KR102330083B1 - Pharmaceutical Compositions for Improving or Treating Muscle Atrophy Comprising Conditioned Medium of Stem Cells Derived from Umbilical Cord - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포유동물 탯줄 유래 줄기세포의 배양액을 유효성분으로 포함하는 근위축증의 예방 또는 치료용 약제학적 조성물을 제공한다. 본 발명의 탯줄 유래 줄기세포 배양액을 근육 내에 투여하는 경우, 투여된 줄기세포는 투여된 부위의 근육세포를 증식시키고, 근육양을 증가시키며, 근육의 피로를 빠르게 회복시킴으로써 근위축증의 예방 또는 치료에 유효하다. 본 발명은 줄기세포 배양액을 이용하기 때문에 줄기세포를 이용한 치료법의 기술적, 현실적 제한성을 극복할 수 있고 상대적으로 확보가 용이하다는 장점이 있어 근위축증의 예방 및 치료에 매우 효과적으로 이용될 수 있다. The present invention provides a pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy comprising a culture solution of mammalian umbilical cord-derived stem cells as an active ingredient. When the umbilical cord-derived stem cell culture solution of the present invention is administered intramuscularly, the administered stem cells are effective for the prevention or treatment of muscular atrophy by proliferating muscle cells at the administered site, increasing muscle mass, and rapidly recovering muscle fatigue. do. Since the present invention uses a stem cell culture medium, it can overcome the technical and practical limitations of the treatment using stem cells, and has the advantage of being relatively easy to secure, so it can be very effectively used for the prevention and treatment of muscular atrophy.
Description
본 발명은 포유류 탯줄 유래 줄기세포 배양액을 유효성분으로 포함하는 근위축증의 예방 또는 치료용 약제학적 조성물에 관한 것이다. The present invention relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy comprising a mammalian umbilical cord-derived stem cell culture medium as an active ingredient.
인체의 근육양은 정상적으로 단백질의 합성과 분해가 균형을 이루어 일정하게 유지되지만, 단백질의 분해가 증가하거나 합성이 감소하는 상황이 발생하면, 근 위축(muscle atrophy)이 일어나게 된다. 근위축 질환은 영양결핍과 활동저하 외에도 암, 당뇨, 요독증, 만성폐질환, 심부전 그리고 AIDS 등과 같은 만성 소모성 질환에서 흔히 관찰되지만 패혈증이나 수술, 외상, 화상 같은 급성 질환에서도 나타난다고 알려져 있다. 비록 운동이나 다른 치료법(전기 자극, 화학적 약물치료)이 지속적으로 받더라도 근본적인 해결책이 되지 못하며, 완전한 회복이 어려워 근본적인 치료 방법은 되지 못하고 있다.The muscle mass of the human body is normally maintained by balancing protein synthesis and degradation, but when protein degradation increases or synthesis decreases, muscle atrophy occurs. In addition to malnutrition and decreased activity, muscle atrophy is commonly observed in chronic wasting diseases such as cancer, diabetes, uremia, chronic lung disease, heart failure, and AIDS, but it is also known to appear in acute diseases such as sepsis, surgery, trauma, and burns. Even if exercise or other treatment methods (electrical stimulation, chemical drug treatment) are continuously received, it cannot be a fundamental solution, and it is not a fundamental treatment method because it is difficult to recover completely.
줄기세포가 난치병의 극복에 해결방안으로 제시되면서 주목 받은 것은 줄기세포의 강력한 재생능력(regeneration potential) 때문이다. 실제 배아 줄기세포와 성체줄기세포는 분화능력의 차이는 있으나 다양한 조직을 구성하는 세포들로 분화하므로 손상된 부분을 재생하는 효과를 기대할 수 있다. 최근 보고들에 의하면 성체줄기세포의 경우 다양한 인체 유래 즉, 제대혈, 골수, 지방, 양수 등에서 얻어지고, 이러한 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells, MSCs)들이 다양한 질병모델의 치료법으로 그 가능성을 제시하고 있다. 또한, 근골격계 질환을 치료하기 위해, 줄기세포를 이용한 치료 연구가 선행되고 있으며, 줄기세포가 근 재생에 잠재력을 가지고 있다고 보고된 바 있다. 본 발명자들도 탯줄 유래 중간엽줄기세포 (UC-MSCs)를 이용한 근위축 치료 연구를 선행하였으며, 병변이 일어난 국소 부위에 직접 탯줄 유래 줄기세포를 주입한 뒤, 근위축을 개선시키는 결과를 보고하였다(ref 1).As stem cells have been proposed as a solution for overcoming incurable diseases, they have attracted attention because of their strong regeneration potential. Although embryonic stem cells and adult stem cells differ in their differentiation ability, they can be expected to have the effect of regenerating damaged parts because they differentiate into cells constituting various tissues. According to recent reports, adult stem cells are obtained from various human sources, such as umbilical cord blood, bone marrow, fat, and amniotic fluid, and these mesenchymal stem cells (MSCs) suggest their potential as a treatment for various disease models. have. In addition, in order to treat musculoskeletal disorders, treatment studies using stem cells have been preceded, and it has been reported that stem cells have the potential for muscle regeneration. The present inventors also preceded the study of muscle atrophy treatment using umbilical cord-derived mesenchymal stem cells (UC-MSCs), and reported results of improving muscle atrophy after directly injecting the umbilical cord-derived stem cells into the local area where the lesion occurred. (ref 1).
최근 성체줄기세포의 질병 치료 메커니즘 중 하나인 주변분비작용(paracrine action)에 대한 보고가 늘고 있다. 즉, 중간엽줄기세포들이 병변부위에 노출되었을 때 미세환경(micro-environment)에 반응하여 다양한 치료 단백질들을 분비(secretion)한다. 분비되는 치료 단백질들은 성장인자(growth factor), 사이토카인(cytokine), 세포외 기질(extracellular matrix), 항산화 단백질 등을 포함하고 있는데 이것들은 다양한 프로테오믹스(proteomics)의 기술을 통하여 분석, 보고되고 있다. 따라서 주변분비작용을 수행하는 중간엽 줄기세포들을 다양한 질병모델에 적용하였을 때 이러한 분비 단백질을 통하여 신체 기능을 향상시키고 질병에 대한 치료효능을 나타낸다고 보고가 늘고 있다. 그러나, 줄기세포가 가진 잠재성에도 불구하고, 현실적기술적인 문제로 치료제로서의 개발 및 활용이 제한적인 실정이다. 예를 들어, 치료제로서 세포를 활용하기 위해서는 일정 숫자 이상의 세포가 요구되고, 이를 위해 세포를 일정한 상태로 유지 및 배양하여야 하며, 치료를 위한 이식과 관련된 일련의 과정에서 야기되는 효율성과 경제성 측면의 재고가 필요하다. Recently, reports of paracrine action, one of the disease treatment mechanisms of adult stem cells, are increasing. That is, when the mesenchymal stem cells are exposed to the lesion site, they secrete various therapeutic proteins in response to the micro-environment. Secreted therapeutic proteins include growth factors, cytokines, extracellular matrix, and antioxidant proteins, which are analyzed and reported through various proteomics techniques. Therefore, when mesenchymal stem cells, which perform paracrine action, are applied to various disease models, there are increasing reports that these secreted proteins improve body functions and exhibit therapeutic effects on diseases. However, despite the potential of stem cells, development and utilization as a therapeutic agent are limited due to practical technical problems. For example, in order to use cells as a therapeutic agent, more than a certain number of cells are required. is needed
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Numerous papers and patent documents are referenced throughout this specification and their citations are indicated. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to more clearly describe the level of the technical field to which the present invention pertains and the content of the present invention.
본 발명자들은 근위축증을 효과적으로 치료할 수 있으며 인체에 안전하게 적용이 가능한 물질을 개발하고자 예의 연구 노력하였고, 그 결과 탯줄 유래 줄기세포의 배양액이 근위축증을 예방 또는 치료하는 데 매우 유효하다는 것을 규명함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made intensive research efforts to develop a material that can effectively treat muscular atrophy and can be safely applied to the human body, and as a result, by identifying that the culture medium of umbilical cord-derived stem cells is very effective for preventing or treating muscular atrophy, the present invention has been completed
따라서 본 발명의 목적은 근위축증(muscle atrophy)의 예방 또는 치료용 약제학적 조성물을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for preventing or treating muscle atrophy.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 된다. Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and claims.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음 방법에 의해 제조된 포유류 탯줄 유래 줄기세포 배양액을 유효성분으로 포함하는 근위축증의 예방 또는 치료용 약제학적 조성물을 제공한다:According to one aspect of the present invention, the present invention provides a pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy comprising a mammalian umbilical cord-derived stem cell culture medium prepared by the following method as an active ingredient:
(a) 포유류 탯줄로부터 줄기세포를 분리하는 단계; (a) isolating the stem cells from the mammalian umbilical cord;
(b) 상기 줄기세포를 무혈청 배지에서 배양하는 단계; 및 (b) culturing the stem cells in a serum-free medium; and
(c) 배양 후 48시간에 배양액을 수합하고 원심분리하여 상등액을 수득하는 단계. (c) collecting the
본 발명자들은 근위축증을 효과적으로 치료할 수 있으며 인체에 안전하게 적용이 가능한 물질을 개발하고자 예의 연구 노력하였고, 그 결과 탯줄 유래 줄기세포의 배양액이 근위축증을 예방 또는 치료하는 데 매우 유효하다는 것을 규명하였다. The present inventors have made intensive research efforts to develop a substance that can effectively treat muscular atrophy and can be safely applied to the human body, and as a result, it was found that the culture solution of umbilical cord-derived stem cells is very effective in preventing or treating muscular atrophy.
본 발명에 따르면, 본 발명의 탯줄 유래 줄기세포 배양액은 근육세포의 증식을 증가시키고, 근육양을 증가시키며, 근육 내 젖산 분해를 촉진시킨다. 또한, 근위축 동물 모델에서 근단백질인 데스민의 발현을 증가시키고, 근위축과 관련된 AKT-FoxO 경로에서 Akt 및 FoxO의 활성을 증가시키고 그에 따라 근위축 관련 유전자인 MuRF-1 및 Atrogin-1의 발현을 감소시킴으로써 근위축 보호 활성을 나타낸다. According to the present invention, the umbilical cord-derived stem cell culture medium of the present invention increases the proliferation of muscle cells, increases the muscle mass, and promotes the decomposition of lactic acid in the muscle. In addition, it increases the expression of the muscle protein desmin in an animal model of muscular atrophy, increases the activity of Akt and FoxO in the AKT-FoxO pathway related to muscle atrophy, and thus the expression of the muscle atrophy-related genes MuRF-1 and Atrogin-1 By reducing , it exhibits amyotrophic protective activity.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 포유동물 탯줄 유래 줄기세포는 중간엽 줄기세포이다. According to one embodiment of the present invention, the mammalian umbilical cord-derived stem cells of the present invention are mesenchymal stem cells.
본 발명에서 이용하는 탯줄 유래 줄기세포는 다양한 포유동물로부터 수득할 수 있다. 보다 바람직하게는 인간, 돼지, 말, 소, 마우스(mouse), 랫트(rat), 햄스터(hamster), 토끼, 염소 또는 양, 보다 더 바람직하게는 인간, 돼지 또는 마우스, 가장 바람직하게는 인간의 탯줄에서 수득할 수 있다.The umbilical cord-derived stem cells used in the present invention can be obtained from various mammals. more preferably human, pig, horse, cow, mouse, rat, hamster, rabbit, goat or sheep, even more preferably human, pig or mouse, most preferably human It can be obtained from the umbilical cord.
본 발명에서 이용하는 탯줄 유래 줄기세포는 다양한 포유동물 탯줄의 워튼연육(Wharton's jelly) 조직으로부터 수득할 수 있다.The umbilical cord-derived stem cells used in the present invention can be obtained from Wharton's jelly tissues of various mammalian umbilical cords.
본 발명에서 이용되는 탯줄 유래 줄기세포는 하기의 실시예에 기재된 방식으로 수득할 수 있다. 예를 들어, 탯줄에 있는 동맥과 정맥을 제거한 후, 워튼연육 조직을 절단하고 절단된 워튼연육 조직을 직접 배양하여 세포를 성장(outgrowth)시킨다. 이어, 상기 성장된 세포를 계대 배양함으로써, 줄기세포를 수득한다. 상기 배양 과정에서 이용되는 배지는 동물세포의 배양에 통상적으로 이용되는 어떠한 배지도 가능하며, 예를 들어, Eagles's MEM (Eagle's minimum essential medium, Eagle, H. Science 130:432(1959)), α-MEM (Stanner, C.P. et al., Nat. New Biol . 230:52(1971)), Iscove's MEM (Iscove, N. et al., J. Exp. Med. 147:923(1978)), 199 배지 (Morgan et al., Proc . Soc . Exp . Bio. Med ., 73:1(1950)), CMRL 1066, RPMI 1640 (Moore et al., J. Amer . Med . Assoc . 199:519(1967)), F12 (Ham, Proc . Natl . Acad . Sci . USA 53:288(1965)), F10 (Ham, R.G. Exp . Cell Res. 29:515(1963)), DMEM (Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., Virology 8:396(1959)), DMEM과 F12의 혼합물 (Barnes, D. et al., Anal. Biochem. 102:255(1980)), Way-mouth's MB752/1 (Waymouth, C. J. Natl . Cancer Inst . 22:1003(1959)), McCoy's 5A (McCoy, T.A., et al., Proc . Soc . Exp . Biol . Med . 100:115(1959)) 및 MCDB 시리즈 (Ham, R.G. et al., In Vitro 14:11(1978)) 등이 이용될 수 있다.The umbilical cord-derived stem cells used in the present invention can be obtained in the manner described in Examples below. For example, after removing the arteries and veins in the umbilical cord, the Wharton's soft tissue is cut and the cut Wharton's soft tissue is directly cultured to grow cells (outgrowth). Then, by subculturing the grown cells, stem cells are obtained. The medium used in the culturing process may be any medium commonly used for culturing animal cells, for example, Eagle's MEM (Eagle's minimum essential medium, Eagle, H. Science 130:432(1959)), α- MEM (Stanner, CP et al., Nat. New Biol . 230:52 (1971)), Iscove's MEM (Iscove, N. et al., J. Exp. Med. 147:923 (1978)), 199 medium ( Morgan et al., Proc . Soc . Exp . Bio. Med . , 73:1 (1950)), CMRL 1066, RPMI 1640 (Moore et al., J. Amer . Med . Assoc . 199:519 (1967)) , F12 (Ham, Proc . Natl . Acad . Sci . USA 53:288(1965)), F10 (Ham, RG Exp . Cell Res. 29:515(1963)), DMEM (Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., Virology 8:396 (1959)), a mixture of DMEM and F12 (Barnes, D. et al., Anal. Biochem. 102:255 (1980)), Way-mouth's MB752/1 (Waymouth, C. J. Natl . Cancer Inst . 22:1003(1959)), McCoy's 5A (McCoy, TA, et al., Proc . Soc . Exp . Biol . Med . 100:115(1959)) and the MCDB series (Ham) , RG et al., In Vitro 14:11 (1978)) and the like can be used.
본 발명에서 이용되는 탯줄 유래 줄기세포의 배양액은 상기 줄기세포를 혈청이 포함된 배지에서 배양하여 세포가 80-90% 밀도가 되었을 때, 무혈청 배지로 배지를 교환한 다음 42-52시간 배양한 다음, 배양액을 원심분리하여 상등액으로서 수득한다. 보다 바람직하게는 무혈청 배지로 배지를 교환한 다음 48시간 배양한 후 수득한 배양액을 이용한다. The culture medium of the umbilical cord-derived stem cells used in the present invention is obtained by culturing the stem cells in a medium containing serum, and when the cells become 80-90% density, the medium is exchanged with a serum-free medium and then cultured for 42-52 hours. Then, the culture solution is centrifuged to obtain a supernatant. More preferably, the culture medium obtained after exchanging the medium with a serum-free medium and then culturing for 48 hours is used.
하기 실시예에서 입증된 바와 같이, 혈청이 없는 조건에서 탯줄 유래 줄기세포의 생존율은 48시간 까지는 정상 조건과 같이 유지되나 48시간 이후부터는 세포 생존율이 떨어지고, 세포의 부착력도 급격하게 떨어지는 것을 확인하였으며 시간 별로 얻은 동일한 양의 줄기세포 배양액의 농도를 측정한 결과에서도 48시간이 가장 많은 유용물질을 확보할 수 있는 시기임을 확인하고, 48시간 배양 후 배양액을 수득하는 것으로 결정하였다. As demonstrated in the examples below, in the absence of serum, the survival rate of umbilical cord-derived stem cells was maintained as in normal conditions until 48 hours, but after 48 hours, the cell viability decreased, and the adhesion of the cells was also rapidly decreased. As a result of measuring the concentration of the same amount of stem cell culture medium obtained for each, it was confirmed that 48 hours was the time to secure the most useful substances, and it was decided to obtain a culture medium after 48 hours of culture.
본 발명의 탯줄 유래 줄기세포 배양액은 당업계에 공지된 다양한 농축 방법을 이용하여 농축할 수 있다. The umbilical cord-derived stem cell culture solution of the present invention can be concentrated using various concentration methods known in the art.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 탯줄 유래 줄기세포 배양액을 3 kDa 컷-오프 시켜 농축하거나 동결 건조시켜 농축할 수 있으며, 농축 방법에 상관없이 상기 배양액은 근육세포의 증식과 이동을 촉진시킨다. According to one embodiment of the present invention, the umbilical cord-derived stem cell culture medium can be concentrated by cutting-off 3 kDa or by freeze-drying, and the culture medium promotes the proliferation and migration of muscle cells regardless of the concentration method.
하기 실시예에서 입증된 바와 같이, 동결 건조 후 4℃에서 보관한 파우더 제형의 배양액을 보관 기간에 따라 변화가 있는지 확인한 결과, 보관 기간에 따른 단백질 변성은 일어나지 않았다. 따라서, 본 발명의 배양액은 동결 건조 후 장기적으로 보관이 가능하다. As demonstrated in the Examples below, as a result of checking whether the culture solution of the powder formulation stored at 4° C. after freeze-drying was changed according to the storage period, protein denaturation according to the storage period did not occur. Therefore, the culture solution of the present invention can be stored for a long time after freeze-drying.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탯줄 유래 줄기세포 배양액은 트롬보스폰딘(Thrombospondin, TSP), 트롬보스폰딘-1, EDA-A2(Ectodysplasin-A2), IGFBP-rp1(Insulin-like growth factor binding protein-related protein 1)/IGFBP-7, TIMP-2(tissue inhibitor of metalloproteinase-2), IL-6, GRO, MIP2, SPARC, MCP-1, Dkk-1, 액티빈 A(Activin A), TIMP-1, VEGF, GDF-15, Smad 4, HGF, 안지오제닌(Angiogenin), 안지오포이에틴-1(Angiopoietin-1), IGFBP-6, FGF-7/KGF 및 MMP-1을 포함한다. According to one embodiment of the present invention, the umbilical cord-derived stem cell culture medium is thrombospondin (Thrombospondin, TSP), thrombospondin-1, EDA-A2 (Ectodysplasin-A2), IGFBP-rp1 (Insulin-like growth factor binding) protein-related protein 1)/IGFBP-7, TIMP-2 (tissue inhibitor of metalloproteinase-2), IL-6, GRO, MIP2, SPARC, MCP-1, Dkk-1, Activin A, TIMP -1, VEGF, GDF-15,
본 명세서에서 용어 “근위축”은 근육조직의 감소 또는 근육의 퇴행을 의미한다. As used herein, the term “muscle atrophy” refers to a decrease in muscle tissue or degeneration of a muscle.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 근위축증 예방 또는 치료용 약제학적 조성물은 근육 내(intramuscular) 투여용 조성물이며, 상기 조성물을 근육 내에 투여하는 경우 투여된 탯줄 유래 줄기세포는 근육 내에서 근육세포의 증식 및 젖산 분해를 촉진시키고, 근섬유의 크기를 증가시키며 근수축력을 증가시킴으로써 근위축성증에 대해 예방 또는 치료 효능을 나타낸다.According to a preferred embodiment of the present invention, the pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy of the present invention is a composition for intramuscular administration, and when the composition is administered intramuscularly, the administered umbilical cord-derived stem cells are intramuscular. It promotes cell proliferation and lactic acid degradation, increases the size of muscle fibers, and increases muscle contractility, thereby exhibiting preventive or therapeutic efficacy against muscular atrophy.
본 발명의 조성물은 (a) 포유류 탯줄 유래 줄기세포 배양액의 약제학적 유효량; 및 (b) 약제학적으로 허용되는 담체를 포함한다. The composition of the present invention comprises (a) a pharmaceutically effective amount of a mammalian umbilical cord-derived stem cell culture; and (b) a pharmaceutically acceptable carrier.
본 명세서에서 용어 “약제학적 유효량”은 상술한 포유류 탯줄 유래 줄기세포 배양액의 치료 효능 또는 활성을 달성하는 데 충분한 양을 의미한다.As used herein, the term “pharmaceutically effective amount” refers to an amount sufficient to achieve therapeutic efficacy or activity of the above-described mammalian umbilical cord-derived stem cell culture medium.
본 발명의 조성물이 약제학적 조성물로 제조되는 경우, 본 발명의 약제학적 조성물은 약제학적으로 허용되는 담체를 포함한다. 본 발명의 약제학적 조성물에 포함되는 약제학적으로 허용되는 담체는 제제 시에 통상적으로 이용되는 것으로서, 락토스, 덱스트로스, 수크로스, 솔비톨, 만니톨, 전분, 아카시아 고무, 인산 칼슘, 알기네이트, 젤라틴, 규산 칼슘, 미세결정성 셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로스, 물, 시럽, 메틸 셀룰로스, 메틸히드록시벤조에이트, 프로필히드록시벤조에이트, 활석, 스테아르산 마그네슘, 미네랄 오일, 식염수, PBS(phosphate buffered saline) 또는 배지 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. When the composition of the present invention is prepared as a pharmaceutical composition, the pharmaceutical composition of the present invention includes a pharmaceutically acceptable carrier. Pharmaceutically acceptable carriers included in the pharmaceutical composition of the present invention are commonly used in formulation, and include lactose, dextrose, sucrose, sorbitol, mannitol, starch, gum acacia, calcium phosphate, alginate, gelatin, Calcium silicate, microcrystalline cellulose, polyvinylpyrrolidone, cellulose, water, syrup, methyl cellulose, methylhydroxybenzoate, propylhydroxybenzoate, talc, magnesium stearate, mineral oil, saline, phosphate buffered PBS (PBS) saline) or medium, but is not limited thereto.
본 발명의 약제학적 조성물은 상기 성분들 이외에 윤활제, 습윤제, 감미제, 향미제, 유화제, 현탁제, 보존제 등을 추가로 포함할 수 있다. 적합한 약제학적으로 허용되는 담체 및 제제는 Remington's Pharmaceutical Sciences (19th ed., 1995)에 상세히 기재되어 있다.The pharmaceutical composition of the present invention may further include a lubricant, a wetting agent, a sweetening agent, a flavoring agent, an emulsifying agent, a suspending agent, a preservative, and the like, in addition to the above components. Suitable pharmaceutically acceptable carriers and agents are described in detail in Remington's Pharmaceutical Sciences (19th ed., 1995).
본 발명의 약제학적 조성물은 경구 또는 비경구 투여할 수 있으며, 바람직하게는 비경구 투여 방식, 보다 바람직하게는 근육 내(intramuscular) 투여 또는 혈관 내 투여이다.The pharmaceutical composition of the present invention may be administered orally or parenterally, preferably parenterally, more preferably intramuscularly or intravascularly.
본 발명의 약제학적 조성물의 적합한 투여량은 제제화 방법, 투여 방식, 환자의 연령, 체중, 성, 병적 상태, 음식, 투여 시간, 투여 경로, 배설 속도 및 반응 감응성과 같은 요인들에 의해 다양하게 처방될 수 있다. A suitable dosage of the pharmaceutical composition of the present invention is variously prescribed depending on factors such as formulation method, administration method, age, weight, sex, pathological condition, food, administration time, administration route, excretion rate, and reaction sensitivity of the patient. can be
본 발명의 약제학적 조성물은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 방법에 따라, 약제학적으로 허용되는 담체 및/또는 부형제를 이용하여 제제화함으로써 단위 용량 형태로 제조되거나 또는 다용량 용기 내에 내입시켜 제조될 수 있다. 이때 제형은 오일 또는 수성 매질중의 용액, 현탁액, 시럽제 또는 유화액 형태이거나 엑스제, 산제, 분말제, 과립제, 정제 또는 캅셀제 형태일 수도 있으며, 분산제 또는 안정화제를 추가적으로 포함할 수 있다.The pharmaceutical composition of the present invention is prepared in unit dosage form by formulating using a pharmaceutically acceptable carrier and/or excipient according to a method that can be easily carried out by a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. or may be prepared by incorporation into a multi-dose container. In this case, the formulation may be in the form of a solution, suspension, syrup, or emulsion in oil or aqueous medium, or may be in the form of an extract, powder, powder, granule, tablet or capsule, and may additionally include a dispersant or stabilizer.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:
(ⅰ) 본 발명은 포유동물 탯줄 유래 줄기세포의 배양액을 유효성분으로 포함하는 근위축증의 예방 또는 치료용 약제학적 조성물을 제공한다.(i) The present invention provides a pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy comprising a culture medium of mammalian umbilical cord-derived stem cells as an active ingredient.
(ⅱ) 본 발명의 탯줄 유래 줄기세포 배양액을 근육 내에 투여하는 경우, 투여된 줄기세포는 투여된 부위의 근육세포를 증식시키고, 근육양을 증가시키며, 근육의 피로를 빠르게 회복시킴으로써 근위축증의 예방 또는 치료에 유효하다.(ii) When the umbilical cord-derived stem cell culture solution of the present invention is administered intramuscularly, the administered stem cells proliferate muscle cells in the administered site, increase muscle mass, and rapidly recover muscle fatigue to prevent muscular atrophy or effective for treatment.
(ⅲ) 본 발명은 줄기세포 배양액을 이용하기 때문에 줄기세포를 이용한 치료법의 기술적, 현실적 제한성을 극복할 수 있고 상대적으로 확보가 용이하다는 장점이 있어 근위축증의 예방 및 치료에 매우 효과적으로 이용될 수 있다. (iii) Since the present invention uses a stem cell culture medium, it can overcome the technical and practical limitations of the treatment using stem cells and has the advantage of being relatively easy to secure, so it can be very effectively used for the prevention and treatment of muscular atrophy.
도 1은 근위축 유도를 위한 하지현수 모델 제작(지면과 30°를 유지) 모습을 나타낸 사진이다.
도 2는 근위축 동물 모델 설계에 대한 모식도이다.
도 3은 혈청이 없는 조건 하에서 세포 생존율 측정한 결과이다.
도 4는 혈청이 없는 조건에서의 시간 별 동일한 양의 줄기세포 배양액의 농도를 측정한 결과이다.
도 5는 줄기세포 유용물질의 농축 방법에 따른 세포 증식에 미치는 영향을 측정한 결과이다.
도 6은 줄기세포 유용물질의 농축 방법에 따른 세포 이동에 미치는 영향 (Wound healing assay)을 측정한 결과이다.
도 7은 줄기세포 유용물질의 농축 방법에 따른 세포 이동에 미치는 영향 (Migration assay)을 측정한 결과이다.
도 8은 동결건조 줄기세포 유용물질의 4℃에 보관 후, 경과 시간에 따른 단백질의 변성을 확인한 결과이다.
도 9는 덱사메타손을 농도 별로 처리한 후 근단백질 데스민의 발현을 측정한 결과이다.
도 10은 덱사메타손과 줄기세포 유용물질을 처리하여 근단백질 데스민 발현의 변화를 비교한 결과이다.
도 11은 근위축 관련 신호전달체계를 나타낸 모식도이다.
도 12는 덱사메타손 농도 별 처리 후 근위축 신호전달 관련 마커를 확인한 결과이다.
도 13은 줄기세포 유용물질을 이용하여 덱사메타손으로 유도한 근위축 신호전달에 미치는 보호 효과를 측정한 결과이다.
도 14는 이식횟수에 따른 실험동물의 표준화된 가자미근 무게를 비교한 결과이다.
도 15는 실험동물의 표준화된 가자미근 무게를 비교한 결과이다.
도 16은 실험동물의 젖산 축적 농도를 비교한 결과이다.
도 17은 실험동물의 데스민의 발현 정도를 비교한 결과이다.
도 18은 실험동물의 골격근 액틴의 발현 정도를 비교한 결과이다.
도 19는 줄기세포 유용물질이 근위축 메커니즘에 미치는 효과를 웨스턴블롯을 통해 확인한 결과이다.
도 20은 인간 탯줄 유래 중간엽 줄기세포 유용물질(배양액)의 사이토카인 어레이 분석 결과이다.
도 21은 엑소좀 마커 발현을 분석한 결과이다.
도 22는 엑소좀 유무에 따른 근위축 신호전달(PI3K/Akt-FoxO pathway) 관련 마커들의 발현 정도를 분석한 결과이다. 1 is a photograph showing the production of a lower extremity suspension model (maintaining 30° with the ground) for inducing muscle atrophy.
Figure 2 is a schematic diagram for the design of the muscle atrophy animal model.
3 is a result of measuring cell viability under serum-free conditions.
4 is a result of measuring the concentration of the same amount of stem cell culture medium for each time in the absence of serum.
5 is a result of measuring the effect on cell proliferation according to the concentration method of the useful stem cell material.
6 is a result of measuring the effect (Wound healing assay) on cell migration according to the method of enriching the useful stem cell material.
7 is a result of measuring the effect (Migration assay) on cell migration according to the concentration method of the useful stem cell material.
8 is a result of confirming the denaturation of the protein according to the elapsed time after storage at 4° C. of the freeze-dried stem cell useful material.
9 is a result of measuring the expression of the muscle protein desmin after treatment with dexamethasone for each concentration.
Figure 10 is a result of comparing the change in the expression of muscle protein desmin by treating dexamethasone and a stem cell useful substance.
11 is a schematic diagram showing a signal transduction system related to muscle atrophy.
12 is a result of confirming the muscle atrophy signaling related markers after treatment for each concentration of dexamethasone.
13 is a result of measuring the protective effect on dexamethasone-induced muscular atrophy signal transduction using a stem cell useful substance.
14 is a comparison result of standardized soleus muscle weight of experimental animals according to the number of transplants.
15 is a comparison result of standardized soleus muscle weights of experimental animals.
16 is a result of comparing the concentration of lactic acid accumulation in experimental animals.
17 is a result of comparing the expression level of desmin in experimental animals.
18 is a result of comparing the expression level of skeletal muscle actin in experimental animals.
19 is a result confirming the effect of the stem cell useful substance on the muscle atrophy mechanism through western blot.
20 is a cytokine array analysis result of human umbilical cord-derived mesenchymal stem cell useful material (culture solution).
21 is a result of analyzing the expression of the exosome marker.
22 is a result of analyzing the expression levels of markers related to muscle atrophy signaling (PI3K/Akt-FoxO pathway) according to the presence or absence of exosomes.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .
실시예Example
실험방법Experimental method
1. 탯줄 유래 줄기세포 배양 및 유용물질(배양액) 확보 1. Culturing of umbilical cord-derived stem cells and securing useful substances (culture solution)
탯줄 유래 줄기세포 유용물질(배양액)을 확보하기 위해 선행특허를 통해 탯줄로부터 일련의 과정을 통해 확보된 탯줄 유래 줄기세포를 10% 우태아혈청(FBS, Hyclone Laboratories Inc., Logan, UT, USA)과 100 mg/mL 스트렙토마이신과 100 IU/mL 페니실린(1% P/S, Hyclone)이 함유된 MEM 알파 개량배지(α-MEM, Hyclone) 25 mL와 함께 175 cm2 배양 플라스크(SPL Life Sciences Co., Pocheon, Korea) 37℃, 5% CO2 조건에서 배양하였다. 탯줄 조직 유래 줄기세포를 분주한 후 3일 동안 배양하였고, 세포가 80-90%의 밀도가 되었을 때, 혈청이 없는 MEM 알파 개량배지로 교환하였다(serum-free condition). 배양 48시간 뒤 배양액을 50 mL 코니컬 튜브(SPL)에 회수하고, 부착이 떨어진 세포의 잔해(debris)를 제거하기 위해, 1500 rpm에서 5분간 원심분리하였다. 그 후, 상층액을 옮겨준 뒤, 안정적인 제형으로 보관, 유지하기 위해 두 가지 방법으로 농축하여 실험에 이용하였다. 첫 번째 방법은 동결건조(FDU-8612, Operon, Gimpo, Korea)하여 진공 상태에 저장하고 실험하기 전까지 4℃에 보관하였고, 두 번째 방법은 15 mL의 3K 센트리콘(Milipore, Bedford, M.A, USA)에 넣고 4,000 x g로 30분간 원심분리한 뒤, 3K 이상만 얻어 실험하기 전까지 4℃에 보관하였다. 이렇게 제조된 줄기세포 배양액은 효능을 보고자 하는 실험 조건에 맞추어 농도 별로 처리할 수 있도록 하였다. In order to secure umbilical cord-derived stem cell useful substances (culture solution), the umbilical cord-derived stem cells obtained through a series of processes from the umbilical cord through a prior patent were treated with 10% fetal bovine serum (FBS, Hyclone Laboratories Inc., Logan, UT, USA). A 175 cm 2 culture flask (SPL Life Sciences Co., Ltd.) with 25 mL of MEM alpha modified medium (α-MEM, Hyclone) containing ., Pocheon, Korea) 37 ℃, 5% CO 2 conditions were cultured. After dispensing the umbilical cord tissue-derived stem cells, they were cultured for 3 days, and when the cells reached a density of 80-90%, they were replaced with serum-free MEM alpha improved medium (serum-free condition). After 48 hours of incubation, the culture solution was recovered in a 50 mL conical tube (SPL), and centrifuged at 1500 rpm for 5 minutes to remove the cell debris from which the adhesion fell. After that, the supernatant was transferred, and concentrated in two ways to store and maintain a stable formulation and used for the experiment. The first method was freeze-dried (FDU-8612, Operon, Gimpo, Korea), stored in a vacuum state, and stored at 4°C until experiment, and the second method was 15 mL of 3K Centricon (Milipore, Bedford, MA, USA). ) and centrifuged at 4,000 x g for 30 minutes, and only obtained 3K or higher and stored at 4°C until testing. The thus-prepared stem cell culture medium was allowed to be treated by concentration according to the experimental conditions for which the efficacy was to be reported.
2. 세포생존율 측정2. Measurement of cell viability
혈청이 없는 조건에서 세포의 성장에 독성이 없는 최적의 수합 시기를 결정하기 위해 줄기세포 유용물질(배양액)을 각각의 시간대 별로 회수하여 세포 생존율(Cell viability)을 측정하였다. 96-웰 플레이트(SPL)에 분주하고 시약을 처리하여 37℃, 5% CO2조건에서 각각 24 시간, 48 시간 동안 배양한 뒤 WST-1 어세이를 시행하였다. 각 웰에 들어있는 배지의 양과 Cyto X 워터 솔루블 테트라졸륨 솔트(WST, LPS solution, Daejeon, Korea)를 1:10의 비율로 희석하여 처리한 뒤 37℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후 ELISA 마이크로플레이트 리더(Epoch, Bio-Tek., Winooski, CA, USA)를 이용하여 450 nm에서 흡광도 값을 측정하고 이를 이용하여 세포 생존율을 평가하였다.In order to determine the optimal harvesting time without toxicity to the growth of cells in the absence of serum, useful stem cell materials (cultures) were recovered for each time period and cell viability was measured. It was dispensed into a 96-well plate (SPL), treated with reagents, and cultured at 37° C. and 5% CO 2 conditions for 24 hours and 48 hours, respectively, and then WST-1 assay was performed. The amount of the medium contained in each well and Cyto X water soluble tetrazolium salt (WST, LPS solution, Daejeon, Korea) were diluted in a ratio of 1:10 and treated, followed by reaction at 37°C for 1 hour. After the reaction was completed, the absorbance value was measured at 450 nm using an ELISA microplate reader (Epoch, Bio-Tek., Winooski, CA, USA), and cell viability was evaluated using this value.
3. L6 3. L6 근육세포muscle cells 배양 및 culture and 근위축muscle atrophy 유도모델 구축 Induction model construction
근위축 유도 세포모델을 만들기 위해 랫트의 골격근 세포주인 L6 세포주(CRL1458, ATCC, Manassas, VA, USA)를 사용하였다. 이는 DMEM-하이 글루코오스(Hyclone)에 10% 우태아혈청과 1% P/S가 함유된 배지를 기본으로 사용하였다. L6 근육 세포가 플라스크 바닥에 붙어 증식한 것을 확인 한 후, 새로운 배지를 2일 간격으로 교체하였다. 세포의 밀도가 약 90% 정도 되었을 때, 트립신-EDTA(Hyclone)를 이용하여 세포를 부유 상태로 만든 후에 1,500 rpm에서 5분간 원심분리를 통하여 세포만을 회수하여 계대배양하였다. 또한 근위축을 유도하기 위해 1 μM의 덱사메타손(Dexamethasone; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 처리하여 그에 따른 근위축 관련 전사인자(MuRF-1 및 Atrogin-1)의 발현을 확인하여 모델을 구축하였다. 또한 줄기세포 유용물질(배양액)을 덱사메타손과 함께 L6 근육세포에 첨가하여 그 효능을 증명하고자 하였다.To create a muscle atrophy-inducing cell model, a rat skeletal muscle cell line, L6 cell line (CRL1458, ATCC, Manassas, VA, USA) was used. This was based on a medium containing 10% fetal bovine serum and 1% P/S in DMEM-high glucose (Hyclone). After confirming that the L6 muscle cells were attached to the bottom of the flask and proliferated, the new medium was replaced every 2 days. When the cell density reached about 90%, the cells were suspended using trypsin-EDTA (Hyclone), and then only the cells were recovered and subcultured by centrifugation at 1,500 rpm for 5 minutes. In addition, to induce muscle atrophy, 1 μM of dexamethasone (Dexamethasone; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) was treated and the expression of the muscle atrophy-related transcription factors (MuRF-1 and Atrogin-1) was confirmed accordingly. was built. In addition, it was attempted to prove its efficacy by adding a stem cell useful substance (culture solution) to L6 muscle cells together with dexamethasone.
4. 세포 이동 관찰4. Observation of cell migration
1 x 105개의 L6 근육세포를 6-웰 플레이트(SPL)에 심고 200 ml 팁을 이용하여 상처(wound)를 만들어주었다. 각각의 배양 조건하에 배양을 시키고 시간 별로 세포의 형태 및 이동을 현미경으로 관찰하였다.1 x 10 5 L6 myocytes were planted in a 6-well plate (SPL) and a wound was made using a 200 ml tip. The cells were cultured under each culture condition, and cell morphology and movement were observed with a microscope over time.
5. 근위축 유발 동물모델 확립 및 가자미근의 무게 변화 측정5. Establishment of muscle atrophy-induced animal model and measurement of weight change in soleus muscle
실험동물로 5주령의 암컷 Sprague-Dawley(SD) 랫트를 사용하여, 적응기간 후 실험을 진행하였다. 근위축은 하지현수 방법을 이용하여 유도하였으며(Group 2 와 3), 드레싱 테이프를 이용해 꼬리를 케이지 상단에 고정하여 몸통의 각도가 바닥과 30°를 유지함으로써, 뒷다리가 부유된 상태를 유지하도록 하였다(도 1). 또한 실험 조건에 따라 3가지의 군으로 나누었으며, 1주군 무처치 대조군(Group 1), 1주군 근위축 유도군(Group 2), 1주군 근위축 유도 후 줄기세포 배양액 이식하고 뒷다리 부유한 실험군(Group 3)으로 구분한다(도 2). 2주간 근위축을 유도한 뒤, 대조군의 가자미근(soleus muscle)에 0.9% saline 100 ㎕를 근육주사로 주입하고, 시험군에는 2 mg/100 ㎕의 줄기세포 유용물질(배양액)을 가자미근에 주입하였다. 주입 후 1주 동안 하지현수 상태를 계속 유지하였다. 시험물질 투여 1주 후 가자미근을 적출하여 무게를 측정하고 체중과 비례하여 표준화한 후 비교하였다. A 5-week-old female Sprague-Dawley (SD) rat was used as an experimental animal, and the experiment was conducted after the adaptation period. Muscular atrophy was induced using the lower extremity suspension method (
5. 줄기세포 유용물질(배양액) 이식에 따른 근육 특이적 유전자 발현 확인5. Confirmation of muscle-specific gene expression following transplantation of stem cell useful substances (culture medium)
적출한 가자미근을 이지-스핀 토탈 RNA 추출 키트(iNtRON Biotechnology Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 RNA를 추출하였다. 가자미근에 용해 버퍼 1 ㎖을 첨가한 후 균질기로 균질화 하였다. 클로로포름 200 ㎕를 넣고 섞어주었다. 4℃에서 13,000 rpm으로 10분간 원심분리하고 상등액만 새 튜브로 옮긴 후, 바인딩 버퍼 400 ㎕를 넣고 2-3회 잘 흔들어준다. 섞인 용액을 컬럼에 넣고 13,000 rpm으로 30초간 원심 분리하여 컬럼에서 내려온 용액을 제거하고, 세척 버퍼 A 700 ㎕를 컬럼에 넣어준 후 다시 13,000rpm으로 30초간 원심분리하고 아래로 내려온 용액을 제거하였다. 세척 버퍼 B 700 ㎕를 컬럼에 넣어준 후 13,000rpm으로 30초간 원심분리하고 용액을 제거하고, 다시 한 번 13,000 rpm으로 2분간 원심 분리하여 컬럼의 멤브레인을 건조시킨다. 컬럼 아래 새 튜브를 장착하고 용출 버퍼 50 ㎕를 컬럼에 넣은 후, 13,000 rpm으로 1분간 원심분리하면 튜브에 RNA가 추출된다. 추출된 RNA는 정량한 후, 500 ng의 RNA를 70℃에서 5분간 변성시킨 후 1/5 부피의 5x RT 마스터 믹스를 첨가한 후 37℃에서 1시간 동안 반응시켜 cDNA를 합성하였다. 합성된 cDNA를 증류수에 희석하고 데스민(desmin), 골격근 액틴(skeletal muscle actin)의 프라이머와 SYBR 그린 마스터 믹스를 혼합하고 Real-Time PCR 장비를 이용하여 증폭시킨 RNA양을 측정한 후, 대조군과 비교하여 그래프를 작성하였다.RNA was extracted from the extracted soleus root using an easy-spin total RNA extraction kit (iNtRON Biotechnology Inc., Seoul, Korea). After adding 1 ml of lysis buffer to the soleus muscle, it was homogenized with a homogenizer. 200 μl of chloroform was added and mixed. Centrifuge at 4°C at 13,000 rpm for 10 minutes, transfer only the supernatant to a new tube, add 400 μl of binding buffer, and shake well 2-3 times. The mixed solution was put into the column and centrifuged at 13,000 rpm for 30 seconds to remove the solution that came down from the column, and 700 μl of washing buffer A was added to the column, and then centrifuged again at 13,000 rpm for 30 seconds to remove the solution that came down. After adding 700 μl of wash buffer B to the column, centrifugation was performed at 13,000 rpm for 30 seconds to remove the solution, and again centrifuged at 13,000 rpm for 2 minutes to dry the column membrane. A new tube is mounted under the column, 50 μl of elution buffer is added to the column, and then centrifuged at 13,000 rpm for 1 minute to extract RNA from the tube. After quantification of the extracted RNA, 500 ng of RNA was denatured at 70°C for 5 minutes, 1/5 volume of 5x RT master mix was added, and then reacted at 37°C for 1 hour to synthesize cDNA. Dilute the synthesized cDNA in distilled water, mix desmin and skeletal muscle actin primers and SYBR Green Master Mix, measure the amount of amplified RNA using Real-Time PCR equipment, A graph was prepared for comparison.
6. 줄기세포 유용물질(배양액) 이식에 따른 젖산 축적 농도 확인6. Confirmation of lactic acid accumulation concentration following transplantation of stem cell useful substances (culture solution)
적출한 가자미근에 젖산 어세이 버퍼(Eton Bioscience, San Diego, CA, USA) 500 ㎕를 넣고 균질기로 균질화 한 후, 브래드포드 어세이(Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA)를 사용하여 정량하여 단백질 양을 1 ㎎/㎖로 희석하고 -80℃에서 단백질을 제거하였다. 샘플과 비교할 표준 곡선을 작성하기 위하여 젖산 표준 용액 10 ㎕에 젖산 어세이 버퍼 990 ㎕를 넣어 1 nmol/㎕로 희석하고 96-웰 플레이트에 0, 2, 4, 6, 8, 10 ㎕씩 분주하고 샘플도 10 ㎕씩 분주한 후 총 부피가 50 ㎕가 되도록 젖산 어세이 버퍼로 채워주었다. 젖산 어세이 버퍼 46 ㎕, 프로브 2 ㎕, 효소 믹스 2 ㎕ 조성대로 섞어 각 웰당 50 ㎕씩 리액션 믹스를 분주하고 잘 섞어주었다. 빛을 차단하고 실온에서 30분간 반응시킨 후, O.D. 570 ㎚에서 흡광도를 측정하고 표준 곡선에 대입하여 농도를 계산하고 비교하였다.500 μl of lactic acid assay buffer (Eton Bioscience, San Diego, CA, USA) was added to the extracted soleus muscle, homogenized with a homogenizer, and quantified using a Bradford assay (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA). The protein amount was diluted to 1 mg/ml and the protein was removed at -80°C. To prepare a standard curve to be compared with the sample, add 990 μl of lactic acid assay buffer to 10 μl of lactic acid standard solution, dilute it to 1 nmol/μl, and dispense 0, 2, 4, 6, 8, and 10 μl into 96-well plates. Samples were also dispensed by 10 μl and filled with lactic acid assay buffer so that the total volume was 50 μl. 46 μl of lactic acid assay buffer, 2 μl of probe, and 2 μl of enzyme mix were mixed according to the composition, and 50 μl of the reaction mix was dispensed into each well and mixed well. After blocking the light and reacting at room temperature for 30 minutes, O.D. The absorbance was measured at 570 nm, and the concentration was calculated and compared by substituting the standard curve.
7. 줄기세포 유용물질(배양액) 이식에 따른 근위축 기전 마커 발현 확인7. Confirmation of expression of muscle atrophy mechanism markers following transplantation of stem cell useful substances (culture)
1 μ덱사메타손과 조건배지 1, 5, 10, 100 μ을 6-웰 플레이트에 배양한 L6 근육 세포에 처리한 후 37℃, 5% CO2 조건에서 24시간 동안 배양하였다. 단백질 추출을 위해 RIPA 용해 버퍼(50mM Tris/HCl pH 8, 150mM NaCl, 0.5% Natriumdesoxycholat, 1% Triton X-100, 0.1% SDS and fresh added protease inhibitor cocktail)를 각 웰에 100 μL씩 분주한 후 반응시켰다. 그리고 4℃, 13,000 rpm에서 15분간 원심분리를 통해 상등액을 취한 후, 추출한 단백질은 ELISA 마이크로플레이트 리더 595 nm에서 흡광도를 측정하여 각 표본의 단백질 농도를 결정하였다. 각 표본은 SDS-PAGE 샘플 버퍼(Bio-Rad, Seoul, Korea)와 함께 100℃에서 3분간 가열시킨 후, SDS-플리아크릴아마이드 겔(Bio-Rad)에서 전기영동한 다음, SDS-PAGE를 통해 분리된 단백질을 멤브레인으로 이동시키고자 니트로셀룰로오스 트랜스퍼 멤브레인(Protran®BA83, Whatman, Dassel, Germany)을 사용하였다. 그 후, 3% 소혈청알부민(BSA, Bio Basic Inc., Ontario, Canada)로 1시간 블로킹시킨 후, 1차 항체 데스민(1:1000 dilution), p-Akt(1:1000 dilution), Akt(1:2000 dilution) p-Foxo1/3α(1:1000 dilution), FoxO1(1:1000 dilution), FoxO3α(1:1000 dilution), MuRF-1(1:1000 dilution), MAFbx(1:1000 dilution), β-액틴(1:5000 dilution)을 붙이고 4℃에서 하룻밤 동안 정치하였다. TBST(Tris-buffered saline and Tween 20)로 항원-항체 결합 외에 비 특이적인 결합을 막기 위해 15분씩 3회 세척 후, HRP(horseradish peroxidase)가 표지된 2차 항체 염소 항-마우스(Santa Cruz, sc-2005), 염소 항-토끼(Santa Cruz, sc-2004)를 각각의 농도로 희석하여 1시간 반응시켰다. TBST에 10분씩 3회 세척 후, ECL(Enhanced chemiluminescence) 키트(Bio-Rad)를 이용하여 발색 반응을 유도하고 LAS-4000(Fuji photo film Co., Tokyo, Japan)을 사용하여 확인하였다.L6 muscle cells cultured in 6-well plates were treated with 1 μ dexamethasone and
추가적으로 동물모델에서 적출한 가자미근에 용해 버퍼 500 ㎕를 넣고 균질기로 균질화 한 후, 브래드포드 어세이를 사용하여 정량화하여 위의 실험을 동일하게 진행하였다. Additionally, 500 μl of lysis buffer was added to the soleus muscle extracted from the animal model, homogenized with a homogenizer, and quantified using a Bradford assay, and the above experiment was performed in the same manner.
8. 줄기세포 8. Stem Cells 유용물질(배양액)으로부터From useful substances (culture solution) 엑소좀exosomes 추출 및 extraction and 엑소좀exosomes 마커marker 발현 확인을 포함한 including expression confirmation 근위축muscle atrophy 신호전달 기전에 미치는 효과 확인 Confirmation of effect on signaling mechanism
탯줄 유래 줄기세포가 분비하는 엑소좀을 기능을 조사하여, 바이오마커로서의 가능성을 확인해보기 위해, 확보된 탯줄 유래 줄기세포 유용물질(배양액)으로부터 엑소좀을 분리하였다. 새롭게 얻어진 탯줄 유래 줄기세포 유용물질(배양액)은 4℃, 3000 x g에서 15분간 원심분리를 통해 잔존하는 불순물을 제거하고 상층액을 취한 후, ExoQuick-TC Exosome precipitation solution (System Biosciences; Mountain View, California, USA)을 5:1 (배양액:침전혼합액)의 비율로 넣고, 튜브를 아래 위로 뒤집어 혼합하여 준다. 그런 뒤, 4℃에서 회전 조건이 없는 상태로 12시간 이상 보관한다. 12시간 뒤, 혼합액은 4℃, 1500 x g에서 30분간 원심분리를 통해, 엑소좀이 포함된 베이지색 또는 흰색의 펠렛을 확인할 수 있다. 상층액을 제거한 후, 추가로 4℃, 1500 x g에서 30분간 원심분리를 통해 남은 상층액을 제거한다. 엑소좀의 발현 확인은 웨스턴 블롯 방법을 이용하여, 엑소좀 마커로서 CD9, CD81 항체(Santa Cruz; 1:1000 dilution)의 발현을 통해 확인하였다. To investigate the function of exosomes secreted by umbilical cord-derived stem cells, and to confirm their potential as biomarkers, exosomes were isolated from the secured umbilical cord-derived stem cell useful substances (culture solution). The newly obtained umbilical cord-derived useful material (culture solution) was centrifuged at 4℃, 3000 x g for 15 minutes to remove residual impurities and the supernatant was taken, and then ExoQuick-TC Exosome precipitation solution (System Biosciences; Mountain View, California, USA) in a ratio of 5:1 (culture solution: precipitation mixture), and mix by turning the tube upside down. Then, store at 4°C for more than 12 hours without rotation conditions. After 12 hours, the mixed solution is centrifuged at 4° C., 1500 x g for 30 minutes, and exosome-containing beige or white pellets can be identified. After removing the supernatant, the remaining supernatant is further removed by centrifugation at 4°C and 1500 x g for 30 minutes. Confirmation of the expression of exosomes was confirmed through the expression of CD9 and CD81 antibodies (Santa Cruz; 1:1000 dilution) as exosome markers using a Western blot method.
추가적으로, 이와 같이 얻은 엑소좀을 이용하여 L6 세포에 함께 처리하여, 근위축 신호전달 기전에 미치는 효과를 확인해보고자 하였다. 이미 방법 8에서 언급한 바와 같이 근위축 신호 전달과 관련된 마커들의 발현을 조사하고, 엑소좀의 기능을 확인하였다.Additionally, by using the exosomes obtained in this way and treating them together with L6 cells, we tried to check the effect on the muscle atrophy signaling mechanism. As already mentioned in
실험 결과Experiment result
1. 탯줄유래 줄기세포 배양액 확보 조건 확립1. Establishment of conditions for securing umbilical cord-derived stem cell culture medium
탯줄 유래 줄기세포의 배양액의 확보/처리 조건을 확립함으로써, 효율을 극대화 시키고자 하였다.By establishing conditions for securing/treating the culture medium of umbilical cord-derived stem cells, it was attempted to maximize the efficiency.
배양액 수합 시기 결정Decide when to harvest the culture medium
혈청이 없는 조건하에서의 탯줄유래 줄기세포의 배양을 통해, 세포 생존율을 비교하여 배양액 수합 시기를 결정하고자 하였다(도 3). Through culturing of umbilical cord-derived stem cells under serum-free conditions, the cell viability was compared to determine the culture medium harvest time (FIG. 3).
혈청이 없는 조건에서 탯줄 유래 줄기세포의 생존율은 48시간 까지는 정상 조건과 같이 유지되면서, 세포의 형태와 부착력도 유지됨을 확인하였다. 그러나 48시간 이후부터는 세포 생존율이 떨어지고, 세포의 부착력도 급격하게 떨어지면서 세포가 죽는 현상을 확인하였다. 시간 별로 얻은 동일한 양의 줄기세포 배양액의 농도를 측정한 결과, 48시간에 가장 많은 양을 확보할 수 있는 시기로 결정하였다(도 4). It was confirmed that the viability of the umbilical cord-derived stem cells in the serum-free condition was maintained as in the normal condition until 48 hours, and the cell shape and adhesion were also maintained. However, after 48 hours, the cell viability decreased, and the cell adhesion was also rapidly decreased, confirming the cell death. As a result of measuring the concentration of the same amount of stem cell culture medium obtained for each hour, it was determined as the time when the greatest amount could be secured at 48 hours (FIG. 4).
선행특허에서 포함되었던 줄기세포가 분비하는 다양한 성장인자, 사이토카인 분석 결과에서도 48시간에 가장 많은 양을 확인한 바 있으며, 이러한 시점이 세포 성장에 영향을 미치는 중요한 시점이라고 판단하였다. 이를 통하여, 줄기세포 유용물질(배양액)은 혈청이 없는 배지에서 배양한 뒤 48시간에 수합하기로 결정하였다.In the analysis results of various growth factors and cytokines secreted by stem cells, which were included in the prior patent, the largest amount was confirmed at 48 hours, and it was determined that this time point was an important time point affecting cell growth. Through this, it was decided to collect the useful stem cell material (culture solution) 48 hours after culturing in a serum-free medium.
줄기세포 유용물질(배양액)의 농축 방법에 따른 역가 비교 Comparison of potency according to the concentration method of stem cell useful substances (culture solution)
수합한 줄기세포 유용물질(배양액)의 안정적인 제형을 구현하고자, 농축을 시켜 많은 양을 확보함과 동시에 다른 세포의 성장이나 이동에 어떤 영향을 주는지 확인하고자 하였다(도 5). In order to implement a stable formulation of the collected stem cell useful material (culture solution), it was concentrated to secure a large amount and at the same time to check how it affects the growth or migration of other cells (FIG. 5).
L6 근육세포를 혈청이 없는 배지에서 배양한 무혈청 배지군으로 확인한 대조군과 비교하였을 때, 혈청이 없는 배양 조건에 각각 다른 방법으로 농축한 줄기세포 유용물질(배양액)을 함께 처리한 조건으로 인해, 세포 증식에 미치는 효과를 시간 별로 확인하였다. When compared with the control group in which the L6 muscle cells were cultured in the serum-free medium, the serum-free culture condition was treated with the stem cell useful substances (culture solution) concentrated in different ways. The effect on cell proliferation was confirmed by time.
3 kDa 컷-오프 시켜 농축하거나 동결 건조시켜 농축하는 방법 모두 혈청이 없는 배지의 조건과 비교하였을 때, 24시간 이후부터 세포의 증식을 효과가 있음을 확인하였다. 그러나 농축 방법에 따라 큰 차이는 없었으며, 세포의 증식에는 유사한 효과를 보임을 확인하였다. 세포의 증식에 효과적인 줄기세포 유용물질(배양액)이 실제로 세포 이동에 어떻게 효과를 보이는지 운드 힐링 어세이를 통해 세포 형태를 관찰하였다(도 6). 상처(wound)가 생긴 L6 근육세포를 각각의 배양 조건하에 배양을 시키고 시간 별로 세포의 형태 및 이동을 관찰한 결과, 정상적인 조건에서의 세포의 이동이 48시간이 걸리는 것에 비해 무혈청 배지에서 세포의 이동 능력이 현저하게 떨어짐을 확인할 수 있었다. 그에 반해 혈청이 없는 배지의 조건이지만 농축한 줄기세포 유용물질(배양액)을 함께 혼합하여 처리하였을 때 세포의 이동에도 영향을 주는 것을 확인하였다. 줄기세포 유용물질(배양액)의 농축 방법과 상관없이 혈청이 없는 배지의 조건에 비하여 세포 이동을 촉진시키는 결과를 확인하였다. 추가적으로 세포의 이동을 관찰한 48시간을 기준으로 이동(migration) 어세이를 이용하여 이동한 세포의 수를 비교하였다(도 7).It was confirmed that the 3 kDa cut-off method of concentration or freeze-drying concentration was effective for cell proliferation after 24 hours when compared to serum-free medium conditions. However, there was no significant difference according to the concentration method, and it was confirmed that a similar effect was shown on cell proliferation. Cell morphology was observed through a wound healing assay to see how effective stem cell useful substances (culture medium) for cell proliferation actually have an effect on cell migration (FIG. 6). As a result of culturing wounded L6 muscle cells under each culture condition and observing cell morphology and migration by time, compared to 48 hours for cell migration under normal conditions, the growth of cells in serum-free medium was It was confirmed that the movement ability was significantly reduced. On the other hand, it was confirmed that the condition of the serum-free medium, but when the concentrated stem cell useful material (culture solution) was mixed and treated together, it was confirmed that it also affects the movement of cells. Regardless of the concentration method of the stem cell useful material (culture solution), the result of promoting cell migration was confirmed compared to the serum-free medium condition. Additionally, the number of migrated cells was compared using a migration assay based on 48 hours of observation of the cell migration ( FIG. 7 ).
무혈청 배지 조건과 비교하였을 때, 줄기세포 유용물질(배양액)을 첨가해 준 경우 이동되는 세포의 수가 증가함을 확인하였다. 또한 줄기세포 유용물질(배양액)의 농축방법에 따라 큰 차이를 보이지 않았으며, 두 그룹 모두 유의한 결과를 확인하였다. 이와 같은 결과들을 토대로, 줄기세포 유용물질(배양액)의 농축방법에 상관없이 세포의 증식과 이동을 촉진시킨다는 점을 확인하였다. 그러나, 줄기세포가 가진 제한점을 극복하기 위한 대안의 방법으로 줄기세포 유용물질(배양액)을 이용한 최적화시키고 치료제 개발을 위하여 우리가 풀어야 할 과제는 많은 양을 확보함이 필요하고, 보관 및 변질을 방지 할 수 있는 방법을 고안하는 것이다. 이러한 점을 모두 충족시켜 줄 수 있는 방법이 시료를 농축과정을 통해 많은 양을 확보하며 장기적으로 보관할 수 있는 안정화 상태로 확보함이 중요하다.Compared to the serum-free medium condition, it was confirmed that the number of migrated cells was increased when a stem cell useful substance (culture solution) was added. Also, there was no significant difference according to the concentration method of the stem cell useful substances (culture solution), and significant results were confirmed in both groups. Based on these results, it was confirmed that it promotes the proliferation and migration of cells regardless of the concentration method of the stem cell useful material (culture medium). However, as an alternative method to overcome the limitations of stem cells, it is necessary to secure a large amount of the task we need to solve for the optimization using stem cell useful substances (culture medium) and development of therapeutic agents, and to prevent storage and deterioration. devising a way to do it. It is important that a method that can satisfy all of these points secures a large amount of the sample through the concentration process and secures it in a stable state that can be stored for a long time.
줄기세포 유용물질(배양액)은 진공 중에서 수분을 함유한 세포를 급히 냉각하여 일단 얼린 뒤 얼음을 승화시켜 건조시켰다. 이렇게 만들어진 파우더 제형의 줄기세포 유용물질(배양액)은 밀폐된 용기에 보관하여, 실험하기 전까지 4℃에 보관하였다. 이러한 보관 경과 시간에 따라 단백질의 변성이 일어나는지 확인하기 위해 CBB(coomassie brilliant blue) 염색을 통해 확인하였다(도 8).Stem cell useful material (culture solution) was dried by cooling the cells containing moisture in a vacuum, freezing once, and sublimating on ice. The stem cell useful material (culture solution) in the powder formulation thus made was stored in an airtight container and stored at 4° C. until the experiment. In order to check whether protein denaturation occurs according to the elapsed time of storage, it was confirmed through CBB (coomassie brilliant blue) staining (FIG. 8).
동결 건조하여 4℃ 에 보관한 파우더 제형의 줄기세포 유용물질(배양액)을 녹여 단백질을 추출하였고, 이를 막 전기영동으로 분리하여 단백질을 검출하였다. 단백질 염색을 통하여 단백질 밴드의 양상을 확인하였고, 경과시간 따라 변화가 있는지 확인한 결과, 한 달과 2년 보관한 줄기세포 유용물질의 단백질 밴드의 양상은 크게 차이는 없는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해, 농축 방법 이후, 보관 기간에 따른 단백질 변성이 일어나지 않는다는 점을 확인하였고, 이를 통해 시료를 확보하고 난 후 장기적으로 보관이 용이하게 할 수 있음을 확인할 수 있었다. The protein was extracted by dissolving the stem cell useful material (culture solution) in the form of a powder that was freeze-dried and stored at 4°C, which was separated by membrane electrophoresis to detect the protein. The pattern of the protein band was confirmed through protein staining, and as a result of checking whether there was a change according to the elapsed time, it was confirmed that there was no significant difference in the pattern of the protein band of the stem cell useful substances stored for one month and two years. Through these results, it was confirmed that protein denaturation according to the storage period did not occur after the concentration method, and it was confirmed that long-term storage after securing the sample through this could be confirmed.
2. 줄기세포 유용물질(배양액)을 이용한 근위축 보호 효과 증명2. Proof of muscle atrophy protective effect using stem cell useful material (culture solution)
2-1. 근위축 세포 모델 2-1. amyotrophic cell model
근위축 세포 모델 구축Building a muscle atrophic cell model
줄기세포 유용물질(배양액)의 효능을 확인하기 위해, 후속 연구(동물실험)을 진행하기에 앞서 동일한 종(rat)의 세포모델(skeletal muscle cell line, L6 근육 세포)을 이용하여 근위축 모델을 구축하였다. 근위축을 유도하기 위해 덱사메타손을 농도 별로 24시간 처리하고, 웨스턴 블롯을 이용하여 결과를 확인하였다(도 9). L6 근육세포에서 덱사메타손의 농도에 의존적으로 농도가 높아질수록 근육 특이적 단백질 데스민의 발현이 감소함을 확인하였다. 덱사메타손을 이용한 많은 보고들에서도 사용된 1 μM의 농도부터 데스민의 발현이 감소함을 나타내었고, 통계적으로 유의한 결과로 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 근위축을 유도하기 위한 덱사메타손의 농도를 1 μM로 설정하였고, 이후의 실험들을 같은 농도로 진행하였다. In order to confirm the efficacy of the stem cell useful substance (culture medium), a muscle atrophy model was tested using a cell model (skeletal muscle cell line, L6 muscle cell) of the same species (rat) before proceeding with a subsequent study (animal experiment). built. In order to induce muscle atrophy, dexamethasone was treated for 24 hours at each concentration, and the results were confirmed using Western blot (FIG. 9). In L6 muscle cells, it was confirmed that the expression of the muscle-specific protein desmin decreased as the concentration of dexamethasone increased depending on the concentration of dexamethasone. In many reports using dexamethasone, it was shown that the expression of desmin decreased from the concentration of 1 μM used, and it was confirmed as a statistically significant result. Based on this result, the concentration of dexamethasone to induce muscle atrophy was set to 1 μM, and subsequent experiments were performed at the same concentration.
줄기세포 유용물질(배양액)을 이용한 보호 효과 확인Confirmation of protective effect using stem cell useful substances (culture solution)
L6 근육세포에서 덱사메타손을 이용하여 근위축을 유도함과 동시에 확인하고자 하는 줄기세포 유용물질(배양액; CM)의 효과를 확인하고자 세포에 덱사메타손과 함께 다양한 농도 별로 줄기세포 유용물질(배양액)을 24 시간 처리하고, 웨스턴 블롯을 이용하여 결과를 확인하였다(도 10).In order to induce muscle atrophy by using dexamethasone in L6 muscle cells and to check the effect of the stem cell useful substance (culture solution; CM) to be confirmed at the same time, the cells were treated with dexamethasone at various concentrations along with the stem cell useful substance (culture solution) for 24 hours and confirming the results using Western blot (FIG. 10).
L6 근육세포에서 덱사메타손을 처리하여 유도된 근단백질 데스민의 발현이 CM 농도에 의존적으로 농도가 높아짐에 따라 데스민의 발현이 점차 증가함을 확인할 수 있었고, 통계적으로도 유의한 결과임을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 덱사메타손에 의한 근위축 유도에 대하여 줄기세포 유용물질이 보호효과를 가짐을 확인하였다.In L6 muscle cells, it was confirmed that the expression of the myoprotein desmin induced by treatment with dexamethasone gradually increased as the concentration increased in a CM concentration-dependent manner, and it was confirmed that the result was statistically significant. Based on these results, it was confirmed that the stem cell useful substances have a protective effect against the induction of muscle atrophy by dexamethasone.
줄기세포 유용물질(배양액)에 의한 근위축 기전 효과Effect of muscle atrophy mechanism by stem cell useful substances (culture solution)
본 발명에서는 근위축 메커니즘으로 잘 알려져 있는 PI3k/Akt-FoxO 경로를 타깃으로 각각 신호전달 마커의 발현을 확인하였다(도 11). L6 근육세포에서 덱사메타손을 처리하여 근위축을 유도하였을 때, 근위축 유도 신호전달 기전 (PI3K/Akt-FoxO 경로)을 웨스턴 블롯 결과를 통해 확인하였다(도 12).In the present invention, the expression of each signaling marker was confirmed by targeting the PI3k/Akt-FoxO pathway, which is well known as a muscle atrophy mechanism ( FIG. 11 ). When muscle atrophy was induced by treatment with dexamethasone in L6 muscle cells, the muscle atrophy-inducing signaling mechanism (PI3K/Akt-FoxO pathway) was confirmed through Western blot results (FIG. 12).
L6 근육세포에서 덱사메타손을 처리하여 근위축을 유도하였을 때, 근위축 기전으로 잘 알려져 있는 PI3K/Akt-FoxO 경로를 통하여 유도되어짐을 확인하였다. 덱사메타손의 농도에 의존적으로 Akt의 활성 저하되고, FoxO 전사인자의 인산화 감소와 그에 따른 FoxO의 활성 저하로 이어진다. 이 전사인자는 근위축과 관련된 유전자 MuRF-1의 발현을 증가시킴을 확인하였다.When muscle atrophy was induced by treatment with dexamethasone in L6 muscle cells, it was confirmed that it was induced through the PI3K/Akt-FoxO pathway, which is well known as the mechanism of muscle atrophy. Dexamethasone concentration-dependently decreased Akt activity, leading to a decrease in FoxO transcription factor phosphorylation and consequent decrease in FoxO activity. It was confirmed that this transcription factor increased the expression of the gene MuRF-1 related to muscle atrophy.
Wang 등(ref) 등은 쥐의 근육 세포주를 덱사메타손으로 자극한 경우에 단백질 분해가 약 20% 정도 증가하고, 근위축 기전으로 유비퀴틴-프로테아좀의 활성 외에도, PI3k/Akt-FoxO 경로를 매개로 하여 전사인자인 FoxO의 활성을 억제시키고, Atrogin-1 및 MuRF-1과 같은 근위축에 관여하는 유전자의 활성 조절과 관련이 있다고 보고하고 있다.Wang et al. (ref) reported that when a mouse muscle cell line was stimulated with dexamethasone, proteolysis was increased by about 20%, and in addition to ubiquitin-proteasome activity as a muscle atrophy mechanism, the PI3k/Akt-FoxO pathway was mediated. Therefore, it is reported that it suppresses the activity of FoxO, a transcription factor, and is related to the regulation of the activity of genes involved in muscle atrophy, such as Atrogin-1 and MuRF-1.
L6 근육세포에서 덱사메타손을 이용하여 근위축을 유도함과 동시에 확인하고자 하는 줄기세포 유용물질(배양액)이 근위축 신호전달(PI3K/Akt-FoxO 경로)에 미치는 효과를 확인하기 위해서 세포에 덱사메타손과 함께 다양한 농도의 줄기세포 유용물질(배양액; CM)을 24 시간 처리하고, 웨스턴 블롯을 이용하여 결과를 확인하였다(도 13). In order to induce muscle atrophy by using dexamethasone in L6 muscle cells and at the same time confirm the effect of the stem cell useful substance (culture solution) on the muscle atrophy signal transduction (PI3K/Akt-FoxO pathway), various Stem cell useful substances (culture solution; CM) of the concentration were treated for 24 hours, and the results were confirmed using Western blot (FIG. 13).
덱사메타손에 의해 유도된 근위축 신호전달 기전을 확인하였고, 세포에 덱사메타손과 함께 다양한 농도 별로 줄기세포 유용물질(배양액)을 처리함으로써 덱사메타손에 의해 감소된 Akt의 활성이 줄기세포 유용물질(배양액)의 농도에 의존적으로 증가함을 확인하였다. 또한, 이에 따른 FoxO의 활성 증가에 의해 근위축 관련 유전자 MuRF-1 및 Atrogin-1의 발현이 감소되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 유용물질(배양액)의 0.1 mg 이상의 농도부터 유의하게 나타났다. 이러한 결과를 통하여, 덱사메타손으로 유도되는 근위축은 AKT-FoxO 경로를 경유하며, 줄기세포 유용물질을 이용한 근위축 보호 효과를 확인할 수 있었으며, 이러한 세포 레벨에서의 유용물질의 농도 별 근위축 치료 효과 메커니즘을 규명함으로써, 치료 기술 최적화를 위한 중요한 자료가 되리라 사료된다.The muscle atrophy signaling mechanism induced by dexamethasone was confirmed, and by treating the cells with a stem cell useful substance (culture solution) at various concentrations together with dexamethasone, the activity of Akt reduced by dexamethasone was reduced by the concentration of the stem cell useful substance (culture solution). It was confirmed that the increase was dependent on . In addition, it was confirmed that the expression of the muscle atrophy-related genes MuRF-1 and Atrogin-1 was decreased by the increase in FoxO activity. These results were significant from the concentration of 0.1 mg or more of the useful substance (culture solution). Through these results, the muscular atrophy induced by dexamethasone passes through the AKT-FoxO pathway, and it was possible to confirm the muscle atrophy protective effect using the stem cell useful substance. It is thought to be an important data for optimizing treatment technology by identifying
2-2. 근위축 동물 모델 2-2. amyotrophic animal model
근위축 유도 후 줄기세포 배양액 이식에 따른 효과 비교Comparison of Effects of Stem Cell Culture Transplantation after Induction of Muscle Atrophy
① 실험동물의 가자미근 무게/체중① Weight/weight of soleus muscle of the experimental animal
하지현수로 2주간 근위축을 유도하고 줄기세포 유용물질(배양액)을 주입하고 1주 후 각 실험동물의 체중 대비 가자미근의 무게를 확인하고자 실험동물의 가자미근의 무게를 체중으로 나누어 가자미근 무게를 표준화(muscle mass)하여 나타내었다(도 14). 줄기세포 유용물질(배양액)의 투여 횟수에 따른 실험동물의 표준화된 가자미근 무게를 확인해 본 결과, 하지현수로 근위축이 유도된 살린(saline) 군에 비해 줄기세포 유용물질(배양액)을 투여한 군이 근육양의 증가함을 확인하였다.Inducing muscle atrophy with lower limb suspension for 2 weeks, injecting a useful stem cell substance (culture solution), and standardizing the weight of the soleus muscle by dividing the weight of the soleus muscle by the body weight of the experimental animal to check the weight of the soleus muscle relative to the weight of each
이식 방법을 최적화하기 위해 투여 횟수에 따른 효과를 비교 분석하고자 하였고, 근위축 유도 후 줄기세포 유용물질(배양액)을 단회 투여한 군보다 반복적인 주기로 반복 투여한 군이 오히려 더 효과적인 결과를 보였으며, 통계적으로 유의함을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 투여 횟수는 반복 투여하는 방법을 선택하였다. In order to optimize the transplantation method, the effect according to the number of administrations was comparatively analyzed, and the group in which the stem cell useful substance (culture solution) was administered after induction of muscle atrophy was more effective than the group in which the group was administered repeatedly at repeated cycles. It was confirmed that it was statistically significant. Based on these results, the method of repeated administration was selected for the number of administrations.
무처치군(Control)을 제외한 두 그룹은 하지현수로 2주간 근위축을 유도한 뒤, 줄기세포 배양액을 주입하였고, 1주 후 각 실험동물의 체중 대비 가자미근의 무게를 확인하고자 실험동물의 가자미근의 무게를 체중으로 나누어 가자미근 무게를 표준화(muscle mass)하여 나타내었다(도 15). 각 동물의 좌/우의 가자미근의 무게 변화를 확인한 결과, 큰 차이 없이 줄기세포 유용물질(배양액)을 투여한 군에서 가자미근의 무게가 회복되었고, 이는 통계적으로도 유의함을 확인하였다.The two groups, except for the untreated group, induced muscle atrophy with lower extremity suspension for 2 weeks, and then injected stem cell culture. The weight of the soleus muscle was standardized (muscle mass) by dividing the weight by the body weight (FIG. 15). As a result of checking the change in the weight of the soleus muscle on the left and right sides of each animal, the weight of the soleus muscle was recovered in the group administered with the stem cell useful substance (culture solution) without any significant difference, which was also confirmed to be statistically significant.
② 실험동물의 줄기세포 유용물질(배양액) 이식에 따른 젖산 축적 비교② Comparison of lactic acid accumulation following transplantation of stem cell useful substances (culture solution) in experimental animals
젖산은 근세포로 혈액이 원활하게 공급되지 않아 저산소 상태를 만들어 무산소성 대사(anaerobic metabolism)를 통해 ATP를 생성할 때 발생되며, 젖산 축적은 근수축 단백질에 변성을 일으켜 근력에도 영향을 준다고 알려져 있다.Lactic acid is generated when the blood is not supplied to muscle cells smoothly, creating a hypoxic state and generating ATP through anaerobic metabolism.
하지현수에 의한 저혈성 현상으로 인한 가자미근의 젖산 농도를 측정하기 위해, 젖산 어세이를 진행하였다(도 16). 하지현수로 근위축을 유도한 실험동물에게 줄기세포 유용물질(배양액)을 주입함에 따라 근재생 마커인 데스민과 골격근 액틴의 mRNA 발현량을 실시간 PCR로 확인한 결과로 차이점을 비교하고자 하였다(도 17, 18). 통계적으로 유의성을 보인 1주군의 그룹의 근육 특이적인 유전자의 발현을 비교해 본 결과, 정상생활을 3주간 유지한 대조군에 비해 하지현수로 근위축을 유도한 살린(saline) 군의 데스민의 발현이 감소하였고, 줄기세포 유용물질(배양액) 주입군은 유의적으로 데스민이 증가하였음을 확인하였다. 또한, 골격근 액틴의 mRNA 발현도 대조군에 비해 근위축을 유도한 살린(saline) 군에서 감소하였고, 이에 비해 줄기세포 유용물질(배양액) 주입군의 발현이 유의적으로 증가함을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 하지현수 유도 후 줄기세포 유용물질(배양액)을 주입한 뒤 근육의 재생을 빠르게 회복시키는 것으로 사료된다. In order to measure the lactate concentration in the soleus muscle due to hypovolemia caused by the suspension of the lower extremities, a lactate assay was performed (FIG. 16). As the stem cell useful material (culture solution) was injected into the experimental animals that induced muscle atrophy with the lower extremity suspension, the mRNA expression levels of desmin and skeletal muscle actin, which are muscle regeneration markers, were confirmed by real-time PCR to compare the differences (Fig. 17). , 18). As a result of comparing the expression of muscle-specific genes in the 1 week group, which showed statistical significance, the expression of desmin in the saline group, which induced muscle atrophy with lower extremity suspension, decreased compared to the control group that maintained a normal life for 3 weeks. and it was confirmed that desmin was significantly increased in the stem cell useful substance (culture) injection group. In addition, mRNA expression of skeletal muscle actin was also decreased in the saline group, which induced muscle atrophy compared to the control group, and it was confirmed that the expression of the stem cell useful substance (culture solution) injection group was significantly increased. Based on these results, it is thought that the muscle regeneration is rapidly restored after the induction of the lower extremity suspension and the injection of useful substances (culture solution) for stem cells.
근위축 치료 효과 메커니즘 보호 효과 증명 Proof of protective effect on muscle atrophy treatment effect mechanism
세포모델에서 규명한 바와 같이 동물 모델에서의 근위축의 치료 메커니즘을 타깃으로 줄기세포 유용물질(배양액)을 이용한 보호 효과를 확인하고자 하였다. As identified in the cell model, it was attempted to confirm the protective effect of using a stem cell useful substance (culture solution) by targeting the therapeutic mechanism of muscle atrophy in the animal model.
근위축 동물 모델의 가자미근에서 단백질을 추출하여 근위축 신호전달 기전(PI3K/Akt-FoxO 경로) 마커를 분석한 결과 아래와 같은 결과를 얻었다(도 19). 근위축이 유도된 동물모델에서도 마찬가지로, Akt 및 FoxO의 활성이 감소하였고, 핵 내로 전달된 FoxO 유전자에 의해 근위축 유도 시 발현하는 전사인자 MuRF-1와 MAFbx의 증가를 확인하였다. 반면, 줄기세포 유용물질(배양액) 주입에 의해서 감소한 Akt의 활성이 증가하였고, 이에 따른 FoxO의 활성을 증가시켜 근위축 유전자 MuRF-1와 MAFbx 의 발현을 감소시켰고, 이는 통계적으로도 유의함을 증명하였다. 이와 같은 결과를 통하여 줄기세포 유용물질(배양액)을 이용한 근위축 기전 중 Akt-FoxO 경로에 대한 보호 효과를 증명하였고, 이러한 잠재력을 이용하여 근위축을 예방하거나 치료하는데 있어 중요한 자료가 될 것이다.Proteins were extracted from the soleus muscle of an animal model of muscle atrophy and the markers of the muscle atrophy signaling mechanism (PI3K/Akt-FoxO pathway) were analyzed. As a result, the following results were obtained (FIG. 19). Similarly, in the animal model in which muscle atrophy was induced, the activity of Akt and FoxO was decreased, and it was confirmed that the transcription factors MuRF-1 and MAFbx expressed when muscle atrophy was induced by the FoxO gene transferred into the nucleus were increased. On the other hand, the activity of Akt, which was decreased by the injection of the stem cell useful substance (culture), increased, and thus the activity of FoxO was increased to decrease the expression of the muscle atrophy genes MuRF-1 and MAFbx, which was also statistically significant. did. Through these results, the protective effect on the Akt-FoxO pathway among the muscle atrophy mechanisms using stem cell useful substances (culture medium) was demonstrated, and this potential will be used as an important data for preventing or treating muscle atrophy.
3. 단백질 사이토카인 분석3. Protein Cytokine Analysis
탯줄 유래 umbilical cord origin 중간엽mesenchymal 줄기세포 유용물질(배양액)의 단백질 조사 Protein investigation of stem cell useful substances (culture solution)
본 발명에 의하여 분비, 증식한 탯줄 유래 중간엽줄기세포의 사이토카인 분비 양상이 어떠한지 알아보기 위해, 인간 사이토카인 항체 어레이(RayBiotech Inc., ,Norcross, USA)를 이용하여 조사해보았다.In order to examine the cytokine secretion pattern of the umbilical cord-derived mesenchymal stem cells secreted and proliferated according to the present invention, a human cytokine antibody array (RayBiotech Inc., Norcross, USA) was used.
우선 탯줄 유래 줄기세포의 세포수를 확보하고 혈청이 없는 배지로 교체한 뒤 48시간 뒤에 배양액을 수집하고, 이렇게 수집한된 배지는 단백질 정량법을 이용하여 정량한 후, 어레이를 실시하였다. 도 20에서 볼 수 있듯이, 탯줄 유래 중간엽줄기세포의 배양액에서 TSP(Thrombospondin), TSP-1, EDA-A2, IGFBP-rp1 (IGFBP-7), TIMP-2, IL-6, GRO, MIP 2, SPARC, MCP-1, Dkk-1, 액티빈 A(Activin A), TIMP-1, VEGF, GDF-15, Smad 4, HGF, 안지오제닌(Angiogenin), 안지오포이에틴-1(Angiopoietin-1), IGFBP-6, FGF-7(KGF), MMP-1과 같은 사이토카인들이 분비되는 것을 확인할 수 있었다(도 20a: hUC-MSCs-배양 배지의 어레이 분석 사진, 도 19b, c: 항체 배열 순서).First, the cell number of umbilical cord-derived stem cells was obtained, and the culture medium was collected 48 hours after replacement with a serum-free medium. 20, TSP (Thrombospondin), TSP-1, EDA-A2, IGFBP-rp1 (IGFBP-7), TIMP-2, IL-6, GRO,
이렇게 확인된 사이토카인들 중, 각각의 기능을 조사해 본 결과, IL-6는 근육 위성세포를 조절하는데 필수적인 인자로서, 근육을 사용하지 않아 생기는 질환으로부터 회복하기 근육위성세포 증식을 촉진시키는데 매우 중요한 요소이다(ref 2). MIP-2는 골근육의 기능에 중요한 역할을 하며, 이는 칼슘의 항상성을 조절하여 노화나 근감소증과 같은 질환을 치료하기 위한 잠재적인 치료 타깃이 될 수 있는 가능성이 있는 요소이다(ref 3). MCP-1는 부상이나 상처 등으로 인해 손상된 조직이 재생하는데 중요한 요소이다(ref 4). Activin A는 근육량을 조절하는 요소이며(ref 5), VEGF는 골근육의 재생에 필수적이며, 근육의 기능을 촉진시킨다(ref 6). HGF는 근육의 재생 과정에서 성장과 분화를 조절하는 역할을 하며(ref 7), FGF-7는 근육위성세포를 자극하거나 활성화시킴으로써 세포의 증식, 분화, 형태형성에 필수적인 역할을 한다(ref 8). 또한 MMP-1는 근육 세포의 이동과 분화를 촉진시킨다(ref 9). As a result of examining the function of each of these identified cytokines, IL-6 is an essential factor in regulating muscle satellite cells, and is a very important factor in promoting muscle satellite cell proliferation to recover from diseases caused by not using muscles. is (ref 2). MIP-2 plays an important role in osseous muscle function, which is a potential therapeutic target for treating diseases such as aging and sarcopenia by regulating calcium homeostasis (ref 3). MCP-1 is an important factor in the regeneration of tissues damaged by injuries or wounds (ref 4). Activin A is a factor that regulates muscle mass (ref 5), and VEGF is essential for bone muscle regeneration and promotes muscle function (ref 6). HGF plays a role in regulating growth and differentiation during muscle regeneration (ref 7), and FGF-7 plays an essential role in cell proliferation, differentiation, and morphogenesis by stimulating or activating muscle satellite cells (ref 8). . MMP-1 also promotes muscle cell migration and differentiation (ref 9).
본 연구의 탯줄 유래 중간엽 줄기세포 유용물질(배양액)에서 분비되는 다양한 인자들에 의해, 근위축 억제 및 근육 재생에 핵심 역할을 해줄 것이라고 기대해 본다.It is expected that the various factors secreted from the umbilical cord-derived mesenchymal stem cell useful material (culture medium) in this study will play a key role in inhibiting muscle atrophy and regenerating muscle.
4. 인간 유래 탯줄 줄기세포의 분비물의 기능을 조사하여, 바이오마커로서의 가능성을 평가 4. Investigate the function of secretions of human-derived umbilical cord stem cells, and evaluate their potential as biomarkers
엑소좀 마커 발현 확인Confirmation of exosome marker expression
침전 반응 이후, 얻은 엑소좀을 확인하고자 CD9, CD81 마커의 발현을 통해 엑소좀 추출을 확인하였다(도 20).After the precipitation reaction, exosome extraction was confirmed through the expression of CD9 and CD81 markers to confirm the obtained exosomes (FIG. 20).
근위축muscle atrophy 신호전달 기전에 미치는 효과 확인 Confirmation of effect on signaling mechanism
L6 근육세포에서 덱사메타손을 이용하여 근위축을 유도함과 동시에 확인하고자 줄기세포 유용물질(배양액), 배양액으로부터 얻은 엑소좀, 엑소좀이 없는 배양액 조건을 함께 처리한 뒤, 근위축 신호전달(PI3K/Akt-FoxO pathway) 관련 마커들의 발현을 확인하였다(도 21).In order to induce and confirm muscle atrophy using dexamethasone in L6 muscle cells, stem cell useful substances (culture medium), exosomes obtained from the culture medium, and exosome-free culture medium conditions were treated together, and then muscle atrophy signal transduction (PI3K/Akt) -FoxO pathway) expression of related markers was confirmed (FIG. 21).
앞서 증명한 결과들과 상응하는 결과를 분석해보면, 근위축이 일어난 조건(덱사메타손을 처리한 조건, Dexa-treated)과 비교하여 배양액을 처리한 조건과 유사하게 탯줄 유래 줄기세포 배양액에서 얻은 엑소좀을 함께 처리하였을 때, 감소한 Akt 의 활성이 증가하였고, 이에 따른 FoxO의 활성을 증가시켜 근위축 유전자 MuRF-1와 MAFbx의 발현을 감소시켰고, 이는 통계적으로도 유의함을 증명하였다. 그러나, 이 결과를 통해 중요하게 생각하여 볼 점은, 엑소좀이 없는 배양액 조건을 처리하였을 때는, 이와 같은 마커들의 발현의 변화를 확인할 수 없었다. 이러한 결과를 토대로 근위축 기전(Akt-FoxO pathway)을 조절함에 있어, 탯줄 유래 줄기세포 배양액 내의 엑소좀이 세포의 신호전달에 있어 기능을 가지고 있으며, 새로운 바이오마커로서 예측해 볼 수 있다. 또한 엑소좀 내의 RNA, 단백질 상의 연구를 추가적으로 진행하여, 그 기능을 증명한다면 근위축 질환을 치료하기 위한 개발로서 획기적이라고 볼 수 있다. Analyzing the results corresponding to the previously demonstrated results, the exosomes obtained from the umbilical cord-derived stem cell culture medium were similar to the condition treated with the culture medium compared to the condition in which muscle atrophy occurred (dexamethasone treated condition, Dexa-treated). When treated together, the decreased Akt activity was increased, and thus FoxO activity was increased to decrease the expression of the muscle atrophy genes MuRF-1 and MAFbx, which was also confirmed to be statistically significant. However, it is important to consider through this result, when the culture medium condition without exosomes was treated, it was not possible to confirm the change in the expression of these markers. Based on these results, in regulating the muscle atrophy mechanism (Akt-FoxO pathway), the exosomes in the umbilical cord-derived stem cell culture medium have a function in cell signal transduction and can be predicted as a new biomarker. In addition, if further research on RNA and protein in exosomes is conducted to prove their function, it can be considered as a breakthrough as a development for the treatment of muscular atrophy disease.
요약 및 결론Summary and Conclusion
근육세포와 동물모델을 이용하여 근위축 모델을 확립하였고, 근위축 자극에 따른 근 관련 단백질의 발현을 비교하였다. 또한 줄기세포 유용물질(배양액)을 함께 처리하여 근 관련 단백질의 발현 변화를 비교하였다. 중요하게는, 근위축의 기전으로부터 줄기세포 유용물질(배양액)에 의한 치료/보호 효과를 확인하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과를 토대로 줄기세포를 이용한 치료법의 기술적, 현실적 제한성을 극복하는 동시에, 상대적으로 확보가 용이한 줄기세포 유용물질(배양액)으로도 근위축의 치료 효과 가능성을 보여 주었다. 이는 줄기세포 자체만을 이용하는 그 동안의 치료 방식에서 벗어난 획기적인 연구라 할 수 있다. 또한 줄기세포가 분비하는 분비작용에 의한 엑소좀과 같은 미세소포를 이용한 기능조사를 통해, 근위축 질환 치료를 위한 바이오마커 개발을 위한 한걸음 앞장서는 연구라 할 수 있다. A muscle atrophy model was established using muscle cells and animal models, and the expression of muscle-related proteins according to muscle atrophy stimulation was compared. In addition, the expression change of the muscle-related protein was compared by treating the stem cell useful material (culture medium) together. Importantly, the therapeutic/protective effect of the stem cell useful substance (culture medium) was confirmed from the mechanism of muscle atrophy. Based on the results obtained through this study, the technical and practical limitations of the treatment using stem cells were overcome, and at the same time, it showed the possibility of a therapeutic effect on muscle atrophy even with a relatively easy to obtain stem cell useful material (culture solution). This is a groundbreaking study that deviated from the conventional treatment methods using only stem cells. In addition, it can be said that it is a research that takes a step forward for the development of biomarkers for the treatment of muscular atrophy disease through functional investigation using microvesicles such as exosomes by the secretory action of stem cells.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the present invention, for those of ordinary skill in the art, this specific description is only a preferred embodiment, and it is clear that the scope of the present invention is not limited thereto. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (8)
상기 배양액은 줄기세포를 포함하지 않고, 탯줄 유래 줄기세포로부터 분비된 엑소좀을 포함하는, 근위축증 예방 또는 치료용 약제학적 조성물:
(a) 포유류 탯줄로부터 줄기세포를 분리하는 단계;
(b) 상기 줄기세포를 탯줄 추출물을 포함하지 않은 무혈청 배지에서 배양하는 단계; 및
(c) 배양 후 48시간에 배양액을 수합하고 원심분리하여 상등액을 수득하는 단계.
As a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of muscular atrophy comprising a mammalian umbilical cord-derived stem cell culture medium prepared by the following method as an active ingredient,
The culture medium does not contain stem cells, comprising exosomes secreted from umbilical cord-derived stem cells, a pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy:
(a) isolating the stem cells from the mammalian umbilical cord;
(b) culturing the stem cells in a serum-free medium that does not contain an umbilical cord extract; and
(c) collecting the culture solution 48 hours after incubation and centrifuging to obtain a supernatant.
According to claim 1, wherein the culture medium is thrombospondin (Thrombospondin, TSP), thrombospondin-1, EDA-A2 (Ectodysplasin-A2), IGFBP-rp1 (Insulin-like growth factor binding protein-related protein 1) / IGFBP-7, TIMP-2 (tissue inhibitor of metalloproteinase-2), IL-6, GRO, MIP2, SPARC, MCP-1, Dkk-1, Activin A, TIMP-1, VEGF, GDF- 15, Smad 4, HGF, angiogenin (Angiogenin), angiopoietin-1 (Angiopoietin-1), IGFBP-6, FGF-7 / KGF and MMP-1, characterized in that it contains the prevention of muscular atrophy or A therapeutic pharmaceutical composition.
The pharmaceutical composition for the prevention or treatment of muscular atrophy according to claim 1, wherein the culture medium promotes the proliferation of muscle cells.
The pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy according to claim 1, wherein the culture medium increases the expression of desmin.
The pharmaceutical composition for the prevention or treatment of muscular atrophy according to claim 1, wherein the culture medium increases the activity of Akt and FoxO.
The pharmaceutical composition for preventing or treating muscular atrophy according to claim 1, wherein the culture medium reduces the expression of MuRF-1 (Muscle RING-finger protein-1) and Atrogin-1/MAFbx.
The pharmaceutical composition for the prevention or treatment of muscular atrophy according to claim 1, wherein the culture medium promotes the decomposition of lactic acid in muscles.
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