KR102444801B1 - A Cross-linked extracellular matrix and a Culturing method of human pluripotent stem cell using thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유아세포주 유래의 세포외 기질 매트릭스를 가교결합하여 물성을 조절한, 가교결합된 세포외 기질 매트릭스 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 상기 가교결합된 세포외 기질 매트릭스를 이용하여 인간 배아줄기세포를 배양하는 방법을 제공한다.
본 발명을 통해 제조된 세포외 기질 매트릭스는 가교결합하지 않은 것에 비해 강도가 증가될 수 있고, 인간 배아줄기세포를 배양할 때 미분화 상태가 유지되면서 세포 증식을 유도할 수 있다. 또한, 동일 기질을 사용하여 인간 배아줄기세포를 배양할 수 있는 기간이 현저히 증가하여 세포 배양시 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 가교결합된 섬유아세포 유래 세포외 기질 매트릭스는, 인간 배아줄기세포의 배양에 효과적으로 사용할 수 있다.
The present invention relates to a cross-linked extracellular matrix matrix obtained by crosslinking a fibroblast-derived extracellular matrix matrix, and to a method for preparing the same. In addition, there is provided a method of culturing human embryonic stem cells using the cross-linked extracellular matrix matrix.
The extracellular matrix matrix prepared through the present invention can have increased strength compared to that without crosslinking, and can induce cell proliferation while maintaining an undifferentiated state when culturing human embryonic stem cells. In addition, the period during which human embryonic stem cells can be cultured using the same substrate is significantly increased, thereby reducing the cost and time required for cell culture. Therefore, the cross-linked fibroblast-derived extracellular matrix matrix prepared by the method of the present invention can be effectively used for culturing human embryonic stem cells.

Description

가교 결합된 세포외 기질 메트릭스 및 이를 이용한 인간 배아줄기세포의 배양 방법{A Cross-linked extracellular matrix and a Culturing method of human pluripotent stem cell using thereof}A Cross-linked extracellular matrix and a Culturing method of human pluripotent stem cell using the same

본 발명은 섬유아세포주 유래의 세포외 기질 매트릭스를 가교결합하여 물성을 조절한, 가교결합된 세포외 기질 매트릭스 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 상기 가교결합된 세포외 기질 매트릭스를 이용하여 인간 배아줄기세포를 배양하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a cross-linked extracellular matrix matrix obtained by crosslinking a fibroblast-derived extracellular matrix matrix, and to a method for preparing the same. In addition, there is provided a method of culturing human embryonic stem cells using the cross-linked extracellular matrix matrix.

인간 배아줄기세포(human pluripotent stem cells, hPSCs; human embryonic stem cell, hESC)는 내배엽, 중간엽 및 외배엽으로 분화 가능한 전분화능을 가지는 줄기세포이다. 이들 hPSC는 Sandos inbred mouse(SIM)-유래의 6-thioguanine 및 ouabain-내성의 세포(STO cell) 또는 마우스 배아 섬유아세포(MEF) 상에서 배양하는 것으로 잘 알려져 있으며, 상기 STO 세포 또는 MEF를 기질 세포(feeder cell)라고 지칭한다. hPSC를 배양하거나, 유지, 유전자 조작 및 단일 세포 단위의 클로닝 등을 위해 적절한 기질 세포를 사용하는 것이 중요하나, 기질 세포의 준비 또는 배양 과정에서 오염되거나 다른 불명확한 이유로 인해 이러한 기질세포를 이용한 hPSC의 배양 방법은 임상 적용에 적합하지 않은 것으로 판단되고 있다.Human pluripotent stem cells (hPSCs; human embryonic stem cells, hESC) are stem cells having pluripotency capable of differentiating into endoderm, mesenchymal and ectoderm. These hPSCs are well known to be cultured on Sandos inbred mouse (SIM)-derived 6-thioguanine and ouabain-resistant cells (STO cells) or mouse embryonic fibroblasts (MEFs), and the STO cells or MEFs are cultured on stromal cells ( referred to as feeder cells). It is important to use appropriate stromal cells for culturing or maintaining hPSCs, genetic manipulation, and cloning of single cell units. It is judged that the culture method is not suitable for clinical application.

이를 위한 대안으로서 개발된 기질이 Matrigel®(매트리겔; Corning, Corning, NY)이다. 매트리겔은 hPSC의 배양에 있어서 기질 세포를 사용하지 않고, 세포외 구조물질만을 사용하는 것으로 가장 많이 사용되고 있는 종류 중 하나이다. 그러나, 이러한 매트리겔은 원하는 형태로 조절하여 사용하는 것에 제한이 있고, Engelbre-Holm-Swarm 마우스의 육종으로부터 유래된 물질이기 때문에, 이종 물질을 포함하고 있어 원하지 않는 외인성 물질이 포함될 우려가 있다는 단점을 가진다. 이 때문에, 기질세포를 사용하지 않으면서도 hPSC를 효과적으로 배양할 수 있는 플랫폼을 마련하는 것이 요구되고 있으며, 이를 인체에 적용할 수 있는 정도의 세포 치료제 개발에 사용하는 것을 목적으로 하는 연구가 계속 진행되고 있다.A substrate developed as an alternative for this is Matrigel ® (Matrigel; Corning, Corning, NY). Matrigel does not use stromal cells in the culture of hPSCs, but uses only extracellular structural materials, and is one of the most used types. However, this Matrigel has limitations in controlling and using it in a desired form, and since it is a material derived from the breeding of Engelbre-Holm-Swarm mice, it contains heterogeneous substances, so there is a possibility that undesired exogenous substances may be included. have For this reason, there is a need to prepare a platform that can effectively culture hPSCs without using stromal cells, and research aimed at using them to develop cell therapeutics that can be applied to the human body continues. have.

세포외 기질(extracellular matrix, ECM)은, 세포에서 분비되는 다양한 고분자물로 구성된, 조직 또는 기관의 비-세포성 구조물이다. ECM은 구조적으로 온전하고 생물학적인 목적에 맞게 사용할 수 있는 천연 스캐폴드 물질로서 사용할 수 있다. 이들의 특이적인 구성 및 기능은 구체적인 유래 조직의 형태에 따라 각기 다양하게 나타날 수 있는데, 가장 많이 알려진 종류로는 두 종류가 있다: 하나는 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG)와 같이, 프로테오글리칸으로 알려진 연쇄 구조 고분자이고, 다른 하나는, 콜라겐, vitronectin, elastin, fibronectin 및 laminin과 같은 섬유상 단백질이다. 이들은 매우 다양한 구조를 가지고 있어서 구조적인 변경이 가능해 다양한 세포 간의 생물물리적 및 생물화학적으로 중점적인 역할을 할 수 있다. 이러한 특징은 배양되는 세포에 따라 나타날 수 있는 범위가 다양하지만, 항상성, 세포 부착, 세포-세포 간의 상호작용 및 분화능 등의 ECM이 가지는 본질적인 특징에 영향을 받을 수 있는 것으로 알려져 있다.The extracellular matrix (ECM) is a non-cellular structure of a tissue or organ, composed of various polymers secreted by cells. ECM is structurally intact and can be used as a natural scaffold material that can be used for biological purposes. Their specific composition and function may vary depending on the type of specific tissue from which they are derived, but the two most well-known types are: one is glycosaminoglycan (GAG), and one is proteoglycan. It is a known chain structure polymer, and the other is a fibrous protein such as collagen, vitronectin, elastin, fibronectin and laminin. Because they have very diverse structures, they can be structurally altered and can play a pivotal role in biophysical and biochemical interactions between various cells. Although the range of these characteristics varies depending on the cells to be cultured, it is known that essential characteristics of ECM such as homeostasis, cell adhesion, cell-cell interaction and differentiation capacity may be affected.

이에, ECM의 출발 세포를 적절하게 사용하여 생물학적으로 적합한 환경을 만들어주기 위해, ECM의 특징을 조절하는 기술에 관심이 집중되고 있다. 이와 관련된 초기 연구에서는, 탈세포화 과정 이후에 나타나는 생물물리적 및 생물화학적 특징을 조절하는 것에 맞추어져, 줄기세포 부착, 증식 및 분화에 적합하도록 자연적으로 유래된 배양 기질의 매트릭스를 생성할 수 있도록 하였다. 때문에, 줄기세포의 계통 특성에 따라 적절한 매트릭스의 특징을 적절하게 조절하는 것을 목적으로 한 연구들이 진행되었다. 예를 들어서, 배양되는 세포는 외부 강도(external force)에 따라 영향을 받아 적절한 환경에서 배양되기 위한 방법을 줄 수 있도록 하기 위해, 기질의 강도(stiffness)는 필수적인 특징이 될 수 있다.Accordingly, in order to create a biologically suitable environment by appropriately using the starting cells of the ECM, attention is focused on a technology for controlling the characteristics of the ECM. In early studies related to this, it was possible to generate a matrix of naturally derived culture substrates suitable for stem cell adhesion, proliferation and differentiation, aimed at controlling the biophysical and biochemical characteristics appearing after the decellularization process. Therefore, studies have been conducted for the purpose of properly controlling the characteristics of an appropriate matrix according to the lineage characteristics of stem cells. For example, in order for cells to be cultured to be influenced by an external force to give a method for culturing in an appropriate environment, the stiffness of the substrate may be an essential characteristic.

이를 위하여, 인간 중간엽 줄기 세포(hMSC)를 배양함에 있어서 기계적 물성을 조절하는 방법(mechanotransduction)에 관하여 연구된 바 있으며, 이 때 줄기 세포의 특성을 조절하기 위해 세포-ECM 간의 상호작용의 중요성이 부각되었다(비특허문헌 1, 비특허문헌 2). 또한, 대한민국 등록특허 제 10-1528909호에서는 조골모세포 또는 섬유아세포를 이용하여 ECM을 제조하고, 이를 이용하여 연골세포 등의 분화를 유도하는 방법에 대하여 공지된 바 있다(특허문헌 1).To this end, studies have been made on a method for regulating mechanical properties (mechanotransduction) in culturing human mesenchymal stem cells (hMSC), and in this case, the importance of cell-ECM interaction to control the characteristics of stem cells is significant. It was highlighted (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2). In addition, in Korean Patent Registration No. 10-1528909, a method for producing ECM using osteoblasts or fibroblasts and inducing differentiation of chondrocytes using the same is known (Patent Document 1).

그러나 이는 hPSC의 배양에서는 적합하지 않을 수 있는데, 이는 hPSC가 재생 의학에서 다양한 적용 가능성을 가짐에도 불구하고, hPSC-ECM 간의 상호작용을 근본적으로 확인하고자 하는 연구에 대하여는 보고된 바 없기 때문이다. 다양한 연구들을 통해 합성 기질 또는 생물학적 기질에서 hPSC를 배양하는 방법에 대하여는 보고된 바 있지만(비특허문헌 3), hPSC의 전분화능을 조절하기 위한 배양 환경에 대하여는 적절한 방법에 대한 연구가 지속되어야 한다.However, this may not be suitable for culturing hPSCs, because although hPSCs have various applications in regenerative medicine, there have been no reports of studies to fundamentally confirm the interaction between hPSC-ECM. Although a method for culturing hPSCs on a synthetic substrate or a biological substrate has been reported through various studies (Non-Patent Document 3), research on an appropriate method for a culture environment for regulating the pluripotency of hPSCs should be continued.

이에, 본 발명자들은 세포 치료제로 배양하기에 적합하도록 hPSC의 배양 기질을 개발하기 위해 노력한 결과, 섬유아세포(fibroblast)를 배양하고 탈세포화하여 제조한 ECM(FDM)을, 가교결합제로서 가교결합하여 물성을 조절할 수 있도록 ECM을 제조하였으며(X-FDM), 가교결합제인 제니핀의 처리 농도에 따라 강도 등의 물성을 조절할 수 있어 hPSC을 미분화 상태로 유지하면서 증식을 유도할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors made efforts to develop a culture substrate of hPSC suitable for culturing as a cell therapeutic agent. As a result, ECM (FDM) prepared by culturing and decellularizing fibroblasts was cross-linked as a cross-linking agent. ECM was prepared to control The invention was completed.

본 발명은, 인간 배아줄기세포를 배양하기에 적합한, 세포외 기질 매트릭스의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for preparing an extracellular matrix matrix suitable for culturing human embryonic stem cells.

또한, 본 발명은 상기 제조된 세포외 기질 매트릭스를 사용하여 인간 배아줄기세포를 배양하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for culturing human embryonic stem cells using the prepared extracellular matrix matrix.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 인간배아줄기세포(hPSC) 배양용 세포외 기질의 제조 방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for preparing an extracellular matrix for culturing human embryonic stem cells (hPSC), comprising the steps of:

i) 섬유아세포(fibroblast)를 포화 상태로 배양하는 단계;i) culturing fibroblasts in a saturated state;

ii) 상기 단계 i)에서 배양한 세포를 탈세포화하여 세포외 기질(extra-cellular matrix, ECM)을 수득하는 단계;ii) decellularizing the cells cultured in step i) to obtain an extra-cellular matrix (ECM);

iii) 상기 단계 ii)에서 수득한 ECM에 가교결합제(cross-linker)를 처리하여 기질간 가교결합을 유도하는 단계; 및iii) treating the ECM obtained in step ii) with a cross-linker to induce cross-linking between substrates; and

iv) 상기 단계 iv)에서 가교결합된 ECM을 수득하는 단계.iv) obtaining the cross-linked ECM in step iv).

본 발명의 구체적인 일실시예에서, 상기 단계 iii)의 가교결합제는 제니핀(genipin)일 수 있으며, 상기 제니핀은 0.5%(w/v) 내지 2.0%(w/v)의 농도로 처리되는 것일 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, the crosslinking agent in step iii) may be genipin, wherein the genipin is treated at a concentration of 0.5% (w/v) to 2.0% (w/v). it could be

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 ECM에 인간 배아줄기세포를 접종하고 배양하는 단계;를 포함하는, 인간 배아줄기세포의 배양 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for culturing human embryonic stem cells, including; inoculating and culturing human embryonic stem cells in the ECM prepared by the above method.

본 발명의 구체적인 일실시예에서, 상기 배양 방법은 인간 배아줄기세포를 미분화 상태로 유지하면서 세포의 증식을 유도하는 방법일 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, the culturing method may be a method of inducing proliferation of human embryonic stem cells while maintaining the undifferentiated state.

따라서, 본 발명은 섬유아세포(fibroblast)를 배양하고 탈세포화하여 제조한 ECM(FDM)을, 가교결합제로서 가교결합하여 물성을 조절할 수 있도록 ECM(X-FDM)을 제조하는 방법을 제공한다. 이 때 상기 가교결합제로서 제니핀을 처리할 때, 0.5%(w/v)의 농도로 처리하는 것이 가장 바람직하며, 이를 통해 제조된 X-FDM은 가교결합하지 않은 FDM에 비해 강도가 증가될 수 있고, 인간 배아줄기세포를 배양할 때 미분화 상태가 유지되면서 세포 증식을 유도할 수 있다. 또한, 동일 기질을 사용하여 인간 배아줄기세포를 배양할 수 있는 기간이 현저히 증가하여 세포 배양시 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 가교결합된 섬유아세포 유래 세포외 기질 매트릭스는, 인간 배아줄기세포의 배양에 효과적으로 사용할 수 있다. 또한, 이를 통해 배양된 인간 배아줄기세포는 줄기세포 치료제로서 사용할 수 있다.Accordingly, the present invention provides a method for preparing ECM (X-FDM) so that physical properties can be controlled by cross-linking ECM (FDM) prepared by culturing and decellularizing fibroblasts as a cross-linking agent. At this time, when treating Jennifin as the crosslinking agent, it is most preferable to treat it at a concentration of 0.5% (w/v), and the X-FDM prepared through this may have increased strength compared to the non-crosslinked FDM. And, when culturing human embryonic stem cells, it is possible to induce cell proliferation while maintaining the undifferentiated state. In addition, the period during which human embryonic stem cells can be cultured using the same substrate is significantly increased, thereby reducing the cost and time required for cell culture. Therefore, the cross-linked fibroblast-derived extracellular matrix matrix prepared by the method of the present invention can be effectively used for culturing human embryonic stem cells. In addition, human embryonic stem cells cultured through this can be used as a stem cell therapeutic agent.

도 1은 본 발명의 섬유아세포 유래 세포외기질(FDM) 및 이의 가교결합된 세포외기질(X-FDM)의 제조 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 제조된 FDM 및 X-FDM의 형태적 특징을 확인한 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명에서 제조된 FDM 및 X-FDM을 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 및 생체-원자현미경(bio-atomic force microscope; bio-AFM)으로 표면 형태를 관찰한 결과를 나타낸다.
도 4는 FDM 및 X-FDM에 hPSC를 접종하고 배양한 후의 세포 형태를 나타낸다.
도 5는 FDM 및 X-FDM에서 hPSC를 배양할 때의 콜로니 형태 및 유지 정도를 확인한 결과를 나타낸다.
도 6은 FDM(Gx0)에서 배양된 세포의 콜로니 형태를 시간에 따라 확인한 결과를 나타낸다.
도 7은 FDM 및 X-FDM에서 배양된 hPSC의 콜로니 형태 및 매트릭스의 강도를 확인한 결과를 나타낸다.
도 8은 X-FDM(Gx2.0)에서 배양된 hPSC의 콜로니를 대상으로 부착능을 확인한 결과를 나타낸다.
도 9는 X-FDM(Gx0.5)에서 배양된 hPSC의 콜로니 형태 변화를 시간의 흐름에 따라 관찰한 결과를 나타낸다.
도 10은 전분화능 또는 분화 마커의 유전자 발현 수준의 분석 및 콜로니 안정성을 확인한 결과를 나타낸다.
도 11은 mTeSRTM-1-매트리겔, FDM 및 X-FDM에서 5 일 동안 배양한 hPSC의 콜로니 형태를 확인한 결과를 나타낸다.
도 12는 FDM 또는 X-FDM에서 배양된 hPSC에서 상피간엽전이(EMT) 관련 유전자의 발현 수준을 비교한 결과를 나타낸다.
도 13은 FDM 또는 X-FDM에서 배양한 hPSC에서 발현수준이 변화하는 유전자 간의 상관 관계 및 해당 유전자로부터 발현된 단백질의 발현 수준을 확인한 결과를 나타낸다.
도 14는 FDM 또는 X-FDM에서 배양한 hPSC에서 국소 접착과 관련된 유전자의 발현 수준 변화를 확인한 결과를 나타낸다.
도 15는 X-FDM에서 배양한 hPSC가 FDM에서 배양한 hPSC과 비교하였을 때 발현 수준이 변화하는 유전자 목록을 나타낸다.
도 16은 X-FDM에서 배양한 hPSC가 FDM에서 배양한 hPSC과 비교하였을 때 발현 수준이 2 배 이상으로 변화하는 유전자 목록을 나타낸다.
도 17은 X-FDM에서 배양한 hPSC가 FDM에서 배양한 hPSC과 비교하여, 발현 수준이 변화하는 유전자 간의 상호작용을 네트워크로 표현한 모식도를 나타낸다.
도 18은 X-FDM(Gx0.5)에서 배양한 hPSC의 계대 배양 차수에 따른 콜로니 형태 변화를 확인한 결과를 나타내나.
도 19는 X-FDM(Gx0.5)에서 배양한 hPSC의 전분화능 여부를 확인한 결과를 나타낸다.
도 20은 X-FDM(Gx0.5)에서 배양한 hPSC에서 전분화능 마커 단백질의 발현 정도를 확인한 결과이다.
1 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the fibroblast-derived extracellular matrix (FDM) and its cross-linked extracellular matrix (X-FDM) of the present invention.
Figure 2 shows the results of confirming the morphological characteristics of the FDM and X-FDM prepared in the present invention.
3 shows the results of observing the surface morphology of the FDM and X-FDM prepared in the present invention with a scanning electron microscope (SEM) and a bio-atomic force microscope (bio-AFM).
4 shows the cell morphology after inoculation and culturing of hPSCs in FDM and X-FDM.
5 shows the results of confirming the colony form and maintenance degree when culturing hPSCs in FDM and X-FDM.
6 shows the results of confirming the colony morphology of cells cultured in FDM (Gx0) over time.
7 shows the results of confirming the colony form and matrix strength of hPSC cultured in FDM and X-FDM.
8 shows the results of confirming the adhesion ability to the colonies of hPSC cultured in X-FDM (Gx2.0).
9 shows the results of observing the change in colony morphology of hPSCs cultured in X-FDM (Gx0.5) over time.
10 shows the results of confirming colony stability and analysis of gene expression levels of pluripotency or differentiation markers.
11 shows the results of confirming the colony morphology of hPSCs cultured for 5 days in mTeSR TM -1-Matrigel, FDM and X-FDM.
12 shows the results of comparing the expression levels of epithelial-mesenchymal metastasis (EMT)-related genes in hPSCs cultured in FDM or X-FDM.
13 shows the results of confirming the correlation between the genes whose expression level is changed in hPSC cultured in FDM or X-FDM and the expression level of the protein expressed from the gene.
14 shows the results of confirming the change in the expression level of local adhesion-related genes in hPSC cultured in FDM or X-FDM.
15 shows a list of genes whose expression level is changed in hPSCs cultured in X-FDM compared to hPSCs cultured in FDM.
16 shows a list of genes whose expression level changes more than twofold in hPSCs cultured in X-FDM compared to hPSCs cultured in FDM.
FIG. 17 shows a schematic diagram in which the interaction between genes whose expression level is changed in a network of hPSCs cultured in X-FDM compared to hPSCs cultured in FDM is expressed as a network.
18 shows the results of confirming the colony morphology change according to the subculture order of hPSC cultured in X-FDM (Gx0.5).
19 shows the results of confirming the pluripotency of hPSCs cultured in X-FDM (Gx0.5).
20 is a result confirming the expression level of pluripotency marker protein in hPSC cultured in X-FDM (Gx0.5).

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

본 발명은 하기 단계를 포함하는, 인간배아줄기세포(hPSC) 배양용 세포외 기질의 제조 방법을 나타낸다:The present invention describes a method for preparing an extracellular matrix for culturing human embryonic stem cells (hPSC), comprising the steps of:

i) 섬유아세포(fibroblast)를 포화 상태로 배양하는 단계;i) culturing fibroblasts in a saturated state;

ii) 상기 단계 i)에서 배양한 세포를 탈세포화하여 세포외 기질(extra-cellular matrix, ECM)을 수득하는 단계;ii) decellularizing the cells cultured in step i) to obtain an extra-cellular matrix (ECM);

iii) 상기 단계 ii)에서 수득한 ECM에 가교결합제(cross-linker)를 처리하여 기질간 가교결합을 유도하는 단계; 및iii) treating the ECM obtained in step ii) with a cross-linker to induce cross-linking between substrates; and

iv) 상기 단계 iv)에서 가교결합된 ECM을 수득하는 단계.iv) obtaining the cross-linked ECM in step iv).

본 발명의 “인간 배아줄기세포 배양용 세포외 기질의 제조 방법”에 있어서, 단계 iii)의 가교결합제는 제니핀 또는 글루타알데히드(glutaraldehyde)와 같이 가교 결합(cross-linking)을 위해 당업계에서 사용하는 가교결합제라면 제한없이 사용할 수 있으나, 생체 안전한 천연의 물질을 사용하고자 하는 관점에서 제니핀을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 제니핀은 세포외 기질의 물성을 조절하고자 하는 목적으로 적절하게 농도를 조절하여 첨가할 수 있으며, 0.5%(w/v) 내지 2.0%(w/v)의 농도로 처리하는 것이 보다 바람직하다. 0.5%(w/v) 미만의 농도로 처리하여 가교결합하는 경우에는 세포외 기질의 강도가 적절하게 나타나지 않아 줄기세포의 분화가 이루어질 수 있고, 5 내지 7일 간격으로 계대배양을 해야하기 때문에 소모적일 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 2.0%(w/v)의 농도를 초과하여 가교결합제를 처리하는 경우에는, 가교결합이 과도하게 이루어져 기질의 강도가 과도하게 증가할 수 있고, 이에 따라 줄기세포의 부착 및 증식에 악영향을 미칠 수 있어 바람직하지 않다. 따라서, 가장 바람직한 제니핀의 농도 범위는 0.5%(w/v) 내지 2.0%(w/v)에 해당하며, 배양하는 인간 배아줄기세포를 미분화상태로 유지하면서 증식을 유도하고자 하는 관점에서, 0.5%(w/v)로 제니핀을 처리하는 것이 가장 바람직하다. 0.5%(w/v)로 제니핀을 처리하여 가교결합된 FDM은, 인간 배아줄기세포가 미분화상태로 유지되는 점에서 세포 배양에 이점을 줄 뿐 아니라, 7 내지 14일 동안 세포를 배양할 수 있어 계대 배양에 필요한 단위 기간이 연장될 수 있어 세포 배양의 비용 면에서도 효과적이다.In the "method for preparing an extracellular matrix for human embryonic stem cell culture" of the present invention, the cross-linking agent of step iii) is in the art for cross-linking, such as genipine or glutaraldehyde. Any crosslinking agent to be used can be used without limitation, but it is more preferable to use Jennipin from the viewpoint of using a biosafety natural material. The Jennipin may be added by appropriately adjusting the concentration for the purpose of controlling the physical properties of the extracellular matrix, and it is more preferable to treat at a concentration of 0.5% (w/v) to 2.0% (w/v). . In the case of cross-linking by treatment at a concentration of less than 0.5% (w/v), the strength of the extracellular matrix does not appear properly, so differentiation of stem cells can be made, and it is wasteful because subculture must be performed at intervals of 5 to 7 days. It may be undesirable. In addition, when the cross-linking agent is treated in excess of 2.0% (w/v), the cross-linking may occur excessively and the strength of the substrate may be excessively increased, thereby adversely affecting the adhesion and proliferation of stem cells. It is not recommended because it can go crazy. Therefore, the most preferable concentration range of Jennifin corresponds to 0.5% (w/v) to 2.0% (w/v), and from the viewpoint of inducing proliferation while maintaining the cultured human embryonic stem cells in an undifferentiated state, 0.5% (w/v) to 2.0% (w/v) It is most preferable to treat genifin in % (w/v). FDM cross-linked by treatment with 0.5% (w/v) genifin not only gives an advantage to cell culture in that human embryonic stem cells are maintained in an undifferentiated state, but also can be cultured for 7 to 14 days. Therefore, the unit period required for subculture can be extended, which is effective in terms of cost of cell culture.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 ECM, 구체적으로는 섬유아세포 유래의 세포외 기질을 가교결합한, 가교결합된 세포외 기질(X-FDM)에, 인간 배야줄기세포를 접종하고 배양하는 단계;를 포함하는, 인간 배아줄기세포의 배양 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of inoculating and culturing human embryonic stem cells in the cross-linked extracellular matrix (X-FDM) prepared by the above method, specifically, the fibroblast-derived extracellular matrix; It provides a method for culturing human embryonic stem cells, comprising a.

본 발명의 “인간배아줄기세포의 배양 방법”에 있어서, 상기 배양 방법은 인간 배아줄기세포가 분화 진행되지 않고 미분화상태를 유지하면서 세포의 증식을 유도할 수 있다. 따라서, 이에 따라 배양한 인간 배아줄기세포를 목적에 따라 관리할 수 있고, 이를 통해 적절한 방향의 줄기세포 치료제를 개발할 수 있다.In the "culture method of human embryonic stem cells" of the present invention, the culture method can induce the proliferation of cells while maintaining the undifferentiated state without the differentiation of human embryonic stem cells. Therefore, it is possible to manage the cultured human embryonic stem cells according to the purpose, and through this, it is possible to develop a stem cell therapeutic agent in an appropriate direction.

이하, 준비예 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 준비예 및 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 준비예 및 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through preparation examples and examples. These preparations and examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these preparations and examples. .

[준비예 1][Preparation Example 1]

섬유아세포 유래의 세포외 기질 매트릭스(fibroblast derived extra-cellular matrix; FDM)의 제조Preparation of fibroblast derived extra-cellular matrix (FDM)

본 발명의 섬유아세포 유래의 세포외 기질 매트릭스 및 이를 가교 결합한 세포외 기질 매트릭스는, 도 1의 모식도 과정을 따라 제조하였다. 섬유아세포(fibroblast) 유래의 세포외 기질 매트릭스(extra-cellular matrix; ECM)을 제조하기 위해서, NIH3T3 마우스 섬유아세포주(ATCC) 또는 인간 포피(foreskin) 유래의 BJ1 섬유아세포주(ATCC)를 사용하였다. 섬유아세포주를 2×104 세포/㎝2의 밀도로 플라스틱 디쉬 또는 젤라틴-코팅된 유리의 12-웰 플레이트에 접종한 다음, 10% 우태아 혈청(FBS) 및 1% 항생제(페니실린 스트렙토마이신)을 포함하는 DMEM 배지(Dulbecco's modified Eagle's medium)에서 1 주일간 배양하였다. 배양 후, 포화된 세포(confluent cell)를 PBS로 세척하고, 탈세포화 용액에 침지시키고 37℃에서 2 분간 탈세포화하였다. 탈세포화 용액은, 0.25 % Triton X-100및 10 mM NH4OH을 포함하는 PBS 용액을 사용하였다. 그런 다음, 다시 시료를 50 U/㎖의 DNase I 및 2.5 ㎕/㎖ RNase A를 처리하고 2 시간 동안 37℃에서 반응하였다. 탈세포화된 시료로부터 반응 용액을 제거하고, PBS로 조심스럽게 3 회 세척한 다음, FDM을 수득하고 이를 4℃에서 보관하였다.The fibroblast-derived extracellular matrix matrix of the present invention and the cross-linked extracellular matrix matrix were prepared according to the schematic procedure of FIG. 1 . To prepare fibroblast-derived extra-cellular matrix (ECM), NIH3T3 mouse fibroblast cell line (ATCC) or human foreskin-derived BJ1 fibroblast cell line (ATCC) was used. . Fibroblast lines were inoculated in plastic dishes or 12-well plates of gelatin-coated glass at a density of 2×10 4 cells/cm 2 , followed by 10% fetal bovine serum (FBS) and 1% antibiotic (penicillin streptomycin). It was cultured for 1 week in DMEM medium containing (Dulbecco's modified Eagle's medium). After incubation, the confluent cells were washed with PBS, immersed in a decellularization solution, and decellularized at 37° C. for 2 minutes. As the decellularization solution, a PBS solution containing 0.25% Triton X-100 and 10 mM NH 4 OH was used. Then, the sample was again treated with 50 U/ml of DNase I and 2.5 μl/ml of RNase A and reacted at 37°C for 2 hours. The reaction solution was removed from the decellularized sample, washed carefully 3 times with PBS, and then FDM was obtained and stored at 4°C.

[준비예 2] [Preparation Example 2]

가교 결합된(cross-linked) FDM의 준비Preparation of cross-linked FDM

준비된 FDM은 가교결합제로서 제니핀(genipin, GN; Wako Chemicals USA)을 다양한 농도로 처리하여 가교 결합하였다. 구체적으로, 5%(w/v) 제니핀의 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 저장 농도의 용액(stock solution)을 사용하여, PBS 용액으로 희석하여 0.5%, 1.0% 및 2.0% 제니핀 용액을 준비하였다. 제니핀 용액을 FDM에 가하고, 실온에서 4 시간 동안 배양하여 FDM의 가교 결합을 유도하였다. 가교 결합 후, PBS 용액으로 5 회 세척한 다음 4℃에서 보관하였다.The prepared FDM was cross-linked by treating various concentrations of genipin (GN; Wako Chemicals USA) as a cross-linking agent. Specifically, 0.5%, 1.0%, and 2.0% Jennipin solutions were prepared by diluting 5% (w/v) DMSO (dimethyl sulfoxide) of Jennipin with a stock solution of a stock solution with a PBS solution. . The jenipin solution was added to the FDM and incubated for 4 hours at room temperature to induce cross-linking of the FDM. After crosslinking, it was washed 5 times with PBS solution and then stored at 4°C.

이를 통해, 본 발명의 가교 결합된 FDM(X-FDM)을 준비하였다. 가교 결합 하지 않은 FDM은 Gx0; 0.5% 제니핀으로 가교 결합한 X-FDM은 Gx0.5; 1.0% 제니핀으로 가교 결합한 X-FDM은 Gx1.0; 및 2.0% 제니핀으로 가교 결합한 X-FDM은 Gx2.0으로 명명하였다. Through this, cross-linked FDM (X-FDM) of the present invention was prepared. FDM without cross-linking is Gx0; X-FDM cross-linked with 0.5% genipine was Gx0.5; X-FDM cross-linked with 1.0% genipine was Gx1.0; and X-FDM cross-linked with 2.0% genipine was named Gx2.0.

[실험예][Experimental example]

먼저, 본 발명의 실시예를 수행하기 위한 실험 방법을 설명한다.First, an experimental method for carrying out an embodiment of the present invention will be described.

1. ECM 포함 단백질의 정량 분석1. Quantitative Analysis of ECM-Containing Proteins

본 발명의 ECM, 즉 비교예 및 실시예 의 FDM 및 X-FDM을 구성하는 단백질 양을 정량하기 위해, 해당 단백질로 피브로넥틴(fibronectin, FN), 라미닌(laminin, LN), 제 1형 콜라겐(cellagen type I, ColI) 및 비트로넥틴(vitronectin, VN)을 선택하였다.In order to quantify the amount of protein constituting the ECM of the present invention, that is, FDM and X-FDM of Comparative Examples and Examples, fibronectin (FN), laminin (LN), type 1 collagen (cellagen) as the corresponding proteins type I, ColI) and vitronectin (vitronectin, VN) were selected.

각각의 시료는 6 웰 플레이트 내에 준비하고, 이하의 해당 1차 항체를 가하여 하룻밤동안 배양하였다: 마우스 유래의 항-FN 항체(Santa Cruz Biotechnology, Inc.), 마우스 유래의 항-LN 항체(Santa Cruz Biotechnology, Inc.), 토끼 유래의 항-Col I 항체(Abcam, Cambridge, UK) 및 토끼 유래의 항-VN 항체(Santa Cruz Biotechnology, Inc.). 그런 다음, 2차 항체로는 HRP(horseradish peroxidase)가 결합된 거위 유래의 항-마우스 IgG 항체 또는 항-토끼 IgG 항체를 처리하여 반응시켰다. 반응 후, 시료를 수회 세척한 다음, 3,3',5,5'-TMB(3,3',5,5'-tetramethylbenzidine) 기질 1 ㎖을 가한 후 20 분 동안 배양하였다. 배양 후, 0.16 M 황산을 가하여 발색 반응을 종결시키고, 100 ㎕로 분주하여 405 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. 각각의 실험군을 서로 비교하기 위해서, 단백질의 발현 수준은 각각의 시료 당 하나의 웰 표면 면적인 9.6 ㎝2로 평준화하여 계산하였다.Each sample was prepared in a 6-well plate, and the following primary antibodies were added and incubated overnight: mouse-derived anti-FN antibody (Santa Cruz Biotechnology, Inc.), mouse-derived anti-LN antibody (Santa Cruz). Biotechnology, Inc.), anti-Col I antibody from rabbit (Abcam, Cambridge, UK) and anti-VN antibody from rabbit (Santa Cruz Biotechnology, Inc.). Then, as a secondary antibody, a goose-derived anti-mouse IgG antibody or anti-rabbit IgG antibody bound to HRP (horseradish peroxidase) was treated and reacted. After the reaction, the sample was washed several times, and then 1 ml of 3,3',5,5'-TMB (3,3',5,5'-tetramethylbenzidine) substrate was added and incubated for 20 minutes. After incubation, 0.16 M sulfuric acid was added to terminate the color reaction, and 100 μl was dispensed and absorbance was measured at 405 nm. In order to compare each experimental group with each other, the expression level of the protein was calculated by leveling it to 9.6 cm 2 , which is one well surface area per each sample.

2. ECM의 형태 관찰2. Observation of ECM morphology

FDM 및 X-FDM의 표면 형태 관찰은 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용하여 분석하였다. 또한, 역 광학 현미경(inverted optical microscope)이 탑재된 생체-원자현미경(bio-atomic force microscope; bio-AFM)을 이용하여 액체 배지 내에서 FDM 및 X-FDM의 표면 형태를 관찰하였다. 추가로, AFM-나노 압입 기술(AFM-nano indentation technique)을 이용하여 각각의 시료에 대한 영률(Young's modulus)을 측정하였다. ★1 The observation of the surface morphology of FDM and X-FDM was analyzed using a scanning electron microscope (SEM). In addition, the surface morphology of FDM and X-FDM in liquid medium was observed using a bio-atomic force microscope (bio-AFM) equipped with an inverted optical microscope. In addition, the Young's modulus for each sample was measured using the AFM-nano indentation technique. ★1

3. 세포 배양3. Cell Culture

본 발명에서는 다음과 같은 세포주를 사용하였다: 마우스 배아 섬유아세포(mouse embryonic fibroblast, MEF)인 H9 세포주 및 primary MEF(Orient Bio Inc.). H9-hPSC는 80% DMEM 배지에서 배양하였으며, 상기 DMEM 배지는 20% KnockOutTM 혈청 첨가물, 1% 항생제(P/S; ThermoFisher Scientific), 1% 최소 영양배지 비-필수 아미노산(MEM-NEAA;Thermo Fisher Scientific), 0.1% 베타-머캅토에탄올(β-ME; Thermo Fisher Scientific) 및 4 ng/㎖ 재조합 인간 기본 섬유아세포 성장 인자(bFGF; PeproTech, Rocky Hill, NJ)를 포함하는 Nutrient Mixture F-12(DMEM/F12;Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)를 사용하였다. hPSC 배양 배지는 매일마다 새로운 배지로 교체하였으며, 각 배양은 매 5 내지 7일 마다 계대배양하였다. primary CF1 MEF는 미토마이신 C(MMC)을 첨가하여 배양하였으며(M-MEF; Sigma-Aldrich Co.), hPSC에 대한 배양 기본층으로 제공하기 위해 사용하였다. M-MEF는 90%의 고농도 포도당 함유 DMEM 배지에 배양하였다. 상기 고농도 포도당 함유 DMEM 배지는 10% 우태아 혈청, 1% 항새제(P/S), 1% MEM-NEAA 및 0.1% β-ME를 첨가하여 사용하였다. 세포 배지는 매 2 일마다 교체하였다. FDM 및 X-FDM 위로 hPSC를 계대배양하기 위해서, 배지에 부착하여 배양한 hPSC은 Dispase®(Thermo Fisher Scientific)을 처리하여 해리하거나, glass Pasteur pipette(Corning)를 사용하여 물리적으로 해리하였다. 모든 세포는 37℃의 5% CO2 배양기에서 배양하였다.In the present invention, the following cell lines were used: a mouse embryonic fibroblast (MEF) H9 cell line and a primary MEF (Orient Bio Inc.). H9-hPSCs were cultured in 80% DMEM medium, which contained 20% KnockOut serum supplement, 1% antibiotic (P/S; ThermoFisher Scientific), and 1% minimal nutrient medium non-essential amino acids (MEM-NEAA; ThermoFisher Scientific). Fisher Scientific), 0.1% beta-mercaptoethanol (β-ME; Thermo Fisher Scientific) and 4 ng/ml recombinant human basic fibroblast growth factor (bFGF; PeproTech, Rocky Hill, NJ) Nutrient Mixture F-12 (DMEM/F12; Thermo Fisher Scientific, Waltham, Mass.) was used. The hPSC culture medium was replaced with fresh medium every day, and each culture was subcultured every 5 to 7 days. Primary CF1 MEFs were cultured by adding mitomycin C (MMC) (M-MEF; Sigma-Aldrich Co.), and used to serve as a base culture layer for hPSCs. M-MEF was cultured in DMEM medium containing high concentration of 90% glucose. The DMEM medium containing high concentration of glucose was used by adding 10% fetal bovine serum, 1% antiseptic (P/S), 1% MEM-NEAA and 0.1% β-ME. Cell medium was changed every 2 days. In order to subculture hPSCs onto FDM and X-FDM, hPSCs adhered to the culture medium were dissociated by treatment with Dispase® (Thermo Fisher Scientific) or physically dissociated using a glass Pasteur pipette (Corning). All cells were cultured in a 5% CO 2 incubator at 37°C.

4. 알칼라인 포스파타아제 염색(Alkaline phosphatase staining, AP staining) 및 면역세포화학(immunocytochemistry) 분석4. Alkaline phosphatase staining (AP staining) and immunocytochemistry analysis

hPSC 콜로니의 미분화 상태 여부를 확인하기 위해, AP 발현을 확인하였다. AP 염색은 ES Cell Characterization Kit(EMD Millipore, Billerica, MA)를 사용하여 수행하였다. 면역염색을 위해서, 세포를 먼저 4% 파라포름알데히드(PFA)를 처리하고 20 분간 실온에서 배양하여 고정한 다음, 0.03% Triton X-100을 포함하는 PBS 용액을 5 분간 처리하여 세포막에 투과성을 주었다. 그런 다음, 5% 정상 거위 혈청을 30 분간 처리하고, 다음의 1차 항체를 각각 처리하여 4℃에서 하룻밤 동안 배양하였다: 항-OCT4 항체, 항-SOX2 항체, 항-SSEA-4 항체 및 항-TRA-1-60 항체(EMD Millipore). 그런 다음, 각각의 hPSC-특이적인 마커의 발현을 확인하기 위한 2차 항체로서 Alexa Fluor® 488, 555 또는 594가 결합된 2차 항체를 사용하였다. 세포 핵은 DAPI(DAKO, Carpentaria, CA)를 사용하여 염색하였으며, 모든 영상은 형광 현미경을 사용하여 관찰하였다.To determine whether the hPSC colonies were in an undifferentiated state, AP expression was confirmed. AP staining was performed using the ES Cell Characterization Kit (EMD Millipore, Billerica, MA). For immunostaining, cells were first treated with 4% paraformaldehyde (PFA) and fixed by incubation at room temperature for 20 minutes, and then treated with PBS solution containing 0.03% Triton X-100 for 5 minutes to give permeability to the cell membrane. Then, 5% normal goose serum was treated for 30 minutes, and each of the following primary antibodies was treated and incubated overnight at 4°C: anti-OCT4 antibody, anti-SOX2 antibody, anti-SSEA-4 antibody and anti- TRA-1-60 antibody (EMD Millipore). Then, Alexa Fluor ® 488, 555 or 594-conjugated secondary antibody was used as a secondary antibody to confirm the expression of each hPSC-specific marker. Cell nuclei were stained using DAPI (DAKO, Carpentaria, CA), and all images were observed using a fluorescence microscope.

5. 정량적 PCR 분석(qPCR)5. Quantitative PCR analysis (qPCR)

mRNA 발현 수준을 확인하기 위해서는, qPCR을 수행하였다. 먼저, 세포 내 총 RNA는 TRIzol® 시약을 사용하여 추출하였다. 그런 다음, 추출된 총 RNA의 농도를 NanoDrop® ND-1000 분광광도계를 사용하여 확인하였다. 추출된 총 RNA 1 ㎍을 주형으로 하고, Maxim RT premix kit(iNtRon Biotechnology, Sungnam, Korea)을 사용하여 역전사를 수행해 cDNA를 합성하였다. 그런 다음, 상기 cDNA를 주형으로 하고 표적 유전자의 발현 수준을 확인하기 위한 특이적 프라이머를 사용하여 각각의 마커 유전자 발현 수준을 확인하였다. 상기 프라이머의 서열은 하기 [표 1]에 기재된 바의 것을 사용하였다.To confirm the mRNA expression level, qPCR was performed. First, intracellular total RNA was extracted using TRIzol ® reagent. Then, the concentration of extracted total RNA was confirmed using a NanoDrop ® ND-1000 spectrophotometer. Using 1 μg of the extracted total RNA as a template, reverse transcription was performed using Maxim RT premix kit (iNtRon Biotechnology, Sungnam, Korea) to synthesize cDNA. Then, each marker gene expression level was confirmed using the cDNA as a template and specific primers for confirming the expression level of the target gene. The sequences of the primers were those described in [Table 1] below.

본 발명의 PCR 과정에서 사용한 프라이머의 서열Sequence of primers used in the PCR process of the present invention 표적 유전자target gene 방향direction 서열order 서열번호SEQ ID NO: OCT4OCT4
정방향forward 5'-AAC TCG AGC AAT TTG CCA AGC TCC-3' 5'-AAC TCG AGC AAT TTG CCA AGC TCC-3' 서열번호 1SEQ ID NO: 1
역방향reverse 5'-TTC GGG CAC TGC AGG AAC AAA TTC-3' 5'-TTC GGG CAC TGC AGG AAC AAA TTC-3' 서열번호 2SEQ ID NO: 2 E-cadherinE-cadherin
정방향forward 5'-CGA GAG CTA CAC GTT CAC GG-3' 5'-CGA GAG CTA CAC GTT CAC GG-3' 서열번호 3SEQ ID NO: 3
역방향reverse 5'-GGG TGT CGA GGG AAA AAT AGG-3' 5'-GGG TGT CGA GGG AAA AAT AGG-3' 서열번호 4SEQ ID NO: 4 N-cadherinN-cadherin
정방향forward 5'-TCA CAG ATT CGG GTA ATC CTC-3' 5'-TCA CAG ATT CGG GTA ATC CTC-3' 서열번호 5SEQ ID NO: 5
역방향reverse 5'-TGC AGC TGG CTC AAG TCA TA-3' 5'-TGC AGC TGG CTC AAG TCA TA-3' 서열번호 6SEQ ID NO: 6 VimentinVimentin
정방향forward 5'-AAG TTT GCT GAC CTC TCT GAG GCT-3' 5'-AAG TTT GCT GAC CTC TCT GAG GCT-3' 서열번호 7SEQ ID NO: 7
역방향reverse 5'-TTC CAT TTT CAC GCA TCT GGC GTT TC-3' 5'-TTC CAT TTT CAC GCA TCT GGC GTT TC-3' 서열번호 8SEQ ID NO: 8 GAPDHGAPDH
정방향forward 5'-GTG GGG CGC CCC AGG CAC CAG GGC-3' 5'-GTG GGG CGC CCC AGG CAC CAG GGC-3' 서열번호 9SEQ ID NO: 9
역방향reverse 5'-CTC CTT AAT GTC ACG CAC GAT TTC-3' 5'-CTC CTT AAT GTC ACG CAC GAT TTC-3' 서열번호 10SEQ ID NO: 10

6. 투과 전자현미경 분석(Transmission electron microscope)6. Transmission electron microscope

hPSC의 세포 내부 수준의 영상 분석을 위해, 투과 전자현미경(TEM) 분석을 수행하였다. 세포를 FDM 또는 X-FDM 기질 위에 접종하고, 2.5% 글루타알데히드(glutaraldehyde)/0.1 M PBS를 가하여 4℃에서 하룻밤 동안 세포를 배양하여 고정하였다. 그런 다음, 1% 오스뮴 테트라옥시드(osmium tetraoxide)를 처리하여 2 시간 동안 배양하였다. 배양 후, 시료에 70% 내지 100%의 에탄올을 순차적으로 가하여 탈수한 다음, 에폭시 레진(Polysciences, Inc., Warrington, PA) 및 프로필렌 옥사이드를 1:1로 혼합한 용액을 스며들게 하고 2 시간 동안 처리하였다. 시료는 다시 새로운 에폭시 레진 위에 두고 진공에서 3 시간 동안 건조한 후, 포배 배지(embedding medium)와의 중합화를 위해 60℃에 두었다. 각 시료의 종단면을 관찰하기 위해 ultra-microtome을 이용해 박막 절편을 준비하고, TEM 현미경(TEM; Tecnai F20; FEI, Hillsboro, OR)을 통해 TEM 영상을 관찰하였다.For image analysis of the intracellular level of hPSCs, transmission electron microscopy (TEM) analysis was performed. Cells were inoculated on FDM or X-FDM substrate, and 2.5% glutaraldehyde/0.1 M PBS was added and the cells were cultured overnight at 4° C. and fixed. Then, it was treated with 1% osmium tetraoxide and incubated for 2 hours. After incubation, the sample was dehydrated by sequentially adding 70% to 100% ethanol, and then soaked with a 1:1 mixture of epoxy resin (Polysciences, Inc., Warrington, PA) and propylene oxide and treated for 2 hours. did. The sample was again placed on a fresh epoxy resin, dried in vacuum for 3 hours, and then placed at 60° C. for polymerization with an embedding medium. To observe the longitudinal cross-section of each sample, a thin-film section was prepared using an ultra-microtome, and the TEM image was observed through a TEM microscope (TEM; Tecnai F20; FEI, Hillsboro, OR).

7. 정량적 PCR 및 RT7. Quantitative PCR and RT 22 프로필 PCR 분석 Profile PCR analysis

FDM(Gx0) 및 X-FDM(Gx0.5)에서 hPSC를 배양할 때, 상피간엽이행(epithelial-mesenchymal transition; EMT) 및 국소접착(focal adhesion)에 관련된 총 84 개의 유전자 발현 양상을 분석하였다. 유전자 발현 양상의 분석은 EMT 및 Focal Adhesion RT2 Profiler PCR Array 키트(Qiagen, Hilden, Germany)를 사용하였다. 표적의 유전자들은 LightCycler®96 Real-Time PCR 시스템(F. Hoffmann-La Roche Ltd., Basel, Switzerland)을 사용하여, 제조사의 제공하는 프로토콜에 따라 스크리닝하였다. 분석에 사용하기 위한 시료로서, 세포를 배양한 다음 TRIzol® 시약을 사용하여 총 RNA를 추출하고, RNA 농도를 측정하였다. 농도 측정된 RNA를 주형으로 하여, High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit(Thermo Fisher Scientific)를 사용해 cDNA를 합성하였다. 합성한 cDNA를 시료로 하여 표적 유전자의 발현 양상을 확인하였으며, 분화 시 발현되는 것으로 알려진 유전자 중에서, 발현 수준이 2 배 이상 변화하는 유전자를 선별하였다. 모든 실험의 결과는 5 개의 필수 유전자인 ACTB, B2M, GAPDH, HPRT1 및 RPLP0의 평균 발현 수준을 기준으로 평준화하였다. 결과 분석은 SA Biosciences 및 Cluster 소프트웨어(RT2 profiler PCR array data analysis version 3.5, Qiagen)를 사용하여 수행하였다. EMT 및 FA에 관련된 유전자의 상호적 네트워크는 Gene Network Central Pro™(Qiagen)를 사용하여 구축하였다.When hPSCs were cultured in FDM (Gx0) and X-FDM (Gx0.5), a total of 84 gene expression patterns related to epithelial-mesenchymal transition (EMT) and focal adhesion were analyzed. Gene expression patterns were analyzed using EMT and Focal Adhesion RT 2 Profiler PCR Array kit (Qiagen, Hilden, Germany). Target genes were screened using the LightCycler ® 96 Real-Time PCR system (F. Hoffmann-La Roche Ltd., Basel, Switzerland) according to the protocol provided by the manufacturer. As a sample for analysis, cells were cultured and then total RNA was extracted using TRIzol ® reagent, and the RNA concentration was measured. Using the measured RNA as a template, cDNA was synthesized using a High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit (Thermo Fisher Scientific). By using the synthesized cDNA as a sample, the expression pattern of the target gene was confirmed, and among the genes known to be expressed during differentiation, genes whose expression level changed more than twice were selected. The results of all experiments were normalized based on the average expression levels of five essential genes, ACTB, B2M, GAPDH, HPRT1 and RPLP0. Result analysis was performed using SA Biosciences and Cluster software (RT2 profiler PCR array data analysis version 3.5, Qiagen). A reciprocal network of genes related to EMT and FA was constructed using Gene Network Central Pro™ (Qiagen).

8. 핵형(karyotype) 분석8. Karyotype analysis

hPSC의 핵형 분석은 기존 알려진 방법을 일부 수정하여 수행하였다[★13]. 구체적으로, hPSC를 배양 개시 3일 후에 플레이트를 교체한 후, colcemid(Thermo Fisher Scienti.c) 100 ㎕을 처리하고 37℃에서 3 시간 동안 배양한 다음, 0.25% 트립신-EDTA를 이용하여 탈리(detach)하여 수득하였다. 수득한 세포는 1% 시트르산 완충용액을 저장 용액(hypotonic solution)으로 사용하여 파쇄한 다음, 에탄올: 빙초산을 3:1로 혼합한 고정 용액에 세포 파쇄물을 혼합하여 고정하였다. 고정 후, G-banding을 이용하여 염색체를 확인하고, genome diagnosis company(GenDix Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 핵형 분석을 수행하였다.The karyotype analysis of hPSC was performed by partially modifying the known method [★13]. Specifically, after replacing the plate 3 days after the initiation of hPSC culture, 100 μl of colcemid (Thermo Fisher Scienti.c) was treated and cultured at 37° C. for 3 hours, and then detached using 0.25% trypsin-EDTA. ) was obtained. The obtained cells were lysed using 1% citric acid buffer as a hypotonic solution, and then the cell lysate was mixed in a fixing solution in which ethanol:glacial acetic acid was mixed in a ratio of 3:1 and fixed. After fixation, chromosomes were identified using G-banding, and karyotype analysis was performed using a genome diagnosis company (GenDix Inc., Seoul, Korea).

9. 기형종(teratoma) 형성 및 조직화학적(histochemical) 분석9. Teratoma formation and histochemical analysis

가교 결합된 X-FDM(Gx0.5)에서 배양된 hPSC의 전분화능을 확인하기 위해서, 10 회 계대 배양한 hPSC 3×106 세포를 6 주령이고, 비만이 아닌, 당뇨/중증의 면역결핍 마우스(6-week-old, non-obese, diabetic/severe combined immunodeficiency; NOD/SCID)의 등에 주입하였다. 주입 후, 12 주간 쥐를 사육한 다음, 형성된 기형종을 제거하여 수득하고, 파라핀 포매한 다음, microtome(Leica Microsystems, Wetzlar, Germany)을 사용하여 5 ㎛ 크기로 순차 절편을 준비하였다. 3-종류의 배아 층(germ layer)를 조직화학염색으로 확인하였다. 조직화학염색을 위해, 상피(gut epithelium)는 헤마톡실린 및 에오신으로 염색하고, 분비 상피(secretory epithelium)는 과아이오딘산 시프(Periodic acid shiff; PAS)으로 염색하고, 연골 조직은 알시안 블루로 염색하였으며, 근섬유는 Masson's trichrome 염색법으로 염색하였다. 각각의 영상 분석은 역상 현미경(inverted microscope; Nikon, Chiyoda-ku, Japan)을 사용하여 분석하였다.In order to confirm the pluripotency of hPSCs cultured in cross-linked X-FDM (Gx0.5), hPSC 3×10 6 cells cultured 10 times were used in 6-week-old, non-obese, diabetic/severe immunodeficient mice. (6-week-old, non-obese, diabetic/severe combined immunodeficiency; NOD/SCID). After injection, rats were bred for 12 weeks, and then obtained by removing the formed teratomas, paraffin-embedded, and then sequential sections were prepared in a size of 5 μm using a microtome (Leica Microsystems, Wetzlar, Germany). Three-type germ layers were identified by histochemical staining. For histochemical staining, the epithelium (gut epithelium) is stained with hematoxylin and eosin, the secretory epithelium is stained with periodic acid shiff (PAS), and the cartilage tissue is alcian blue. was stained with, and muscle fibers were stained with Masson's trichrome staining method. Each image was analyzed using an inverted microscope (Nikon, Chiyoda-ku, Japan).

섬유아세포 유래의 세포외 기질 매트릭스(FDM) 및 이의 가교 결합된 세포외 기질 매트릭스(X-FDM)의 형태적 특징 분석Morphological characterization of fibroblast-derived extracellular matrix (FDM) and its cross-linked extracellular matrix (X-FDM)

먼저, 제조한 FDM의 형태를 관찰하였다. 탈세포화 과정 전후의 기질을 광학영상화하였을 때, 기질 표면 형상을 통해 포화 상태의 세포에서 세포 구조가 거의 제거된 것을 확인하였다. 이에, 주요 ECM 단백질인 피브로넥틴 및 라미닌을 면역형광염색을 통해 확인하였을 때, FDM에서 탈세포화 과정 이후에도 구조를 유지하고 있는 것을 확인하였다(도 2a). 또한, ELISA 분석을 통해 주요 ECM 단백질을 정량분석하였을 때, ColI은 탈세포화 전후 관계없이 유지되나, 다른 ECM 단백질은 탈세포화 이전보다 이후에 단백질 농도가 다소 감소된 수준을 나타내는 것을 확인하였다(도 2b). 사용하지 않은 새 FDM(Gx0)은 135±45 ㎚의 평균 실효값(Root Mean Square, RMS)을 나타내는 반면, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0에서는 표면의 거칠기(roughness)가 증가하여, 각각 189±35 ㎚, 228±27 ㎚ 및 344±35 ㎚의 평균 RMS를 나타내는 것을 확인하였다(도 2c).First, the shape of the prepared FDM was observed. When the matrix before and after the decellularization process was optically imaged, it was confirmed that the cell structure was almost removed from the cells in a saturated state through the surface shape of the matrix. Accordingly, when fibronectin and laminin, which are major ECM proteins, were confirmed through immunofluorescence staining, it was confirmed that the structures were maintained even after decellularization in FDM ( FIG. 2a ). In addition, when major ECM proteins were quantitatively analyzed through ELISA analysis, it was confirmed that ColI was maintained before and after decellularization, but other ECM proteins showed a somewhat decreased level of protein concentration after than before decellularization (Fig. 2b). ). The new unused FDM (Gx0) showed a mean root mean square (RMS) of 135±45 nm, whereas the roughness of the surface increased at Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0, It was confirmed that the average RMS of 189±35 nm, 228±27 nm, and 344±35 nm, respectively, was shown ( FIG. 2c ).

또한, X-FDM을 통하여도 동일한 실험을 수행하여, 제니핀을 처리한 이후에도 FN, LN, Col I 및 VN이 잘 보존되어 있음을 확인하였다. FDM 및 X-FDM 기질 모두에서 표면 형상을 SEM 영상을 통해 확대 관찰하였을 때, 제니핀의 농도와 관계 없이 미세 섬유(fibril)가 무작위적으로 분포되어 자기조립된 형상을 나타내는 것을 확인하였다(도 3a). AFM을 통해서 FDM의 섬유 구조 형태를 관찰하였을 때에는, FDM 및 X-FDM의 각 군 간에 지형적인 차이(topographic difference)를 나타내는 것으로 확인하였다(도 3b).In addition, the same experiment was performed through X-FDM, and it was confirmed that FN, LN, Col I and VN were well preserved even after treatment with genipine. When the surface shape of both the FDM and X-FDM substrates was magnified through SEM images, it was confirmed that the fine fibers were randomly distributed regardless of the concentration of Jennifin to show a self-assembled shape (Fig. 3a). ). When the fiber structure of FDM was observed through AFM, it was confirmed that the topographic difference between each group of FDM and X-FDM was observed (FIG. 3b).

추가로, 영률(E)을 측정하여 기질의 강도를 확인한 결과, 제니핀의 농도가 증가함에 따라 영률이 증가하여, Gx0은 118±51 Pa의 영률을 나타내고, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0은 각각 800±180, 5600±1100 및 8900±1500 Pa의 영률을 나타내는 것을 확인하였다(도 2d).In addition, as a result of measuring the Young's modulus (E) to confirm the strength of the substrate, the Young's modulus increased as the concentration of jennypin increased, so Gx0 represents a Young's modulus of 118±51 Pa, and Gx0.5, Gx1.0 and Gx2 It was confirmed that .0 represents the Young's modulus of 800±180, 5600±1100, and 8900±1500 Pa, respectively (FIG. 2d).

강도-변위 곡선(force-displacement curve) 또한 Gx0, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0 간에 현저히 다른 패턴을 나타내는 것으로 확인하였다. Gx0의 압입 강도(indentation force)로부터, 제니핀의 농도가 증가할 수록 점차 강도가 증가하는 반면, 보다 강경한 매트릭스(예를 들면, Gx2.0)는 강체면(rigid surface)을 나타내는 특정 지점에서 압입 강도가 급격하게 증가하는 것으로 확인하였다(도 2e).It was confirmed that the force-displacement curve also showed a significantly different pattern between Gx0, Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0. From the indentation force of Gx0, the strength gradually increased as the concentration of jennifin increased, whereas a more rigid matrix (eg, Gx2.0) had a rigid surface at a specific point representing a rigid surface. It was confirmed that the indentation strength rapidly increased (FIG. 2e).

이러한 결과를 통해, FDM을 제니핀으로 가교 결합하는 것은 매트릭스의 거칠기 및 강도 정도에 직접적으로 관여하며, 이는 제니핀의 농도에 따라 변화할 수 있음을 확인하였다.Through these results, it was confirmed that the crosslinking of FDM with genipine is directly involved in the roughness and strength of the matrix, which can be changed depending on the concentration of genipine.

FDM 및 X-FDM에서 배양된 인간 만능줄기세포의 배양 특징의 확인Identification of culture characteristics of human pluripotent stem cells cultured in FDM and X-FDM

본 발명의 FDM 및 X-FDM에서 세포 부착능을 확인하기 위해, 1×105 세포/㎝2의 밀도로 hPSC를 접종하여 세포를 배양하였다(도 4). Gx0에서 세포 부착이 가장 바람직하게 나타나는 것을 확인한 반면, 매트릭스의 강도가 증가함에 따라 매트릭스에 부착된 세포의 수가 급감하는 것을 확인하였다(도 5a). Gx0, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0을 AP 염색하여 살아있는 세포를 염색하여 세포 부착능을 확인하고 초기 전분화능을 확인하였을 때, AP-양성 콜로니 수는 매트릭스 강도 정도와 반비례하는 양상을 나타내는 것으로 확인하였다. AP-양성의 콜로니 수로 세포 부착비율을 확인하였으며, 그 결과 Gx0, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0에서 각각 85%, 80%, 55% 및 43%의 세포 부착비율을 나타내는 것으로 확인하였다(도 3b).In order to confirm the cell adhesion ability in the FDM and X-FDM of the present invention, the cells were cultured by inoculating hPSCs at a density of 1×10 5 cells/cm 2 ( FIG. 4 ). While it was confirmed that cell adhesion was most desirable in Gx0, it was confirmed that the number of cells adhered to the matrix decreased sharply as the strength of the matrix increased (FIG. 5a). When Gx0, Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0 were AP-stained and live cells were stained to confirm cell adhesion and initial pluripotency, the number of AP-positive colonies was inversely proportional to the matrix strength. was confirmed to be indicated. The cell adhesion rate was confirmed by the number of AP-positive colonies, and as a result, it was confirmed that the cell adhesion rates of Gx0, Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0 were 85%, 80%, 55% and 43%, respectively. (Fig. 3b).

hPSC를 배지에 접종하고 5 일 동안 배양하여 세포가 성장하고 확장되었을 때, Gx0은 콜로니 형성 면에서 가장 바람직한 세포 증식 정도를 나타내며(도 6), X-FDM 기질에서 배양된 세포의 콜로니와는 대조되는 형태를 나타내는 것을 확인하였다(도 5c). 배양 개시 1 내지 5 일 후에 따라 콜로니의 크기는 유의적으로 변화하여, Gx0에서 세포 증식률이 가장 높아 약 5.7 배 증가하였으며, Gx2.0에서 배양한 세포 콜로니는 5 일 동안 2.3 배 증가하여 가장 낮은 증식률을 나타내는 것을 확인하였다(도 5d).When the cells were grown and expanded by inoculating hPSCs in the medium and culturing for 5 days, Gx0 showed the most favorable degree of cell proliferation in terms of colony formation (Fig. 6), in contrast to the colonies of cells cultured in X-FDM substrate. It was confirmed that the form was shown (Fig. 5c). After 1 to 5 days of initiation of culture, the size of the colonies changed significantly, and the cell proliferation rate was the highest in Gx0, which increased by about 5.7 times, and the cell colonies cultured in Gx2.0 increased by 2.3 times for 5 days, resulting in the lowest proliferation rate. was confirmed to represent (Fig. 5d).

FDM 또는 X-FDM 상에서 배양된 hPSC의 분화능이 유지되는지 확인하기 위해, 배양 개시 7일 후에 AP 염색을 수행하였다. 그 결과, Gx0의 실험군에서는 AP 발현이 점차 감소되는 것을 확인한 반면(도 5e의 검은 화살표), X-FDM에서는 이러한 AP 발현 감소 양상이 나타나지 않는 것을 확인하였다(도 5e). Gx0.5 실험군의 콜로니 크기가 Gx0 실험군의 콜로니 크기보다 작다고 할지라도, 대부분의 hPSC에 대하여 AP 발현이 유지되었고, Gx1.0 및 Gx2.0 실험군에서는 생장 정체 현상이 나타나지 않는 것을 확인하였다(도 5e의 흰색 화살표 표시). 전분화능 유지 정도를 보다 구체적으로 확인하기 위해 AP-양성의 hPSC를 정량한 결과, AP 양성의 콜로니 수는 제니핀의 첨가 농도와 연관됨을 확인하였다. AP 발현은 배양 기질의 제니핀 농도가 증가함에 따라 유의적으로 증가하여, Gx0, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0에서 각각 65%, 85%, 90% 및 95%을 나타내었다(도 5f).To confirm that the differentiation capacity of hPSCs cultured on FDM or X-FDM is maintained, AP staining was performed 7 days after initiation of culture. As a result, it was confirmed that AP expression was gradually decreased in the experimental group of Gx0 (black arrow in FIG. 5e ), whereas it was confirmed that such a decrease in AP expression did not appear in X-FDM ( FIG. 5e ). Although the colony size of the Gx0.5 experimental group was smaller than the colony size of the Gx0 experimental group, AP expression was maintained for most hPSCs, and it was confirmed that the growth stagnant phenomenon did not appear in the Gx1.0 and Gx2.0 experimental groups (Fig. 5e). indicated by the white arrow). As a result of quantifying AP-positive hPSCs to more specifically confirm the degree of pluripotency maintenance, it was confirmed that the number of AP-positive colonies was related to the concentration of genipin added. AP expression significantly increased as the concentration of jenipin in the culture substrate increased, indicating 65%, 85%, 90% and 95% in Gx0, Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0, respectively (Fig. 5f).

또한, Gx0에서 배양된 hPSC는 배양 8 일째에 말초 세포(peripheral cell)의 이주 활성을 나타낼 뿐 아니라(도 7a의 적색 화살표), 배양 10 일째에는 콜로니의 형태 변화를 나타내는 것으로 확인하였다(도 7b의 푸른색 화살표). 이와는 대조적으로, Gx0.5에서 배양한 세포는 고정된 상태를 유지하였고, 형태 또한 일관적으로 유지됨을 확인하였다. Gx0.5에서 hPSC를 14 일 동안 배양하였을 때, 동일 기질을 유지하면서 hPSC를 배양할 수 있음을 확인하였으며, 이는 매트릭스의 강도가 증가됨에 따라 매트릭스의 유지 기간 또한 유의적으로 증가시킬 수 있음을 나타내는 것으로 확인하였다(도 7b). hPSC를 배양할 때, Gx2.0에서 배양하는 기간을 18 일까지 유지시킬 수 있는 것으로 확인하였으나, 대부분의 hPSC는 Gx2.0 기질에 부착시킨 이후 부착되지 않거나 느슨하게 부착되는 경향을 나타내는 것으로 확인하였다(도 8).In addition, it was confirmed that hPSC cultured in Gx0 not only exhibited migration activity of peripheral cells on the 8th day of culture (red arrow in FIG. blue arrow). In contrast, cells cultured in Gx0.5 maintained a fixed state, and it was confirmed that the morphology was also consistently maintained. When hPSCs were cultured at Gx0.5 for 14 days, it was confirmed that hPSCs could be cultured while maintaining the same substrate, indicating that as the strength of the matrix increased, the maintenance period of the matrix could also be significantly increased. It was confirmed that (Fig. 7b). When culturing hPSCs, it was confirmed that the period of culture in Gx2.0 could be maintained up to 18 days, but it was confirmed that most hPSCs did not adhere or showed a tendency to attach loosely after attaching to the Gx2.0 substrate ( Fig. 8).

이를 통해, 세포 생장 및 미분화된 상태를 유지하는 것에 있어서, Gx0.5 매트릭스가 hPSC 보존, 확장(expansion) 및 장기간의 배양에 가장 바람직한 플랫폼이 될 수 있을 것으로 확인하였다(도 9).Through this, in maintaining cell growth and undifferentiated state, it was confirmed that the Gx0.5 matrix could be the most desirable platform for hPSC preservation, expansion, and long-term culture ( FIG. 9 ).

FDM 및 X-FDM에서 배양된 인간 만능줄기세포의 상피간엽이행(EMT) 특징 분석Characterization of epithelial-mesenchymal transition (EMT) of human pluripotent stem cells cultured in FDM and X-FDM

hPSC를 배양함에 있어서 FDM의 강도가 어떠한 영향을 주는지 확인하기 위해, Gx0, Gx0.5, Gx1.0 및 Gx2.0 매트릭스에서 hPSC를 7 일간 배양한 다음 세포를 수득하여, 상피 및 중간엽의 특성과 관련된 것으로 알려진 4 개의 유전자(OCT4, E-cadherin, N-cadherin 및 vimentin)에 대한 상대적인 발현 수준을 qPCR 분석을 통해 확인하였다. 전분화능 및 상피 마커인 OCT4 및E-cadherin는 Gx0.5 및 Gx2.0 실험군 모두에서는 유의적으로 발현 수준이 증가하는 반면, Gx0 실험군에서는 발현 수준이 감소하는 것을 확인하였다. 이에 비해, 중간엽 마커인 N-cadherin 및 vimentin은 Gx0 실험군에서 발현 수준이 유의적으로 증가하는 반면, X-FDM에서 배양된 hPSC에서는 상대적으로 발현 수준이 낮게 나타나 대조군 세포와 유사한 발현 수준을 나타내는 것으로 확인하였다(도 10a).In order to determine how the strength of FDM affects hPSC culture, hPSCs were cultured in Gx0, Gx0.5, Gx1.0 and Gx2.0 matrices for 7 days, then cells were obtained, and epithelial and mesenchymal characteristics The relative expression levels for four genes known to be related to (OCT4, E-cadherin, N-cadherin and vimentin) were confirmed through qPCR analysis. The expression levels of OCT4 and E-cadherin, which are pluripotency and epithelial markers, were significantly increased in both the Gx0.5 and Gx2.0 experimental groups, whereas the expression levels were decreased in the Gx0 experimental group. In contrast, the mesenchymal markers, N-cadherin and vimentin, significantly increased their expression levels in the Gx0 experimental group, whereas their expression levels were relatively low in hPSC cultured in X-FDM, indicating a similar expression level to that of the control cells. was confirmed (FIG. 10a).

이러한 유전자 발현 수준의 변화를 다시 한번 확인하기 위해, 각 실험군에서 E-cadherin 및 DAPI에 대해 면역염색하여 세포 수준에서의 발현 수준 변화를 확인하였다. Gx0 실험군에서는, E-cadherin의 발현 수준이 감소되었으나, hPSC 콜로니 주변 구역에서 이주능이 증가하는 것을 확인하였다(도 10b 및 도 10c). 반면, Gx0.5 실험군은 Gx2.0 실험군에 비해 E-cadherin의 발현 수준이 다소 감소되는 경향을 나타내는 것을 확인하였으나, Gx0.5 실험군 및 Gx2.0 실험군 모두에서 hPSC 콜로니 내의 E-cadherin 발현이 국소적으로 발현 유지되며, 이주능이 나타나지 않는 것으로 확인하였다(도 10b 및 도 10c).In order to once again confirm the change in the gene expression level, immunostaining was performed for E-cadherin and DAPI in each experimental group to confirm the expression level change at the cellular level. In the Gx0 experimental group, the expression level of E-cadherin was decreased, but it was confirmed that the migration ability was increased in the area around the hPSC colonies ( FIGS. 10b and 10c ). On the other hand, it was confirmed that the Gx0.5 experimental group showed a tendency to slightly decrease the expression level of E-cadherin compared to the Gx2.0 experimental group, but E-cadherin expression in hPSC colonies was localized in both the Gx0.5 and Gx2.0 experimental groups. It was confirmed that the expression is maintained in an aggressive manner, and migration ability does not appear ( FIGS. 10b and 10c ).

세포 이주 정도에 대하여 보다 심층적으로 분석하기 위해, SEM 분석을 통해 hPSC 콜로니를 확대 관찰하였다. 마이크로 레벨에서 관찰한 결과, Gx0의 주변부에서 ECM의 절단이 명백히 나타나는 것을 관찰하였다(도 10c의 흰색 화살표). 반면, Gx0.5 및 Gx2.0 모두에서는 ECM의 손상이 나타나지 않음을 확인하였다(도 10c의 흑색 화살표). 이러한 결과는 세포 수준에서 확인한 TEM 영상 분석 결과와 일치하는 것으로 확인하였다. Gx0 실험군에서는, 콜로니의 가장자리에서 세포 간 분리가 빈번하게 나타나는 것과 같이, 상피의 장벽으로서의 기능을 상실하는 것으로 확인하였다(도 10d의 흰색 화살표). 그러나, X-FDM에서 배양한 hPSC는 주변부 및 중심부 모두에서 세포간의 밀집된 접합을 통해 세포가 서로 잘 연결되어 있는 것을 확인하였다(도 10d의 검은색 화살표).In order to analyze the degree of cell migration in more depth, the hPSC colonies were enlarged through SEM analysis. As a result of observing at the micro level, it was observed that ECM cleavage clearly appeared in the periphery of Gx0 (white arrow in Fig. 10c). On the other hand, it was confirmed that damage to the ECM did not appear in both Gx0.5 and Gx2.0 (black arrow in FIG. 10c ). These results were confirmed to be consistent with the TEM image analysis results confirmed at the cellular level. In the Gx0 experimental group, it was confirmed that the function as a barrier of the epithelium was lost (white arrow in Fig. 10d), as intercellular separation frequently appeared at the edge of the colony. However, in the hPSC cultured in X-FDM, it was confirmed that cells were well connected to each other through dense junctions between cells in both the periphery and the center (black arrow in Fig. 10d).

이러한 결과를 통해, 사용하지 않은 새로운 FDM은 세포 이주 및 카데린의 변환(cadherin switch)를 유도할 수 있는 반면, X-FDM에서는 E-cadherin 발현을 유지하여 콜로니의 통합이 유지되는 효과를 나타내는 것으로 확인하였다.Based on these results, it is shown that the new unused FDM can induce cell migration and cadherin switch, whereas in X-FDM, E-cadherin expression is maintained to maintain colony integration. Confirmed.

상피간엽전이 프로그램에서 발현 수준이 변화하는 유전자의 분석Analysis of genes whose expression level changes in the epithelial-mesenchymal transition program

FDM 및 X-FDM 상에서 배양된 hPSC에서 특이적으로 나타나는 메커니즘을 보다 구체적으로 확인하기 위해서, EMT로 변화 또는 조절되는 것으로 알려진 84 개의 유전자의 발현 양상을 qRT-PCR 어레이 분석으로 확인하였다. hPSC에서 유전자 발현 수준의 변화를 확인하기 위해, Gx0 및 Gx0.5에서 hPSC를 5 일 동안 배양하였으며, 대조군으로 mTeSRTM-1-매트리겔에서 hPSC를 배양하였다(도 11).In order to more specifically confirm the mechanism specifically shown in hPSCs cultured on FDM and X-FDM, the expression patterns of 84 genes known to be changed or regulated by EMT were confirmed by qRT-PCR array analysis. To confirm the change in gene expression level in hPSCs, hPSCs were cultured at Gx0 and Gx0.5 for 5 days, and hPSCs were cultured in mTeSR TM -1-Matrigel as a control ( FIG. 11 ).

발현 수준 변화의 차이를 분석하여 산포도(scatter plot)로 작성한 분석 결과는, 상기 발현 수준이 유전자-의존적이지만, EMT에 관련된 유전자 대부분은 mTeSRTM1의 경우와 비교하였을 때 Gx0에서 발현 수준이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 패턴은 Gx0 및 Gx0.5 간에 서로 유사한 것으로 확인하였다.As a result of analyzing the difference in expression level change and creating a scatter plot, the expression level is gene-dependent, but most of the genes related to EMT showed an increase in expression level in Gx0 compared to that of mTeSRTM1. . These patterns were confirmed to be similar to each other between Gx0 and Gx0.5.

그러나, 이러한 유전자의 발현 수준은 mTeSRTM-1 및 Gx0.5에서 유사하게 나타나는 것으로 확인하였다(도 12a). 발현 수준이 변화한 이들 유전자들을 기능 그룹으로 나누어 분석하였을 때, EMT 유도 및 세포 이주에 연관된, VIM, TGFB,SLUG (SNAI2) 및 EGFR과 같은 유전자가 Gx0 군에서 발현 수준이 증가하였고, 반면 CDH1 및 CAV2과 같은 종양 억제 유전자는 하향 조절되는 경향을 나타내는 것으로 확인하였다(도 12b). 추가로, 발현 수준이 2 배 이상 변화하는 모든 유전자의 목록을 정리하여 보았을 때, EMT-유도 전사인자인 ZEB1 및 이의 유사체인 ZEB2 또한 Gx0.5 실험군에 비해 Gx0에서 증가하는 것을 확인하였다(도 12c).However, it was confirmed that the expression levels of these genes were similar in mTeSR TM -1 and Gx0.5 ( FIG. 12a ). When these genes with changed expression levels were analyzed by dividing them into functional groups, the expression levels of genes related to EMT induction and cell migration, such as VIM, TGFB, SLUG (SNAI2) and EGFR, were increased in the Gx0 group, whereas CDH1 and Tumor suppressor genes such as CAV2 were confirmed to exhibit a tendency to be down-regulated (Fig. 12b). In addition, when looking at the list of all genes whose expression level is changed more than two-fold, it was confirmed that the EMT-induced transcription factor ZEB1 and its analog ZEB2 also increased in Gx0 compared to the Gx0.5 experimental group (Fig. 12c). ).

이러한 유전자 발현 양상을 기존 알려져 있던 바에 근거하여 유전자 간의 상호작용을 보다 구체적으로 확인하기 위해서, EMT-유전자 조절 네트워크를 인실리코(in silico) 상에서 구축한 결과, ZEB1은 다른 EMT-유도 유전자와 직간접적으로 동시 발현되는 것으로 확인하였다(도 13a). ZEB1은 TGF-β 신호 전달과 관련하여 조절자 역할을 하며, 이에 따라 EMT를 포함한 수많은 세포 과정에 관여하는 것으로 알려져 있다. 또한, Gx0 실험군 및 Gx0.5 실험군에서 ZEB1, E-cadherin 및 vimentin의 발현 수준을 면역형광염색으로 확인하였을 때, 세포 이주 및 EMT의 초기 단계에서 발현 수준이 증가하는 것을 확인하였다. Gx0 실험군에서는 주변부에서 vimentin의 발현 수준이 더 강하게 나타났으며, ZEB1은 이동성 세포에서 발현 수준이 더 강하게 나타났을 뿐 아니라(도 13b의 흰색 화살표), E-cadherin의 발현 수준을 약하게 나타나는 것을 확인하였다. 이와 대조적으로, Gx0.5 실험군에서는 ZEB1 발현 위치가 분산되어 분포되나(도 13c의 흰색 화살표), E-cadherin는 콜로니 내부에 집중적으로 발현되는 것을 확인하였다(도 13b 및 도 13c). In order to more specifically confirm the interaction between genes based on previously known gene expression patterns, the EMT-gene regulatory network was constructed in silico . was confirmed to be co-expressed with (Fig. 13a). ZEB1 is known to act as a regulator in relation to TGF-β signaling and thus is involved in numerous cellular processes including EMT. In addition, when the expression levels of ZEB1, E-cadherin and vimentin in the Gx0 experimental group and the Gx0.5 experimental group were confirmed by immunofluorescence staining, it was confirmed that the expression levels were increased in the early stages of cell migration and EMT. In the Gx0 experimental group, the expression level of vimentin was stronger in the periphery, and it was confirmed that the expression level of ZEB1 was not only stronger in migratory cells (white arrow in FIG. 13b) but also weaker in the expression level of E-cadherin. . In contrast, in the Gx0.5 experimental group, ZEB1 expression sites were dispersed (white arrow in Fig. 13c), but it was confirmed that E-cadherin was intensively expressed inside the colony (Figs. 13b and 13c).

이러한 결과는 PCR 결과와도 일치하여, EMT 진행을 유도하는 주요 유전자인 ZEB1 및 E-cadherin 전사를 억제하는 SLUG 유전자 모두가 Gx0.5 실험군에서 하향조절되는 것으로 확인하였다. 이러한 결과는 Gx0 실험군에서 기질과 연관된 세포 이동 및 EMT의 유도가 증가함을 나타내며, 이는 Gx0.5에서 확인한 바와 같이 FDM의 강도가 증가함에 따라 억제될 수 있음을 확인하였다.These results were consistent with the PCR results, and it was confirmed that both ZEB1, a major gene inducing EMT progression, and the SLUG gene, which suppresses E-cadherin transcription, were downregulated in the Gx0.5 experimental group. These results indicate that the induction of matrix-related cell migration and EMT increased in the Gx0 experimental group, which could be inhibited as the strength of FDM increased as confirmed in Gx0.5.

국소접착(focal adhesion)과 관련된 유전자 발현 수준의 변화 확인Identification of changes in gene expression levels related to focal adhesion

세포 부착 및 integrin 및 단백질 인산화효소와 같은 신호 전달물질은 hPSC의 국소 접착 및 행동에 있어서 주요 조절 인자로서 알려져 있어, 본 발명자들은 국소 접착과 관계된 84개의 유전자를 추가로 선별해 이의 발현 양상을 확인하였다. EMT 어레이에서와 유사하게, Gx0에서 배양된 hPSC에서 국소 접착과 연관된 유전자 대부분의 발현이 증가하였고, 이러한 발현 수준의 차이는 대조군인 mTeSRTM-1에 비해 확연히 증가하는 차이를 나타내었다(도 14). 유전자 발현의 차이를 분석하여, ITGAV과 같이 integrin과 관련된 다양한 유전자 뿐 아니라 이의 subunit인 ITGB1 (fibronectin) 및 ITGB3 (vitronectin) 또한 Gx0 실험군에서 강하게 발현되는 것을 확인하였으며, 이 외에도 focal adhesion kinase (FAK) 신호전달경로 및 이의 하위 타겟 유전자인 AKT 또한 발현 상향조절되는 것을 확인하였다(도 15). 추가로, 2배 이상의 차이를 나타내는 유전자 중에서, 세포 이동 및 분화에서 다양한 역할을 하는 것으로 알려져 있는 유전자인, CRK 유전자는 Gx0 실험군에서 발현 수준이 강하게 증가하는 것으로 확인하였다(도 16).Cell adhesion and signal transmitters such as integrin and protein kinase are known as major regulators in local adhesion and behavior of hPSCs, so the present inventors further selected 84 genes related to local adhesion and confirmed their expression patterns. . Similar to the EMT array, the expression of most genes associated with local adhesion was increased in hPSC cultured in Gx0, and the difference in expression level showed a significantly increased difference compared to the control, mTeSR TM -1 (Fig. 14). . By analyzing the difference in gene expression, it was confirmed that various genes related to integrin, such as ITGAV, as well as its subunits ITGB1 (fibronectin) and ITGB3 (vitronectin) were strongly expressed in the Gx0 experimental group. In addition, focal adhesion kinase (FAK) signal It was confirmed that the expression of the transduction pathway and its sub-target gene, AKT, was also upregulated ( FIG. 15 ). In addition, it was confirmed that the expression level of the CRK gene, which is a gene known to play various roles in cell migration and differentiation, among the genes showing a 2-fold or more difference, was strongly increased in the Gx0 experimental group ( FIG. 16 ).

현재까지 신호 전달을 조절하는 메커니즘이 완전히 전부 알려져지지는 않았지만, 국소 구착과 관련된 유전자 조절 네트워크는 Gx0 상에서 배양된 hPSC에서 세포 부착 및 이동능에 대하여 관여하는 반응이 축적되는 것을 통해, 관련 유전자의 발현 수준이 변화하는 것을 나타내는 것으로 이해할 수 있으며, 본 발명에서는 이를 기능적 분석 및 EMT 분석을 통해 확인하였다(도 17). 이러한 결과를 통해, Gx0에서 배양된 hPSC는 세포 부착, 이동 및 분화를 유도하는 어떠한 신호 물질의 발현이 증가되는 반면, Gx0.5 실험군에서는 세포 부착 및 이동능에 관련된 신호 전달이 유의적으로 변화되는 것으로 확인하였다.Although the mechanisms regulating signal transduction are not fully understood to date, the gene regulatory network involved in local adherence can be achieved through the accumulation of responses related to cell adhesion and motility in hPSCs cultured on Gx0, expression levels of related genes. It can be understood as indicating this change, and in the present invention, this was confirmed through functional analysis and EMT analysis (FIG. 17). Through these results, it was found that hPSC cultured in Gx0 increased the expression of any signal substances that induce cell adhesion, migration and differentiation, whereas in the Gx0.5 experimental group, signal transduction related to cell adhesion and migration ability was significantly changed. Confirmed.

Gx0.5 상에서 장기간 배양된 hPSC의 특징 분석Characterization of long-term cultured hPSCs on Gx0.5

본 발명에서 제조한 FDM 및 X-FDM 중에서, Gx0.5가 hPSC의 배양을 위해 가장 최적화된 매트릭스로서 사용할 수 있는 것으로 확인하였다. Gx0.5 상에서 5 일 이상 배양된 hPSC에서도, 미분화된 hPSC의 형태적 특징이 유지될 수 있기 때문이다(도 18). 이에, 본 발명자들은 면역염색을 수행하여 전분화능 마커인 OCT4, SSEA4, TRA-1-60 및 SOX2의 발현 수준을 확인하였다. 그 결과, 5 번의 계대배양을 한 콜로니에서도 OCT4의 발현 수준이 강하게 나타나는 것을 확인하였다(도 19a). OCT4 발현 수준을 정량적으로 분석한 결과, Gx0.5 상에서 배양된 hPSC는 계대배양을 3 회 반복할 때부터 OCT4의 발현 수준이 다소 감소하였으나, 이후부터 다시 OCT4의 발현이 증가하여 최대 92% 수준까지 회복되는 것을 확인하였다. 이러한 경향은 Gx0의 경우에서는 나타나지 않았으며, 각각의 계대배양 차수가 진행될 때마다 OCT4의 발현 수준이 급감하는 것을 확인하였다(도 19b). 이 외의 전분화능 마커인 SSEA4, TRA-1-60 및 SOX2의 경우에도, 10 회의 계대배양을 진행할 때에도 Gx0.5 실험군 내에서 강하게 발현되는 것을 확인하였다(도 20). Among the FDMs and X-FDMs prepared in the present invention, it was confirmed that Gx0.5 could be used as the most optimized matrix for hPSC culture. This is because, even in hPSCs cultured on Gx0.5 for 5 days or more, the morphological characteristics of undifferentiated hPSCs can be maintained ( FIG. 18 ). Accordingly, the present inventors performed immunostaining to confirm the expression levels of pluripotency markers OCT4, SSEA4, TRA-1-60 and SOX2. As a result, it was confirmed that the expression level of OCT4 was strongly expressed even in colonies that were subcultured 5 times (FIG. 19a). As a result of quantitatively analyzing the OCT4 expression level, the expression level of OCT4 in hPSC cultured on Gx0.5 decreased slightly from the time the subculture was repeated 3 times. recovery was confirmed. This trend was not observed in the case of Gx0, and it was confirmed that the expression level of OCT4 decreased sharply with each subculture order ( FIG. 19b ). In the case of other pluripotency markers SSEA4, TRA-1-60, and SOX2, it was confirmed that they were strongly expressed in the Gx0.5 experimental group even when subcultures were performed 10 times (FIG. 20).

hPSC를 배양하여 형성된 배양체(embryoidbody, EB)를 면역형광염색하여 AFP, TuJ1 및 PECAM의 발현 여부를 확인해, EB가 내배엽, 중간엽 및 외배엽의 3 종류 계통으로 분화할 수 있는 분화능을 유지하는지 확인하였다(도 19c). 또한, 염색체 분석을 통해 세포가 정상 세포의 핵형을 유지하고 있음을 확인하였다(도 19d). 추가적으로, 면역결핍마우스에 기형종 형성을 유도하고, 형성된 기형종에 대하여 조직화학면역 분석을 수행한 결고, Gx0.5 실험군에서 내배엽, 중간엽 및 외배엽 계통으로 분화할 수 있는 전분화능을 유지하는 것으로 확인하였다(도 19e). Immunofluorescence staining of the embryoidbody (EB) formed by culturing hPSCs was performed to confirm the expression of AFP, TuJ1, and PECAM, and it was confirmed whether the EB maintains the differentiation ability to differentiate into three types of lineages: endoderm, mesenchymal and ectoderm. (Fig. 19c). In addition, it was confirmed that the cells maintained the karyotype of normal cells through chromosome analysis (FIG. 19d). In addition, the result of inducing teratoma formation in immunodeficient mice and performing histochemical immunoassay on the formed teratoma, and maintaining the pluripotency to differentiate into endoderm, mesenchymal and ectoderm lineages in the Gx0.5 experimental group was confirmed (FIG. 19e).

<110> Konkuk University Glocal Industry-Academic Collaboration Foundation KOREA INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY <120> A Cross-linked extracellular matrix and a Culturing method of human pluripotent stem cell using thereof <130> 1062881 <160> 10 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_OCT4_F <400> 1 aactcgagca atttgccaag ctcc 24 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_OCT4_R <400> 2 ttcgggcact gcaggaacaa attc 24 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_E-cadherin_F <400> 3 cgagagctac acgttcacgg 20 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_E-cadherin_R <400> 4 gggtgtcgag ggaaaaatag g 21 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_N-cadherin_F <400> 5 tcacagattc gggtaatcct c 21 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_N-cadherin_R <400> 6 tgcagctggc tcaagtcata 20 <210> 7 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_Vimentin_F <400> 7 aagtttgctg acctctctga ggct 24 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_Vimentin_R <400> 8 ttccattttc acgcatctgg cgtttc 26 <210> 9 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_GAPDH_F <400> 9 gtggggcgcc ccaggcacca gggc 24 <210> 10 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_GAPDH_R <400> 10 ctccttaatg tcacgcacga tttc 24 <110> Konkuk University Glocal Industry-Academic Collaboration Foundation KOREA INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY <120> A Cross-linked extracellular matrix and a Culturing method of human pluripotent stem cells using them <130> 1062881 <160> 10 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_OCT4_F <400> 1 aactcgagca atttgccaag ctcc 24 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_OCT4_R <400> 2 ttcgggcact gcaggaacaa attc 24 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_E-cadherin_F <400> 3 cgagagctac acgttcacgg 20 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_E-cadherin_R <400> 4 gggtgtcgag ggaaaaatag g 21 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_N-cadherin_F <400> 5 tcacagattc gggtaatcct c 21 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_N-cadherin_R <400> 6 tgcagctggc tcaagtcata 20 <210> 7 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_Vimentin_F <400> 7 aagtttgctg acctctctga ggct 24 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_Vimentin_R <400> 8 ttccattttc acgcatctgg cgtttc 26 <210> 9 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_GAPDH_F <400> 9 gtggggcgcc ccaggcacca gggc 24 <210> 10 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer_GAPDH_R <400> 10 ctccttaatg tcacgcacga tttc 24

Claims (5)

i) 섬유아세포(fibroblast)를 포화 상태로 배양하는 단계;
ii) 상기 단계 i)에서 배양한 세포를 탈세포화하여 세포외 기질(extra-cellular matrix, ECM)을 수득하는 단계;
iii) 상기 단계 ii)에서 수득한 ECM에 가교결합제(cross-linker)로 제니핀(genipin)을 0.5%(w/v) 내지 2.0%(w/v)의 농도로 처리하여 기질간 가교결합을 유도하는 단계; 및
iv) 상기 단계 iv)에서 가교결합된 ECM을 수득하는 단계;를 포함하는, 인간배아줄기세포 배양용 세포외 기질의 제조 방법.
i) culturing fibroblasts in a saturated state;
ii) decellularizing the cells cultured in step i) to obtain an extra-cellular matrix (ECM);
iii) Treating the ECM obtained in step ii) with genipin at a concentration of 0.5% (w/v) to 2.0% (w/v) as a cross-linker to prevent cross-linking between substrates inducing; and
iv) obtaining the cross-linked ECM in step iv);
삭제delete 삭제delete 제 1항의 방법으로 제조된 ECM에 인간 배아줄기세포를 접종하고 배양하는 단계;를 포함하는, 인간 배아줄기세포의 배양 방법.
A method of culturing human embryonic stem cells, including; inoculating and culturing human embryonic stem cells in the ECM prepared by the method of claim 1 .
제 4항에 있어서, 상기 배양 방법은 인간 배아줄기세포를 미분화 상태로 유지하면서 세포의 증식을 유도하는 방법인 것을 특징으로 하는, 인간 배아줄기세포의 배양 방법.
The method of claim 4, wherein the culture method is a method of inducing proliferation of human embryonic stem cells while maintaining them in an undifferentiated state.
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