytes by mechanical stress increase the decomposition of chondroitin sulfate, a matrix around chondrocytes, and this action plays an important role in the mechanism of osteoarthritis development. Suggests.

유리질 관절 연골(hyaline cartilage)의 세포 외 기질은 주로 제2형 콜라겐, 프로테오글리칸 및 물 분자로 구성된다. 연골 세포외 기질에서 가장 풍부한 콜라겐 단백질인 2형 콜라겐은 관절 연골에 인장 강도를 제공하는 골격 역할을 한다. 가장 풍부한 프로테오글리칸은 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate)와 케라틴 설페이트(keratin sulfate)가 선형 단백질 줄기에 결합하여 구성되는 어그리칸(aggrecan)이다. 골관절염 진행과정에서 연골 세포외 기질의 파괴에 관여하는 주요 단백질 분해효소는 콜라겐의 경우 MMP-13이고 어그리칸의 경우 ADAMTS5이다. 이러한 단백분해효소에 의한 연골 세포외 기질의 파괴는 손상관련 분자 양상(damage-associated molecular patterns; DAMPs)으로 작용할 수 있는 콜라겐 및 글리코사미노글리칸 절편을 생성할 수 있다. DAMPs로 작용할 수 있는 분자는 골관절염에서 비글리칸(biglycan), 피브로넥틴(fibronectin), 저분자량 히알루론산 및 테나신 C(tenascin C) 등이 포함된다. DAMPs는 Toll-양 수용체의 활성화를 통해 낮은 등급의 염증 및 단백분해효소의 생산을 유도하여 OA 진행에 관여한다. The extracellular matrix of hyaline cartilage is mainly composed of type 2 collagen, proteoglycans and water molecules. Type 2 collagen, the most abundant collagen protein in the cartilage extracellular matrix, serves as a skeleton that provides tensile strength to joint cartilage. The most abundant proteoglycans are aggrecans, which are composed of chondroitin sulfate and keratin sulfate bound to a linear protein stem. The major protease involved in the destruction of cartilage extracellular matrix during osteoarthritis is MMP-13 for collagen and ADAMTS5 for aggrecan. The destruction of the extracellular matrix of cartilage by these proteases can generate collagen and glycosaminoglycan fragments that can act as damage-associated molecular patterns (DAMPs). Molecules that can act as DAMPs include biglycan, fibronectin, low molecular weight hyaluronic acid, and tenascin C in osteoarthritis. DAMPs are involved in OA progression by inducing the production of low-grade inflammation and proteases through activation of Toll-like receptors.

한편, 콘드로이틴 설페이트 (chondroitin sulfate, CS)는 긴 분지형 다당류인 황산화된 GAG의 일종으로 연골 프로테오글리칸의 주성분이다. 분광학적 분석에 따르면 CS 함량이 젊은 관절연골의 35% 무게/건조 중량(w/dw)과 인간 성인 관절연골의 20% w/dw를 차지한다. 뿐만 아니라 연골 세포외 기질 GAG 가운데 연골세포와 가장 밀접하게 상호작용을 한다. 연골세포-부착 기질 GAG 분석 결과, 콘드로이틴 설페이트는 히알루론산과 케라틴 설페이트 비해 연골세포와의 결합이 5-7배 더 많았다. 연골의 세포외 기질에서 연골세포에 멀리 떨어진 프로테로글리칸의 반감기는 100-800일로 매우 길지만, 연골세포에 접한 프로테로글리칸은 반감기가 4-30일로 비교적 짧다. 그러므로 연골에 풍부하고 연골세포에 바로 접해있는 콘드로이틴 설페이트의 분해는 연골세포의 생리에 중요한 역할을 할 가능성이 있으며, 골관절염의 진행에도 핵심적일 수 있다. On the other hand, chondroitin sulfate (CS) is a kind of sulfated GAG, a long branched polysaccharide, and is the main component of cartilage proteoglycans. According to spectroscopic analysis, CS content accounts for 35% weight/dry weight (w/dw) of young articular cartilage and 20% w/dw of adult human articular cartilage. In addition, among the cartilage extracellular matrix GAG, it interacts most closely with chondrocytes. Chondroitin sulfate was 5-7 times more associated with chondrocytes than hyaluronic acid and keratin sulfate. The half-life of proteroglycans far from cartilage extracellular matrix to chondrocytes is very long, 100-800 days, whereas proteroglycans in contact with chondrocytes have a relatively short half-life of 4-30 days. Therefore, the decomposition of chondroitin sulfate, which is abundant in cartilage and directly in contact with chondrocytes, has the potential to play an important role in the physiology of chondrocytes, and may be critical for the progression of osteoarthritis.

이와 같이, 관절 연골의 세포외 기질을 구성하는 주요한 성분인 콘드로이틴 설페이트가 골관절염 환자의 연골에서 그 발현량이 줄어들어 있고 체인의 길이가 짧아져 있다는 것은 많이 보고된 바가 있지만, 골관절염 환자의 연골에서 콘드로이틴 설페이트의 이러한 변화가 관절세포의 형태학적 변화나 단백분해효소의 발현에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 아직까지 보고된 바가 없다. As such, it has been reported that chondroitin sulfate, which is a major component of the extracellular matrix of articular cartilage, is less expressed in the cartilage of osteoarthritis patients and the length of the chain is shortened. How these changes affect the morphological changes of joint cells or the expression of proteases has not been reported yet.

이에, 본 발명자는 관절 연골의 세포 외 기질을 구성하는 콘드로이틴 설페이트의 분해가 연골세포에 미치는 영향을 규명하던 중, 콘드로이틴 설페이트의 분해 생성물이 DAMPs로 작용하여 그 자체만으로도 골관절염 유사 병리현상을 유도할 수 있음을 발견하였고, 이를 통해서 1) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 기반 3차원 하이드로겔 조건에서 연골세포 배양을 통해 연골유사 환경을 제공하고, 여기에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하여 체외 조건에서 관절염 모델 조성물을 제공할 수 있다는 것과 2) 이를 이용하여 골관절염 치료 약물의 체외 스크리닝 시스템을 구축할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors were examining the effect of the decomposition of chondroitin sulfate, which constitutes the extracellular matrix of articular cartilage, on chondrocytes, while the decomposition product of chondroitin sulfate acts as DAMPs and itself alone can induce osteoarthritis-like pathology. It was found that 1) chondroitin sulfate-based three-dimensional hydrogel culture provided a cartilage-like environment through chondrocyte culture, and treated with chondroitinase to treat arthritis in vitro. The present invention was completed by confirming that a model composition can be provided and that 2) an in vitro screening system for osteoarthritis treatment drugs can be constructed using this.

따라서, 본 발명의 목적은 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 세포 배양 배지; 및 콘드로이티나제(chondroitinase)를 포함하는 인 비트로(in vitro) 관절염 모델 조성물을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Cell culture medium; And it is to provide an in vitro ( in vitro ) arthritis model composition comprising chondroitinase (chondroitinase).

본 발명의 다른 목적은 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;Another object of the present invention is (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; 및(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium; And

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 인 비트로(in vitro) 3차원 관절염 모델을 제공하는 것이다. (d) to provide an in vitro three-dimensional arthritis model prepared by a method comprising the step of treating the cell culture medium with chondroitinase.

본 발명의 다른 목적은 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;Another object of the present invention is (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; (c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium;

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase) 및 관절염 치료제 후보물질을 처리하는 단계; 및(d) treating the cell culture medium with chondroitinase and an arthritis drug candidate; And

(e) 3차원 구조체 내 연골세포의 형태학적 특성; 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량; 및 상기 배양 배지 내 NO 생성량으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 평가항목에 대한 미처리 대조군과 관절염 치료제 후보물질 처리군의 차이를 비교하는 단계를 포함하는 관절염 치료제 스크리닝 방법을 제공하는 것이다.(e) morphological characteristics of chondrocytes in the three-dimensional structure; Expression of oxidative stress markers, inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or extracellular matrix degrading enzymes in chondrocytes; And comparing the difference between the untreated control group and the arthritis treatment candidate treatment group with respect to at least one evaluation item selected from the group consisting of the amount of NO production in the culture medium to provide an arthritis treatment screening method.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 세포 배양 배지; 및 콘드로이티나제(chondroitinase)를 포함하는 인 비트로(in vitro) 관절염 모델 조성물을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention, the present invention is chondroitin sulfate (chondroitin sulfate) or a derivative thereof; Chondrocyte; Cell culture medium; And it provides an in vitro ( in vitro ) arthritis model composition comprising chondroitinase (chondroitinase).

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;In order to achieve another object of the present invention, the present invention includes (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; 및(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium; And

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델을 제공한다.(d) Provides an in vitro three-dimensional osteoarthritis model prepared by a method comprising the step of treating the cell culture medium with chondroitinase.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;In order to achieve another object of the present invention, the present invention includes (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; (c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium;

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase) 및 골관절염 치료제 후보물질을 처리하는 단계; 및(d) treating the cell culture medium with chondroitinase and an osteoarthritis therapeutic agent; And

(e) 3차원 구조체 내 연골세포의 형태학적 특성; 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량; 및 상기 배양 배지 내 NO 생성량으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 평가항목에 대한 미처리 대조군과 골관절염 치료제 후보물질 처리군의 차이를 비교하는 단계를 포함하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법을 제공한다. (e) morphological characteristics of chondrocytes in the three-dimensional structure; Expression of oxidative stress markers, inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or extracellular matrix degrading enzymes in chondrocytes; And comparing the difference between the untreated control group and the osteoarthritis treatment candidate treatment group for at least one evaluation item selected from the group consisting of the amount of NO production in the culture medium.

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

본 발명의 일실시예에 따르면, 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate, 이하 “CS”라 함)와 함께 배양된 연골세포에 콘드로이티나제를 처리하여 CS를 분해한 결과, 골관절염(이하 “OA”라 함) 환자의 연골에서 나타나는 것과 동일하게 연골세포의 비대성 형태학적 변화(hypertrophic morphological change)가 관찰되었다. 또한, 상기 연골세포에서 유전자의 발현 변화를 평가한 결과, OA의 핵심 특징인 연골세포 외 기질 (extracellular matrix, 이하 “ECM”이라 함) 분해를 담당하는 MMP-13 및 ADAMTS5의 발현, 산화 스트레스의 마커인 Fth1, Hmox1 및 Txn의 발현이 크게 증가하였고, 배양 상등액 내 NO 수준 또한 크게 증가되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 통해서, CS가 콘드로이티나제로 분해되는 조건 하에서 연골세포는 실제 골관절염에서와 유사한 형태학적 및 분자생리학적 변화가 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. According to an embodiment of the present invention, as a result of decomposing CS by treating chondroitinase in chondroitinase cultured with chondroitin sulfate (hereinafter referred to as “CS”), osteoarthritis (hereinafter referred to as “OA”) ) Hypertrophic morphological change of chondrocytes was observed, as in the patient's cartilage. In addition, as a result of evaluating the change in the expression of genes in the chondrocytes, the expression of MMP-13 and ADAMTS5, which are responsible for decomposing the extracellular matrix (hereinafter referred to as “ECM”), which is a key characteristic of OA, and oxidative stress. The expression of the markers Fth1, Hmox1 and Txn was significantly increased, and it was confirmed that the NO level in the culture supernatant was also significantly increased. Through these results, it was confirmed that under the condition that CS is decomposed into chondroitinase, the morphological and molecular physiological changes similar to those in actual osteoarthritis appear in chondrocytes.

종래, 골관절염 환자의 연골에서 CS의 발현량이 감소되어 있고 CS의 쇄 길이가 짧아져 있다는 것은 알려져 있었지만, CS의 분해산물이 연골세포에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 보고된 바가 없었다. 특히, 콘드로이타나제에 의한 CS 분해 생성물 그 자체만으로도 연골세포에 골관절염과 유사한 병리학적 변화을 유발할 수 있다는 것은 종래 보고된 바가 없으며 이러한 발견은 본 발명자가 본 발명을 통해서 최초로 보고하는 바이다. Conventionally, it was known that the expression level of CS in the cartilage of osteoarthritis patients was reduced and the chain length of CS was shortened, but there was no report on how the decomposition product of CS affects chondrocytes. In particular, it has not been previously reported that the CS decomposition product by chondroitanase itself can induce a pathological change similar to osteoarthritis in chondrocytes, and this discovery is the first report of the present inventors through the present invention.

이에 본 발명자들은 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 기반의 3차원 연골세포(chondrocyte) 하이드로겔 배양법을 확립하고, 여기에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하여 골관절염 상황에서 발생하는 세포외 기질의 손상을 유도하는 조건에서 골관절염 치료 후보 물질을 처리하고 골관절염 발생에 중요한 단백분해 효소의 발현에 미치는 작용을 확인하여 후보물질의 골관절염 치료제로서의 스크리닝에 사용될 수 있는 방법을 개발하였다.Accordingly, the present inventors established a three-dimensional chondrocyte hydrogel culture method based on chondroitin sulfate, and treated with chondroitinase to induce damage to the extracellular matrix occurring in osteoarthritis situations. Under these conditions, a candidate substance for osteoarthritis treatment was treated and the effect on the expression of an important proteolytic enzyme in the development of osteoarthritis was confirmed to develop a method that can be used for screening of the candidate substance as a treatment for osteoarthritis.

따라서, 본 발명은 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 세포 배양 배지; 및 콘드로이티나제(chondroitinase)를 포함하는 생체 외(in vitro) 골관절염 모델 조성물을 제공한다. Thus, the present invention is chondroitin sulfate (chondroitin sulfate) or a derivative thereof; Chondrocyte; Cell culture medium; And it provides an in vitro ( in vitro ) osteoarthritis model composition comprising chondroitinase (chondroitinase).

본 발명에서 상기 콘드로이틴 설페이트는 D-글루로닉산과 N-아세틸 갈락토사민, 설페이트로 이루어진 황산화 글리코사미노글리칸으로서 연골과 결합조직에 많이 함유되어 있다. 특히, CS는 동물모델에서 항염증 효과가 보고되었으며 FDA 승인된 화상치료용 피부 대체제의 피층(dermal layer)의 한 성분으로 사용되고 있다.In the present invention, the chondroitin sulfate is a sulfated glycosaminoglycan composed of D-gluronic acid, N-acetyl galactosamine, and sulfate, and is often contained in cartilage and connective tissue. In particular, CS has been reported to have anti-inflammatory effects in animal models and is used as a component of the dermal layer of an FDA-approved skin substitute for burn treatment.

본 발명에서 상기 콘드로이틴 설페이트는 그 종류 및 분자량이 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 콘드로이틴 설페이트 A (chondroitin-4-sulfate), 콘드로이틴 설페이트 C (chondroitin-6-sulfate), 콘드로이틴 설페이트 D (chondroitin-2,6-sulfate) 및 콘드로이틴 설페이트 E (chondroitin-4,6-sulfate) 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 연골에는 콘드로이틴 설페이트 C 가 가장 많아서 가장 바람직하다(A&R 1988;31:1028).In the present invention, the type and molecular weight of the chondroitin sulfate are not particularly limited, and preferably chondroitin sulfate A (chondroitin-4-sulfate), chondroitin sulfate C (chondroitin-6-sulfate), chondroitin sulfate D (chondroitin-2, 6-sulfate) and chondroitin sulfate E (chondroitin-4,6-sulfate) may be one or more selected from the group consisting of, cartilage has the most chondroitin sulfate C is the most preferred (A & R 1988; 31:1028).

본 발명에서 상기 콘드로이틴 설페이트 유도체란 그 자체로 가교결합을 형성할 수 있는 관능기가 도입된 콘드로이틴 설페이트를 의미하는 것으로서, 상기 가교결합을 형성할 수 있는 관능기란 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 메타크릴기(methacryl group), 아크릴기(acrylate group), 사이올기(thiol group)을 포함할 수 있다. In the present invention, the chondroitin sulfate derivative refers to chondroitin sulfate into which a functional group capable of forming a crosslink by itself is introduced, and the type of the functional group capable of forming a crosslink is not particularly limited, but for example For example, it may include a methacryl group, an acrylic group, and a thiol group.

가교결합을 형성할 수 있는 관능기가 도입된 콘드로이틴 설페이트 유도체의 제조방법은 당업계에 잘 공지되어 있으며, 통상의 기술자가 이들 공지기술을 활용하여 본 발명에 적용할 수 있을 것임은 자명하게 이해되어야 한다. It should be clearly understood that a method for preparing a chondroitin sulfate derivative into which a functional group capable of forming a crosslink is introduced is well known in the art, and that a person skilled in the art will be able to apply it to the present invention by utilizing these known techniques. .

본 발명에서 상기 세포 배양 배지는 세포의 성장 및 증식 등에 필수적인 요소를 포함하는 생체 외(in vitro)에서 세포의 성장 및 증식을 위한 혼합물을 의미한다. 바람직하게는, 상기 기본배지는 그 구성성분과 함량이 명확하게 확인된 화학적으로 규명된 배지(chemically defined medium)일 수 있다. 본 발명의 기본배지는 인위적으로 합성하여 제조하여 사용하거나 상업적으로 구매 가능한 화학적으로 규명된 배지(chemically defined medium)를 사용할 수 있다. 상업적으로 제조된 배지는 예를 들면 둘베코인산 완충 식염수, 얼 균형화 염, 행크 균형화 염, 티로드 염, 알시버 용액, 게이 균형화 염 용액, 크랩-헨젤라이트 변성 완충제, 크랩-링거 중탄산 완충제, 퍽 식염수, 둘베코 변성 이글 배지, 둘베코 변성 이글 배지/영양소 F-12 Ham, 영양소 혼합물 F-10Ham(Ham's F-10), 배지 199, 이글 최소 필수 배지, RPMI-1640 배지, 에임즈 배지, BGJb 배지(Fitton-JacksonModification), 클릭 배지, CMRL-1066 배지, 피셔 배지, 글라스코우 최소 필수배지(GMEM), 이스코브 변성 둘베코 배지(IMDM), L-15 배지(Leibovitz), 맥코이 5A 변성 배지, NCTC 배지, 스윔S-77 배지, 웨이마우스 배지,윌리엄 배지 E, MEM 배지 및 이의 조합을 포함한다. In the present invention, the cell culture medium refers to a mixture for growth and proliferation of cells in vitro containing essential elements such as growth and proliferation of cells. Preferably, the basic medium may be a chemically defined medium whose constituents and contents are clearly identified. The basic medium of the present invention may be artificially synthesized and used, or a commercially available chemically defined medium may be used. Commercially prepared media include, for example, Dulbecco's buffered saline, Earl balanced salt, Hank balanced salt, Tyrode salt, Alciber solution, Gay balanced salt solution, Crab-Hengelite denaturation buffer, Crab-Ringer bicarbonate buffer, Puck Saline, Dulbecco's Modified Eagle's Medium, Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrients F-12 Ham, Nutrient Mixture F-10Ham (Ham's F-10), Medium 199, Eagle Minimum Essential Medium, RPMI-1640 Medium, Ames Medium, BGJb Medium (Fitton-JacksonModification), Click medium, CMRL-1066 medium, Fisher medium, Glascow minimal essential medium (GMEM), Iscove modified Dulbecco medium (IMDM), L-15 medium (Leibovitz), McCoy 5A modified medium, NCTC Medium, Swim S-77 medium, Weymouth medium, William medium E, MEM medium, and combinations thereof.

본 발명의 상기 세포 배양 배지에는 당업계에서 세포 배양을 위해 배지에 첨가하는 임의의 첨가물질이 추가로 포함이 될 수 있다. 배양액 중의 다른 성분으로서 구체적으로는, 예를 들어 L-알라닌, L-알기닌, L-아스파라긴, L-아스파르트산, L-글루타민, L-글루탐산, 글리신, L-히스티딘, L-이소류신, L-류신, L-리신, L-메티오닌, L-오르니틴, L-페닐알라닌, L-프롤린, L-트레오닌, L-트립토판, L-발린 등, 바람직하게는 L-알라닌, L-알기닌, L-아스파라긴, L-아스파르트산, L-글루타민, L-글루탐산, 글리신, L-히스티딘, L-이소류신, L-류신, L-리신, L-메티오닌, L-페닐알라닌, L-프롤린, L-트레오닌, L-트립토판, L-발린 등의 아미노산류 ; i-이노시톨, 비오틴, 엽산, 리포산, 니코틴아미드, 니코틴산, p-아미노벤조산, 판토텐산 칼슘, 염산 피리독살, 염산 피리독신, 리보플라빈, 염산 티아민, 비타민 B12, 아스코르브산 등, 바람직하게는 비오틴, 엽산, 리포산, 니코틴산 아미드, 판토텐산 칼슘, 염산 피리독살, 리보플라빈, 염산 티아민, 비타민 B12, 아스코르브산 등의 비타민류 ; 염화 콜린, 타르타르산 콜린, 리놀산, 올레산, 콜레스테롤 등, 바람직하게는 염화 콜린 등의 지질 인자 ; 글루코오스, 갈락토오스, 만노오스, 프룩토오스 등, 바람직하게는 글루코오스 등의 에너지원 ; 염화 나트륨, 염화 칼륨, 질산 칼륨 등, 바람직하게는 염화 나트륨 등의 침투압 조절제) ; EDTA 철, 시트르산 철, 염화 제 1 철, 염화 제 2 철, 황산 제 1 철, 황산 제 2 철, 질산 제 2 철 등, 바람직하게는 염화 제 2 철, EDTA 철, 시트르산 철 등의 철원류 ; 탄산 수소 나트륨, 염화 칼슘, 인산 2수소 나트륨, HEPES, MOPS 등, 바람직하게는 탄산 수소 나트륨 등의 pH 완충제를 예시할 수 있다.The cell culture medium of the present invention may further contain any additives added to the medium for cell culture in the art. As other components in the culture medium, specifically, for example, L-alanine, L-arginine, L-asparagine, L-aspartic acid, L-glutamine, L-glutamic acid, glycine, L-histidine, L-isoleucine, L-leucine , L-lysine, L-methionine, L-ornithine, L-phenylalanine, L-proline, L-threonine, L-tryptophan, L-valine, and the like, preferably L-alanine, L-arginine, L-asparagine, L-aspartic acid, L-glutamine, L-glutamic acid, glycine, L-histidine, L-isoleucine, L-leucine, L-lysine, L-methionine, L-phenylalanine, L-proline, L-threonine, L-tryptophan Amino acids such as L-valine; i-inositol, biotin, folic acid, lipoic acid, nicotinamide, nicotinic acid, p-aminobenzoic acid, calcium pantothenate, pyridoxal hydrochloride, pyridoxine hydrochloride, riboflavin, thiamine hydrochloride, vitamin B12, ascorbic acid, etc., preferably biotin, folic acid, lipoic acid , Nicotinic acid amide, calcium pantothenate, pyridoxal hydrochloride, riboflavin, thiamine hydrochloride, vitamin B12, and vitamins such as ascorbic acid; Lipid factors such as choline chloride, choline tartrate, linoleic acid, oleic acid, cholesterol, and the like, preferably choline chloride; Energy sources such as glucose, galactose, mannose, and fructose, preferably glucose; Sodium chloride, potassium chloride, potassium nitrate, and the like, preferably a penetration pressure regulator such as sodium chloride); Iron sources such as EDTA iron, iron citrate, ferrous chloride, ferric chloride, ferrous sulfate, ferric sulfate, ferric nitrate and the like, preferably ferric chloride, iron EDTA, and iron citrate; PH buffering agents such as sodium hydrogen carbonate, calcium chloride, sodium dihydrogen phosphate, HEPES, MOPS, and the like, preferably sodium hydrogen carbonate, can be exemplified.

상기 성분 이외에, 예를 들어 황산 구리, 황산 망간, 황산 아연, 황산 마그네슘, 염화 니켈, 염화 주석, 염화 마그네슘, 아규산 나트륨 등, 바람직하게는 황산 구리, 황산 아연, 황산 마그네슘 등의 미량 금속 원소 ; Tween80, 플루로닉 F68 등의 계면 활성제 ; 및 재조합형 인슐린, 재조합형 IGF, 재조합형 EGF, 재조합형 FGF, 재조합형 PDGF, 재조합형 TGF-, 염산 에탄올아민, 아 (亞) 셀렌산 나트륨, 레티노인산, 염산 푸트레신 등, 바람직하게는 아셀렌산 나트륨, 염산 에탄올아민, 재조합형 IGF, 염산 푸트레신 등의 증식 보조 인자 ; 데옥시아데노신, 데옥시시티딘, 데옥시구아노신, 아데노신, 시티딘, 구아노신, 우리딘 등의 뉴클레오시드 등을 첨가해도 된다. 또한 상기 본 발명의 적합예에 있어서는, 스트렙토마이신, 페니실린 G 칼륨 및 겐타마이신 등의 항생 물질이나, 페놀 레드 등의 pH 지시약을 포함하고 있을 수 있다. In addition to the above components, for example, trace metal elements such as copper sulfate, manganese sulfate, zinc sulfate, magnesium sulfate, nickel chloride, tin chloride, magnesium chloride and sodium sulfite, preferably copper sulfate, zinc sulfate, and magnesium sulfate; Surfactants such as Tween 80 and Pluronic F68; And recombinant insulin, recombinant IGF, recombinant EGF, recombinant FGF, recombinant PDGF, recombinant TGF-, ethanolamine hydrochloride, sodium selenate, retinoic acid, putresin hydrochloride, and the like, preferably Growth cofactors such as sodium selenate, ethanolamine hydrochloride, recombinant IGF, and putrescine hydrochloride; Nucleosides, such as deoxyadenosine, deoxycytidine, deoxyguanosine, adenosine, cytidine, guanosine, uridine, etc. may be added. Further, in the preferred examples of the present invention, antibiotics such as streptomycin, penicillin G potassium, and gentamicin, and pH indicators such as phenol red may be included.

본 발명에서 상기 콘드로이티나제는 콘드로이틴 설페이트를 분해하는 효소를 의미하는 것으로서, 그 종류가 특별히 제한되지 않으며 당업계에 공지된 콘드로이티나제, 또는 향후 새롭게 밝혀질 신규 콘드로이티나제를 모두 포함한다. 바람직하게는 상기 콘드로이티나제는 콘드로이티나제 B, 콘드로이티나제 C, 콘드로이티나제 AC 및 콘드로이티나제 ABC로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 가장 바람직하게는 콘드로이티나제 ABC일 수 있다. In the present invention, the chondroitinase refers to an enzyme that degrades chondroitin sulfate, and its type is not particularly limited, and includes all of the chondroitinases known in the art or new chondroitinases to be discovered in the future. do. Preferably, the chondroitinase may be at least one selected from the group consisting of chondroitinase B, chondroitinase C, chondroitinase AC, and chondroitinase ABC, and most preferably chondroitinase It could be the first ABC.

본 발명의 상기 골관절염 모델 조성물에서 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 10%(w/v)로 포함되고, 상기 연골세포는 1ⅹ105 내지 1ⅹ109 cell/mL 및 상기 콘드로이티나제는 0.001 내지 1 unit/ml로 포함이 될 수 있다. In the osteoarthritis model composition of the present invention, the chondroitin sulfate or derivative thereof is contained in an amount of 1 to 10% (w/v), and the chondrocytes are 1x10 5 to 1x10 9 cells/mL and the chondroitinas are 0.001 to 1 It can be included in unit/ml.

바람직하게는 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 7%(w/v)로 포함되고, 상기 연골세포는 1ⅹ106 내지 1ⅹ108 cell/mL 및 상기 콘드로이티나제는 0.01 내지 0.5 unit/ml로 포함이 될 수 있다.Preferably, the chondroitin sulfate or a derivative thereof is contained in 1 to 7% (w/v), and the chondrocytes contain 1x10 6 to 1x10 8 cells/mL and the chondroitinase at 0.01 to 0.5 unit/ml Can be

가장 바람직하게는, 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 5%(w/v)로 포함되고, 상기 연골세포는 1ⅹ107 내지 1ⅹ108 cell/mL 및 상기 콘드로이티나제는 0.05 내지 0.3 unit/ml로 포함이 될 수 있다.Most preferably, the chondroitin sulfate or a derivative thereof is contained in an amount of 1 to 5% (w/v), and the chondrocytes are 1x10 7 to 1x10 8 cells/mL and the chondroitinase is 0.05 to 0.3 unit/ml Can be included as.

본 발명은 또한 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;The present invention also includes (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; 및(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium; And

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델을 제공한다. (d) Provides an in vitro three-dimensional osteoarthritis model prepared by a method comprising the step of treating the cell culture medium with chondroitinase.

본 발명에서 상기 (a) 내지 (d) 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. In the present invention, the steps (a) to (d) will be described in detail as follows.

(a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;(a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

상기 (a) 단계는 본 발명의 생체 외 3차원 골관절염 모델의 원료들을 혼합하는 단계로서, 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체, 연골세포에 대해서는 전술한 바가 동일하게 적용이 될 수 있다. The step (a) is a step of mixing the raw materials of the in vitro three-dimensional osteoarthritis model of the present invention, and the above-described same can be applied to the chondroitin sulfate or its derivatives, and cartilage cells.

본 발명에서 상기 가교제는 열가소성 고분자의 분자체와 화학적으로 반응하여 분자체를 상호 연결시키는 물질을 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 상기 (a) 단계에서 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체 상호간; 상기 생체적합성 고분자 상호간; 및/또는 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체와 상기 생체적합성 고분자 상호간을 연결시키는 물질을 의미한다. In the present invention, the crosslinking agent chemically reacts with the molecular sieve of the thermoplastic polymer to connect the molecular sieves to each other. In the present invention, in the step (a), chondroitin sulfate or a derivative thereof; Between the biocompatible polymers; And/or the chondroitin sulfate or a derivative thereof and the biocompatible polymer.

본 발명에서 상기 가교제는 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 수산화알루미늄, 수산화알루미늄겔, 함수규산알루미늄, 카올린, 아세트산알루미늄, 락트산알루미늄, 스테아르산알루미늄, 염화캄슘, 염화마그네슘, 염화알루미늄, 메타규산알루민산마그네슘, 규산알루민산마그네슘 등과 같은 다가 금속염일 수도 있고, 주석산, 글리콜산, 글루탐산, 젖산, 말레산, 구연산 등과 같은 유기산일 수도 있다. In the present invention, the type of the crosslinking agent is not particularly limited, but aluminum hydroxide, aluminum hydroxide gel, hydrous aluminum silicate, kaolin, aluminum acetate, aluminum lactate, aluminum stearate, calcium chloride, magnesium chloride, aluminum chloride, aluminum metasilicate It may be a polyvalent metal salt such as magnesium and magnesium aluminate, or an organic acid such as tartaric acid, glycolic acid, glutamic acid, lactic acid, maleic acid, and citric acid.

본 발명에서 상기 광개시제는 빛에 노출됨에 따라 신속한 가교결합을 유발하는 물질을 의미한다. 적절한 광학개시제의 비제한적인 예시로는, 아세토페논, 벤조인 메틸 에티르, 디에톡시아세토페논, 벤조일 포스핀 옥사이드 및 1-히드록시사이클로헥실 페닐 케톤, 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트, 벤질디메틸케탈, 아세토페논, 벤조인메틸에테르, 디에톡시아세토페논, 벤조일 포스핀 옥사이드, 1-하이드록시사이클로헥실 페닐 케톤, 2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로판 등을 들 수 있다. 첨가되는 광학개시제의 양은 노출되는 빛의 파장 및 시간에 따라 달라질 수 있다. 가교결합을 위한 바람직한 자외선의 파장은 300 nm 내지 400 nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 350 nm 내지 400 nm, 350 nm 내지 390 nm, 355 nm 내지 380 nm, 360 nm 내지 370 nm, 가장 바람직하게는 365 nm일 수 있다.In the present invention, the photoinitiator refers to a material that causes rapid crosslinking upon exposure to light. Non-limiting examples of suitable optical initiators include acetophenone, benzoin methyl ether, diethoxyacetophenone, benzoyl phosphine oxide and 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoyl Phosphinate, benzyl dimethyl ketal, acetophenone, benzoin methyl ether, diethoxyacetophenone, benzoyl phosphine oxide, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy )-2-methylpropane, etc. are mentioned. The amount of the optical initiator added may vary depending on the wavelength and time of the exposed light. The wavelength of the preferred ultraviolet ray for crosslinking may be 300 nm to 400 nm, more preferably 350 nm to 400 nm, 350 nm to 390 nm, 355 nm to 380 nm, 360 nm to 370 nm, most preferably May be 365 nm.

본 발명에서 상기 생체적합성 고분자는 3차원 구조체의 골격이 되는 하이드로겔을 형성할 수 있고, 연골세포의 성장에 부정적인 영향을 미치지 않는 고분자 물질을 의미한다. 본 발명에서 상기 생체적합성 고분자는 당업계에서 세포배양, 의료용품 제조 등에 활용이 되고 있는 생체적합성 고분자라면 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 알긴산, 젤라틴, 콜라겐, 히알루론산, 키토산, 피브리노겐, 피브린, 피브로넥틴, 라미닌, 엘라스틴, 프로테오글리칸, 아가로오스, 실크단백질, 글리코사미노글리칸, 셀룰로오스, 펙틴, 폴리에틸렌글리콜 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. In the present invention, the biocompatible polymer refers to a polymer material that can form a hydrogel that becomes a skeleton of a three-dimensional structure and does not negatively affect the growth of chondrocytes. In the present invention, the type of the biocompatible polymer is not particularly limited as long as it is a biocompatible polymer that is used in cell culture and medical product manufacturing in the art. For example, alginic acid, gelatin, collagen, hyaluronic acid, chitosan, fibrinogen, Fibrin, fibronectin, laminin, elastin, proteoglycan, agarose, silk protein, glycosaminoglycan, cellulose, pectin, polyethylene glycol, and derivatives thereof.

본 발명에서 상기 생체적합성 고분자의 유도체란 전술한 콘드로이틴 설페이트의 유도체와 동일한 의미로 해석이 될 수 있다. In the present invention, the derivative of the biocompatible polymer may be interpreted as having the same meaning as the derivative of chondroitin sulfate described above.

본 발명의 상기 (a) 단계의 조성물에서 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 10%(w/v), 상기 연골세포는 1ⅹ105 내지 1ⅹ109 cell/mL, 상기 가교제 또는 광개시제는 0.01 내지 10%(w/v) 및 상기 생체적합성 고분자는 1 내지 10%(w/v)로 포함이 될 수 있다. In the composition of step (a) of the present invention, chondroitin sulfate or a derivative thereof is 1 to 10% (w/v), the chondrocytes are 1x10 5 to 1x10 9 cells/mL, the crosslinking agent or photoinitiator is 0.01 to 10% ( w/v) and the biocompatible polymer may be included in an amount of 1 to 10% (w/v).

바람직하게는 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 7%(w/v), 상기 연골세포는 1ⅹ106 내지 1ⅹ108 cell/mL, 상기 가교제 또는 광개시제는 0.01 내지 5%(w/v) 및 상기 생체적합성 고분자는 1 내지 8%(w/v)로 포함이 될 수 있다. Preferably, the chondroitin sulfate or derivative thereof is 1 to 7% (w/v), the chondrocytes are 1x10 6 to 1x10 8 cell/mL, the crosslinking agent or photoinitiator is 0.01 to 5% (w/v) and the living body The compatible polymer may be contained in an amount of 1 to 8% (w/v).

더 바람직하게는, 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 5%(w/v)로 포함되고, 상기 연골세포는 1ⅹ107 내지 1ⅹ108 cell/mL, 상기 가교제 또는 광개시제는 0.01 내지 1%(w/v) 및 상기 생체적합성 고분자는 3 내지 8%(w/v)로 포함이 될 수 있다.More preferably, the chondroitin sulfate or derivative thereof is contained in 1 to 5% (w/v), the chondrocytes are 1x10 7 to 1x10 8 cells/mL, the crosslinking agent or photoinitiator is 0.01 to 1% (w/ v) and the biocompatible polymer may be included in an amount of 3 to 8% (w/v).

가장 바람직하게는, 상기 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체(CS-MA; chondroitin sulfate-methacrylate)는 3%(w/v)로 포함되고, 상기 연골세포는 1.5ⅹ107 cell/mL, 그리고 광개시제는 0.05%(w/v) 및 상기 생체적합성 고분자는 5%(w/v)로 포함될 수 있다. Most preferably, the chondroitin sulfate or a derivative thereof (CS-MA; chondroitin sulfate-methacrylate) is contained in 3% (w/v), the chondrocytes are 1.5 x 10 7 cells/mL, and the photoinitiator is 0.05% ( w/v) and the biocompatible polymer may be included in an amount of 5% (w/v).

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계에서의 조성물에 온도변화, 화학적 변화 또는 광 조사 등의 방법을 통해서 고분자 물질의 가교결합을 유도하는 단계로서 상기 (a) 단계의 조성물에 포함이 되는 고분자 물질의 종류, 가교제의 종류, 광개시제의 종류 등에 따라서 구체적인 가교방법은 통상의 기술자가 예의 적절하게 선택하여 수행할 수 있다. The step (b) is a step of inducing crosslinking of a polymer material through a method such as temperature change, chemical change, or light irradiation in the composition in step (a), and the polymer included in the composition in step (a) A specific crosslinking method according to the type of material, the type of crosslinking agent, the type of photoinitiator, etc. can be performed by a person skilled in the art by selecting appropriately.

본 발명에서 상기 3차원 구조체의 형상과 크기, 그리고 제조방법이 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 (a) 단계에서 제조된 조성물을 3차원 프린터에 충전하여 일정한 형상으로 3차원 프린팅한 후 가교결합을 유도하여 제조될 수도 있고, 또는 일정한 형상을 갖는 몰드에 충전하여 가교결합을 유도하여 제조될 수도 있다. In the present invention, the shape and size of the 3D structure, and the manufacturing method are not particularly limited, and for example, the composition prepared in step (a) is filled in a 3D printer, and then crosslinked after 3D printing in a predetermined shape. It may be prepared by inducing bonding, or may be prepared by inducing crosslinking by filling in a mold having a certain shape.

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계;(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium;

상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계에서 제조된 3차원 구조체를 세포 배양 배지 내에 위치시켜 3차원 구조체 내에 포함된 연골세포가 정상적으로 성장할 수 있는 환경을 제공해주는 단계이다. In the step (c), the three-dimensional structure prepared in step (b) is placed in a cell culture medium to provide an environment in which chondrocytes contained in the three-dimensional structure can normally grow.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서 배양된 연골세포는 정상적으로 성숙하여 비정상적 형태로 변형이 되지 않는다는 것이 확인되었다. According to an embodiment of the present invention, it was confirmed that the chondrocytes cultured in the step (c) matured normally and were not transformed into an abnormal form.

본 발명에서 상기 세포 배양 배지는 전술한 바가 동일하게 적용이 될 수 있다. In the present invention, the cell culture medium may be applied in the same manner as described above.

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하는 단계;(d) treating the cell culture medium with chondroitinase;

상기 (d) 단계는 콘드로이틴 설페이트 기반의 3차원 구조체 내에서 성장 중인 연골세포에 골관절염과 유사한 환경을 조성해주는 단계로서, 구체적으로는 상기 3차원 구조체에 콘드로이티나제를 처리해 줌으로써 콘드로이틴 설페이트가 분해되어 연골세포에 골관절염과 유사한 병리학적 반응을 유도하는 단계이다. The step (d) is a step of creating an environment similar to osteoarthritis to chondrocytes growing in a three-dimensional structure based on chondroitin sulfate, specifically, by treating the three-dimensional structure with chondroitinase, chondroitin sulfate is decomposed. This is the step of inducing a pathological reaction similar to osteoarthritis in chondrocytes.

본 발명에서 상기 콘드로이티나제는 전술한 바가 동일하게 적용이 될 수 있다. In the present invention, the chondroitinase may be applied in the same manner as described above.

간략하게, 상기 콘드로이티나제는 세포 배양 배지에 0.001 내지 1 unit/ml으로 처리가 될 수 있고, 바람직하게는 0.01 내지 0.5 unit/ml, 가장 바람직하게는 0.05 내지 0.3 unit/ml로 처리가 될 수 있다. Briefly, the chondroitinase may be treated in a cell culture medium at 0.001 to 1 unit/ml, preferably 0.01 to 0.5 unit/ml, most preferably 0.05 to 0.3 unit/ml. I can.

또한, 상기 콘드로이티나제가 처리된 세포 배양 배지는 일정한 주기에 따라 교환될 수 있으며, 예를 들어, 1일, 2일, 3일, 4일, 5일, 6일 또는 7일에 한 번씩 콘드로이티나제가 처리된 세포 배양 배지가 교환될 수 있다. In addition, the chondroitinase-treated cell culture medium may be exchanged according to a certain cycle, for example, chondroitinase once every 1 day, 2 days, 3 days, 4 days, 5 days, 6 days or 7 days. The cell culture medium treated with rotinase can be exchanged.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서 3차원 구조체를 배양 배지에서 1 내지 2주 동안 배양한 후, 콘드로이티나제를 1 내지 2주간 처리한 결과 골관절염과 유사한 병리학적 현상들이 관찰되는 것이 확인된 바 있다. According to an embodiment of the present invention, after culturing the three-dimensional structure in a culture medium in step (c) for 1 to 2 weeks, as a result of treatment with chondroitinase for 1 to 2 weeks, pathological phenomena similar to osteoarthritis It has been confirmed to be observed.

따라서, 본 발명의 상기 (c) 단계는 1 내지 5주 동안 유지되며, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계 개시일로부터 1일 내지 2주 경과 후 시작되는 것이 바람직할 수 있다. Accordingly, the step (c) of the present invention is maintained for 1 to 5 weeks, and the step (d) may preferably be started after 1 day to 2 weeks from the start date of step (c).

더 바람직하게는 본 발명의 상기 (c) 단계는 1 내지 4주 동안 유지되며, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계 개시일로부터 1일 내지 2주 경과 후 시작이 될 수 있다. More preferably, the step (c) of the present invention is maintained for 1 to 4 weeks, and the step (d) may be started after 1 day to 2 weeks from the start date of step (c).

가장 바람직하게는 본 발명의 상기 (c) 단계는 2 내지 3주 동안 유지되며, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계 개시일로부터 1일 내지 2주 경과 후 시작이 될 수 있다. Most preferably, the step (c) of the present invention is maintained for 2 to 3 weeks, and the step (d) may be started after 1 day to 2 weeks from the start date of step (c).

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 (a) 내지 (d) 단계를 거쳐 총 3주간 배양된 3차원 골관절염 모델은, 실험 종료 시점에 골관절염 환자의 연골에서 나타나는 것과 동일하게 연골세포의 비대성 형태학적 변화(hypertrophic morphological change)가 관찰되었고, 상기 연골세포에서 유전자의 발현 변화를 평가한 결과, 골관절염의 핵심 특징인 연골세포 외 기질 (extracellular matrix, 이하 “ECM”이라 함) 분해를 담당하는 MMP-13 및 ADAMTS5의 발현, 산화 스트레스의 마커인 Fth1, Hmox1 및 Txn의 발현이 크게 증가하였고, 배양 상등액 내 NO 수준 또한 크게 증가되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 통해서, 콘드로이틴 설페이트가 콘드로이티나제로 분해되는 조건을 제공하는 본 발명의 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델은 실제 골관절염에서와 유사한 형태학적 및 분자생리학적 변화를 유도할 수 있음을 알 수 있었다. According to another embodiment of the present invention, the three-dimensional osteoarthritis model cultured for a total of 3 weeks through steps (a) to (d) above is the hypertrophic form of chondrocytes, as shown in the cartilage of a patient with osteoarthritis at the end of the experiment. Hypertrophic morphological change was observed, and as a result of evaluating the change in gene expression in the chondrocytes, MMP- which is responsible for decomposing the extracellular matrix (hereinafter referred to as “ECM”), a key feature of osteoarthritis. 13 and ADAMTS5 expression, the expression of Fth1, Hmox1 and Txn, which are markers of oxidative stress, were significantly increased, and the NO level in the culture supernatant was also found to be significantly increased. Through these results, it was found that the in vitro three-dimensional osteoarthritis model of the present invention, which provides conditions for the degradation of chondroitin sulfate into chondroitinase, can induce morphological and molecular physiological changes similar to those in actual osteoarthritis. Could know.

본 발명은 또한 (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;The present invention also includes (a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;

(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);

(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; (c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium;

(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase) 및 골관절염 치료제 후보물질을 처리하는 단계; 및(d) treating the cell culture medium with chondroitinase and an osteoarthritis therapeutic agent; And

(e) 3차원 구조체 내 연골세포의 형태학적 특성; 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량; 및 상기 배양 배지 내 NO 생성량으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 평가항목에 대한 미처리 대조군과 골관절염 치료제 후보물질 처리군의 차이를 비교하는 단계를 포함하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법을 제공한다. (e) morphological characteristics of chondrocytes in the three-dimensional structure; Expression of oxidative stress markers, inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or extracellular matrix degrading enzymes in chondrocytes; And comparing the difference between the untreated control group and the osteoarthritis treatment candidate treatment group for at least one evaluation item selected from the group consisting of the amount of NO production in the culture medium.

전술한 본 발명의 생체 외 3차원 골관절염 모델은 실제 골관절염에서 나타나는 형태학적 및 분자생리학적 변화를 거의 그대로 모사하기 때문에, 골관절염 치료제 후보물질의 스크리닝에 매우 유용하게 활용이 될 수 있다. Since the above-described in vitro three-dimensional osteoarthritis model of the present invention simulates the morphological and molecular physiological changes occurring in actual osteoarthritis almost as it is, it can be very usefully used for screening of candidates for osteoarthritis treatment.

본 발명의 상기 스크리닝 방법의 (a) 내지 (d) 단계는 전술한 3차원 골관절염 모델에서 설명한 바가 동일하게 적용이 될 수 있다. Steps (a) to (d) of the screening method of the present invention may be applied in the same manner as described in the three-dimensional osteoarthritis model.

한편, 본 발명의 상기 (d) 단계에서 골관절염 치료제 후보물질을 처리하는 방법은 치료제 후보물질의 효과에 따라서 변경이 될 수 있으며, 예를 들어 콘드로이티나제 처리와 동시에 진행이 될 수도 있고, 치료제 후보물질을 먼저 처리한 후 콘드로이티나제를 처리할 수도 있으며, 또는 콘드로이티나제를 처리한 후 치료제 후보물질을 처리할 수도 있다. On the other hand, the method of treating the candidate osteoarthritis drug in step (d) of the present invention may be changed according to the effect of the drug candidate, for example, it may proceed simultaneously with the chondroitinase treatment, or the treatment The candidate substance may be treated first and then chondroitinase may be treated, or the candidate therapeutic substance may be treated after chondroitinase treatment.

본 발명에서 상기 골관절염 치료제 후보물질은 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 천연물, 합성화합물, RNA, DNA, 폴리펩티드, 효소, 단백질, 리간드, 항체, 박테리아 또는 진균의 대사물 및 생활성 분자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.In the present invention, the kind of the candidate osteoarthritis therapeutic agent is not particularly limited, and is preferably a natural product, synthetic compound, RNA, DNA, polypeptide, enzyme, protein, ligand, antibody, metabolite of bacteria or fungi, and bioactive molecules. It may be selected from the group consisting of.

본 발명에서 상기 (e) 단계는 골관절염 치료제 후보물질 처리군과 미처리 대조군에서 관찰되는 여러가지 생리학적 또는 병리학적 변화들을 비교하는 단계로서, 상기 생리학적 또는 병리학적 변화란 3차원 구조체 내 연골세포의 형태학적 특성; 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량; 및 상기 배양 배지 내 NO 생성량으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. In the present invention, step (e) is a step of comparing various physiological or pathological changes observed in the treatment group for osteoarthritis treatment candidates and the untreated control group, wherein the physiological or pathological change refers to the shape of chondrocytes in the three-dimensional structure. Academic characteristics; Expression of oxidative stress markers, inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or extracellular matrix degrading enzymes in chondrocytes; And it may be one or more selected from the group consisting of the amount of NO production in the culture medium.

보다 구체적으로는 상기 연골세포의 형태학적 특성은 비대성 변화(hypertrophic change)이고; 상기 산화성 스트레스 마커는 Rth1, Hmox1 및 Txn으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고; 상기 세포 외 기질 분해효소는 MMP-13 또는 ADAMTS5 일 수 있다. More specifically, the morphological characteristics of the chondrocytes are hypertrophic changes; The oxidative stress marker is at least one selected from the group consisting of Rth1, Hmox1 and Txn; The extracellular matrix degrading enzyme may be MMP-13 or ADAMTS5.

한편, 상기 (e) 단계에서 미처리 대조군과 비교해 골관절염 치료제 후보물질 처리군에서 하기 (i) 내지 (iv)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 만족하는 결과가 나타난 경우, 상기 후보물질이 골관절염 치료효과를 나타내는 것으로 판정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다:On the other hand, in step (e), when a result that satisfies at least one selected from the group consisting of the following (i) to (iv) in the osteoarthritis treatment candidate material treatment group compared to the untreated control group is shown, the candidate material is effective in treating osteoarthritis It may further include determining to represent:

(i) 3차원 구조체 내 연골세포의 비대성 변화(hypertrophic change)의 억제; (i) inhibition of hypertrophic change of chondrocytes in the three-dimensional structure;

(ii) 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량 감소, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 감소 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량 감소; 및 (ii) decreased expression of oxidative stress markers in chondrocytes, decreased expression of inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or decreased expression of extracellular matrix degrading enzymes; And

(iii) 배양 배지 내 NO 생성량 감소. (iii) Reduction of NO production in the culture medium.

본 발명의 생체 외(in vitro) 골관절염 모델 조성물 및 3차원 골관절염 모델은 실제 골관절염 환자의 연골에서 나타나는 다양한 형태학적 또는 분자생리학적 변화들을 매우 유사하게 모사하므로, 골관절염의 병태 연구, 골관절염 치료제의 효능 검증 등에 매우 유용하게 활용이 될 수 있다. The in vitro osteoarthritis model composition and the three-dimensional osteoarthritis model of the present invention very similarly simulate various morphological or molecular physiological changes that appear in the cartilage of an actual osteoarthritis patient. It can be used very usefully.

도 1a 내지 1c를 포함하는 도 1은 연골세포가 포함된 콘드로이틴 설페이트 (CS) 기반 3차원 하이드로겔을 7주간 배양하면서 나타나는 연골세포의 형태학적 변화와 연골세포 분화 마커 유전자의 발현 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 1a에서는 CS-기반 3차원 하이드로겔에 연골세포를 배양하기 위해 3% (w/v)의 CS 및 5% (w/v)의 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 구성된 3차원 하이드로겔 솔루션 (solution)을 1.5 X 107 cell/mL 농도의 연골세포와 광개시제와 혼합한다. 자체 제작한 몰드의 하단을 Autoclave로 멸균한 PCR 필름으로 밀봉 후 상기 혼합물을 각각 100 ul/well의 양을 넣고 365nm의 UV에 5 내지 20분간 노출시켜 가장 적합한 UV 노출 시간을 확인하였다.
도 1b는 1a에서 제시한 방법으로 만든 CS 기반 3차원 하이드로겔에서 배양한 연골세포의 시간에 따른 형태학적 변화 및 연골기질의 생성 정도를 H&E 와 Safranin-O 염색을 통해 확인한 결과이다.
도 1c는 연골세포의 분화 마커 유전자의 발현 변화를 RT-qPCR을 통해 확인한 결과이다.
도 2a 내지 2f를 포함하는 도 2는 콘드로이틴 설페이트(CS)로 이루어진 세포외 기질(ECM)의 분해만으로도 연골세포의 비대성 변화(hypertrophy-like changes), 연골세포 내에서 MMP-13, ADAMTS5 및 산화 스트레스의 증가를 유발하기에 충분하다는 것을 보여주는 일련의 실험 결과를 나타낸다.
도 2a는 CS-기반의 3차원 하이드로겔 배양 시스템에 콘드로이티나제 ABC(ChABC)를 처리하는 스케쥴을 간략하게 나타낸 모식도이다. E15.5 마우스의 긴 뼈에서 분리한 1차 연골세포를 3% (w/v)의 CS 및 5% (w/v)의 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 구성된 3차원 하이이드로겔 배양 시스템에 1.5 X 107 cell/mL의 농도로 연골세포를 3주간 배양한다. ChABC는 도 1a에 도시된 바와 같이 1주간 또는 2주간 3차원 하이드로겔 배양 시스템에 처리한다.
도 2b는 3차원 하이드로겔 배양 시스템 내에서 연골세포의 전체적인 형태를 헤마톡실린&에오신 염색을 통해 관찰한 도면이다.
도 2c는 연골세포-특이적인 연골성 분화(chondrogenic differentiation)의 마커 유전자의 발현 정도를 qRT-PCR로 분석한 결과이다.
도 2d는 연골세포와 관련된 주요 신호전달체계에 포함된 표적 유전자들의 RNA 발현량을 분석한 결과이다.
도 2e는 연골세포의 비대화 및 산화 스트레스에 대한 마커인 MMP-13 및 8-oxo-dG를 면역형광염색법으로 관찰한 결과이다.
도 2f는 전체 세포 대비 MMP-13 또는 8-oxo-dG로 염색된 세포들의 비율을 정량화하여 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 3d를 포함하는 도 3은 3차원 연골세포 배양 시스템에서 CS 기반의 ECM 분해는 TLR2 및 TLR4를 통해서 MMP-13, ADAMTS5, 산화 스트레스 및 NO 생성을 증가시킨다는 것을 확인한 결과이다.
도 3a는 연골세포의 전체적인 형태학적 변화 관찰을 위한 H&E 염색 결과를 나타낸 도면이다. CS 기반의 3차원 하이드로겔 배양 시스템에서 배양된 1차 연골세포에 OxPAPC(TLR2 및 TLR4 저해제) 또는 LPS-RS(TLR4-MD2 저해제)의 존재 하에서 콘드로이티나제 ABC(ChABC)를 2주간 처리했다. 상부 도면에서 검정색 사각형 부분을 확대하여 하부 도면에 나타낸 것이다.
도 3b는 표시된 표적 유전자들의 RNA 발현을 실시간 qRT-PCR로 분석한 결과이다.
도 3c는 3차원 하이드로겔 배양 시스템의 배양 상등액에서 NO 농도를 측정한 결과이다.
도 3d는 3차원 하이드로겔 배양 시스템의 동결 절편에서 8-oxo-dG, MMP-13 및 ADAMTS5를 면역형광염색하여 관찰한 도면 및 염색이 양성으로 판단된 세포의 비율을 정량화하여 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4e를 포함하는 도 4는 CS 분해에 의한 연골세포의 이화성 변화(catabolic changes)는 MAPK, NF-kB, STAT4 및 NO 신호체계 의존적임을 확인한 결과이다.
도 4a는 다양한 신호전달계 저해제의 존재 하에서 ChABC를 처리한 3차원 하이드로겔 배양 시스템의 동결-절편을 H&E로 염색하여 관찰한 결과이다.
도 4b는 다양한 신호전달계 저해제의 존재 하에서 ChABC를 처리한 3차원 하이드로겔 배양 시스템에서 배양된 연골세포에서 표시된 유전자의 발현량을 실시간 qRT-PCR로 분석한 결과이다.
도 4c는 다양한 신호전달계 저해제의 존재 하에서 배양된 3차원 하이드로겔 배양 시스템의 배양 상등액에서 NO 농도를 측정한 결과이다.
도 4d는 MMP-13(붉은색 염색) 또는 8-oxo-dG(연두색)을 면역형광염색하여 관찰한 결과이다. DAPI(파란색)를 핵 대조염색으로 사용하였다.
도 4e는 상기 면역형광염색 실험에서 표적(MMP-13 또는 8-oxo-dG)-양성 세포/DAPI 양성세포의 비율을 정량화하여 나타낸 결과이다.
도 5a 및 5b를 포함하는 도 5는 NO의 저해는 MAPK 및 NF-kB 신호체계의 인산화를 완화하지만, STAT3 신호체계는 그렇지 않다는 것을 확인한 결과이다.
도 5a는 iNOS 저해제인 1400w의 존재 또는 부존재 하에서 LPS에 의한 MAPK, IkBa 및 STAT3의 인산화 여부를 시간 흐름에 따라 관찰한 웨스턴 블롯 결과이다.
도 5b는 CS 기반의 ECM의 분해에 의한 연골세포의 이화성 작용의 기전을 나타낸 모식도이다.
1 including FIGS. 1A to 1C shows the results of confirming the morphological changes of chondrocytes and the expression of chondrocyte differentiation marker genes that appear while culturing a chondroitin sulfate (CS)-based three-dimensional hydrogel containing chondrocytes for 7 weeks. Show.
1A shows a three-dimensional hydrogel solution consisting of 3% (w/v) of CS and 5% (w/v) of polyethylene glycol (PEG) to cultivate chondrocytes in a CS-based three-dimensional hydrogel. Is mixed with the chondrocytes and photoinitiator at a concentration of 1.5 X 10 7 cells/mL. After sealing the lower end of the self-made mold with a PCR film sterilized with an autoclave, the mixture was each added in an amount of 100 ul/well and exposed to UV of 365 nm for 5 to 20 minutes to confirm the most suitable UV exposure time.
Figure 1b is a result of confirming the morphological change and the degree of production of cartilage substrates of chondrocytes cultured in a CS-based three-dimensional hydrogel made by the method presented in 1a through H&E and Safranin-O staining.
Figure 1c is a result of confirming the expression change of the differentiation marker gene of chondrocytes through RT-qPCR.
Figure 2, including Figures 2a to 2f, shows hypertrophy-like changes in chondrocytes only by decomposition of the extracellular matrix (ECM) consisting of chondroitin sulfate (CS), MMP-13, ADAMTS5, and oxidative stress in chondrocytes. The results of a series of experiments showing that it is sufficient to cause an increase in
Figure 2a is a schematic diagram schematically showing a schedule for treating chondroitinase ABC (ChABC) in a CS-based three-dimensional hydrogel culture system. E15.5 Primary chondrocytes isolated from long bones of mice were added to a three-dimensional hydrogel culture system consisting of 3% (w/v) CS and 5% (w/v) polyethylene glycol (PEG) at 1.5 X. Incubate chondrocytes at a concentration of 10 7 cells/mL for 3 weeks. ChABC is treated in a three-dimensional hydrogel culture system for 1 week or 2 weeks as shown in FIG. 1A.
FIG. 2B is a diagram illustrating the overall morphology of chondrocytes in a three-dimensional hydrogel culture system through hematoxylin & eosin staining.
Figure 2c is a result of analyzing the expression level of the marker gene for chondrogenic differentiation (chondrogenic differentiation) by qRT-PCR.
2D is a result of analyzing the RNA expression levels of target genes included in the major signaling systems related to chondrocytes.
2E is a result of observation of MMP-13 and 8-oxo-dG, which are markers for hypertrophy of chondrocytes and oxidative stress, by immunofluorescence staining.
2F is a diagram showing quantification of the ratio of cells stained with MMP-13 or 8-oxo-dG relative to all cells.
3 including FIGS. 3A to 3D is a result of confirming that CS-based ECM degradation in a three-dimensional chondrocyte culture system increases MMP-13, ADAMTS5, oxidative stress and NO production through TLR2 and TLR4.
3A is a view showing the results of H&E staining for observing the overall morphological change of chondrocytes. Primary chondrocytes cultured in a CS-based three-dimensional hydrogel culture system were treated with chondroitinase ABC (ChABC) in the presence of OxPAPC (TLR2 and TLR4 inhibitor) or LPS-RS (TLR4-MD2 inhibitor) for 2 weeks. . In the upper drawing, the black square is enlarged and shown in the lower drawing.
3B is a result of analyzing the RNA expression of the indicated target genes by real-time qRT-PCR.
3C is a result of measuring the NO concentration in the culture supernatant of the three-dimensional hydrogel culture system.
Figure 3d is a diagram observed by immunofluorescence staining of 8-oxo-dG, MMP-13 and ADAMTS5 in a frozen section of a three-dimensional hydrogel culture system, and a graph showing the quantification of the proportion of cells whose staining is determined to be positive.
Figure 4, including Figures 4a to 4e, is a result of confirming that the catabolic changes of chondrocytes due to CS decomposition are dependent on MAPK, NF-kB, STAT4 and NO signaling systems.
4A is a result of observation by staining a frozen section of a three-dimensional hydrogel culture system treated with ChABC in the presence of various signal transduction inhibitors with H&E.
4B is a result of real-time qRT-PCR analysis of the expression levels of genes indicated in chondrocytes cultured in a three-dimensional hydrogel culture system treated with ChABC in the presence of various signal transduction inhibitors.
Figure 4c is a result of measuring the NO concentration in the culture supernatant of the three-dimensional hydrogel culture system cultured in the presence of various signaling inhibitors.
4D is a result of observation by immunofluorescence staining of MMP-13 (red staining) or 8-oxo-dG (yellow green color). DAPI (blue) was used as a nuclear counterstain.
4E is a result of quantifying the ratio of target (MMP-13 or 8-oxo-dG)-positive cells/DAPI-positive cells in the immunofluorescence staining experiment.
5, including FIGS. 5A and 5B, is a result of confirming that inhibition of NO mitigates phosphorylation of MAPK and NF-kB signaling systems, but not STAT3 signaling systems.
5A is a Western blot result of observing the phosphorylation of MAPK, IkBa and STAT3 by LPS in the presence or absence of 1400w, an iNOS inhibitor, over time.
5B is a schematic diagram showing the mechanism of catabolic action of chondrocytes by decomposition of CS-based ECM.

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

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.

1. 실험방법1. Experiment method

(1) 연골세포의 1차 배양(primary chondrocyte culture)(1) primary chondrocyte culture

1차(primary) 연골세포는 E15.5 마우스의 긴 뼈에서 분리하였다. 0.2% BSA, 0.25mM 아스코르빈산, 1mM β-글리세로포스페이트, 0.25% L-글루타민 및 0.25% 페니실린 스트렙토마이신이 보충된 α-MEM-기반 장기 배양배지에서 뼈 (상완골 반경, 대퇴골 및 경골)를 단리하고 평형화시켰다. 37℃, 5% CO2에서 하루 밤샘 배양하였다. 이들 배양세포를 trypsin-EDTA 37℃에서 15분간 부드럽게 흔들어 항온 배양한 후 콜라게나제 P(Worthington, Lakewood, NJ) 3 mg/ml 및 10% FBS를 함유한 DMEM 배지에서 2시간 동안 소화(digest)시켰다. 단편화 된 긴 뼈를 40-μm 나일론 메쉬(BD Bioscience, San Jose, CA)로 여과하고 세포를 원심분리로 수집하였다. 세포를 10% FBS와 0.25% L-glutamine을 포함한 2:3 DMEM:F12 배지에서 배양하였다. 탈분화를 최소화하기 위해 passage 0의 1차 연골세포를 실험에 사용하였다.Primary chondrocytes were isolated from long bones of E15.5 mice. Bone (humeral radius, femur and tibia) in α-MEM-based organ culture medium supplemented with 0.2% BSA, 0.25 mM ascorbic acid, 1 mM β-glycerophosphate, 0.25% L-glutamine and 0.25% penicillin streptomycin. Isolate and equilibrate. Incubated overnight at 37°C and 5% CO 2 . These cultured cells were incubated for 15 minutes by gently shaking trypsin-EDTA at 37°C, and then digested for 2 hours in DMEM medium containing 3 mg/ml of collagenase P (Worthington, Lakewood, NJ) and 10% FBS. Made it. Fragmented long bones were filtered through a 40-μm nylon mesh (BD Bioscience, San Jose, CA) and cells were collected by centrifugation. Cells were cultured in 2:3 DMEM:F12 medium containing 10% FBS and 0.25% L-glutamine. In order to minimize dedifferentiation, primary chondrocytes of passage 0 were used in the experiment.

(2) 1차 연골세포가 충진된 3차원 하이드로겔 배양 및 콘드로이티나제(chondroitinase) ABC의 처리(2) 3D hydrogel culture filled with primary chondrocytes and treatment of chondroitinase ABC

콘드로이틴 설페이트-메타크릴레이트(chondroitin sulfate-methacrylate, CS-MA) 중합체는 종래 보고된 방법에 따라 합성하였다. 간략하게, 2-모르폴리 노 에탄술폰산 (MES, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) 및 염화나트륨을 증류수에 교반하여 완전히 용해시켰다. 콘드로이틴 설페이트 소디움(Sigma-Aldrich), N-히드록시숙신이미드(hydroxysuccinimide, NHS, Sigma-Aldrich) 및 1-에틸-3-(3- 디메틸아미노프로필)-카르보디이미드히드로클로라이드 (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride, EDC, Sigma-Aldrich)를 상기 용액에 첨가하고 5분간 교반한 후, 2-아미노에틸메타크릴레이트(aminoethyl methacrylate, AEMA, Sigma-Aldrich)를 첨가하였다. 반응 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 빛을 차단한 상태로 유지하고, 증류수에서 4일간 투석한 후 0.22μm 주사기 필터로 여과하였다. CS-MA를 진공 오븐에서 및 실온에서 하룻밤 건조시킨 후 -20℃에서 보관하였다. The chondroitin sulfate-methacrylate (CS-MA) polymer was synthesized according to a conventionally reported method. Briefly, 2-morpholino ethanesulfonic acid (MES, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) and sodium chloride were completely dissolved by stirring in distilled water. Chondroitin sulfate sodium (Sigma-Aldrich), N-hydroxysuccinimide (NHS, Sigma-Aldrich) and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride (1-ethyl- 3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride, EDC, Sigma-Aldrich) was added to the solution, stirred for 5 minutes, and then 2-aminoethyl methacrylate (AEMA, Sigma-Aldrich) was added. The reaction mixture was kept blocked from light for 24 hours at room temperature, dialyzed for 4 days in distilled water, and then filtered through a 0.22 μm syringe filter. CS-MA was dried in a vacuum oven and at room temperature overnight and then stored at -20°C.

연골세포를 내포시키기 위해 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (poly(ethylene glycol diacrylate), PEGDA, Laysan Bio) 5% (w/v), CS-MA 중합체 3% (w/v) 및 광개시제(2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로판(Sigma-Aldrich) 0.05% (w/v)를 PBS에 첨가하고 볼텍싱(vortexing)하여 완전히 용해시킨 후, 1차 연골세포를 1.5 x 107 세포/ml의 밀도로 상기 혼합액에 첨가하였다. 1차 연골 세포가 포함된 상기 하이드로겔 용액을 30번 완전히 섞은 후 100μl의 상기 세포-하이드로겔 현탁액을 PCR 필름으로 실링한 자체 제작-겔 몰드에 넣고, 장파장 웨이브 자외선 램프 (UVP, LLC, California, USA)를 이용하여 10분 동안 3 mW/cm2의 UV(365 nm 파장)에 노출시켜 폴리머화 하였다. 이후, 겔 몰드에서 PCR 필름을 제거하고 PBS가 들어있는 100mm 플레이트에 겔을 위치시켰다. 세포가 가득찬 상기 하이드로겔을 1 차 연골세포 성장배지 1.5ml가 첨가된 24-well plate에서 3주간 배양하였다. Poly(ethylene glycol diacrylate), PEGDA, Laysan Bio) 5% (w/v), CS-MA polymer 3% (w/v) and photoinitiator (2-hydroxyl) to encapsulate chondrocytes -4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropane (Sigma-Aldrich) 0.05% (w/v) was added to PBS and vortexed to completely dissolve, and then primary chondrocytes were It was added to the mixture at a density of 1.5 x 10 7 cells/ml. After thoroughly mixing the hydrogel solution containing primary chondrocytes 30 times, 100 μl of the cell-hydrogel suspension was sealed with a PCR film. The gel mold was put into a gel mold, and then polymerized by exposure to UV (365 nm wavelength) of 3 mW/cm 2 for 10 minutes using a long wave ultraviolet lamp (UVP, LLC, California, USA). After removing the cells, the gel was placed on a 100 mm plate containing PBS, and the hydrogel filled with cells was cultured in a 24-well plate containing 1.5 ml of primary chondrocyte growth medium for 3 weeks.

콘드로이티나제 ABC (ChABC, 0.1 unit/ml, Sigma-Aldrich)는 다양한 저해제(30μg/ml of OxPAPC for TLR2/4, and 10μg/ml LPS-RS for TLR4-MD2 from Invitrogen, 10μM SB203580 for p38 MAPK from Sigma-Aldrich, 20nM PD98059 for ERK1/2 MAPK from Cell Signaling Technology, and 20μM SP600125 for JNK MAP kinase, 10μM JSH-23 for NF-kB, 50μM 1400w for NOS, 3mM N-acetyl-cysteine (NAC) for ROS and 5μM Stattic for Stat3 from Sigma-Aldrich)의 존재 하에서 1 또는 2주간 처리하였다. 배지는 3일마다 교환했다. Chondroitinase ABC (ChABC, 0.1 unit/ml, Sigma-Aldrich) is a variety of inhibitors (30 μg/ml of OxPAPC for TLR2/4, and 10 μg/ml LPS-RS for TLR4-MD2 from Invitrogen, 10 μM SB203580 for p38 MAPK from Sigma-Aldrich, 20nM PD98059 for ERK1/2 MAPK from Cell Signaling Technology, and 20μM SP600125 for JNK MAP kinase, 10μM JSH-23 for NF-kB, 50μM 1400w for NOS, 3mM N-acetyl-cysteine (NAC) for ROS and 5 μM Stattic for Stat3 from Sigma-Aldrich) for 1 or 2 weeks. The medium was changed every 3 days.

(3) 실시간 정량적 중합효소 연쇄반응 분석(Real-time qPCR analysis)(3) Real-time quantitative polymerase chain reaction analysis (Real-time qPCR analysis)

Easy Blue 시약 (iNtRON biotechnology, Korea)을 사용하여 배양된 1차 연골세포가 함유된 3D 하이드로겔에서 총 RNA를 분리하였다. cDNA는 random hexameter와 oligod(T) 프라이머 및 역전사 키트(ELPIS Biotech, Korea)를 사용하여 총 RNA 2μg에서 합성하였으며, 실시간 qPCR은 SYBR 그린 마스터 믹스를 사용하여 ViiA7 machine(Applied Biosystems, Waltham, MA)에서 수행하였다. 표적 유전자의 발현은 Gapdh로 표준화하였다. RT-qPCR에 사용된 프라이머의 서열을 하기 표 1에 나타내었다. Total RNA was isolated from a 3D hydrogel containing primary chondrocytes cultured using Easy Blue reagent (iNtRON biotechnology, Korea). cDNA was synthesized from 2 μg of total RNA using a random hexameter, oligod(T) primer and reverse transcription kit (ELPIS Biotech, Korea). Performed. Expression of the target gene was normalized to Gapdh. The sequence of the primers used for RT-qPCR is shown in Table 1 below.

GeneGene GenBank Acc. No.GenBank Acc. No. SequencesSequences Amplicon (bp)Amplicon (bp) Sox9Sox9 NM_011448NM_011448 Forward: 5'-CAGCCCCTTCAACCTTCCTC-3'
Reverse: 5'-TGATGGTCAGCG- TAGTCGTATT-3'
Forward: 5'-CAGCCCCTTCAACCTTCCTC-3'
Reverse: 5'-TGATGGTCAGCG- TAGTCGTATT-3'
9494
Col2Col2 NM_031163NM_031163 Forward: 5'-CGGTCCTACGGTGTCAGG-3'
Reverse: 5'-TTATACCTCTGCCCATTCTGC-3'
Forward: 5'-CGGTCCTACGGTGTCAGG-3'
Reverse: 5'-TTATACCTCTGCCCATTCTGC-3'
7070
AgcAgc NM_007424NM_007424 Forward: 5'-CCAGCCTACACCCCAGTG-3'
Reverse: 5'-GAGGGTGGGAAGCCATGT-3'
Forward: 5'-CCAGCCTACACCCCAGTG-3'
Reverse: 5'-GAGGGTGGGAAGCCATGT-3'
6666
IhhIhh NM_010544NM_010544 Forward: 5'-TGCATTGCTCTGTCAAGTCTG-3'
Reverse: 5'-GCTCCCCGTTCTCTAGGC-3'
Forward: 5'-TGCATTGCTCTGTCAAGTCTG-3'
Reverse: 5'-GCTCCCCGTTCTCTAGGC-3'
9393
Col10Col10 NM_009925NM_009925 Forward: 5'-GCATCTCCCAGCACCAGA-3'
Reverse: 5'-CCATGAACCAGGGTCAAGAA-3'
Forward: 5'-GCATCTCCCAGCACCAGA-3'
Reverse: 5'-CCATGAACCAGGGTCAAGAA-3'
8585
Mmp13Mmp13 NM_008607NM_008607 Forward, 5'-GCCAGAACTTCCCAACCAT-3'
Reverse: 5'-TCAGAGCCCAGAATTTTCTCC-3'
Forward, 5'-GCCAGAACTTCCCAACCAT-3'
Reverse: 5'-TCAGAGCCCAGAATTTTCTCC-3'
9292
Runx2Runx2 NM_001146038NM_001146038 Forward: 5'-GCCCAGGCGTATTTCAGA-3'Reverse: 5'-TGCCTGGCTCTTCTTACTGAG-3'Forward: 5'-GCCCAGGCGTATTTCAGA-3'Reverse: 5'-TGCCTGGCTCTTCTTACTGAG-3' 8282 Col1a1Col1a1 NM_007742NM_007742 Forward: 5'-CTTCACCTACAGCACCCTTGTG-3'Reverse: 5'-TTGGTGGTTTTGTATTCGATGACT-3'Forward: 5'-CTTCACCTACAGCACCCTTGTG-3'Reverse: 5'-TTGGTGGTTTTGTATTCGATGACT-3' 8080 Atf4Atf4 NM_009716NM_009716 Forward: 5'-TCGATGCTCTGTTTCGAATGG-3'Reverse: 5'-AAGATCACATGTGTCATCCAACGT-3'Forward: 5'-TCGATGCTCTGTTTCGAATGG-3'Reverse: 5'-AAGATCACATGTGTCATCCAACGT-3' 8080 Gadd45bGadd45b NM_008655NM_008655 Forward: 5'-GAGGATGATATCGCTCTGCAGAT-3'Reverse: 5'-ACCCGGACGATGTCAATGTC-3'Forward: 5'-GAGGATGATATCGCTCTGCAGAT-3'Reverse: 5'-ACCCGGACGATGTCAATGTC-3' 8080 Axin2Axin2 NM_015732NM_015732 Forward: 5'-GACGCACTGACCGACGATT-3'Reverse: 5'-TTCTTACTCCCCATGCGGTAA-3'Forward: 5'-GACGCACTGACCGACGATT-3'Reverse: 5'-TTCTTACTCCCCATGCGGTAA-3' 8080 Wisp1Wisp1 NM_018865NM_018865 Forward: 5'-GACCTGACCGAGTTGCCTAATG-3'
Reverse: 5'-GCGAAGTCTTCCCCATCGT-3'
Forward: 5'-GACCTGACCGAGTTGCCTAATG-3'
Reverse: 5'-GCGAAGTCTTCCCCATCGT-3'
8080
Wnt5aWnt5a NM_009524NM_009524 Forward: 5'-CATTGGAGAAGGTGCGAAGAC-3'
Reverse: 5'-CCACTGTGCTGCAGTTCCAT-3'
Forward: 5'-CATTGGAGAAGGTGCGAAGAC-3'
Reverse: 5'-CCACTGTGCTGCAGTTCCAT-3'
8080
Csf1Csf1 NM_007778NM_007778 Forward: 5'-TCCTCATGAGCAGGAGTATTGC-3'
Reverse: 5'-CAGGACCTTCAGGTGTCCATTC-3'
Forward: 5'-TCCTCATGAGCAGGAGTATTGC-3'
Reverse: 5'-CAGGACCTTCAGGTGTCCATTC-3'
8080
Stat1Stat1 NM_001205313NM_001205313 Forward: 5'-TGAGATGTCCCGGATAGTGG-3'
Reverse: 5'-CGCCAGAGAGAAATTCGTGT-3'
Forward: 5'-TGAGATGTCCCGGATAGTGG-3'
Reverse: 5'-CGCCAGAGAGAAATTCGTGT-3'
8080
Irf1Irf1 NM_008390NM_008390 Forward: 5'-GGAAGGGAAGATAGCCGAAGA-3'
Reverse: 5'-ATCCCTTGCCATCGATGTGT-3'
Forward: 5'-GGAAGGGAAGATAGCCGAAGA-3'
Reverse: 5'-ATCCCTTGCCATCGATGTGT-3'
8080
Socs3Socs3 NM_007707NM_007707 Forward: 5'-CCGCTTCGACTGTGTACTCAAG-3'Reverse: 5'-CCGTGGGTGGCAAAGAAA-3'Forward: 5'-CCGCTTCGACTGTGTACTCAAG-3'Reverse: 5'-CCGTGGGTGGCAAAGAAA-3' 8080 Gata3aGata3a NM_008091NM_008091 Forward: 5'-CGGAAGAGGTGGACGTACTTTT-3'Reverse: 5'-CGTAGCCCTGACGGAGTTTC-3'Forward: 5'-CGGAAGAGGTGGACGTACTTTT-3'Reverse: 5'-CGTAGCCCTGACGGAGTTTC-3' 8080 BaxBax NM_007527NM_007527 Forward: 5'-GTGAGCGGCTGCTTGTCT-3'
Reverse: 5'-GGTCCCGAAGTAGGAGAGGA-3'
Forward: 5'-GTGAGCGGCTGCTTGTCT-3'
Reverse: 5'-GGTCCCGAAGTAGGAGAGGA-3'
6868
Ccnd1Ccnd1 NM_007631NM_007631 Forward: 5'-GCGTACCCTGACACCAATCTC-3'
Reverse: 5'-CTCCTCTTCGCACTTCTGCTC-3'
Forward: 5'-GCGTACCCTGACACCAATCTC-3'
Reverse: 5'-CTCCTCTTCGCACTTCTGCTC-3'
8080
PcnaPcna NM_011045NM_011045 Forward: 5'-TTTGAGGCACGCCTGATCC-3'
Reverse: 5'-GGAGACGTGAGACGAGTCCAT-3'
Forward: 5'-TTTGAGGCACGCCTGATCC-3'
Reverse: 5'-GGAGACGTGAGACGAGTCCAT-3'
8080
Hes1Hes1 NM_008235NM_008235 Forward: 5'-CCAGCCAGTGTCAACACGA-3'Reverse: 5'-AATGCCGGGAGCTATCTTTCT-3'Forward: 5'-CCAGCCAGTGTCAACACGA-3'Reverse: 5'-AATGCCGGGAGCTATCTTTCT-3' 8080 Hey1Hey1 NM_010423NM_010423 Forward: 5'-GCGCGGACGAGAATGGAAA-3'
Reverse: 5'-TCAGGTGATCCACAGTCATCTG-3'
Forward: 5'-GCGCGGACGAGAATGGAAA-3'
Reverse: 5'-TCAGGTGATCCACAGTCATCTG-3'
8080
Ptch1Ptch1 NM_008957NM_008957 Forward: 5'-GGAAGGGGCAAAGCTACAGT-3'
Reverse: 5'-TCCACCGTAAAGGAGGCTTA-3'
Forward: 5'-GGAAGGGGCAAAGCTACAGT-3'
Reverse: 5'-TCCACCGTAAAGGAGGCTTA-3'
6262
Gli1Gli1 NM_010296NM_010296 Forward: 5'-CTGACTGTGCCCGAGAGTG-3'Reverse: 5'-CGCTGCTGCAAGAGGACT-3'Forward: 5'-CTGACTGTGCCCGAGAGTG-3'Reverse: 5'-CGCTGCTGCAAGAGGACT-3' 6464 HhipHhip NM_020259NM_020259 Forward: 5'-CCCAGACTCACAATGGAAAACTCT-3'
Reverse: 5'-GGTGTAGTAGCCGTTTCGACAGA-3'
Forward: 5'-CCCAGACTCACAATGGAAAACTCT-3'
Reverse: 5'-GGTGTAGTAGCCGTTTCGACAGA-3'
8080
Fth1Fth1 NM_010239NM_010239 Forward: 5'-TGACCACGTGACCAACTTACG-3'
Reverse: 5'-CCAGGGTGTGCTTGTCAAAGA-3'
Forward: 5'-TGACCACGTGACCAACTTACG-3'
Reverse: 5'-CCAGGGTGTGCTTGTCAAAGA-3'
8080
Hmox1Hmox1 NM_010442NM_010442 Forward: 5'-TGACCACGTGACCAACTTACG-3'
Reverse: 5'-CCAGGGTGTGCTTGTCAAAGA-3'
Forward: 5'-TGACCACGTGACCAACTTACG-3'
Reverse: 5'-CCAGGGTGTGCTTGTCAAAGA-3'
8080
TxnTxn NM_011660NM_011660 Forward: 5'-ATCAAGCCCTTCTTCCATTCC-3'
Reverse: 5'-TCCTGGCAGTCATCCACATC-3'
Forward: 5'-ATCAAGCCCTTCTTCCATTCC-3'
Reverse: 5'-TCCTGGCAGTCATCCACATC-3'
8080
ArntArnt NM_001037737NM_001037737 Forward: 5'-CCTGGCTCGAAAACCAGACA-3'Reverse: 5'-TGTTGCCAGTTCCCCTCAAG-3'Forward: 5'-CCTGGCTCGAAAACCAGACA-3'Reverse: 5'-TGTTGCCAGTTCCCCTCAAG-3' 8080 Serpine1Serpine1 NM_008871NM_008871 Forward: 5'-ATGACTGGGTGGAAAGGCATAC-3'
Reverse: 5'-CAGGCGTGTCAGCTCGTCTA-3'
Forward: 5'-ATGACTGGGTGGAAAGGCATAC-3'
Reverse: 5'-CAGGCGTGTCAGCTCGTCTA-3'
8080
VegfaVegfa NM_001025250NM_001025250 Forward: 5'-GCAGCTTGAGTTAAACGAACG-3'
Reverse: 5'-GGTTCCCGAAACCCTGAG-3'
Forward: 5'-GCAGCTTGAGTTAAACGAACG-3'
Reverse: 5'-GGTTCCCGAAACCCTGAG-3'
9494
CycsCycs NM_007808NM_007808 Forward: 5'-GGTGATGTTGAAAAAGGCAAGAA-3'
Reverse: 5'-TTATGCTTGCCTCCCTTTTCC-3'
Forward: 5'-GGTGATGTTGAAAAAGGCAAGAA-3'
Reverse: 5'-TTATGCTTGCCTCCCTTTTCC-3'
8080
AtpsynF1AtpsynF1 NM_007505NM_007505 Forward: 5'-CCTGGAATTATCCCCCGAAT-3'Reverse: 5'-CCAATGGGCACCAGGCTAT-3'Forward: 5'-CCTGGAATTATCCCCCGAAT-3'Reverse: 5'-CCAATGGGCACCAGGCTAT-3' 8080 Cox4iCox4i NM_009941NM_009941 Forward: 5'-TCACTGCGCTCGTTCTGAT-3'
Reverse: 5'-CGATCGAAAGTATGAGGGATG-3'
Forward: 5'-TCACTGCGCTCGTTCTGAT-3'
Reverse: 5'-CGATCGAAAGTATGAGGGATG-3'
8080
PepckPepck NM_011044NM_011044 Forward: 5'-CTGGCCAAGATTGGTATTGAACT-3'
Reverse: 5'-GATATGCCCATCCGAGTCATG-3'
Forward: 5'-CTGGCCAAGATTGGTATTGAACT-3'
Reverse: 5'-GATATGCCCATCCGAGTCATG-3'
8080
G6paseG6pase NM_008061NM_008061 Forward: 5'-CATGTACCGGAAGAGCTGCAA-3'
Reverse: 5'-GGACCAAGGAAGCCACAATG-3'
Forward: 5'-CATGTACCGGAAGAGCTGCAA-3'
Reverse: 5'-GGACCAAGGAAGCCACAATG-3'
8080
Sod1Sod1 NM_011434NM_011434 Forward: 5'-GCGGTGAACCAGTTGTGTTG-3'
Reverse: 5'-CCCATACTGATGGACGTGGAA-3'
Forward: 5'-GCGGTGAACCAGTTGTGTTG-3'
Reverse: 5'-CCCATACTGATGGACGTGGAA-3'
8080
Sod2Sod2 NM_013671NM_013671 Forward: 5'-CCACACATTAACGCGCAGAT-3'Reverse: 5'-TCGGTGGCGTTGAGATTGT-3'Forward: 5'-CCACACATTAACGCGCAGAT-3'Reverse: 5'-TCGGTGGCGTTGAGATTGT-3' 8080 Gpx1Gpx1 NM_008160NM_008160 Forward: 5'-AAGTGCGAAGTGAATGGTGAGA-3'
Reverse: 5'-GGGTCGTCACTGGGTGTTG-3'
Forward: 5'-AAGTGCGAAGTGAATGGTGAGA-3'
Reverse: 5'-GGGTCGTCACTGGGTGTTG-3'
8080
CatalaseCatalase NM_009804NM_009804 Forward: 5'-GGCCTCGCAGAGACCTGAT-3'
Reverse: 5'-ACCCCGCGGTCATGATATTA-3'
Forward: 5'-GGCCTCGCAGAGACCTGAT-3'
Reverse: 5'-ACCCCGCGGTCATGATATTA-3'
8080
Hk2Hk2 NM_013820NM_013820 Forward: 5'-CACGGAGCTCAACCAAAACC-3'
Reverse: 5'-CCGGAACCGCCTAGAAATCT-3'
Forward: 5'-CACGGAGCTCAACCAAAACC-3'
Reverse: 5'-CCGGAACCGCCTAGAAATCT-3'
100100
LdhaLdha NM_010699NM_010699 Forward: 5'-CTCAAGGACCAGCTGATTGTGA-3'
Reverse: 5'GCACCAACCCCAACAACTGT-3'
Forward: 5'-CTCAAGGACCAGCTGATTGTGA-3'
Reverse: 5'GCACCAACCCCAACAACTGT-3'
8080
Pgk1Pgk1 NM_008828NM_008828 Forward: 5'-TGGACAAGCTGGACGTGAAG-3'Reverse: 5'-GCCTTGATCCTTTGGTTGTTTG-3'Forward: 5'-TGGACAAGCTGGACGTGAAG-3'Reverse: 5'-GCCTTGATCCTTTGGTTGTTTG-3' 100100 iNosiNos NM_010927NM_010927 Forward: 5'-GCAAGCATGACTTCCGAGTGT-3'
Reverse: 5'-GCCCAAGGTAGAGCCATCTG-3'
Forward: 5'-GCAAGCATGACTTCCGAGTGT-3'
Reverse: 5'-GCCCAAGGTAGAGCCATCTG-3'
100100
GapdhGapdh NM_008084NM_008084 Forward: 5'-TGTCCGTCGTGGATCTGAC-3'
Reverse: 5'-CCTGCTTCACCACCTTCTTG-3'
Forward: 5'-TGTCCGTCGTGGATCTGAC-3'
Reverse: 5'-CCTGCTTCACCACCTTCTTG-3'
7575

(4) 동결 절편 및 H&E 염색(4) Frozen section and H&E staining

배양된 연골세포 함유 하이드로겔을 PBS로 세척하고 4% 파라포름 알데히드(Merck, Darmstadt, Germany)로 고정시켰다. 조직 기저의 몰드 위에서 OCT 컴파운드 (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)로 고정된 하이드로겔 전체를 덮고 드라이아이스로 냉각시킨 2-메틸-부탄(Thermo Fisher Scientific)으로 저온에서 동결시켰다. 5-μm 단면은 Cryostat (Micron HM350, Thermo Fisher Scientific)에 의해 제작했다. 절편을 실온에서 밤새 자연 건조시킨 다음, 헤마톡신 및 에오신으로 염색하였다.The cultured chondrocyte-containing hydrogel was washed with PBS and fixed with 4% paraformaldehyde (Merck, Darmstadt, Germany). The entire hydrogel fixed with OCT compound (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) was covered on the tissue-based mold and then frozen at low temperature with 2-methyl-butane (Thermo Fisher Scientific) cooled with dry ice. The 5-μm section was prepared by Cryostat (Micron HM350, Thermo Fisher Scientific). Sections were air-dried overnight at room temperature and then stained with hematoxylin and eosin.

(5) 면역형광염색(5) Immunofluorescence staining

세포가 포함된 하이드로겔의 미세 절단된 동결 절편을 Mof13, Adamts5 및 8-oxo-dG의 발현을 검출하기 위한 면역형광염색을 수행하였다. 간략하게, 37℃ 오븐에서 1시간 동안 건조된 부분을 냉 아세톤으로 20분간 고정시키고 PBS로 2 회 세척하였다. 1% BSA로 1시간 블로킹한 후, 연골세포 분화상태를 검출하기 위해 Mmp13 (ab39012), Adamts5 (ab41037, Abcam, Cambridge, UK)에 대한 항체를, 또는 산화적 스트레스를 분석하기 위해 DNA 산화 정도를 분석하고자 8-옥소-데옥시구아노신(4354-MC- 050, Trevigen, Gaithersburg, MD)를 상기 절편과 함께 4℃에서 밤샘 처리하였다. 상기 절편을 PBS로 세척하고 Alexa Fluor 488 또는 594-접합 2차 항체 (Thermo Fisher Scientific)와 1시간 동안 항온 배양한 후 DAPI로 대조염색 하였다. 상기 절편을 anti-fade 마운팅 용액(Invitrogen, Carlsbad, CA)으로 처리하고, Nikon ECLIPSE Ni 형광현미경(Nikon, Japan) 하에서 영상화하고 정량화 하였다.Immunofluorescence staining for detecting the expression of Mof13, Adamts5, and 8-oxo-dG was performed on the frozen sections of the hydrogel containing cells. Briefly, the portion dried in an oven at 37° C. for 1 hour was fixed with cold acetone for 20 minutes and washed twice with PBS. After 1 hour blocking with 1% BSA, antibodies to Mmp13 (ab39012), Adamts5 (ab41037, Abcam, Cambridge, UK) were used to detect chondrocyte differentiation status, or the degree of DNA oxidation to analyze oxidative stress. For analysis, 8-oxo-deoxyguanosine (4354-MC-050, Trevigen, Gaithersburg, MD) was treated with the fragment at 4°C overnight. The sections were washed with PBS, incubated with Alexa Fluor 488 or 594-conjugated secondary antibody (Thermo Fisher Scientific) for 1 hour, and then counterstained with DAPI. The section was treated with an anti-fade mounting solution (Invitrogen, Carlsbad, CA), and imaged and quantified under a Nikon ECLIPSE Ni fluorescence microscope (Nikon, Japan).

(6) 산화 질소 어세이(6) Nitric oxide assay

산화 질소 어세이는 이전에 보고된 방법에 따라 수행하였다. 간략하게, 1차 연골세포 함유-하이드로겔을 3주 동안 배양하고 배양 배지에서 NO의 안정한 대사 산물인 아질산염의 양을 NO 생성의 지표로 측정했다. 100μl의 배양액을 96 웰 플레이트에서 같은 양의 Griess 시약 (Cell Signaling Technology, Danvers, MA)과 혼합하고 실온에서 10분간 배양하고 마이크로 플레이트 판독기 (BioTek, Winooski)로 540 nm에서의 흡광도를 측정하였다. 신선한 배지를 모든 실험에서 블랭크로 사용하였다. 아질산염의 양은 아질산나트륨 표준곡선으로부터 결정하였다.The nitric oxide assay was performed according to the previously reported method. Briefly, the primary chondrocyte-containing hydrogel was cultured for 3 weeks, and the amount of nitrite, a stable metabolite of NO, in the culture medium was measured as an indicator of NO production. 100 μl of the culture solution was mixed with the same amount of Griess reagent (Cell Signaling Technology, Danvers, MA) in a 96 well plate, incubated at room temperature for 10 minutes, and absorbance at 540 nm was measured with a microplate reader (BioTek, Winooski). Fresh medium was used as a blank in all experiments. The amount of nitrite was determined from the sodium nitrite standard curve.

(7) LPS를 이용한 TLR4 신호 활성화 및 웨스턴 블롯 (7) TLR4 signal activation and Western blot using LPS

1차 연골세포를 50μM의 1400W 존재 또는 부존재하에 지시된 시점(0, 5, 15, 30, 60 및 120 분)동안 LPS (Sigma-Aldrich) 1 μg/ml로 처리한 후, RIPA 프로 테아제 및 포스파타제 억제제(Roche Diagnostics, Indianapolis, IN)가 첨가된 완충액으로 용해하였다. 각각의 샘플에서 같은 양의 세포 용해물을 10% SDS-PAGE로 분리하고 PVDF 멤브레인 (Amersham Biosciences, Buckinghamshire, UK)으로 옮겼다. 막을 실온에서 1시간 동안 5% 탈지유로 블로킹한 후, 아래에 나열된 1차 항체와 함께 항온 배양하였다. 멤브레인을 TBS-T로 세척한 후, 막을 HRP-접합 2차 항체 (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)와 1시간 동안 배양하고 다시 세척하였다. 막상의 신호는 화학 발광 용액(Amersham Biosciences)을 사용하여 시각화하고 FluorChem FC2 (Alpha Inotech)에서 검출하였다. p-Erk1/2 (Thr202/Tyr204), p-Ikb (Ser32/36), p-Stat3 (Tyr705)에 대한 1차 항체를 Cell Signaling Technology로부터, β-Actin은 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다. Primary chondrocytes were treated with 1 μg/ml of LPS (Sigma-Aldrich) for the indicated time point (0, 5, 15, 30, 60 and 120 minutes) in the presence or absence of 50 μM of 1400 W, and then RIPA protease and It was dissolved in a buffer to which a phosphatase inhibitor (Roche Diagnostics, Indianapolis, IN) was added. Equal amounts of cell lysates from each sample were separated by 10% SDS-PAGE and transferred to PVDF membrane (Amersham Biosciences, Buckinghamshire, UK). The membrane was blocked with 5% skim milk for 1 hour at room temperature and then incubated with the primary antibodies listed below. After washing the membrane with TBS-T, the membrane was incubated with HRP-conjugated secondary antibody (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) for 1 hour and washed again. The signal on the membrane was visualized using a chemiluminescent solution (Amersham Biosciences) and detected on FluorChem FC2 (Alpha Inotech). Primary antibodies against p-Erk1/2 (Thr202/Tyr204), p-Ikb (Ser32/36), p-Stat3 (Tyr705) were purchased from Cell Signaling Technology, and β-Actin was purchased from Sigma-Aldrich.

(8) 통계학적 분석(8) statistical analysis

Mann-Whitney U 검사 또는 Kruskal-Wallis ANOVA 검사를 사용하여 평균값들 사이의 차이를 분석하였다. 모든 분석은 SPSS 버전 14.0 소프트웨어 (SPSS, Chicago, IL)를 사용하여 수행되었다. 결과는 평균±표준편차S.Es로 나타내었고 p 값이 0.05 미만인 경우 통계적 유의성을 인정하였다. Differences between mean values were analyzed using the Mann-Whitney U test or the Kruskal-Wallis ANOVA test. All analyzes were performed using SPSS version 14.0 software (SPSS, Chicago, IL). The results were expressed as mean±standard deviation S.Es, and statistical significance was recognized when the p value was less than 0.05.

2. 실험결과2. Experiment result

(1) CS-기반의 ECM 분해는 MMP-13의 발현 및 산화적 스트레스를 동반하는 연골세포의 비대적(hypertrophic) 변화를 유발함(1) CS-based ECM degradation causes hypertrophic changes in chondrocytes accompanied by expression of MMP-13 and oxidative stress.

본 발명은 CS 기반의 3D 하이드로겔 지지체 배양 조건 하에서 1차 연골 세포의 표현형 특성을 조사하였다. Safranin-O로 염색된 GAG의 내용물은 3주 째부터 증가하여 5주 째부터 감소하였다. GAG의 감소는 H&E 염색에서 연골세포의 형태학적 변화와 동반되었다. Sox9, Col2, Aggrecan(Agc)과 같은 연골성 유전자는 5주 째까지 감소되었으나 이후 7주 째까지 증가하였다. 연골세포의 전-비대성 마커인 Ihh는 3주 째에 증가했다. 비대성 마커인 type X 콜라겐(Col10), MMP-13 및 Runx2, 조골세포 마커, type I 콜라겐 a1(Col1a1)는 7주 째에 증가하였다(도 1a 내지 1c). The present invention investigated the phenotypic characteristics of primary chondrocytes under CS-based 3D hydrogel scaffold culture conditions. The contents of GAG stained with Safranin-O increased from the 3rd week and decreased from the 5th week. The decrease in GAG was associated with morphological changes in chondrocytes in H&E staining. Chondrogenic genes such as Sox9, Col2, and Aggrecan (Agc) decreased until the 5th week, but increased until the 7th week. Ihh, a pre-hypertrophic marker of chondrocytes, increased at 3 weeks. Hypertrophic markers of type X collagen (Col10), MMP-13 and Runx2, osteoblast markers, and type I collagen a1 (Col1a1) increased at 7 weeks (FIGS. 1A to 1C ).

이러한 결과는 본 발명에서 사용한 3차원 하이드로겔 배양 시스템이 연골세포의 성숙을 유도하는데 적합하다는 것과, 적어도 3주간의 배양 기간 동안은 연골세포의 비대화를 유도하지 않는다는 것을 확인시켜 주었다. These results confirmed that the three-dimensional hydrogel culture system used in the present invention is suitable for inducing maturation of chondrocytes, and that it does not induce hypertrophy of chondrocytes for at least three weeks of culture.

CS 분해가 연골세포에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 콘드로이티나제 ABC(ChABC)를 CS 기반의 3차원 하이드로겔 배양 시스템에 1주 내지 2주 동안 처리하였다(도 2a). 그 결과, CS의 분해로 인해 세포질의 부피 증가처럼 보이는 연골세포의 비대화가 관찰이 되었다(도 2b).In order to confirm the effect of CS degradation on chondrocytes, chondroitinase ABC (ChABC) was treated in a CS-based three-dimensional hydrogel culture system for 1 to 2 weeks (FIG. 2A). As a result, hypertrophy of chondrocytes, which looks like an increase in the volume of cytoplasm due to the decomposition of CS, was observed (Fig. 2b).

연골세포 마커 유전자의 발현을 평가한 결과, MMP-13의 발현은 ChABC 처리에 의해 현저하게 증가하였고, ADAMTS5의 발현은 ChABC의 1주간 처리에 의해 증가되었고 2주간의 처리에 의해서는 감소되었다(도 2c). As a result of evaluating the expression of the chondrocyte marker gene, the expression of MMP-13 was remarkably increased by ChABC treatment, and the expression of ADAMTS5 was increased by treatment with ChABC for 1 week and decreased by treatment for 2 weeks (Fig. 2c).

CS 분해에 따른 신호전달 경로의 영향을 평가하기 위해 본 발명자는 연골세포 생리에서 주요 신호전달 경로에 의해 조절되는 표적분자의 발현을 평가했다. In order to evaluate the effect of the signaling pathway according to CS degradation, the present inventors evaluated the expression of target molecules regulated by major signaling pathways in chondrocyte physiology.

그 결과, Socs3 RNA 발현이 현저하게 증가하여 STAT3 신호전달이 활성화 되었음이 확인되었으며, Fth1, Hmox1 및 Txn과 같은 산화 스트레스 마커의 발현이 모두 증가했다. 그러나 Wnt, Notch, Hedgehog 신호의 표적분자는 오히려 감소하였고 세포증식의 마커인 cyclinD1도 감소하였다. TGFβ, NFkB 및 저산소증과 관련된 유전자 발현에는 차이가 없었다(도 2d). As a result, it was confirmed that Socs3 RNA expression was remarkably increased and STAT3 signaling was activated, and the expression of oxidative stress markers such as Fth1, Hmox1 and Txn all increased. However, the target molecules of Wnt, Notch, and Hedgehog signals decreased, and cyclinD1, a marker of cell proliferation, decreased. There was no difference in the expression of genes related to TGFβ, NFkB and hypoxia (Fig. 2D).

단백질의 상대적 수준을 정량화하기 위한 면역형광염색 실험결과, ChABC에 의한 CS 분해가 MMP-13뿐만 아니라 산화적 스트레스에 대한 마커인 8-oxo-dG의 발현을 증가시켰다(도 2e, 2f). As a result of immunofluorescence staining for quantifying the relative level of protein, CS degradation by ChABC increased the expression of 8-oxo-dG, a marker for oxidative stress as well as MMP-13 (FIGS. 2e and 2f).

(2) 콘드로이티나제에 의한 CS의 분해 생성물은 TLR2 및 TLR4를 통해서 DAMPs(damage associated molecular patterns)로서 작용함(2) The decomposition product of CS by chondroitinase acts as DAMPs (damage associated molecular patterns) through TLR2 and TLR4.

그 다음으로, 본 발명자는 CS 분해 생성물이 단백분해효소 및 산화 스트레스의 증가를 초래할 수 있는 DAMPs으로서 기능할 수 있는지를 시험하였다. 이전 연구에서, 본 발명자는 TLR2 및 TLR4에 대한 리간드가 연골세포에서 MMP-3 및 MMP-13의 발현에 유의하게 관련된다는 것을 보고한 바 있다(Sci Rep. 2018;8(1):487). 이를 바탕으로 TLR2와 TLR4의 이중 저해제인 OxPAPC, 또는 MD2 저해를 통해 TLR4를 기능적으로 저해하는 LPS-RS를 이용하여 TLR2 및 TLR4의 기능을 저해한 다음에, 콘드로이티나제 처리에 따른 연골세포의 표현형을 관찰하였다.Next, the inventors tested whether CS degradation products could function as DAMPs that could lead to increased proteases and oxidative stress. In previous studies, the present inventors reported that ligands for TLR2 and TLR4 are significantly related to the expression of MMP-3 and MMP-13 in chondrocytes (Sci Rep. 2018;8(1):487). Based on this, the function of TLR2 and TLR4 was inhibited using OxPAPC, a double inhibitor of TLR2 and TLR4, or LPS-RS, which functionally inhibits TLR4 through MD2 inhibition, and then chondroitinase treatment of chondrocytes The phenotype was observed.

형태학적으로, OxPAPC와 LPS-RS는 콘드로이티나제에 의해 유도된 CS 분해에 의한 연골세포의 비대성 변화를 부분적으로 억제하였다(도 3a). CS의 분해로 인한 MMP-13과 ADAMTS5의 증가는 OxPAPC와 LPS-RS에 의해 유의하게 감소되었다. 뿐만 아니라 OxPAPC와 LPS-RS는 Fth1, Hmox1, Txn과 같은 산화 스트레스 마커의 증가를 크게 억제했다(도 3b). Morphologically, OxPAPC and LPS-RS partially inhibited the hypertrophic change of chondrocytes caused by CS degradation induced by chondroitinase (Fig. 3A). The increase of MMP-13 and ADAMTS5 due to CS degradation was significantly reduced by OxPAPC and LPS-RS. In addition, OxPAPC and LPS-RS significantly inhibited the increase in oxidative stress markers such as Fth1, Hmox1, and Txn (Fig. 3b).

연골 퇴화에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려진 잘 알려진 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)는 콘드로이티나제에 의한 CS 분해에 의해 RNA 수준에서 크게 증가하였으나, 이러한 증가는 OxPAPC 및 LPS-RS에 의한 TLR2 및 TLR4 저해에 의해 크게 억제되었다(도 3b).Well-known inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), which is known to have an important effect on cartilage degeneration, was significantly increased in RNA levels by CS degradation by chondroitinase, but this increase was observed in TLR2 and by OxPAPC and LPS-RS. It was greatly suppressed by TLR4 inhibition (Fig. 3b).

배양 상등액 내 NO 수준은 TLR2 및 TLR4 저해제 의해 유의하게 감소되었다(도 3c). 면역형광 염색법 실험결과, CS 분해에 의해 현저하게 유도된 8-oxo-dG, MMP-13 및 ADAMTS5가 OxPAPC 및 LPS-RS에 의해 상당히 억제되는 것으로 확인되었다(도 3d). NO levels in the culture supernatant were significantly reduced by TLR2 and TLR4 inhibitors (Fig. 3c). As a result of immunofluorescence staining, it was confirmed that 8-oxo-dG, MMP-13 and ADAMTS5, which were significantly induced by CS degradation, were significantly suppressed by OxPAPC and LPS-RS (Fig. 3D).

이러한 결과는 CS의 분해 생성물이 TLR2 및 TLR4를 통해서, MMP-13 및 ADMATS5와 같은 단백분해효소의 증가 및 산화적 스트레스에 밀접하게 관여하고 있는 DAMPs로서 작용한다는 것을 나타낸다. These results indicate that the degradation products of CS act as DAMPs, which are closely involved in oxidative stress and increase of proteases such as MMP-13 and ADMATS5 through TLR2 and TLR4.

(3) CS 분해가 연골세포의 표현형에 미치는 영향은 MAP 키나아제, NF-kB, STAT3 및 NO 신호체계에 의존함(3) The effect of CS degradation on the phenotype of chondrocytes is dependent on MAP kinase, NF-kB, STAT3 and NO signaling systems.

그 다음으로, TLR 하류 신호전달이 CS 분해와 관련된 연골세포의 표현형 변화에 관여하는지를 확인하기 위해 저해제 분석(inhibitor assay)을 수행했다. TLR2 및 TLR4의 주요 하류 시그널인 MAP 키나아제 및 NF-kB 시그널링은 p38 MAPK의 경우 SB203580, MEK1/ERK의 경우 PD98059, JNK의 경우 SP600125 및 NFkB의 경우 JSH-23으로 저해되었다. iNOS에 의한 NO 생산은 1400W, 산화 스트레스는 N-아세틸-시스테인(NAC), 그리고 STAT3의 활성은 Stattic에 의해 억제되었다 (도 4a). JSH-23 및 NAC를 제외한 상기 저해제들은 CS 분해에 의한 연골세포의 비대성 형태학적 변화를 저해하였다(도 4a).Next, an inhibitor assay was performed to confirm whether TLR downstream signaling is involved in the phenotypic change of chondrocytes related to CS degradation. MAP kinase and NF-kB signaling, the major downstream signals of TLR2 and TLR4, were inhibited with SB203580 for p38 MAPK, PD98059 for MEK1/ERK, SP600125 for JNK, and JSH-23 for NFkB. NO production by iNOS was 1400W, oxidative stress was N-acetyl-cysteine (NAC), and STAT3 activity was inhibited by Stattic (Fig. 4a). The inhibitors except for JSH-23 and NAC inhibited the hypertrophic morphological change of chondrocytes caused by CS degradation (FIG. 4A).

또한, ChABC-매개 CS 분해에 의한 MMP-13 RNA 발현은 이와 같은 저해제들에 의해서 억제되었다. ADAMTS5 발현은 p38 및 JNK MAP 키나아제의 저해제에 의해서 감소되었고, NF-kB 및 NO는 RNA 수준에서 저해된 반면에, 이들은 ERK1/2 및 STAT3 저해제에 의해서 증가하였다. Fth1, Hmox1의 발현 및 산화 스트레스의 마커들은 상기 저해제들에 의해서 감소되었으나, JSH-23에 의해서는 영향을 받지 않았고, NAC에 의해서는 오히려 증가하였다. 다른 산화 스트레서의 마커인 Txn은 ERK1/2 MAP 키나아제 저해제에 의해서만 감소되었다. iNOS 발현은 NAC를 제외한 모든 저해제들에 의해서 감소되었다(도 4b).In addition, MMP-13 RNA expression by ChABC-mediated CS degradation was inhibited by these inhibitors. ADAMTS5 expression was reduced by inhibitors of p38 and JNK MAP kinase, NF-kB and NO were inhibited at the RNA level, while they were increased by ERK1/2 and STAT3 inhibitors. The expression of Fth1 and Hmox1 and markers of oxidative stress were decreased by the above inhibitors, but were not affected by JSH-23, but rather increased by NAC. Another oxidative stressor marker, Txn, was reduced only by ERK1/2 MAP kinase inhibitors. iNOS expression was reduced by all inhibitors except NAC (FIG. 4B ).

이러한 실험 결과는 3차원 하이드로겔 배양 시스템의 배양 상등액에서의 NO 농도에서도 동일하게 재현이 되었다(도 4c).These experimental results were similarly reproduced in the NO concentration in the culture supernatant of the three-dimensional hydrogel culture system (Fig. 4c).

면역형광염색에 의해서 평가된 MMP-13의 발현은 p38, ERK1/2, JNK MAP 키나아제, NF-kB, iNOS 및 STAT3 저해제들에 의해서 약화된 반면에, 항산화제인 NAC에 의해서는 영향을 받지 않았다. 전술한 모든 저해제들은 산화 스트레스의 마커인 8-oxo-dG의 발현을 저해하였다(도 4d)The expression of MMP-13 evaluated by immunofluorescence staining was attenuated by p38, ERK1/2, JNK MAP kinase, NF-kB, iNOS and STAT3 inhibitors, whereas it was not affected by the antioxidant NAC. All of the above inhibitors inhibited the expression of 8-oxo-dG, a marker of oxidative stress (Fig. 4d).

이러한 결과들은 MAP 키나아제, NF-kB, NO 및 STAT3-관련 신호체계가 CS 분해와 관련된 연골세포의 이화성 표현형 변화(catabolic phenotype change)에 매우 중요한 역할을 하고 있음을 제시한다. These results suggest that MAP kinase, NF-kB, NO, and STAT3-related signaling systems play a very important role in the catabolic phenotype change of chondrocytes related to CS degradation.

(4) NO는 MAP 키나아제 및 NF-kB 신호체계의 활성화를 강화함(4) NO enhances activation of MAP kinase and NF-kB signaling system

TLR4 활성화에서 NO와 MAPKase, NFkB 및 STAT3와 같은 다른 이화반응 경로 사이의 상호작용을 밝히기 위해, 1차 연골세포의 단층 배양 조건에서 각 신호의 LPS-매개 인산화에 대한 iNOS의 억제 효과를 1400w를 이용하여 평가했다. 1차 연골세포에의 LPS 처리는 약 30분 내에 p38 및 JNK MAP 키나아제를 인산화 시켰지만, iNOS-NO 시스템의 억제는 이러한 활성화를 지연시켰다. 또한, NO 억제는 5분 이내 까지는 EK1/2 MAP 키나아제의 최초 활성화에 영향을 미치지 않았으나, 30분 이내에 두 번째 활성화를 지연시켰다. Canonical NF-kB 신호체계를 구성하는 IkB의 인산화는 NO 억제에 의해 유의하게 억제되었다. 그러나, STAT3 인산화는 NO 억제에 의해 영향을 받지 않았다(도 5a). To elucidate the interaction between NO and other catabolic pathways such as MAPKase, NFkB and STAT3 in TLR4 activation, 1400w was used to investigate the inhibitory effect of iNOS on LPS-mediated phosphorylation of each signal in monolayer culture conditions of primary chondrocytes. And evaluated. LPS treatment of primary chondrocytes phosphorylated p38 and JNK MAP kinase within about 30 minutes, but inhibition of the iNOS-NO system delayed this activation. In addition, NO inhibition did not affect the initial activation of EK1/2 MAP kinase until within 5 minutes, but delayed the second activation within 30 minutes. Phosphorylation of IkB constituting the Canonical NF-kB signaling system was significantly inhibited by NO inhibition. However, STAT3 phosphorylation was not affected by NO inhibition (Fig. 5A).

이러한 결과는 MAP 키나아제와 NF-kB 신호가 iNOS 매개 NO 생성을 증가시킬 뿐만 아니라 NO가 MAP 키나아제와 NF-kB 신호체계의 활성화를 증가시키는 NO 신호전달을 가진 양성 피드백 루프를 가지고 있음을 시사한다These results suggest that not only MAP kinase and NF-kB signaling increase iNOS-mediated NO production, but NO has a positive feedback loop with NO signaling that increases activation of MAP kinase and NF-kB signaling system.

이상 살펴본 바와 같이, CS 기반의 하이드로겔 배양 시스템에서 CS의 분해는 그 자체만으로도 연골세포의 비대성 형태학적 변화를 유발할 뿐만 아니라, 연골세포 내에서 MMP-13 및 ADAMTS5의 생성을 유도하기에 충분한 효과를 발휘하는 것으로 확인되었다. 본 발명에 따른 CS 기반의 하이드로겔 배양 시스템에서, CS의 분해 생성물은 TLR2 및 TLR4를 통한 DAMPs로서 작용하여 MAP 키나아제, NF-kB 및 STAT3를 활성화시키며, 이는 NO 신호체계와 함께 양성 피드백 루프를 형성한다. As discussed above, decomposition of CS in a CS-based hydrogel culture system not only causes hypertrophic morphological changes in chondrocytes by itself, but also has a sufficient effect to induce the production of MMP-13 and ADAMTS5 in chondrocytes. Confirmed to exert. In the CS-based hydrogel culture system according to the present invention, the degradation products of CS act as DAMPs through TLR2 and TLR4 to activate MAP kinase, NF-kB and STAT3, which forms a positive feedback loop with the NO signaling system. do.

실제 골관절염 환자의 연골 조직에서 연골세포의 비대화와 세포 외 기질의 파괴가 관찰되고, 연골세포에서 MMP-13, ADMATS-5와 같은 단백분해효소의 증가가 골관절염의 발생에 중요하다(Lancet. 2015;386(9991):376, Arthritis Rheum. 2009;60(12):3723, Nature 2005;434:644). 본 발명에서 콘드로이티나제 처리로 세포 외 기질의 파괴를 유도한 결과 연골세포의 형태학적 비대화가 유도되었고, 이는 진정한 연골세포의 비대화가 아닌 수분 증가로 인한 가성 비대화임을 확인하였다. 최근 연구에 의하면 연골세포의 비대화는 두가지 단계를 거치는데 첫 번째는 비대화 관련 유전자와 단백의 발현이 같이 증가되는 진성비대화로 연골 분화 초기에 발생한다(Nature. 2013;495(7441):375). 두번째는 유전자나 단백의 증가없이 외부의 수분 유입으로 인해 발생하는 가성비대화로 본 발명 세포 외 기질의 파괴에 동반한 비대화는 이에 기인한 바가 크다. 또한 본 연구의 특기할 사항은 이러한 가성 비대화 과정에서 Runx2, Ihh, Wnt 신호 등 비대화 관련 신호의 증가없이 MMP-13과 ADMATS-5 같은 단백분해효소가 증가되는 점이며, 이는 골관절염 병태생리의 가장 특징적인 부분과 일치하는 것이다. In fact, in the cartilage tissue of osteoarthritis patients, hypertrophy of chondrocytes and destruction of extracellular matrix were observed, and the increase in proteolytic enzymes such as MMP-13 and ADMATS-5 in chondrocytes is important for the occurrence of osteoarthritis (Lancet. 2015; 386(9991):376, Arthritis Rheum. 2009;60(12):3723, Nature 2005;434:644). In the present invention, as a result of inducing destruction of the extracellular matrix by treatment with chondroitinase, morphological hypertrophy of chondrocytes was induced, and it was confirmed that this is not a true hypertrophy of chondrocytes, but a pseudo hypertrophy due to water increase. According to a recent study, the hypertrophy of chondrocytes goes through two stages. The first is intrinsic hypertrophy in which the expression of hypertrophy-related genes and proteins is increased together, which occurs in the early stages of cartilage differentiation (Nature. 2013;495(7441):375). The second is pseudohypertrophy that occurs due to the influx of water from outside without an increase in genes or proteins, and the hypertrophy accompanied by destruction of the extracellular matrix of the present invention is largely attributed to this. In addition, the special point of this study is that proteolytic enzymes such as MMP-13 and ADMATS-5 are increased without an increase in hypertrophy-related signals such as Runx2, Ihh, and Wnt signals in the process of pseudohypertrophy, which is the most characteristic of osteoarthritis pathophysiology. It is consistent with the normal part.

이러한 결과는 본 연구의 3차원 하이드로겔 구조에 콘드로이티나제 처리하여 연골세포외 기질을 파괴하는 모델이 인체 골관절염 연골의 특성을 그대로 재현할 수 있음을 시사한다. These results suggest that the model in which the three-dimensional hydrogel structure of this study is treated with chondroitinase to destroy the extracellular matrix of cartilage can reproduce the characteristics of human osteoarthritis cartilage as it is.

따라서, 연골세포를 포함하는 CS 기반의 하이드로겔 배양 시스템에 CS 분해효소를 처리하는 본 발명의 실험 모델은, 골관절염 환자의 연골에서 나타나는 병리학적 현상을 거의 동일하게 모사하고 있어 골관절염의 병리학적 기전 연구, 골관절염 치료제의 효능 스크리닝 평가 등에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Therefore, the experimental model of the present invention that treats CS-degrading enzyme in a CS-based hydrogel culture system including chondrocytes almost identically simulates the pathological phenomena occurring in the cartilage of osteoarthritis patients. , It is expected to be very useful in screening and evaluating the efficacy of osteoarthritis treatments.

본 발명의 생체 외(in vitro) 골관절염 모델 조성물 및 3차원 골관절염 모델은 실제 골관절염 환자의 연골에서 나타나는 다양한 형태학적 또는 분자생리학적 변화들을 매우 유사하게 모사하므로, 골관절염의 병태 연구, 골관절염 치료제의 효능 검증 등에 매우 유용하게 활용이 될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 우수하다. The in vitro osteoarthritis model composition and the three-dimensional osteoarthritis model of the present invention very similarly simulate various morphological or molecular physiological changes occurring in the cartilage of an actual osteoarthritis patient, so the study of the condition of osteoarthritis and the efficacy of the treatment for osteoarthritis It can be used very usefully, so it has excellent industrial applicability.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;
(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계; 및
(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase)를 처리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델.
(a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;
(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);
(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium; And
(d) an in vitro three-dimensional osteoarthritis model prepared by a method comprising the step of treating the cell culture medium with chondroitinase.
제5항에 있어서, 상기 생체적합성 고분자는 알긴산, 젤라틴, 콜라겐, 히알루론산, 키토산, 피브리노겐, 피브린, 피브로넥틴, 라미닌, 엘라스틴, 프로테오글리칸, 아가로오스, 실크단백질, 글리코사미노글리칸, 셀룰로오스, 펙틴, 폴리에틸렌글리콜 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델.
The method of claim 5, wherein the biocompatible polymer is alginic acid, gelatin, collagen, hyaluronic acid, chitosan, fibrinogen, fibrin, fibronectin, laminin, elastin, proteoglycan, agarose, silk protein, glycosaminoglycan, cellulose, pectin , In vitro ( in vitro ) three-dimensional osteoarthritis model, characterized in that at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol and derivatives thereof.
제5항에 있어서, 상기 (a) 단계의 조성물에서 콘드로이틴 설페이트 또는 이의 유도체는 1 내지 10%(w/v), 상기 연골세포는 1ⅹ105 내지 1ⅹ109 cell/mL, 상기 가교제 또는 광개시제는 0.01 내지 10%(w/v) 및 상기 생체적합성 고분자는 1 내지 10%(w/v)로 포함이 되는 것을 특징으로 하는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델.
The method of claim 5, wherein in the composition of step (a), chondroitin sulfate or a derivative thereof is 1 to 10% (w/v), the chondrocytes are 1x10 5 to 1x10 9 cells/mL, the crosslinking agent or photoinitiator is 0.01 to In vitro ( in vitro ) three-dimensional osteoarthritis model, characterized in that 10% (w / v) and the biocompatible polymer is contained in 1 to 10% (w / v).
제5항에 있어서 상기 (c) 단계는 1 내지 5주 동안 유지되며, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계 개시일로부터 1일 내지 2주 경과 후 시작되는 것을 특징으로 하는 생체 외(in vitro) 3차원 골관절염 모델.
The method according to claim 5, wherein step (c) is 1, and held there for to 5 weeks, wherein the step (d) in vitro (in vitro, characterized in that, starting 1 day to 2 weeks elapsed from the step (c) date ) Three-dimensional osteoarthritis model.
(a) 콘드로이틴 설페이트(chondroitin sulfate) 또는 이의 유도체; 연골세포(chondrocyte); 가교제 또는 광개시제; 및 생체적합성 고분자를 포함하는 조성물을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a)의 조성물의 가교결합을 유도하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;
(c) 상기 3차원 구조체를 세포 배양 배지에서 배양하는 단계;
(d) 상기 세포 배양 배지에 콘드로이티나제(chondroitinase) 및 골관절염 치료제 후보물질을 처리하는 단계; 및
(e) 3차원 구조체 내 연골세포의 형태학적 특성; 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량; 및 상기 배양 배지 내 NO 생성량으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 평가항목에 대한 미처리 대조군과 골관절염 치료제 후보물질 처리군의 차이를 비교하는 단계를 포함하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법.
(a) chondroitin sulfate or a derivative thereof; Chondrocyte; Crosslinking agents or photoinitiators; And preparing a composition comprising a biocompatible polymer;
(b) preparing a three-dimensional structure by inducing crosslinking of the composition of (a);
(c) culturing the three-dimensional structure in a cell culture medium;
(d) treating the cell culture medium with chondroitinase and an osteoarthritis therapeutic agent; And
(e) morphological characteristics of chondrocytes in the three-dimensional structure; Expression of oxidative stress markers, inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or extracellular matrix degrading enzymes in chondrocytes; And comparing the difference between the untreated control group and the osteoarthritis treatment candidate treatment group for at least one evaluation item selected from the group consisting of the amount of NO production in the culture medium.
제9항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 콘드로이티나제와 골관절염 치료제 후보물질은 동시에 처리되거나 또는 각각 별도로 처리되는 것을 특징으로 하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법.
The method of claim 9, wherein in step (d), the chondroitinase and the osteoarthritis drug candidate are treated at the same time or separately.
제9항에 있어서, 상기 연골세포의 형태학적 특성은 비대성 변화(hypertrophic change)이고; 상기 산화성 스트레스 마커는 Rth1, Hmox1 및 Txn으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고; 및 상기 세포 외 기질 분해효소는 MMP-13 또는 ADAMTS5인 것을 특징으로 하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법.
The method of claim 9, wherein the morphological characteristics of the chondrocytes are hypertrophic change; The oxidative stress marker is at least one selected from the group consisting of Rth1, Hmox1 and Txn; And the extracellular matrix degrading enzyme is MMP-13 or ADAMTS5.
제9항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 미처리 대조군과 비교해 골관절염 치료제 후보물질 처리군에서 하기 (i) 내지 (iv)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 만족하는 결과가 나타난 경우, 상기 후보물질이 골관절염 치료효과를 나타내는 것으로 판정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 골관절염 치료제 스크리닝 방법:
(i) 3차원 구조체 내 연골세포의 비대성 변화(hypertrophic change)의 억제;
(ii) 연골세포 내 산화성 스트레스 마커의 발현량 감소, 유도성 질소 산화물 합성효소(iNOS)의 발현량 감소 또는 세포 외 기질 분해효소의 발현량 감소; 및
(iii) 배양 배지 내 NO 생성량 감소.
The method of claim 9, wherein in step (e), when a result that satisfies at least one selected from the group consisting of the following (i) to (iv) in the osteoarthritis treatment candidate material treatment group is shown compared to the untreated control group, the candidate material Osteoarthritis treatment screening method, characterized in that it further comprises the step of determining to exhibit the osteoarthritis treatment effect:
(i) inhibition of hypertrophic change of chondrocytes in the three-dimensional structure;
(ii) decreased expression of oxidative stress markers in chondrocytes, decreased expression of inducible nitrogen oxide synthase (iNOS), or decreased expression of extracellular matrix degrading enzymes; And
(iii) Reduction of NO production in the culture medium.
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