KR102228400B1

KR102228400B1 - 뇌 오가노이드 제조 방법

Info

Publication number: KR102228400B1
Application number: KR1020190117601A
Authority: KR
Inventors: 선웅; 유재연; 서규빈
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-16

Abstract

(a) 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질에서 인간유래줄기세포를 2차원 배양하는 단계; (b) 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니를 상기 세포배양 기질로부터 분리하는 단계; (c) 상기 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성화 구조를 가지는 3차원 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법을 제공한다.

Description

뇌 오가노이드 제조 방법 {Method for preparing brain organoid}

본 발명은 마이크로 컨택트 프린팅 기법으로 패턴된 세포배양 기질에서 2차원 배양된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성을 갖는 뇌 오가노이드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

기존의 동물 모델을 사용한 연구 결과들은 인간 관련 질환이나 신약 개발 등의 적용에 많은 한계들을 가졌으나, 인간줄기세포 배양 기술이 개발되면서 배아 및 조직 발달, 각종 질병 원인 및 기전 등에 관한 연구들이 획기적으로 발전하고 있다. 줄기세포는 크게 배아줄기세포와 유도만능 줄기세포로 구분되며, 이들 줄기세포는 공통적으로 자가증식이 가능하고, 특정 환경에서 각종 세포로 분화되는 다분화능을 갖는 특징이 있다.

성인의 피부세포 등의 체세포에 역분화를 일으키는 특정 유전자를 도입하여 제조되는 유도만능줄기세포의 개발로 인해 배아줄기세포가 가지는 윤리적 문제점이 해결되었고, 환자 본인의 체세포를 이용함으로써 환자 맞춤형 질병모델, 신약 스크리닝, 약물 독성 테스트 등이 가능해졌다.

최근에는, 줄기세포의 내재적 자기조직화 성질을 이용하여 부분적으로 인비보(in vivo) 장기 모사를 할 수 있는 기능적인 삼차원 구조체인, 오가노이드의 개발로 이어졌다. 특히, 신체의 장기 중에서도 태아 단계 및 출생 초기에 발달이 완성되는 뇌의 경우, 뇌에 직접적인 접근이 거의 불가능하여 연구를 하기 위해 현실적으로 많은 제약이 따르는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 줄기세포를 신경세포가 포함된 뇌의 구성세포로 분화시키는 기술로 발달시키기 위한 연구가 진행중이다.

오가노이드(organoid)는 장기 유사체로서, 줄기세포나 장기 기원세포로부터 분리한 세포를 3D 배양을 통해 다시 응집재조합하여 만든 조직 또는 기관의 형태와 기능 모두를 재현하는 작은 배양체를 의미한다. 이러한 오가노이드는 기관 또는 조직을 구성하는 여러 특이적 세포 집단들을 포함하고 있고, 실제 조직 또는 기관과 유사한 형태 및 구조적 조직화가 이루어져 있으며, 각 기관이 가지는 특수한 기능을 재현할 수 있다. 오가노이드는 공통적인 일련의 과정에 의해 형성되는데, 기능이 같은 세포들끼리 뭉쳐 적절한 위치로 배치되며, 세포들의 구획이 분리된 후에는 더욱 세부적인 분화가 일어난다. 이를 계통 특성화(lineage specification)라고 하며, 실제 기능을 수행할 수 있도록 전구체가 완전한 성체 세포로 분화되는 것이다.

새로운 치료약물을 발굴 및 개발하기 위해서는 생체를 모사할 수 있으며 질환의 특성을 잘 나타내는 모델 개발이 필수적이다. 현재까지 가장 정확하고 신뢰할 수 있는 생물학적 분석은 동물을 이용한 실험이며 동물을 이용한 분석이 독성학이나 신약 스크리닝과 같은 생물학적 분석 분야에서 높은 정확도의 장점을 가지나 여러 단점도 가지고 있다. 현재 실험실에서 쓰이고 있는 일차배양 세포모델의 경우 해당 장기 또는 조직에서 유래한 세포를 인공적으로 불멸화(immortalized) 시키거나 2차원적으로 평면배양하면서 후보물질의 효능 및 독성을 검증하게 된다. 하지만 2차원적으로 인공적으로 배양되는 세포들은 조직에서 분리된 후 배양되는 과정에서 본래 세포 형태의 변화뿐만 아니라 조직 단위의 세포 기능을 일부 상실하게 되며 아울러 세포외환경(ECM, microenvironment) 과의 연결이 단절되어 실제 생체에서 나타나는 현상을 반영하지 못하는 치명적인 단점이 있다. 뿐만 아니라 인간 세포가 아닌 경우 종간 차이로 인해 약물의 작용 및 기전이 인간과 동일하지 않은 경우가 많아 이로 인해 효율적인 약물개발의 발전이 저해가 되고 시간과 비용 또한 많이 소요가 된다. 이를 해결하기 위한 수단으로 최근 환자 유래 유사 장기를 제작하여 질환 모델링, 병리연구, 약물스크리닝, 독성평가, 유전자조작에 활용하는 방법으로써 줄기세포 오가노이드 제작 기술 개발이 관심을 받고 있다.

줄기세포를 이용한 뇌 오가노이드의 제작은 일반적으로 줄기세포집합체에서 시작하여, 세포가 자체적으로 가지는 분화능을 이용하거나, 특정 형태를 형성시키는 형태인자를 처리하여 특정 뇌 부위로의 분화를 유도하게 된다. 분화 중, 조직 팽창이나 신경세포로의 분화를 촉진하기 위해 마트리겔(matrigel)과 같은 세포외기질을 이용하거나, 장기간 배양을 위해 스피닝 생체반응기(spinning bioreactor)와 같은 장치를 사용하기도 한다. 오가노이드 연구 초기에는 이와 같은 방법들로 특정 뇌 부위를 모사할 수 있었으나, 여러 부위의 다양한 세포로 이루어진 뇌의 복잡성을 재현할 수 없고, 뇌 발달 초기에 대칭이 깨어지면서 형성되는 앞뒤축, 등배축 등을 만들 수 없다는 단점이 남아 있었다. 이후, 각각 서로 다른 인자들로 분화시그널을 다르게 유도하여 독립적으로 2 이상 부위의 세포를 만든 후, 세포들을 융합시켜 좀 더 복잡하고 다양한 종류의 뇌융합오가노이드(assembloid)를 제작하는 단계에 이르렀다. 그러나, 이러한 뇌융합오가노이드는 일정발달 단계를 끝낸 삼차원구조체들을 만들어 융합시키는 방법을 이용하므로, 뇌발달초기의 서로 다른 세포나 부위들의 상호작용을 모사할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 인간 뇌발달 단계 연구, 뇌질환 모델링, 약물 스크리닝의 모델 시스템 등의 용도로 뇌 오가노이드가 기능할 수 있기 위해 전술한 단점을 극복할 수 있는 뇌 오가노이드 제작 기술이 요구된다.

한국특허등록 제1767193호 한국공개특허 제2018-0038573호

본 발명의 목적은 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질에서 인간유래줄기세포, 즉 인간배아줄기세포와 인간유도만능줄기세포를 2차원 배양하는 단계, 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니를 상기 세포배양 기질로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성화 구조를 가지는 3차원 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 특정 뇌부위만을 모사하는 기술적 한계를 극복하기 위해, 세포 분화시 물리적 제한을 주었을 때, 세포의 위치에 따라 분화시그널이 다르게 전달되는 성질을 이용하여 복수의 부위 또는 세포를 만들어냄으로써, 보다 복잡하고 다양한 종류의 뇌 오가노이드를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질에서 인간유래 배아줄기세포를 2차원 배양하는 단계; (b) 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니를 상기 세포배양 기질로부터 분리하는 단계; 및 (c) 상기 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성화 구조를 가지는 3차원 구조체를 형성하는 단계; 를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법이 제공된다.

일 측에 따르면, 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니는 중배엽 세포 및 신경 줄기세포로 분화되고, 상기 중배엽 세포는 세포 콜로니 가장자리 부분에 위치하며, 상기 신경 줄기세포는 세포 콜로니 중앙의 융기된 부분에 위치할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 3차원 구조체는 한쪽 말단에 신경능선세포가 분포된 것일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 (a) 단계는, TGF-β 억제제 및 Wnt 신호전달 활성제 중 적어도 하나의 첨가제를 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 TGF-β억제제는, SB-431542, SB-505124, SB-525334, A83-01, SD-208, LY-36494, 및 SJN-2511으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 Wnt 신호 전달 활성제는, GSK3 (glycogen synthase kinase 3) 억제제; 베타-카테닌 (β-catenin)을 증가시키는 물질; Axin 억제제; APC (adenomatous polyposis coli) 억제제; 노린(norrin) 및 R-스폰딘2 (R-spondin2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 (c) 단계는, 분리된 세포 콜로니에 FGF(Fibroblast growth factor)를 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 뇌 오가노이드 제조 방법은, 상기 (c) 단계 이후에 (d) 상기 3차원 구조체를 배양하여 말초신경계로 분화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 마이크로 패턴 어레이는, 지름이 100 내지 400 μm인 원형의 패턴을 가질 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 세포배양 기질은 마트리겔(matrigel)일 수 있다.

본 발명의 제조방법을 이용하면, 물리적 제한에 따라 줄기세포 콜로니의 분화양상이 차별화되는 성질을 이용하여 줄기세포를 2차원 마이크로 패턴에서 분화시킨 후, 분화된 세포 콜로니를 분리하여 3차원 배양을 통해 3차원 구조체인 오가노이드로 전환시킬 수 있다. 구체적으로, 2차원 배양 조건으로 생성되는 여러 종류의 세포들이 3차원 배양을 통해 3차원 구조체 내에서 각기 다른 구조를 가지면서 공간적 분할을 이루고, 특정 세포들이 일정한 위치에 몰려있는 극성화 구조를 형성할 수 있다.

본 발명의 제조방법을 이용하면, 마이크로 컨택트 프린팅(Microcontact printing)기법에 의해 패턴화되는 세포 분화양상이 초기 인간 배발달 과정에서 보여지는 2차원적인 배엽형성을 모사할 수 있다. 또한, 특정 세포들이 각기 다른 세포의 발달을 촉진하는 내재적 인자를 유리하여 일정한 위치에서의 세포 분화를 야기시킬 수 있어, 발달 과정에서 구획화되는 뇌 구조의 일부를 모사할 수 있다.

아울러, 본 발명을 이용하면 일정한 크기의 세포 콜로니에서 분화를 시작함으로써, 오가노이드 제작의 난제인 낮은 재현성 및 높은 이질성을 해결할 수 있다.

본 발명의 뇌 오가노이드 제조 기술은, 뇌의 다른 부위 또는 다른 장기들의 오가노이드를 제작하는데 응용될 수 있고, 뇌 발달 과정의 일부를 모사하고 있는 극성화 뇌 오가노이드는, 정밀의학적 연구용 또는 진단용으로 이용될 수 있다. 아울러, 동물실험을 대체할 수 있으므로, 뇌 조직, 뇌 질환의 기전을 연구하기 위한 모델용으로 활용될 수 있다.

그러나 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 세포배양 기질에 프린팅된 마이크로 패턴 및 세포배양 기질에서의 2차원 배양을 도시한 것이다.
도 2는 2차원 배양으로 분화된 세포 콜로니의 형태 변화를 시계열적으로 나타낸 것이다.
도 3은 2차원 배양으로 분화된 줄기세포를 동정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 다양한 모양의 패턴으로 프린팅된 세포배양 기질에서 분화시킨 인간유래 배아줄기세포를 관찰한 것이다.
도 5는 3차원 배양된 오가노이드의 구조적 분할을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제조된 오가노이드에서의 극성화된 신경능선세포 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제조된 분화된 말초신경계를 포함하고 있는 오가노이드를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 고유성과 우수성을 보여주기 위해 줄기세포를 다른 세포배양 시스템에서 동일한 방법으로 분화시킨후 동정한 결과를 나타낸 것이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에서 사용되는 용어에 대하여 간단히 설명한다.

본 명세서에서 용어 "줄기세포"란 동물의 내배엽 (endoderm), 중배엽 (mesoderm) 및 외배엽 (ectoderm)유래의 세포로 분화할 수 있는 전분화능 (pluripotency), 또는 조직 또는 기능에 있어 밀접하게 관련된 세포로 분화할 수 있는 다분화능 (multipotency)을 갖는 세포를 의미한다.

본 명세서에서 용어 “극성화”란 세포나 조직이 특정한 축 방향을 따라 생리적 또는 형태적 차이를 나타내는 현상을 의미한다.

본 명세서에서 용어 ‘로제트(rosette)’는 배아줄기세포의 신경분화 과정의 초기단계의 신경줄기세포를 말하며, 구체적으로는 신경 로제트(neural rosette)를 의미한다. 신경 로제트는 원주형의 방사상 형태를 가지며, Pax6 및 Sox1 등의 초기 신경외배엽(neuroectodermal)마커를 발현하는 세포로 구성되며, 다양한 뉴런세포 및 신경교세포로 분화할 수 있다.

본 명세서에서 용어 “오가노이드(Organoid)”는 생체(인체) 장기와 유사한 구조 (Structure), 세포의 구성 (Cellular components), 기능 (function)을 보유한 3차원 구조체를 의미한다. 본 명세서 내에서 오가노이드는 좁은 범위의 3차원 구조체와 동일한 의미로 기재되었다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질에서 인간유래 배아줄기세포(H9 라인)을 2차원 배양하는 단계; (b) 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니를 상기 세포배양 기질로부터 분리하는 단계; (c) 상기 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성화 구조를 가지는 3차원 구조체를 형성하는 단계; 를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법이 제공된다.

상기 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질은, 마이크로 컨택트 프린팅 기법을 이용하여 제조될 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 마이크로 패턴 어레이는 일정한 크기의 지름을 가진 원형의 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 도트(dot) 무늬가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 마이크로 패턴 어레이는 지름이 100 μm 내지 400 μm인 원형의 패턴을 가질 수 있으며, 구체적으로는 지름 350 μm인 원형의 패턴을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 2차원 배양은, 납작하고 평평한 접시, 예컨대 샬레, 플라스크, 멀티 웰 플레트 상에서 세포를 배양하는 것을 의미한다. 특정한 세포의 표현형을 유발하거나, 특정 세포로의 분화를 유도하기 위한 2차원 배양에는 생물학적으로 유도된 매트릭스(예를 들어, 피브린, 콜라겐, 및 본 명세서의 마트리겔) 및 합성 하이드로겔(예를 들어, PAA, PEG) 등이 이용될 수 있으며, 구체적으로 본 발명에서의 2차원 배양은 마트리겔(matrigel)을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 2차원 배양은 마트리겔과 같은 프린팅된 2차원 마이크로 패턴위에 인간유래줄기세포를 세포집합체(clump) 또는 단일세포로 부착시켜 배양하는 것일 수 있다. 단일세포를 부착시키는 경우, 1cm²의 면적당 12,000 내지 14,000개의 밀도로 세포를 가하여 배양하는 것이 바람직하다. 단일세포 부착시, 1cm²의 면적당 12,000 개의 밀도에 비해 낮은 밀도로 세포를 가하게 되면 세포들이 마이크로패턴을 채우기까지 많은 시간이 소요되고, 그 시간동안 세포가 자연적으로 분화되는 경향이 나타나고, 1cm²의 면적당 14,000 개의 밀도에 비해 높은 밀도로 세포를 가하게 되면 세포가 마이크로패턴을 너무 빨리 채우게 되므로, 세포 부착 후 안정화되기도 전에 분화 시그널을 가해야 하는 단점이 있다.

상기 세포 콜로니는 2차원 배양의 제한적인 조건에 의해 도 2에 도시한 바와 같이 중앙의 부분이 융기된 형태로 분화가 진행될 수 있다. 일 측에 따르면, 상기 세포 콜로니는 중배엽 세포 및 신경 줄기세포로 분화되고, 상기 중배엽 세포는 세포 콜로니 가장자리 부분에 위치하며, 상기 신경 줄기세포는 세포 콜로니 중앙의 융기된 부분에 위치할 수 있다.

중배엽은 다세포 동물의 초기 발생에서 외배엽과 내배엽의 사이에 존재하는 중간층을 의미한다. 중배엽은 초기 발생 이후, 특이적으로 심장, 혈관, 근육, 뼈, 생식기관 및 몇몇의 분비관 등을 이루는 조직으로 분화가 이루어진다. 중배엽 세포는 혈액세포, 혈관내피세포, 평활근 및 심근 등을 포함하는 근육세포, 골세포, 연골세포, 지방세포, 망상세포 또는 기타 결합조직세포로 분화할 수 있는 세포를 의미한다.

신경줄기세포 (Neural stem cells)는 20-30회 이상 세포 분열을 수행할 수 있고, 뉴런 및 신경아교세포를 생성할 수 있는 분화능을 유지하는 세포를 의미한다. 신경줄기세포는 다수의 신경세포 유형들(ex. 뉴런/신경아교세포)로 분화할 수 있는 다분화능(multipotent)이 있다. 통상적으로 신경줄기세포는 중추신경계 (Central nervous system: CNS)와 말초신경계 (peripheral nervous system: PNS)의 조직을 1차 배양하여 확보할 수 있으며, 이 세포는 특정 분화 조건에서 신경아교세포 계통(glial lineage)이나 neural lineage 등으로 분화하게 된다(Sally Temple et al. 2001).

일 측에 따르면, 상기 (a) 단계는, TGF-β 억제제 및 Wnt 신호전달 활성제 중 적어도 하나의 첨가제를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 첨가제를 포함하는 약물은 일 1회, 3일간 처리하는 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

TGF-β 억제제는 다능성 줄기 세포의 중배엽으로의 분화를 억제하고 신경외배엽으로의 분화를 촉진하는 효과를 갖는다. TGF-β 억제제는 TGF-β 에 의해 매개되는 신호 전달을 억제할 수 있는 것인 한 특별히 한정되지 않는다. 일 측에 따르면, 상기 TGF-β억제제는, SB-431542, SB-505124, SB-525334, A83-01, SD-208, LY-36494, 및 SJN-2511으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종일 수 있으며, 비제한적으로는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 SB-431542임이 바람직하다.

[화학식 1]

Wnt 신호전달 활성제는 Wnt 신호전달의 활성화를 유발하는 최초 물질인 Wnt와 그 수용체의 결합에 의해 시작되거나, 또는 세포 내 Wnt 신호전달 하위 효과 물질인 베타-카테닌(beta-catenin)의 안정화로 인해 매개되는 일련의 반응을 활성화 시키는 제제를 의미한다.

일 측에 따르면, 상기 Wnt 신호 전달 활성제는, GSK3 (glycogen synthase kinase 3) 억제제; 베타-카테닌 (β-catenin)을 증가시키는 물질; Axin 억제제; APC (adenomatous polyposis coli) 억제제; 노린(norrin) 및 R-스폰딘2 (R-spondin2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, GSK3 억제제임이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. GSK3 억제제는, 예컨대, 리튬 (Li), LiCl, 이가 아연 (bivalent Zn), BIO (6-bromoindirubin-3'-oxime), SB216763, SB415286, QS11 수화물 (QS11 hydrate), TWS119, 켄폴론(kenpaullone), 알스터폴론 (alsterpaullone), 인디루빈-3-옥심 (indirubin-3-oxime), TDZD-8 및 Ro 31-8220 메탄설폰산염 (Ro 31-8220 methanesulfonate salt)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 비제한적으로 하기 화학식 2의 구조를 갖는 CHIR99021임이 바람직하다.

[화학식 2]

상기 TGF-β 억제제 및 Wnt 신호 전달 활성제의 처리 농도는 IC50 (the half maximal inhibitory concentration)을 기준으로 세포의 종류에 따라 차이가 있을 수 있다. SB-431542의 IC50은 94 nM이고, CHIR99021의 IC50은 6.7 nM이므로 이보다 고농도를 처리하는 것이 바람직하고, 본 발명의 실시예에서는 SB-431542를 10μM, CHIR99021를 3μM을 처리하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

마트리겔은 EHS(Engelbreth-Holm-Swarm) 마우스의 육종세포에서 추출된 단백질 복합체로서(BD Bioscience사의 제품명), 라미닌(lamonin), 콜라겐(collagen), 헤파란 설페이트 프로테오글리칸(heparan sulfate proteoglycan)과 같은 세포외 매트릭스(extracellular matrix, ECM)와 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor, FGF), 상피세포 성장인자(epiderma growth factor, EFG), 인슐린 성장인자(insulin-like growth factor, IGF), 형질전환 성장인자-베타(transforming growth factor-beta, TGF-β), 혈소판 유래 성장인자(platelet-derived growth factor, PDGF)와 같은 성장인자를 함유한다.

상기 (a) 단계에서 세포배양 기질로 마트리겔(martrigel)을 이용하는 경우, 전술한 원형의 마이크로 패턴 어레이로 구성된 스탬프를 이용하여 마트리겔을 프린팅할 수 있으며, 이 때 스탬프는 폴리다이메톡시실란(Polydimethoxysilane, PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA), 사이클릭올레핀코폴리머(cyclic olefin copolymer, COC), 폴리이마이드(polyimide, PI) 일수 있고, 구체적으로는 PDMS임이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때, 마트리겔은 농도가 0.8-1.2 mg/ml인 것일 수 있고, 인간 줄기세포배양에 적합한 품질인 것을 이용함이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 소정 크기(지름)의 패턴을 갖는 마트리겔을 세포배양 기질로 하여 인간유래 다능성줄기세포를 2차원 배양한 뒤, 분리하여 다시 3차원 배양시킴으로써 3차원 구조체의 모양, 생장, 방향성, 극성 및 분화 등을 조절할 수 있다.

상기 (b)단계는, 세포배양 기질에 부착된 세포 콜로니의 부착성을 낮춰 분리할 수 있는 물질을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 처리하는 물질은 공지된 줄기세포 배양 방법에서 이용되는 물질이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 셀 리커버리 용액(Cell recovery solution)임이 바람직하며, 상기 용액은 세포들이 부착되어 있는 마트리겔을 해중합(depolymerization)시켜 세포콜로니를 바닥으로부터 분리시키는 역할을 수행할 수 있다.

상기 (b)단계에 의해 세포배양 기질로부터 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양함으로써 극성화 구조를 갖는 3차원 구조체를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 극성화 구조는 2차원 배양 조건으로 생성되는 여러 종류의 세포들이 3차원 배양을 통해 3차원 구조체 내에서 각기 다른 구조를 가지면서 공간적 분할을 이루고, 특정 세포들이 일정한 위치에 몰려있는 구조를 의미한다. 발달 초기에 배아는 일정한 위치에 형태인자(morphogen)을 유리하는 시그널링 센터를 갖게 되고, 유리된 형태인자는 주변으로 확산되어 나가면서 센터로부터의 거리에 따라 농도 구배를 가지며, 이러한 농도구배는 센터주변의 세포의 종류, 분포패턴 및 형태 형성을 결정하게 된다. 예를 들어, 배아에서 신경계 등배축은 BMP(bone morphogenetic protein)와 SHH(sonic hedgehog)의 농도구배에 의해 결정되는데, BMP 농도는 등쪽의 신경튜브에서 가장 높고 배쪽으로 갈수록 낮아지는 반면, SHH의 농도는 배쪽의 신경튜브에서 가장 높고 등쪽으로 갈수록 낮아진다.

FGF(Fibroblast growth factor)는 3차원 배양을 통해 형성된 3차원 구조체가 세포분열을 통한 성장과 극성화를 갖기 위해 필수적인 인자로, FGF를 처리하지 않는 경우 3차원 구조체의 극성화가 진행되지 않을 수 있으며 이른 분화과정을 겪을 수 있다. FGF의 EC50(Half maximal effective concentration)은 0.25-1 ng/ml 이므로, 처리 농도는 이보다 고농도를 사용하게 되며, 20 ng/ml을 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 처리기간은 6일 이상이 바람직하며, 10일까지도 처리할 수도 있다.

전술한 (a) 단계 내지 (c) 단계를 통해 형성된 3차원 구조체를 추가 배양함으로써, 감각신경 및 교감신경 등으로 이루어지는 말초신경계로 분화시킬 수 있고, 이를 이용하여 말초신경계를 포함하는 뇌 오가노이드를 제조할 수 있다.

보다 구체적인 설명은 이하의 실시예를 통해 후술하도록 한다.

실시예 1. 뇌 오가노이드의 제조

인간배아줄기세포(H9 라인)는 마트리겔로 코팅된 세포배양용기에서mTeSR(STEMCELL Technologies)나 E8(STEMCELL Technologies) 미디아(media)를 이용해 배양하였다. 먼저 세포배양 기질을 제조하기 위해, 원형의 마이크로 패턴 어레이(350μm 지름)로 구성된 폴리다이메톡시실란(Polydimethoxysilane, PDMS) 스탬프를 이용하여 마트리겔(matrigel)을 프린팅 하였다. 마트리겔로 프린팅된 2차원 마이크로 패턴위에 인간유래 배아줄기세포(H9 셀라인)를 약 50-200μm작은 세포 집합체(clump)로 만들어 부착시킨 후 배양하였다. 또는 단일세포로 만들어 부착시킬 경우에는 1cm²의 면적당 13,000 개의 밀도로 세포를 가하여 배양하였다 (도 1).

이 때, 배양 중인 줄기세포에 매일 TGF-β 억제제(Transforming growth factor-β inhibitor)인 SB-431542(10μM, TOCRIS) 및 wnt 신호전달 활성제인 CHIR99021(3μM, Sigma)을 첨가하여 3일동안 분화를 유도하였다. 2차원 배양을 통해 분화가 진행됨에 따라, 분화 2일째부터 줄기세포 콜로니가 기질에 붙어있는 상태로 가운데 부분이 융기되어 점점 길어지는 독특한 형태의 구조체를 형성하였다(도 2). SB-431542와 CHIR99021를 가한 2일(D2), 3일(D3)째 분화된 세포의 종류를 동정하기 위해 항체염색을 한 결과, 마이크로패턴위의 세포 콜로니 중앙의 융기된 부분은 SOX2로 염색되는 세포로 분화되었으며, 세포 콜로니의 가장자리 부분은 Brachyury T 항체로 염색되는 세포로 분화되었다. 이러한 세포 분화는 3일째 더 두드러진 것으로 나타났다(도 3). 이러한 세포 분화패턴이 마이크로패턴의 모양을 변화시킬 경우에도 관찰되는지 여부를 알아보기 위해 별, 삼각형, 사각형 형태의 마이크로패턴위에서 세포를 분화시켰다. 마이크로패턴의 모양에 상관없이 SOX2와 Brachyury T의 발현양상과 세포콜로니 중간부분의 융기현상들이 유사하게 관찰되었다(도 4). 즉, 세포를 배양할 때 물리적 제한을 주게 되면 패턴의 모양에 상관없이 콜로니상에서 세포의 위치(예를 들면, 세포가 콜로니의 가장자리 위치하는지 혹은 중간에 위치하는지 여부)에 따라 분화가 다르게 진행됨을 의미한다.

이후, 셀 리커버리 용액(Cell recovery solution, Corning)을 이용하여 세포배양 기질에 프린팅된 마트리겔(matrigel)을 녹여 각각의 콜로니를 바닥으로부터 분리하였다. 분리된 콜로니를 FGF(Fibroblast growth factor)를 처리하여 3차원 배양한 결과, 길쭉한 형태의 3차원 구조체(오가노이드)가 형성되었다. 일정한 기간이 지난 후, 오가노이드를 고정시킨 다음, 여러 가지 마커들을 사용하여 오가노이드의 구조와 그 구조를 구성하는 세포들을 동정하였다.

우선 길쭉한 형태의 오가노이드를 ZO-1 항체로 염색하고, Hoechst dye로 핵을 염색하였다. 길쭉한 형태의 오가노이드는 구조적으로 상이한 두 부분으로 분할되었다. FGF(20ng/ml, R&D Systems)를 가한 1일(bFGF D1) 후, 오가노이드 한쪽 부위는 루멘(Lumen)이 작은 원형을 이루고 있는 로제트(rosette)들로 이루어졌으며, 다른 한쪽 부위는 루멘(Lumen)이 길쭉한 형태의 로제트(rosette)들로 채워져 있음을 관찰할 수 있었다. 이러한 오가노이드 분할양상은 FGF를 가한 후 배양한 기간이 증가할수록 더 뚜렷하게 나타났다. 그리고, FGF를 가하고 4일 후부터 작은 원형의 로젯들이 채워진 쪽의 오가노이드 표면(surface)에 밀착 연접(tight junction)이 잘 발달되어 있는 것을 관찰할 수 있었다(도 5).

오가노이드를 형성하고 있는 세포들을 동정한 결과, FGF를 가한 1일째 Brachyury T로 염색된 세포는 오가노이드의 한쪽 끝에 위치하고 있었으며, 6일째에 이 세포들은 약하게 염색되거나 사라졌다. 6일째, Brachyury T로 염색된 세포가 있었던 오가노이드의 한쪽 끝에서 PAX3와 Slug 항체에 의해서 염색되는 세포들이 관찰되었다. Slug항체에 의해서 염색되는 세포는 FGF를 가한지 3일째부터 나타나기 시작해서 6일째까지 지속되었으며, 이 세포들의 근접부위에는 SOX10에 의해 염색되는 세포들이 관찰되었다(도 6). 일반적으로PAX3는 신경계튜브의 등축 마커로 사용되며, slug와 SOX10은 신경능선세포의 마커로 사용되므로, 신경계튜브의 등쪽에서 발달되는 신경능선세포가 오가노이드의 한쪽 끝에 극성화되어 분화되고 있음을 확인할 수 있었다.

이 후, FGF를 제거하고 오가노이드를 추가적으로 분화시켰을 때, 도 7의 (a) 및 (b)에 각각 도시한 바와 같이 Peripherin 및 Bran3a 항체에 의해 염색되는 감각신경세포와 티로신 수산화효소(tyrosine hydroxylase, TH) 항체에 의해 염색되는 교감신경세포로 이루어진 말초신경계를 포함하는 뇌 오가노이드로 발달됨을 확인하였다.

실시예2. 기존 뇌 오가노이드 제조방법과 비교

본 발명에서는 마이크로패턴을 이용한 2차원 세포배양시스템에서 줄기세포를 분화시켰을 때, 패턴상의 세포 위치에따라 줄기세포가 복수의 서로 다른 세포들로 분화되고, 이 세포들은 극성화된 3차원 뇌 오가노이드를 형성할 수 있음을 보여주었다. 이러한 극성화 뇌 오가노이드가 본 발명을 통해서만 제조될 수 있는지를 확인하기 위해, 두 가지 다른 세포배양 시스템에서 동일한 방법으로 인간줄기세포 분화를 시도하였다. 첫번째는 일반적인 줄기세포 배양 방법으로서, 줄기세포가 물리적 제한없이 자랄 수 있도록 세포배양용기의 전체 바닥을 마트리겔로 코팅한 후 세포를 부착시켜 배양하였다. 동일하게 3일동안 SB-431542와 CHIR99021을 가하고 줄기세포를 분화시켰을 때, 분화된 세포들은 SOX2와 Brachyury T 항체에 의해 염색되었으나, 염색된 세포들이 무작위로 분포하여 일정한 패턴을 찾을 수 없었다(도 8a). 두번째로 줄기세포를 구형(sphere)으로 만들어 분화를 시도하였다. 분화 3일째(D3) 대부분의 세포들은 SOX2항체에 의해 염색되었으나, Brachyury T에 의해 염색되는 세포는 거의 찾아볼 수 없었다. 상기 구형의 구조체를 6일동안 FGF를 첨가하여 배양한 후, FGF 없이 2일 더 배양하였을 때(DM D2), 본 발명에서 보여지던 slug와 SOX10 항체에 의해 염색되는 신경능세포는 관찰되지 않았다(도 8b). 이러한 실험 결과는 본 발명에 의해 극성화된 뇌 오가노이드가 제조될 수 있음을 보여주고 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims

(a) 마이크로 패턴 어레이에 프린팅 된 세포배양 기질에서 인간유래줄기세포를 2차원 배양하는 단계;
(b) 상기 2차원 배양으로 생성된 세포 콜로니를 상기 세포배양 기질로부터 분리하는 단계;
(c) 상기 분리된 세포 콜로니를 3차원 배양하여 극성화 구조를 가지는 3차원 구조체를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 3차원 구조체를 배양하여 신경능선세포에서 유래하는 말초신경계로 분화시키는 단계를 포함하고,
상기 세포 콜로니는 2차원 배양에서 중배엽 세포 및 신경 줄기세포로 분화되고, 상기 중배엽 세포는 세포 콜로니 가장자리 부분에 위치하며, 상기 신경 줄기세포는 세포 콜로니 중앙의 융기된 부분에 위치하는, 뇌 오가노이드 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 3차원 구조체는 한쪽 말단에 신경능선세포가 분포된, 뇌 오가노이드 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는, TGF-β 억제제 및 Wnt 신호전달 활성제 중 적어도 하나의 첨가제를 처리하는 단계를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 TGF-β 억제제는, SB-431542, SB-505124, SB-525334, A83-01, SD-208, LY-36494, 및 SJN-2511으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인, 뇌 오가노이드 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 Wnt 신호 전달 활성제는, GSK3 (glycogen synthase kinase 3) 억제제; 베타-카테닌 (β-catenin)을 증가시키는 물질; Axin 억제제; APC (adenomatous polyposis coli) 억제제; 노린(norrin) 및 R-스폰딘2 (R-spondin2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인, 뇌 오가노이드 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 분리된 세포 콜로니에 FGF(Fibroblast growth factor)를 처리하는 단계를 포함하는, 뇌 오가노이드 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 마이크로 패턴 어레이는, 지름이 100 내지 400 μm 인 원형의 패턴을 갖는, 뇌 오가노이드 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 세포배양 기질은 마트리겔(matrigel)인, 뇌 오가노이드 제조 방법.